專(zhuān)利名稱(chēng)：Fmcw測(cè)量距離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種FMCW測(cè)量距離方法。
已經(jīng)公開(kāi)了很多種測(cè)量距離的方法。本發(fā)明涉及一種非接觸測(cè)量的方法，這種方法適合測(cè)量到一個(gè)位于自由空間的目標(biāo)的距離，并且尤其適合于測(cè)量目標(biāo)的輪廓，此外還可以辨別并測(cè)量波導(dǎo)介質(zhì)中的缺陷和它內(nèi)部結(jié)構(gòu)。測(cè)量原理是發(fā)射并接收強(qiáng)度調(diào)制或頻率調(diào)制的聲波、光波或通常的電磁波，尤其在高頻領(lǐng)域內(nèi)。下面將它們稱(chēng)做發(fā)射波或接收波。
如果發(fā)射波被頻率調(diào)制，那么將通過(guò)表達(dá)式S(t)＝A·cos(2πf0t+2π∫t-∞ f(η)dη)用幅度A、載波頻率f0和頻率調(diào)制函數(shù)f(t)說(shuō)明發(fā)射信號(hào)。當(dāng)強(qiáng)度調(diào)制時(shí)，發(fā)射波采取的一般形式為s(t)＝A(t)·cos(2πνt+ε)其具有與時(shí)間相關(guān)的幅度A(t)、發(fā)射波的載波頻率ν和一個(gè)任意的相位ε。在正弦形式調(diào)幅情況下，適用A(t)＝Acos(2πf0t+2π∫t-∞f(η)dη)，其中f0現(xiàn)在是調(diào)制載波頻率，f(t)表示調(diào)制函數(shù)。在下面的實(shí)施例中，對(duì)于所有情況，頻率f0被稱(chēng)作載波頻率，頻率ν稱(chēng)作發(fā)射頻率。在頻率調(diào)制情況下，載波頻率和發(fā)射頻率是相同的。
已經(jīng)公開(kāi)的測(cè)量方法例如基于脈沖延遲方法，在這個(gè)方法中，使用時(shí)間上限制的脈沖對(duì)發(fā)射波強(qiáng)度調(diào)制，從脈沖所測(cè)量的延遲推導(dǎo)距離信息。只要脈沖到達(dá)目標(biāo)和返回的延遲小于系統(tǒng)脈沖重復(fù)時(shí)間，那么這種方法可能對(duì)感興趣的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行單值測(cè)量或?qū)σ粋€(gè)感興趣的幾何學(xué)圖形進(jìn)行單值測(cè)量。
當(dāng)脈沖重復(fù)率在KHz范圍內(nèi)時(shí)，象在典型系統(tǒng)中存在的一樣，實(shí)際中得出一個(gè)很大的單值范圍。受到生成波的發(fā)射機(jī)所能發(fā)射的短脈沖能量限制和小的統(tǒng)計(jì)效率的限制，這樣的系統(tǒng)的分辨率一般小，但由于累加很多測(cè)量脈沖，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。
與以上方法相比，同樣普遍使用的相位比較方法以高的統(tǒng)計(jì)效率并因此在短測(cè)量時(shí)間內(nèi)高準(zhǔn)確度而受到稱(chēng)贊。由于持續(xù)發(fā)射和調(diào)制波的調(diào)制所使用的周期性，自然得出由調(diào)制頻率確定限制的單值性區(qū)域。看上去要求高分辨率與大的單值性區(qū)域的要求矛盾。
脈沖延遲方法基于的測(cè)量原理的特征是使用在接收信號(hào)的所謂包絡(luò)曲線(xiàn)上的信息。通過(guò)發(fā)射信號(hào)的脈沖形式說(shuō)明包絡(luò)曲線(xiàn)。
為了高的測(cè)量分辨率，根據(jù)估算理論的結(jié)果，調(diào)制的帶寬必須盡可能的寬，這取決于盡可能短的發(fā)射脈沖。在實(shí)際系統(tǒng)中，限制了可供使用的電帶寬。這時(shí)帶寬被理解為從最大的正頻率到最小的負(fù)頻率之間的頻率范圍。這將要求以最優(yōu)方式借助于適合的調(diào)制信號(hào)利用實(shí)際系統(tǒng)的帶寬并因此設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)上有效的測(cè)量方案。
如果頻率調(diào)制中信號(hào)s(t)的頻譜能量或強(qiáng)度調(diào)制中信號(hào)A(t)的頻譜能量集中在系統(tǒng)可傳輸?shù)淖畲蟮念l率上，那么得出一個(gè)最優(yōu)利用電帶寬的方法。因?yàn)槊}沖的頻譜能量在頻域中集中在頻率源附近，雖然脈沖延遲方法能單值計(jì)算接收信號(hào)以確定想要的測(cè)量大小，可是沒(méi)有以最優(yōu)的方法利用系統(tǒng)可以利用的電帶寬。
與此相比，相位比較方法最優(yōu)利用電帶寬，它的特征是使用接收信號(hào)的所謂微結(jié)構(gòu)以獲得信息。微結(jié)構(gòu)信息包括信號(hào)相位形式的關(guān)于到達(dá)測(cè)量點(diǎn)距離所要求的信息。然而通過(guò)產(chǎn)生的多義性表明微結(jié)構(gòu)。
得到單值測(cè)量并且同時(shí)可能使波的發(fā)射機(jī)繼續(xù)工作的可能性在于調(diào)制發(fā)射信號(hào)的頻率。根據(jù)這種方法工作的系統(tǒng)稱(chēng)作FMCW系統(tǒng)，這里縮寫(xiě)FMCW從“frequency modu1ated continous wave”導(dǎo)出。例如在tm-Technisches Messen 62(1995)2，66到73頁(yè)中詳細(xì)說(shuō)明這樣的方法。已經(jīng)公開(kāi)的方法主要工作在雷達(dá)領(lǐng)域。容易想到將FMCW概念轉(zhuǎn)用到另一個(gè)頻率范圍。
在已經(jīng)提到的參考文獻(xiàn)處說(shuō)明的FMCW概念是使用自由振蕩的振蕩器產(chǎn)生一微波信號(hào)并且將它作為發(fā)射信號(hào)發(fā)射到傳輸區(qū)間，傳輸區(qū)間相當(dāng)于將被測(cè)定的自由空間的區(qū)間。用作載波的微波信號(hào)被一個(gè)持續(xù)頻率變化調(diào)制。一般可以選擇連續(xù)線(xiàn)性上升或下升的頻率變化，然而還可以預(yù)先規(guī)定一個(gè)離散上升或下降的頻率變化。
在傳輸區(qū)間被反射的信號(hào)在混合器中和發(fā)射的信號(hào)疊加，計(jì)算通過(guò)一個(gè)低頻濾波器后的混合產(chǎn)物。反射信號(hào)的延遲與將要測(cè)量的距離成比例。這種方法被歸入以上說(shuō)明的脈沖延遲方法，這里附加到脈沖的包絡(luò)曲線(xiàn)歸入到信號(hào)的頻率調(diào)制。
測(cè)定反射信號(hào)延遲的計(jì)算方法可以根據(jù)混合處理兩個(gè)不同的頻率來(lái)說(shuō)明。這時(shí)以適當(dāng)?shù)姆绞绞褂靡粋€(gè)復(fù)雜的混合處理，其中由振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)不僅不改變相位與反射信號(hào)混合而且在相移90度后和反射信號(hào)混合?；旌掀鞯奶匦韵喈?dāng)于一個(gè)模擬乘法器，在高頻技術(shù)中，這種信號(hào)處理方法作為零拍處理是已經(jīng)公開(kāi)的。
如果以f(t)圖說(shuō)明發(fā)射信號(hào)的頻率調(diào)制，那么當(dāng)線(xiàn)性頻率變化時(shí)，在頻率變化的起點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間得出一條線(xiàn)性上升的直線(xiàn)。對(duì)于反射信號(hào)得出相同的直線(xiàn)，可是在圖中相對(duì)于第一條直線(xiàn)位移相當(dāng)于延遲的距離。如果在接收反射信號(hào)后的一個(gè)確定點(diǎn)上考慮屬于兩條直線(xiàn)的頻率差，那么可以得出差頻，它一般依賴(lài)于接收信號(hào)的延遲并且因此依賴(lài)于所測(cè)量的距離。對(duì)于調(diào)制周期內(nèi)的每個(gè)時(shí)刻，差頻都相同。差頻在數(shù)量級(jí)上小于信號(hào)頻率并且因此在測(cè)量技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。只要調(diào)制周期大于延遲時(shí)間，那么距離測(cè)量就是單值的。后面接有低通濾波器的所謂的混合處理用作產(chǎn)生一個(gè)具有差頻的單頻測(cè)量信號(hào)，這里零拍信號(hào)處理不僅提供一個(gè)和差頻成比例的正弦信號(hào)還提供一個(gè)余弦信號(hào)。
在離散線(xiàn)性頻率調(diào)制中，本方法提供了在離散調(diào)制頻率中的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)的單獨(dú)取樣點(diǎn)。在一個(gè)非線(xiàn)性調(diào)制頻率變化的情況下，通過(guò)調(diào)制周期改變差頻。
為確定包含距離信息的差頻，在上邊給出的參考文獻(xiàn)處說(shuō)明另一種方法。平均相位差的方法對(duì)于不同的瞬間頻率，測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)間的相位移動(dòng)，并且在相位頻率圖上表示。如果對(duì)于測(cè)量值確定了一條補(bǔ)償直線(xiàn)，那么它的斜率和上面提到的差頻成比例并且因此與距離成比例。
為測(cè)定差頻，也可以由差頻信號(hào)的傅立葉變換實(shí)現(xiàn)。這時(shí)在頻域內(nèi)得出一個(gè)sin(x)/x函數(shù)，它的最大值位于差頻位置。
對(duì)于信號(hào)分析可以使用不同的統(tǒng)計(jì)方法，這些方法已知并且不是本發(fā)明的目的。
所有測(cè)量方法的準(zhǔn)確度依賴(lài)于在接收信號(hào)中關(guān)于發(fā)射信號(hào)的測(cè)量時(shí)間和帶寬的信噪比。另外一個(gè)參數(shù)是測(cè)量的單值性。基本任務(wù)在于盡可能獲得調(diào)制發(fā)射波和附屬接收方法和分析方法最適合的組合。其中特別追求這個(gè)組合高的統(tǒng)計(jì)效率以及測(cè)量最可能大的單值范圍。目前在技術(shù)上使用已經(jīng)公開(kāi)的FMCW方法還沒(méi)有滿(mǎn)意地解決這個(gè)問(wèn)題。
本發(fā)明基于以下任務(wù)單值的FMCW距離測(cè)量的準(zhǔn)確度在短時(shí)間內(nèi)隨著使用相位比較方法可以達(dá)到的精度增高而增高。此外應(yīng)能對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)同時(shí)測(cè)量。
這個(gè)任務(wù)在根據(jù)本發(fā)明的FMCW距離測(cè)量方法通過(guò)權(quán)利要求1的特征解決。在從屬權(quán)利要求中的特征中得出本發(fā)明優(yōu)選設(shè)計(jì)。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)在信息部分中的存在于FMCW系統(tǒng)接收信號(hào)中的信息，信息部分位于信號(hào)的包絡(luò)曲線(xiàn)上，并且使用信號(hào)的頻率調(diào)制可以返回這個(gè)信息部分，并且可以分為一個(gè)微結(jié)構(gòu)部分，該微結(jié)構(gòu)在頻率調(diào)制時(shí)，位于發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的平均的頻率的相位差中；當(dāng)強(qiáng)度調(diào)制時(shí)，位于發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的調(diào)制函數(shù)的平均頻率的相位差中。
已知的FMCW系統(tǒng)僅僅使用接收信號(hào)的包絡(luò)曲線(xiàn)信息并且因此忽略附加的供使用的微結(jié)構(gòu)信息的決定性部分。這里當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)相同時(shí)，目前所實(shí)現(xiàn)的測(cè)量性能基本上小于根據(jù)本發(fā)明方法的情況。其中從現(xiàn)在起在組合中不僅利用接收信號(hào)的包絡(luò)信息而且利用接收信號(hào)的微結(jié)構(gòu)信息，在所給的系統(tǒng)參數(shù)中，因此比目前一般的系統(tǒng)提高了幾倍測(cè)量分辨率或降低了數(shù)倍測(cè)量時(shí)間。
信號(hào)的頻率調(diào)制象已經(jīng)實(shí)施的一樣不僅可以通過(guò)載波強(qiáng)度的頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)，而且還可以通過(guò)發(fā)射波的頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)。在光學(xué)系統(tǒng)中，在這個(gè)關(guān)系上談到不相關(guān)和相關(guān)系統(tǒng)。
因?yàn)閷?duì)于準(zhǔn)確度起決定作用的主要信號(hào)信息位于載波的的微結(jié)構(gòu)信息中，所以現(xiàn)在可以選擇小的包絡(luò)曲線(xiàn)帶寬使它在同時(shí)維持測(cè)量準(zhǔn)確度的情況下，保證計(jì)算微結(jié)構(gòu)信息。這是當(dāng)(E/N0)＞＞(2πf0)2/(βT)2的情況。其中，f0是載波頻率，βT是通過(guò)頻率調(diào)制形成的包絡(luò)曲線(xiàn)的所謂的有效帶寬，E是接收信號(hào)的能量，N0是接收信號(hào)的頻譜噪聲功率密度。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，在調(diào)制參數(shù)的相應(yīng)的選擇參數(shù)中可能利用系統(tǒng)的電帶寬，上述系統(tǒng)相當(dāng)于典型的相位比較方法，并且同時(shí)保證測(cè)量的單值性。
第一步，通過(guò)確定一個(gè)參考信號(hào)和接收信號(hào)之間的時(shí)間相位差θ(t)計(jì)算包絡(luò)曲線(xiàn)和微結(jié)構(gòu)信息。在參考信號(hào)中涉及一個(gè)與發(fā)射信號(hào)有確定相位關(guān)系的信號(hào)。例如可以通過(guò)輸出耦合已調(diào)制發(fā)射信號(hào)的一部分來(lái)設(shè)置一個(gè)適合的參考信號(hào)。另外，還存在著輸出耦合對(duì)載波強(qiáng)度調(diào)制的信號(hào)的一部分設(shè)置參考信號(hào)的可能性。兩種情況下，參考信號(hào)象接收信號(hào)一樣在形成相位差前，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)電性質(zhì)的預(yù)處理網(wǎng)絡(luò)或通過(guò)波導(dǎo)媒體構(gòu)成的預(yù)處理網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)例如可以用作頻率轉(zhuǎn)化或傳輸時(shí)間延遲或者用作使用其他方法條件化信號(hào)。同樣情況下為生成參考信號(hào)使用與發(fā)射信號(hào)或調(diào)制信號(hào)同步的發(fā)生器。
為了說(shuō)明目前沒(méi)有公開(kāi)并被計(jì)算的包絡(luò)曲線(xiàn)和微結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，根據(jù)cos(2πf0t+2π∫t-∞f(η)dη)來(lái)調(diào)制發(fā)射波的強(qiáng)度或頻率，其中f(t)表示時(shí)間函數(shù)，f0表示所說(shuō)明的載波頻率或其他，載波頻率f0被時(shí)間函數(shù)f(t)調(diào)制。如果沒(méi)有普遍性限制，不考慮對(duì)于接收或參考信號(hào)預(yù)處理網(wǎng)絡(luò)的影響。然后，參考信號(hào)和接收信號(hào)間相位的時(shí)間相位差分函數(shù)θ(t)＝2πf0τ+2π∫tt-τf(η)dη，其具有在發(fā)射機(jī)、測(cè)量點(diǎn)或測(cè)量目標(biāo)和接收機(jī)間的接收信號(hào)的延遲τ。已調(diào)制發(fā)射信號(hào)的瞬間頻率f0+f(t)＝f＝+f～(t)對(duì)于任意過(guò)程可被分為直流分量f＝和一個(gè)交流分量f～(t)。這時(shí)在f＝中包含時(shí)間恒定的頻率f0和可能包含f(t)中恒定部分。因此對(duì)于時(shí)間相位差分函數(shù)θ(t)，通過(guò)較小的延遲τ積分后，得到θ(t)＝2πτ(f＝+f～(t))＝θ＝+θ～(t)，其中θ＝＝2πτf＝，θ～(t)＝2πτf～(t)。
如果已知f＝和f～(t)，那么當(dāng)已測(cè)量θ＝和θ～(t)后，因此可以通過(guò)兩個(gè)互不依賴(lài)的函數(shù)確定延遲τ。
這時(shí)，θ＝和θ～(t)是時(shí)間相位差分函數(shù)的直流分量和交流分量，不僅θ＝而且θ～(t)對(duì)于小的延遲τ線(xiàn)性依賴(lài)于延遲，所以通過(guò)計(jì)算θ＝和θ～(t)可以得到對(duì)于信號(hào)延遲兩個(gè)統(tǒng)計(jì)上不依賴(lài)的值，對(duì)于沒(méi)有限制的工業(yè)上的距離測(cè)量，考慮小的延遲τ是有效的。
對(duì)于大的延遲τ，相位差分函數(shù)被相應(yīng)的分為一個(gè)直流分量θ＝＝g’(τ，f＝)和一個(gè)交流分量θ～(t)＝g”(τ，f～(t))，當(dāng)認(rèn)識(shí)一般非線(xiàn)性的函數(shù)g’和g”以及認(rèn)識(shí)頻率直流分量和頻率交流分量時(shí)，可能再次獲得對(duì)于延遲兩個(gè)互不依賴(lài)的值。
包含在θ～(t)中的延遲信息與接收信號(hào)的包絡(luò)曲線(xiàn)一致。包含在θ＝中的延遲信息與微結(jié)構(gòu)信息一致。附屬于θ～(t)的包絡(luò)曲線(xiàn)信息是單值的，僅使用了信號(hào)中所包含信息的一小部分。通過(guò)附加考慮θ＝中包含的微結(jié)構(gòu)信息分析信號(hào)中包含的所有信息，微結(jié)構(gòu)信息一般被看作多義的。借助于包絡(luò)曲線(xiàn)信息得到一個(gè)單值的粗測(cè)，通過(guò)這種方法減小了微結(jié)構(gòu)信息的多義性，然后兩個(gè)測(cè)量值線(xiàn)形組合，單值地、準(zhǔn)確地確定信號(hào)延遲。通過(guò)這些措施，與已經(jīng)公開(kāi)的FMCW方法相比，為決定性的改善測(cè)量的準(zhǔn)確度直到達(dá)到理論界限，使用接收信號(hào)中的所有信息。
在任意調(diào)制信號(hào)情況下，通過(guò)確定時(shí)間相位差分函數(shù)的交流分量θ～(t)和調(diào)制頻率函數(shù)的交流分量f～(t)間的標(biāo)度系數(shù)測(cè)定包絡(luò)曲線(xiàn)，因此得到對(duì)延遲的粗測(cè)。微結(jié)構(gòu)信息從與調(diào)制頻率直流分量f＝聯(lián)系的相位差分函數(shù)的平均值得出。
在線(xiàn)形調(diào)制的特別情況下，瞬間頻率的交流分量說(shuō)明作為f(t)＝(fE-fA)·t/T；-T/2≤t≤T/2來(lái)說(shuō)明，它具有調(diào)制起始頻率fA，調(diào)制結(jié)束頻率fE和信號(hào)長(zhǎng)度T，然后f＝＝f0，f～(t)＝f(t)。
相位的時(shí)間差分函數(shù)內(nèi)容是然后通過(guò)小的延遲τ對(duì)調(diào)制頻率積分后θ(t)＝2πτ(f0+(fE-fA)·t/T)＝θ＝+θ～(t)，此時(shí)-T/2≤t≤6T/2其中θ＝＝2πτf0，θ～(t)＝2πτ(fE-fA)·t/T。
從包絡(luò)曲線(xiàn)信息θ～(t)和微結(jié)構(gòu)信息θ＝確定兩個(gè)延遲信息。在這種情況下，在時(shí)域中例如通過(guò)瞬間相位值的線(xiàn)形回歸實(shí)現(xiàn)。在信號(hào)長(zhǎng)度T期間得到的差分相位值θ(t)通過(guò)一個(gè)補(bǔ)償曲線(xiàn)性形化，以致另外上邊已說(shuō)明的相位直線(xiàn)的斜率和包絡(luò)曲線(xiàn)的延遲τ成比例。除載波頻率的相位測(cè)量值的平均值與從微結(jié)構(gòu)信息得到的延遲τ成比例。
從補(bǔ)償直線(xiàn)的斜率能計(jì)算第一個(gè)單值的距離值，它一般具有比較高的統(tǒng)計(jì)不可靠性。這第一個(gè)測(cè)量值接下來(lái)在單值的相位信息中折算，相位測(cè)量值的平均值位于0到2π之間，這個(gè)相位測(cè)量值的平均值累加2π直到結(jié)果值最可能的靠近由補(bǔ)償直線(xiàn)確定的值。從使用這種方法獲得的相位值中，能直接得到第二個(gè)單值的距離值，它具有顯著小的方差。為得到一個(gè)最優(yōu)的統(tǒng)計(jì)效率，兩個(gè)測(cè)量值可以相互線(xiàn)形組合成為最終有效的測(cè)量值。
對(duì)于在頻域中的計(jì)算，已知有特別的算法，例如快速傅立葉變換。
當(dāng)發(fā)射信號(hào)微小的非線(xiàn)性調(diào)制時(shí)，可以類(lèi)似的確定兩個(gè)傳輸時(shí)間信息。
下面將根據(jù)附圖中圖示的實(shí)施例說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的方法。分別是

圖1、激光支持的距離測(cè)量?jī)x的原理圖，圖2、同時(shí)測(cè)量多個(gè)測(cè)量位置的纖維光學(xué)距離測(cè)量?jī)x的原理簡(jiǎn)圖。
在圖1中，調(diào)頻發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)線(xiàn)性頻率調(diào)制信號(hào)，這個(gè)信號(hào)在功率分配器中分為發(fā)射信號(hào)和參考信號(hào)。發(fā)射信號(hào)調(diào)制作為載波的激光射線(xiàn)的強(qiáng)度。也可采用已調(diào)制激光射線(xiàn)的一部分作為參考信號(hào)。激光射線(xiàn)通過(guò)發(fā)射鏡組對(duì)準(zhǔn)沒(méi)做說(shuō)明的目標(biāo)點(diǎn)。光線(xiàn)的一部分在物體上反射或散射并且通過(guò)接收鏡組聚焦在探測(cè)器上，探測(cè)器將光接收功率轉(zhuǎn)化為電氣信號(hào)。
放大后，該信號(hào)和參考信號(hào)一起到達(dá)正交接收機(jī)，在接收機(jī)上發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)相互復(fù)數(shù)相乘。結(jié)果是一個(gè)復(fù)矢量，它的時(shí)間相位函數(shù)相應(yīng)于發(fā)射信號(hào)和接收機(jī)之間的差分相位θ(t)。復(fù)矢量的實(shí)部分、虛部分在這個(gè)實(shí)施例中流過(guò)一個(gè)AGC(自動(dòng)增益控制)放大器通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器后被數(shù)字化，為測(cè)定瞬間相位函數(shù)并且接下來(lái)為確定根據(jù)本發(fā)明方法的信號(hào)延遲，數(shù)字化的信號(hào)在計(jì)算機(jī)中處理。就這點(diǎn)而言，已說(shuō)明的電路結(jié)構(gòu)已公開(kāi)。
具有這種結(jié)構(gòu)的距離傳感器因此不僅適合于高分辨率的距離測(cè)量也適合于結(jié)合掃描設(shè)備用于對(duì)目標(biāo)的三維測(cè)量或者用于質(zhì)量保證中或結(jié)構(gòu)測(cè)量中控制標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)時(shí)的不同任務(wù)，或者用作機(jī)器人中的視覺(jué)系統(tǒng)。
除了所說(shuō)明的發(fā)射信號(hào)和接收射線(xiàn)在自由空間傳播，為控制光，還可能使用任意光學(xué)元件例如纖維光學(xué)元件作為中間連接。
同一測(cè)量原理還可以在使用雷達(dá)頻率范圍內(nèi)的載波來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此圖1中的激光發(fā)射器可以由發(fā)射天線(xiàn)、探測(cè)器可以由接收天線(xiàn)代替。如此構(gòu)造的距離測(cè)量?jī)x可以借助于包絡(luò)曲線(xiàn)和微結(jié)構(gòu)信息，以類(lèi)似與激光支持的距離測(cè)量?jī)x的方法在輻射方向上高分辨率地測(cè)量到一個(gè)目標(biāo)的距離。在目標(biāo)上反射雷達(dá)波。
此外還可以在使用聲載波情況下實(shí)現(xiàn)測(cè)量方法。為此由發(fā)射聲波轉(zhuǎn)換器代替激光發(fā)射器，由一個(gè)接收聲波轉(zhuǎn)換器代替探測(cè)器。
圖2說(shuō)明了一個(gè)優(yōu)選實(shí)施測(cè)量方案中的設(shè)計(jì)。在這種方法中，可以應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的方法并且它可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)測(cè)量位置。這能使用上面提到的纖維光學(xué)光導(dǎo)的中間連接。為一個(gè)光纜分配一個(gè)公共的發(fā)射接收鏡組，它將發(fā)射光分到多個(gè)光導(dǎo)上并且繼續(xù)將由測(cè)量位置上反射的光線(xiàn)共同傳送。在激光發(fā)射器和光纜之間，安排一個(gè)光線(xiàn)分配器，它將接收信號(hào)導(dǎo)向探測(cè)器。沒(méi)作說(shuō)明的信號(hào)發(fā)生器元件和信號(hào)處理元件相當(dāng)于圖1的相同部分。以?xún)?yōu)選的方法再次借助于正交調(diào)制器、AGC放大器和數(shù)字信號(hào)處理分析信號(hào)。假如玻璃纖維長(zhǎng)度和測(cè)量區(qū)間長(zhǎng)度的和對(duì)于單獨(dú)的纖維充分不同，那么屬于每個(gè)測(cè)量位置的接收信號(hào)部分例如在頻域內(nèi)被分開(kāi)，并且使用包絡(luò)曲線(xiàn)信息和微結(jié)構(gòu)信息分別分開(kāi)計(jì)算。在相同的前提條件下，在自由空間傳輸時(shí)，這種方法自然也適用，以致于可以在單值測(cè)量過(guò)程中同時(shí)測(cè)量不同距離放置的目標(biāo)。
在圖1中說(shuō)明的發(fā)射鏡組代替圖2中的光纜。這時(shí)可以規(guī)定具有鍍層的鏡組，它在接收機(jī)頭直接反射發(fā)射波的一部分。使用這個(gè)方法，產(chǎn)生一個(gè)已知長(zhǎng)度的內(nèi)部比較路徑。比較測(cè)量實(shí)現(xiàn)了同時(shí)的目標(biāo)測(cè)量，所以存在相同儀器條件例如電子元件的漂移對(duì)發(fā)射功率沒(méi)有影響。使用公共的發(fā)射/接收鏡組的優(yōu)點(diǎn)是在短的目標(biāo)距離時(shí)，存在最大可能的接收功率。
權(quán)利要求
1)FMCW測(cè)量距離的方法，其中-使用一個(gè)時(shí)間函數(shù)f(t)調(diào)制載波(f0)的波列，并且被分為一個(gè)發(fā)射信號(hào)和一個(gè)與它存在確定性相位關(guān)系的參考信號(hào)，-發(fā)射信號(hào)被發(fā)射到將要測(cè)量的傳輸區(qū)間，并提供給一個(gè)構(gòu)成相位差的裝置作為參考信號(hào)，-在傳輸區(qū)間反射的信號(hào)具有延遲τ的延遲，該信號(hào)作為接收信號(hào)同樣提供給一個(gè)構(gòu)成相位差的裝置，-構(gòu)成相位差的裝置在參考信號(hào)和接收信號(hào)間構(gòu)成相位的時(shí)間差分函數(shù)θ(t)，-相關(guān)地一個(gè)屬于載波頻率f0的直流分量θ＝＝g’(τ，f0)和一個(gè)屬于調(diào)制時(shí)間函數(shù)f(t)的交流部分θ～(t)＝g”(τ，f～(t))，分別計(jì)算相位差分函數(shù)θ(t)并且通過(guò)組合分析兩個(gè)相位差信息確定和距離成比例的延遲。
2)根據(jù)權(quán)利要求1的距離測(cè)量方法，其特征在于，當(dāng)小的延遲τ時(shí)，相關(guān)地按照θ＝＝2πτf＝的直流分量和相關(guān)地按照θ～(t)＝2πτf～(t)的交流分量計(jì)算相位差分函數(shù)θ(t)。
3)根據(jù)權(quán)利要求1或2的測(cè)量距離的方法，其特征在于，使用一個(gè)正交接收機(jī)作為構(gòu)成相位差的裝置，其中參考信號(hào)和接收信號(hào)相互復(fù)數(shù)相乘，因此得出一個(gè)復(fù)數(shù)向量，它相當(dāng)于時(shí)間相位函數(shù)θ(t)。
4)根據(jù)權(quán)利要求1或2的測(cè)量距離的方法，其特征在于，從θ～(t)確定一個(gè)用于距離的單值粗測(cè)并從θ＝中確定一個(gè)微校正結(jié)構(gòu)。
5)根據(jù)以上權(quán)利要求之一的測(cè)量距離的方法，其特征在于，對(duì)于不同的傳輸區(qū)間同時(shí)測(cè)定相位差分函數(shù)θ(t)并且關(guān)于直流分量或交流分量計(jì)算相位差分函數(shù)。
6)根據(jù)權(quán)利要求5的測(cè)量距離的方法，其特征在于，構(gòu)成并計(jì)算內(nèi)部傳輸區(qū)間中已知長(zhǎng)度的相位差分函數(shù)θ(t)。
全文摘要
FMCW測(cè)量距離的方法,其中使用時(shí)間函數(shù)f(t)對(duì)載波頻率f0的波列調(diào)制,并且被分成一個(gè)發(fā)射信號(hào)和一個(gè)與其具有確定性相位關(guān)系的參考信號(hào);發(fā)射信號(hào)被發(fā)射到傳輸區(qū)間并且參考信號(hào)輸入到一個(gè)構(gòu)成相位差的裝置;在轉(zhuǎn)輸區(qū)間反射的信號(hào)具有延遲τ,作為接收信號(hào)同樣輸入到上述構(gòu)成相位差的裝置;該裝置構(gòu)成參考信號(hào)和接收信號(hào)間相位的時(shí)間差函數(shù)θ(t);分別利用屬于載波頻率f0的直流分量θ=和屬于調(diào)制時(shí)間函數(shù)f(t)的交流分量θ～(t)計(jì)算相位差分函數(shù)并且通過(guò)組合計(jì)算兩個(gè)相位信息確定與距離成比例的延遲τ。
文檔編號(hào)G01S7/481GK1187882SQ96194776
公開(kāi)日1998年7月15日 申請(qǐng)日期1996年6月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月20日
發(fā)明者邁克爾·簡(jiǎn)·莫洛斯基, 喬格·內(nèi)格爾, 克里斯托·G·斯托詹洛夫 申請(qǐng)人:邁克爾·簡(jiǎn)·莫洛斯基, 喬格·內(nèi)格爾, 克里斯托G·斯托詹諾夫