一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距精度的方法
2023-05-26 00:39:46
專利名稱：一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距精度的方法
技術領域：
本發明涉及一種梯形波調製方法，特別涉及一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距系統精度的方法，屬於調頻連續波測距領域。
背景技術：
調頻連續波測距的原理是發射信號頻率按照某種調製波形變化，發射信號在碰到目標後產生回波，由於回波信號滯後，回波信號頻率和發射信號頻率之間存在差頻，該差頻和目標距離之間存在固定關係，準確檢測該差頻即可準確測距。目前常用於調頻連續波測距系統的調製方式主要有線性調頻和非線性調頻兩大類。其中線性調頻主要包括鋸齒波調頻和三角波調頻，即發射信號頻率按照鋸齒波或者三角波規律變化，其差頻頻率和目標距離有簡單的對應關係，方便測距。但是該類調製波形都 有轉折點，差頻信號在對應處有不規則區，如圖I中區域4所示。實際工程中該不規則區時間很短，差頻急劇變化。按調頻測距系統的結構，差頻信號之後要經過模擬帶通濾波器，通常情況下，由於實現困難和誤差，該濾波器的群延遲響應不是常數，即不同頻率的信號經過該濾波器的延遲不同。則差頻信號經過該濾波器時，由於不規則區內頻率急劇變化，每個時刻信號延遲都不同，所以經過該濾波器後，不規則區附近會發生不同頻率信號相互混疊，產生不期望的衝擊信號，對之後的規則區差頻信號造成影響。而規則區的差頻信號質量直接影響到測頻測距精度。非線性調製主要是正弦波調製，即發射信號頻率按正弦波的規律變化，其差頻頻率與目標距離之間不是線性關係，測距精度不高，還存在嚴重的距離模糊。
發明內容
本發明要解決的技術問題是利用梯形調製波減弱調製波形轉折點所產生的衝擊信號對差頻信號規則區的影響，提高測距精度。本發明公開的一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距精度的方法，利用梯形調製波特點減弱調製波形轉折點所產生的衝擊信號對差頻信號規則區的影響，可提高調頻連續波測距精度。本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明公開的一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距精度的方法，發射信號頻率按照梯形調製波形變化，發射信號在碰到目標後產生滯後的回波，回波信號頻率和發射信號頻率之間存在差頻，利用差頻信號頻率和目標距離的對應關係測距。所述的梯形調製波形在一個周期內由一個上升段、一個高平坦段、一個下降段和一個低平坦段組成，上一段的終點和下一段的起點相接。上升段為一斜率為正的斜線，下降段為一斜率為負的斜線，兩個平坦段是直線，其中上升段、高平坦段和下降段組成一個正立的梯形，下降段、低平坦段和下個周期的上升段組成一個倒立的梯形。所述的梯形調製波形經過數字模擬轉換器DAC轉換成模擬信號，再經放大器放大，驅動壓控振蕩器VCO產生調頻發射信號，其頻率按上述的梯形調製波形變化。梯形調製波形回波信號頻率和發射信號頻率之間存在差頻，梯形調製波形回波信號和發射信號通過混頻器得到差頻信號，所述的差頻信號也是周期性的，所述的一個周期內差頻信號區域劃分如下，第一規則區對應發射信號調製波形的上升段的時間內差頻信號頻率是直線且為正值；第一不規則區對應調製波形上升段和高平坦段轉折點的時間內，差頻信號頻率線性下降；第二規則區對應調製波形的高平坦段的時間內差頻信號頻率是直線且為零；第二不規則區對應調製波形高平坦段和下降段轉折點的時間內，差頻信號頻率線性下降；第三規則區對應調製波形的下降段的時間內差頻信號頻率是直線且為負值；第三不規則區對應調製波形下降段和低平坦段轉折點的時間內，差頻信號頻率線性上升；第四規則區對應調製波形的低平坦段的時間內差頻信號頻率是直線且為零；第四不規則區對應調製波形低平坦段和下一周期上升段的轉折點的時間內，差頻信號頻率線性上升。從差頻信號中把第一規則區和第三規則區部分信號取出，而將其餘部分信號去除；可利用數字處理晶片實現從差頻信號中把第一規則區和第三規則區部分信號取出，將其餘部分信號去除。所述的數字處理晶片可為數位訊號處理器DSP、可編程邏輯門陣列FPGA或計算機等。對取出的信號做頻譜分析得到第一規則區內和第三規則區內的差頻信號頻率，其中第一規則區內和第三規則區內的差頻信號頻率和目標距離有的對應關係如公式R=fbTmc/(8 AF), fb為差頻信號頻率，ΔF是調製頻偏，c是光速，Tm為調製周期，第一規則區和第三規則區的時間分別STm/4。這兩個個時間段內的差頻信號可以用來測距；第二規則區·則區內的差頻信號頻率線性下降或上升，與目標距離沒有對應關係，也不能用於測距。所述的梯形波調製波形對應的差頻信號的第一不規則區在經過濾波器後產生的衝擊信號會落在第二規則區內，第二規則區並不能用來測距，所以對測距精度無影響。第二不規則區在經過濾波器後產生的衝擊信號會落在第三規則區內，第三規則區需要用來測距，所以對測距精度有影響。由於該梯形波調製波形對應的差頻信號的第一不規則區和第二不規則區，等價於同樣調製頻偏的三角波或鋸齒波調製波形對應的差頻信號的一個不規則區，所以差頻信號頻率下降或上升的幅度僅有後者的一半。所以上述第二不規則區對測距精度的影響僅有同樣調製頻偏的三角波或鋸齒波調製波形對應的差頻信號的一個不規則區對測距精度的影響的一半。有益效果本發明公開的一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距精度的方法，利用梯形調製波信號特點，減弱調製波形轉折點所產生的衝擊信號對差頻信號規則區的影響，改善了用於後續測距算法的差頻信號的質量，可提高調頻連續波測距精度。
圖I是目前已有的線性調頻方式(以三角波為例)的發射信號、回波信號和差頻信號頻率示意圖；圖2是本發明提出的梯形波調製方法的發射信號、回波信號和差頻信號頻率示意圖。其中1 一三角波調製時發射信號頻率曲線、2—三角波調製時回波信號頻率曲線、3一二角波調製時的頻率轉折點、4 一二角波調製時差頻信號不規則區、5 一二角波調製時差頻號頻率曲線、6—上升段、7—第一轉折點、8 —聞平坦段、9 一第二轉折點、10—下降段、11一低平坦段、12—下一周期的上升段、13—發射信號頻率曲線、14 一梯形波調製的回波信號頻率曲線、15—第一規則區、16—第一不規則區、17—第二規則區、18—第二不規則區、19—第三規則區、20—第三不規則區、21—第四規則區、22—第四不規則區、23—下一周期的第一規則區、24—梯形波調製時差頻信號頻率變化曲線。
具體實施例方式實施例本實施例公開的一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距精度的方法，發射信號頻率按照梯形調製波形變化，發射信號在碰到目標後產生滯後的回波，回波信號頻率和發射信號頻率之間存在差頻，利用差頻信號頻率和目標距離的對應關係測距。如圖2所示，所述的梯形調製波形在一個周期內由上升段6、高平坦段8、下降段10和低平坦段11組成，上一段的終點和下一段的起點相接。上升段6為一斜率為正的斜線，下降段10為一斜率為負的斜線，兩個平坦段8和11是直線，其中上升段6、高平坦段8和下降段10組成一個正 立的梯形，下降段10、低平坦段11和下一周期的上升段12組成一個倒立的梯形。所述的梯形調製波形經過數字模擬轉換器DAC轉換成模擬信號，再經放大器放大，驅動壓控振蕩器VCO產生調頻發射信號，其頻率按上述的梯形調製波形變化。梯形調製波形回波信號頻率和發射信號頻率之間存在差頻，梯形調製波形回波信號和發射信號通過混頻器得到差頻信號，所述的差頻信號也是周期性的，所述的一個周期內差頻信號區域劃分如下，如圖2所示，第一規則區15對應發射信號調製波形的上升段6的時間內差頻信號頻率是直線且為正值；第一不規則區16對應調製波形上升段6和高平坦段8轉折點的時間內，差頻信號頻率線性下降；第二規則區17對應調製波形的高平坦段8的時間內差頻信號頻率是直線且為零；第二不規則區18對應調製波形高平坦段8和下降段10轉折點的時間內，差頻信號頻率線性下降；第三規則區19對應調製波形的下降段10的時間內差頻信號頻率是直線且為負值；第三不規則區20對應調製波形下降段10和低平坦段11轉折點的時間內，差頻信號頻率線性上升；第四規則區21對應調製波形的低平坦段11的時間內差頻信號頻率是直線且為零；第四不規則區22對應調製波形低平坦段11和下一周期上升段12的轉折點的時間內，差頻信號頻率線性上升。從差頻信號中把第一規則區15和第三規則區19部分信號取出，而將其餘部分信號去除；可利用數字處理晶片實現從差頻信號中把第一規則區15和第三規則區19部分信號取出，將其餘部分信號去除。所述的數字處理晶片可為數位訊號處理器DSP、可編程邏輯門陣列FPGA或計算機等。對取出的信號做頻譜分析得到第一規則區15內和第三規則區19內的差頻信號頻率，其中第一規則區15內和第三規則區19內的差頻信號頻率和目標距離有的對應關係如公式，R= fbTmc/(8AF), fb為差頻信號頻率，AF是調製頻偏，c是光速，Tffl為調製周期，第一規則區15和第三規則區19的時間分別為Tm/4。這兩個個時間段內的差頻信號可以用來測距；第二規則區17和第四規則區21內的差頻信號頻率為零，與目標距離沒有對應關係，不能用於測距；四個不規則區內的差頻信號頻率線性下降或上升，與目標距離沒有對應關係，也不能用於測距。所述的梯形波調製波形對應的差頻信號的第一不規則區16在經過濾波器後產生的衝擊信號會落在第二規則區17內，第二規則區17並不能用來測距，所以對測距精度無影響。第二不規則區18在經過濾波器後產生的衝擊信號會落在第三規則區19內，第三規則區19需要用來測距，所以對測距精度有影響。由於該梯形波調製波形對應的差頻信號的第一不規則區16和第二不規則區18，等價於同樣調製頻偏的三角波或鋸齒波調製波形對應的差頻信號的一個不規則區，所以差頻信號頻率下降或上升的幅度僅有後者的一半。所以上述第二不規則區18對測距精度的影響僅有同樣調製頻偏的三角波或鋸齒波調製波形對應的差頻信號的一個不規則區對測距精度 的影響的一半。
權利要求
1.一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距精度的方法，其特徵在於具體步驟如下；發射信號頻率按照梯形調製波形變化，發射信號在碰到目標後產生滯後的回波，回波信號頻率和發射信號頻率之間存在差頻，利用差頻信號頻率和目標距離的對應關係測距；所述的梯形調製波形在一個周期內由一個上升段、一個高平坦段、一個下降段和一個低平坦段組成，上一段的終點和下一段的起點相接；上升段為一斜率為正的斜線，下降段為一斜率為負的斜線，兩個平坦段是直線，其中上升段、高平坦段和下降段組成一個正立的梯形，下降段、低平坦段和下個周期的上升段組成一個倒立的梯形；梯形調製波形回波信號頻率和發射信號頻率之間存在差頻，梯形調製波形回波信號和發射信號通過混頻器得到差頻信號，所述的差頻信號也是周期性的，所述的一個周期內差頻信號區域劃分如下，第一規則區對應發射信號調製波形的上升段的時間內差頻信號頻率是直線且為正值；第一不規則區對應調製波形上升段和高平坦段轉折點的時間內，差頻信號頻率線性下降；第二規則區對應調製波形的高平坦段的時間內差頻信號頻率是直線且為零；第二不規則區對應調製波形高平坦段和下降段轉折點的時間內，差頻信號頻率線性下降；第三規則區對應調製波形的下降段的時間內差頻信號頻率是直線且為負值；第三不規則區對應調製波形下降段和低平坦段轉折點的時間內，差頻信號頻率線性上升；第四規則區對應調製波形的低平坦段的時間內差頻信號頻率是直線且為零；第四不規則區對應調製波形低平坦段和下一周期上升段的轉折點的時間內，差頻信號頻率線性上升；從差頻信號中把第一規則區和第三規則區部分信號取出，而將其餘部分信號去除；對取出的信號做頻譜分析得到第一規則區內和第三規則區內的差頻信號頻率，其中第一規則區內和第三規則區內的差頻信號頻率和目標距離有的對應關係如公式R=fbTmc/(8 AF), fb為差頻信號頻率，ΔF是調製頻偏，c是光速，Tm為調製周期，第一規則區和第三規則區的時間分別為Tm/4。
2.根據權利要求I所述的一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距精度的方法，其特徵在於所述的梯形調製波形經過數字模擬轉換器DAC轉換成模擬信號，再經放大器放大，驅動壓控振蕩器VCO產生調頻發射信號，其頻率按權利要求I所述的梯形調製波形變化。
3.根據權利要求I或2所述的一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距精度的方法，其特徵在於利用數字處理晶片實現從差頻信號中把第一規則區和第三規則區部分信號取出，將其餘部分信號去除；所述的數字處理晶片為數位訊號處理器DSP、可編程邏輯門陣列FPGA或計算機。
全文摘要
本發明公開的一種利用梯形調製波提高調頻連續波測距精度的方法，涉及一種梯形波調製方法，屬於調頻連續波測距領域。本發明實現步驟如下發射信號頻率按照梯形調製波形變化，發射信號在碰到目標後產生滯後的回波，回波信號頻率和發射信號頻率之間存在差頻，利用差頻信號頻率和目標距離的對應關係測距。從差頻信號中把第一規則區和第三規則區部分信號取出，而將其餘部分信號去除；對取出的信號做頻譜分析得到第一規則區內和第三規則區內的差頻信號頻率，第一規則區內和第三規則區內的差頻信號頻率和目標距離有的對應關係如公式R＝fbTmc/(8ΔF)。本發明利用梯形調製波特點減弱調製波形轉折點所產生的衝擊信號對差頻信號規則區的影響，可提高調頻連續波測距精度。
文檔編號G01S17/08GK102944877SQ20121048267
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者潘曦, 徐立新, 向程勇, 王正浩, 張兆森 申請人:北京理工大學