一種距離測量裝置及其測量方法及實際距離測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及距離測量技術(shù)，特別設(shè)及基于有源應(yīng)答的距離測量裝置及其測量方法 及實際距離測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 距離測量技術(shù)是一項基礎(chǔ)測量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于人類日常生活中，其測量精度是 非常重要的指標，特別是在邊坡跨塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域，往往要求距離測 量精度極高。全站儀、水準儀等光學(xué)測距儀器雖然測距精度很高，但是并沒有大規(guī)模應(yīng)用于 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測之中，原因一方面是因為運些光學(xué)儀器在惡劣天氣環(huán)境中無法正常使用，另 一方面運些儀器成本較高，而且不能實現(xiàn)自動化控制測量。目前尚未出現(xiàn)成熟的地質(zhì)災(zāi)害 監(jiān)測系統(tǒng)，主要是因為現(xiàn)有技術(shù)均不能同時兼顧測量精度高、作用距離遠、在惡劣氣象環(huán)境 下正常運行等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備的Ξ大要素。
[0003] 美國專利US7, 504, 992B2公開了一種用于滑坡監(jiān)測的微位移測量裝置和方法， 測量裝置分為詢問機和應(yīng)答機，它們的結(jié)構(gòu)相同，但是工作在不同的工作模式，其中詢問機 首先向應(yīng)答機發(fā)射一段連續(xù)波信號，應(yīng)答機利用放大器和射頻延遲線將接收到的信號延時 后反饋回給詢問機，而詢問機通過測量和比較應(yīng)答機轉(zhuǎn)發(fā)的射頻信號相位變化來獲取兩者 之間的相對距離變化，該方法中應(yīng)答機不包含時鐘源，因此回避了有源應(yīng)答測距系統(tǒng)中的 時鐘同步問題，但是由于采用射頻延遲線實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)延時，要實現(xiàn)大的延遲就會增大應(yīng)答機 的體積，而且延時的大小是固定的，不能靈活設(shè)置。
[0004] 美國專利US8, 644, 768B2公開了一種無線電網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點之間測距方法與裝 置，在該專利中，測距裝置由詢問機和應(yīng)答機組成，詢問機和應(yīng)答機中分別具有獨立的參考 時鐘發(fā)生器和鎖相環(huán)，在一次測量中雙方鎖相環(huán)產(chǎn)生的射頻信號具有固定的頻率差，詢問 機首先向應(yīng)答機發(fā)送射頻信號，應(yīng)答機接收信號并與本地鎖相環(huán)輸出的信號混頻得到頻率 固定的差頻信號，應(yīng)答機根據(jù)本地參考時鐘測量差頻信號的相位，然后交換角色，應(yīng)答機發(fā) 射射頻信號，詢問機測量接收信號降頻處理后的差頻信號的相位，雙方各測得一個相位值 W后同時按固定頻率步進值改變各自本地鎖相環(huán)的輸出頻率，重復(fù)之前測量兩個相位值的 過程再次得到兩個相位值，如此步進發(fā)射信號頻率值，測得一組相位值來解算詢問機與應(yīng) 答機之間的距離。該專利所公開的測距方法需要往復(fù)發(fā)射多次測距信號，因此該方法測距 需要的時間較長，測量的動態(tài)性能很差。
[0005] 美國專利US8, 094, 061B2公開了一種微波相位測距的方法，主設(shè)備采用正交調(diào)制 來產(chǎn)生與本地信號源固定相位差的射頻信號并發(fā)射出去，從設(shè)備接收射頻信號并經(jīng)正交解 調(diào)后測出接收信號與本地信號源的相位差，然后交換角色，從設(shè)備產(chǎn)生與本地信號源固定 相位差的射頻信號向主設(shè)備發(fā)射，主設(shè)備接收射頻信號并再測出一個相位差，利用四個相 位值及射頻信號頻率來計算兩個設(shè)備之間的距離。運種方法需要主、從兩個設(shè)備交換相位 差和頻率數(shù)據(jù)來解算兩者間的距離，因此需要額外的通信信道。
[0006] 上述現(xiàn)有的雙節(jié)點有源應(yīng)答式測距技術(shù)中，兩設(shè)備間的收發(fā)同步問題采用了固定 延遲線或兩設(shè)備間交替收發(fā)技術(shù)來解決的，存在著設(shè)備體積大或測距時間長、動態(tài)性能差 的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種距離測量裝置， 利用該裝置可W高精度測量出應(yīng)答機和詢問機之間的實際距離。本發(fā)明還提供了利用該裝 置的距離測量方法及實際距離測量方法。
[0008] 本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是： 一種距離測量裝置，包括詢問機和應(yīng)答機，所述詢問機包括：T/R組件A、調(diào)制解調(diào)模塊 A、 基帶信號采集模塊A、基帶信號生成模塊A、控制器AW及與控制器A連接的存儲器A; T/R組件A用于接收和發(fā)送射頻信號；調(diào)制解調(diào)模塊A用于從T/R組件A中接收射頻 信號并解調(diào)成I、Q兩路模擬基帶信號發(fā)送給基帶信號采集模塊A，并從基帶信號生成模塊 A中接收I、Q兩路模擬基帶信號并調(diào)制成射頻信號發(fā)送給T/R組件A;基帶信號采集模塊A 用于將調(diào)制解調(diào)模塊A輸出的I、Q兩路模擬基帶信號轉(zhuǎn)化為I、Q兩路數(shù)字基帶信號并發(fā)送 給控制器A;基帶信號生成模塊A用于將控制器A發(fā)送的I、Q兩路數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成I、 Q兩路模擬基帶信號并發(fā)送給調(diào)制解調(diào)模塊A;控制器A用于將存儲器A中存儲的I、Q兩路 數(shù)字基帶信號發(fā)送給基帶信號生成模塊A，從基帶信號采集模塊A接收I、Q兩路數(shù)字基帶 信號，并根據(jù)接收的數(shù)字基帶信號和從存儲器A中讀取的數(shù)字基帶信號計算應(yīng)答機與詢問 機的距離； 所述應(yīng)答機包括：T/R組件B、調(diào)制解調(diào)模塊B、基帶信號采集模塊B、基帶信號生成模塊 B、 包絡(luò)檢波器、控制器BW及與控制器B連接的存儲器B;所述控制器B具有延時時間預(yù)設(shè) 模塊，延時時間預(yù)設(shè)模塊用于設(shè)置應(yīng)答機的信號發(fā)送延時時間； T/R組件B用于接收和發(fā)送射頻信號；調(diào)制解調(diào)模塊B用于從T/R組件B中接收射頻信 號并解調(diào)成I、Q兩路模擬基帶信號發(fā)送給基帶信號采集模塊B，并從基帶信號生成模塊B中 接收I、Q兩路模擬基帶信號并調(diào)制成射頻信號發(fā)送給T/R組件B;基帶信號采集模塊B用于 將調(diào)制解調(diào)模塊B輸出的I、Q兩路模擬基帶信號轉(zhuǎn)化為I、Q兩路數(shù)字基帶信號并發(fā)送給控 制器B;基帶信號生成模塊B用于將控制器B發(fā)送的I、Q兩路數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成I、Q兩 路模擬基帶信號并發(fā)送給調(diào)制解調(diào)模塊B;控制器B用于從基帶信號采集模塊B接收I、Q兩 路數(shù)字基帶信號存儲到存儲器B中，并在到達延時時間后讀取存儲器B中的I、Q兩路數(shù)字 基帶信號發(fā)送給基帶信號生成模塊B;所述包絡(luò)檢波器的輸入端連接調(diào)制解調(diào)模塊B、輸出 端連接控制器B，用于檢測詢問機信號是否來臨，并在詢問機信號來臨時產(chǎn)生一個觸發(fā)信號 輸出至控制器B，觸發(fā)控制器B啟動基帶信號采集模塊B開始采集模擬基帶信號；此處所述 的采集模擬基帶信號就是指基帶信號采集模塊B將調(diào)制解調(diào)模塊B輸出的I、Q兩路模擬基 帶信號轉(zhuǎn)化為I、Q兩路數(shù)字基帶信號并發(fā)送給控制器B，該過程就是基帶信號采集模塊B采 集模擬基帶信號的過程。本技術(shù)方案中，距離測量裝置能夠通過預(yù)設(shè)參數(shù)來控制應(yīng)答機的 轉(zhuǎn)發(fā)信號的延時時間長短，延時時間可W靈活設(shè)置，還可W采用不同延時區(qū)分不同應(yīng)答機， 因此能夠在大量應(yīng)答機情形下保持高動態(tài)性，可W高精度測量出應(yīng)答機和詢問機之間的距 離。
[0009] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述T/R組件B和T/R組件A的結(jié)構(gòu)相同，均包括天 線、收發(fā)開關(guān)、低噪聲放大器、功率放大器W及2個帶通濾波器；收發(fā)開關(guān)與天線相連，用于 控制發(fā)射射頻信號和接收射頻信號的切換，一個帶通濾波器連接在收發(fā)開關(guān)的輸出端與低 噪聲放大器的輸入端之間，功率放大器連接在另一個帶通濾波器的輸出端與收發(fā)開關(guān)的輸 入端之間。
[0010] 作為本發(fā)明的又一改進，所述調(diào)制解調(diào)模塊A包括本振FSU0/90。功分器G1、正 交解調(diào)器A和正交調(diào)制器A;0/90°功分器G1的輸入端連接本振FS1的輸出端； 正交解調(diào)器A包括I路混頻器化1、Q路混頻器化2、I路帶通濾波器BPF13、Q路帶通 濾波器BPF14、I路放大器F11、Q路放大器F12,I路混頻器化1、Q路混頻器化2的信號輸 入端均與T/R組件A的輸出端相連，I路混頻器H11的本振輸入端連接0/90°功分器G1的 0°直通端口，Q路混頻器化2的本振輸入端連接0/90。功分器G1的90。移相輸出端口； I路帶通濾波器BPF13的輸入端連接I路混頻器化1的輸出端、輸出端連接I路放大器F11 的輸入端；Q路帶通濾波器BPF14的輸入端連接Q路混頻器H12的輸出端、輸出端連接Q路 放大器F12的輸入端； 正交調(diào)制器A包括I路混頻器化3、Q路混頻器化4、加法器A1，I路混頻器化3、Q路混 頻器H14的信號輸入端與基帶信號生成模塊A的輸出端相連，I路混頻器H13的本振輸入 端連接0/90°功分器G1的0°直通端口，Q路混頻器H14的本振輸入端連接0/90°功分器 G1的90°移相輸出端口；I路混頻器化3、Q路混頻器化4的輸出端各連接加法器A1的一 個輸入端，加法器A1的輸出端直接連接T/R組件A的輸入端； 所述調(diào)制解調(diào)模塊B包括本振FS2、0/9〇D功分器G2、正交解調(diào)器B和正交調(diào)制器B; 0/90°功分器G2的輸入端連接本振FS2的輸出端； 正交解調(diào)器B包括I路混頻器肥1、Q路混頻器肥2、I路帶通濾波器BPF23、Q路帶通 濾波器BPF24、I路放大器F21、Q路放大器F22,I路混頻器肥1、Q路混頻器肥2的信號輸 入端均與T/R組件B的輸出端相連，I路混頻器肥1的本振輸入端連接0/90°功分器G2的 0°直通端口，Q路混頻器肥2的本振輸入端連接0/90。功分器G2的90。移相輸出端口； I路帶通濾波器BPF23的輸入端連接I路混頻器肥1的輸出端、輸出端連接I路放大器F21 的輸入端；Q路帶通濾波器BPF24的輸入端連接Q路混頻器肥2的輸出端、輸出端連接Q路 放大器F22的輸入端； 正交調(diào)制器B包括I路混頻器肥3、Q路混頻器肥4、加法器A2,1路混頻器肥3、Q路混 頻器肥4的信號輸入端均與基帶信號生成模塊B的輸出端相連，I路混頻器肥3的本振輸 入端連接0/90 °功分器G2的0 °直通端口，Q路混頻器肥4的本振輸入端連接0/90 °功分 器G2的90°移相輸出端口；I路混頻器肥3、Q路混頻器肥4的輸出端各連接加法器A2的 一個輸入端，加法器A2的輸出端直接連接T/R組件B的輸入端。
[0011] 進一步，所述基帶信號采集模塊A與基帶信號生成模塊A的轉(zhuǎn)換時鐘相同，且與調(diào) 制解調(diào)模塊A中的本振FS1同源或者直接由本振FS1分頻獲得；基帶信號采集模塊B與基帶 信號生成模塊B的轉(zhuǎn)換時鐘相同，且與調(diào)制解調(diào)模塊B中的本振FS2同源，或者直接由本振 FS2分頻獲得。本技術(shù)方案中，應(yīng)答機中正交解調(diào)與調(diào)制同本振，且基帶信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換、 模數(shù)轉(zhuǎn)換時鐘與本振相干，應(yīng)答機的接收信號在經(jīng)過正交解調(diào)、采集存儲、延時、提取恢復(fù)、 正交調(diào)制運一系列處理后變換為應(yīng)答機的轉(zhuǎn)發(fā)信號，該轉(zhuǎn)發(fā)信號與接收信號僅存在相位變 化，兩者的相位差僅與傳播延時和預(yù)設(shè)的延時時間有關(guān)，與詢問機和應(yīng)答機之間的時鐘同 步誤差無關(guān)，且本地時鐘不影響信號相干性，因此測距精度高。
[0012] 進一步，所述控制器A和控制器B均具有兩個基帶信號輸入端口和兩個基帶信號 輸出端口； 所述基帶信號采集模塊A和基帶信號采集模塊B結(jié)構(gòu)相同，均包括兩路同步采樣的A/D轉(zhuǎn)換器；基帶信號采集模塊A的兩個A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端連接調(diào)制解調(diào)模塊A的輸出端、 輸出端連接控制器A，將調(diào)制解調(diào)模塊A輸出的I、Q兩路模擬基帶信號分別轉(zhuǎn)化為I、Q兩 路數(shù)字基帶信號后傳輸至控制器A;基帶信號采集模塊B的兩個A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端連接 調(diào)制解調(diào)模塊B的輸出端，輸出端連接控制器B，將調(diào)制解調(diào)模塊B輸出的I、Q兩路模擬基 帶信號分別轉(zhuǎn)化為I、Q兩路數(shù)字基帶信號后傳輸至控制器B; 所述基帶信號生成模塊A與基帶信號生成模塊B結(jié)構(gòu)相同，均包括兩路同步轉(zhuǎn)換的D/A轉(zhuǎn)換器和兩個帶通濾波器；基帶信號生成模塊A的兩路D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端連接控制器A 且各連接到一個基帶信號輸出端口上，輸出端各通過一個帶通濾波器連接調(diào)制解調(diào)模塊A， 分別將控制器A發(fā)送的I、Q兩路數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成I、Q兩路模擬基帶信號，并發(fā)送至調(diào) 制解調(diào)模塊A中；基帶信號生成模塊B的兩路D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端連接控制器B且各連接 到一個基帶信號輸出端口上，輸出端各通過一個帶通濾波器連接調(diào)制解調(diào)模塊B，分別將控 制器B發(fā)送的