一種距離測(cè)量裝置及其測(cè)量方法及實(shí)際距離測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及距離測(cè)量技術(shù)，特別設(shè)及基于有源應(yīng)答的距離測(cè)量裝置及其測(cè)量方法 及實(shí)際距離測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 距離測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)基礎(chǔ)測(cè)量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于人類日常生活中，其測(cè)量精度是 非常重要的指標(biāo)，特別是在邊坡跨塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，往往要求距離測(cè) 量精度極高。全站儀、水準(zhǔn)儀等光學(xué)測(cè)距儀器雖然測(cè)距精度很高，但是并沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用于 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)之中，原因一方面是因?yàn)檫\(yùn)些光學(xué)儀器在惡劣天氣環(huán)境中無(wú)法正常使用，另 一方面運(yùn)些儀器成本較高，而且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制測(cè)量。目前尚未出現(xiàn)成熟的地質(zhì)災(zāi)害 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要是因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)均不能同時(shí)兼顧測(cè)量精度高、作用距離遠(yuǎn)、在惡劣氣象環(huán)境 下正常運(yùn)行等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備的Ξ大要素。
[0003] 美國(guó)專利US7, 504, 992B2公開(kāi)了一種用于滑坡監(jiān)測(cè)的微位移測(cè)量裝置和方法， 測(cè)量裝置分為詢問(wèn)機(jī)和應(yīng)答機(jī)，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(wèn)機(jī) 首先向應(yīng)答機(jī)發(fā)射一段連續(xù)波信號(hào)，應(yīng)答機(jī)利用放大器和射頻延遲線將接收到的信號(hào)延時(shí) 后反饋回給詢問(wèn)機(jī)，而詢問(wèn)機(jī)通過(guò)測(cè)量和比較應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的射頻信號(hào)相位變化來(lái)獲取兩者 之間的相對(duì)距離變化，該方法中應(yīng)答機(jī)不包含時(shí)鐘源，因此回避了有源應(yīng)答測(cè)距系統(tǒng)中的 時(shí)鐘同步問(wèn)題，但是由于采用射頻延遲線實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，要實(shí)現(xiàn)大的延遲就會(huì)增大應(yīng)答機(jī) 的體積，而且延時(shí)的大小是固定的，不能靈活設(shè)置。
[0004] 美國(guó)專利US8, 644, 768B2公開(kāi)了一種無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間測(cè)距方法與裝 置，在該專利中，測(cè)距裝置由詢問(wèn)機(jī)和應(yīng)答機(jī)組成，詢問(wèn)機(jī)和應(yīng)答機(jī)中分別具有獨(dú)立的參考 時(shí)鐘發(fā)生器和鎖相環(huán)，在一次測(cè)量中雙方鎖相環(huán)產(chǎn)生的射頻信號(hào)具有固定的頻率差，詢問(wèn) 機(jī)首先向應(yīng)答機(jī)發(fā)送射頻信號(hào)，應(yīng)答機(jī)接收信號(hào)并與本地鎖相環(huán)輸出的信號(hào)混頻得到頻率 固定的差頻信號(hào)，應(yīng)答機(jī)根據(jù)本地參考時(shí)鐘測(cè)量差頻信號(hào)的相位，然后交換角色，應(yīng)答機(jī)發(fā) 射射頻信號(hào)，詢問(wèn)機(jī)測(cè)量接收信號(hào)降頻處理后的差頻信號(hào)的相位，雙方各測(cè)得一個(gè)相位值 W后同時(shí)按固定頻率步進(jìn)值改變各自本地鎖相環(huán)的輸出頻率，重復(fù)之前測(cè)量?jī)蓚€(gè)相位值的 過(guò)程再次得到兩個(gè)相位值，如此步進(jìn)發(fā)射信號(hào)頻率值，測(cè)得一組相位值來(lái)解算詢問(wèn)機(jī)與應(yīng) 答機(jī)之間的距離。該專利所公開(kāi)的測(cè)距方法需要往復(fù)發(fā)射多次測(cè)距信號(hào)，因此該方法測(cè)距 需要的時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)量的動(dòng)態(tài)性能很差。
[0005] 美國(guó)專利US8, 094, 061B2公開(kāi)了一種微波相位測(cè)距的方法，主設(shè)備采用正交調(diào)制 來(lái)產(chǎn)生與本地信號(hào)源固定相位差的射頻信號(hào)并發(fā)射出去，從設(shè)備接收射頻信號(hào)并經(jīng)正交解 調(diào)后測(cè)出接收信號(hào)與本地信號(hào)源的相位差，然后交換角色，從設(shè)備產(chǎn)生與本地信號(hào)源固定 相位差的射頻信號(hào)向主設(shè)備發(fā)射，主設(shè)備接收射頻信號(hào)并再測(cè)出一個(gè)相位差，利用四個(gè)相 位值及射頻信號(hào)頻率來(lái)計(jì)算兩個(gè)設(shè)備之間的距離。運(yùn)種方法需要主、從兩個(gè)設(shè)備交換相位 差和頻率數(shù)據(jù)來(lái)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(diǎn)有源應(yīng)答式測(cè)距技術(shù)中，兩設(shè)備間的收發(fā)同步問(wèn)題采用了固定 延遲線或兩設(shè)備間交替收發(fā)技術(shù)來(lái)解決的，存在著設(shè)備體積大或測(cè)距時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)性能差 的問(wèn)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(diǎn)和不足，提供一種距離測(cè)量裝置， 利用該裝置可W高精度測(cè)量出應(yīng)答機(jī)和詢問(wèn)機(jī)之間的實(shí)際距離。本發(fā)明還提供了利用該裝 置的距離測(cè)量方法及實(shí)際距離測(cè)量方法。
[0008] 本發(fā)明解決上述問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是： 一種距離測(cè)量裝置，包括詢問(wèn)機(jī)和應(yīng)答機(jī)，所述詢問(wèn)機(jī)包括：T/R組件A、調(diào)制解調(diào)模塊 A、 基帶信號(hào)采集模塊A、基帶信號(hào)生成模塊A、控制器AW及與控制器A連接的存儲(chǔ)器A; T/R組件A用于接收和發(fā)送射頻信號(hào)；調(diào)制解調(diào)模塊A用于從T/R組件A中接收射頻 信號(hào)并解調(diào)成I、Q兩路模擬基帶信號(hào)發(fā)送給基帶信號(hào)采集模塊A，并從基帶信號(hào)生成模塊 A中接收I、Q兩路模擬基帶信號(hào)并調(diào)制成射頻信號(hào)發(fā)送給T/R組件A;基帶信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為I、Q兩路數(shù)字基帶信號(hào)并發(fā)送 給控制器A;基帶信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成I、 Q兩路模擬基帶信號(hào)并發(fā)送給調(diào)制解調(diào)模塊A;控制器A用于將存儲(chǔ)器A中存儲(chǔ)的I、Q兩路 數(shù)字基帶信號(hào)發(fā)送給基帶信號(hào)生成模塊A，從基帶信號(hào)采集模塊A接收I、Q兩路數(shù)字基帶 信號(hào)，并根據(jù)接收的數(shù)字基帶信號(hào)和從存儲(chǔ)器A中讀取的數(shù)字基帶信號(hào)計(jì)算應(yīng)答機(jī)與詢問(wèn) 機(jī)的距離； 所述應(yīng)答機(jī)包括：T/R組件B、調(diào)制解調(diào)模塊B、基帶信號(hào)采集模塊B、基帶信號(hào)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(chǔ)器B;所述控制器B具有延時(shí)時(shí)間預(yù)設(shè) 模塊，延時(shí)時(shí)間預(yù)設(shè)模塊用于設(shè)置應(yīng)答機(jī)的信號(hào)發(fā)送延時(shí)時(shí)間； T/R組件B用于接收和發(fā)送射頻信號(hào)；調(diào)制解調(diào)模塊B用于從T/R組件B中接收射頻信 號(hào)并解調(diào)成I、Q兩路模擬基帶信號(hào)發(fā)送給基帶信號(hào)采集模塊B，并從基帶信號(hào)生成模塊B中 接收I、Q兩路模擬基帶信號(hào)并調(diào)制成射頻信號(hào)發(fā)送給T/R組件B;基帶信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為I、Q兩路數(shù)字基帶信號(hào)并發(fā)送給控 制器B;基帶信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成I、Q兩 路模擬基帶信號(hào)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(hào)采集模塊B接收I、Q兩 路數(shù)字基帶信號(hào)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器B中，并在到達(dá)延時(shí)時(shí)間后讀取存儲(chǔ)器B中的I、Q兩路數(shù)字 基帶信號(hào)發(fā)送給基帶信號(hào)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(cè)詢問(wèn)機(jī)信號(hào)是否來(lái)臨，并在詢問(wèn)機(jī)信號(hào)來(lái)臨時(shí)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào) 輸出至控制器B，觸發(fā)控制器B啟動(dòng)基帶信號(hào)采集模塊B開(kāi)始采集模擬基帶信號(hào)；此處所述 的采集模擬基帶信號(hào)就是指基帶信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為I、Q兩路數(shù)字基帶信號(hào)并發(fā)送給控制器B，該過(guò)程就是基帶信號(hào)采集模塊B采 集模擬基帶信號(hào)的過(guò)程。本技術(shù)方案中，距離測(cè)量裝置能夠通過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)來(lái)控制應(yīng)答機(jī)的 轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短，延時(shí)時(shí)間可W靈活設(shè)置，還可W采用不同延時(shí)區(qū)分不同應(yīng)答機(jī)， 因此能夠在大量應(yīng)答機(jī)情形下保持高動(dòng)態(tài)性，可W高精度測(cè)量出應(yīng)答機(jī)和詢問(wèn)機(jī)之間的距 離。
[0009] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，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(kāi)關(guān)、低噪聲放大器、功率放大器W及2個(gè)帶通濾波器；收發(fā)開(kāi)關(guān)與天線相連，用于 控制發(fā)射射頻信號(hào)和接收射頻信號(hào)的切換，一個(gè)帶通濾波器連接在收發(fā)開(kāi)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(gè)帶通濾波器的輸出端與收發(fā)開(kāi)關(guān)的輸 入端之間。
[0010] 作為本發(fā)明的又一改進(jìn)，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(hào)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(hào)輸入端與基帶信號(hào)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(gè)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(hào)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(hào)輸入端均與基帶信號(hào)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(gè)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(jìn)一步，所述基帶信號(hào)采集模塊A與基帶信號(hào)生成模塊A的轉(zhuǎn)換時(shí)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(hào)采集模塊B與基帶 信號(hào)生成模塊B的轉(zhuǎn)換時(shí)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(jī)中正交解調(diào)與調(diào)制同本振，且基帶信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換、 模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘與本振相干，應(yīng)答機(jī)的接收信號(hào)在經(jīng)過(guò)正交解調(diào)、采集存儲(chǔ)、延時(shí)、提取恢復(fù)、 正交調(diào)制運(yùn)一系列處理后變換為應(yīng)答機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，該轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)與接收信號(hào)僅存在相位變 化，兩者的相位差僅與傳播延時(shí)和預(yù)設(shè)的延時(shí)時(shí)間有關(guān)，與詢問(wèn)機(jī)和應(yīng)答機(jī)之間的時(shí)鐘同 步誤差無(wú)關(guān)，且本地時(shí)鐘不影響信號(hào)相干性，因此測(cè)距精度高。
[0012] 進(jìn)一步，所述控制器A和控制器B均具有兩個(gè)基帶信號(hào)輸入端口和兩個(gè)基帶信號(hào) 輸出端口； 所述基帶信號(hào)采集模塊A和基帶信號(hào)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(hào)采集模塊A的兩個(gè)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(hào)分別轉(zhuǎn)化為I、Q兩 路數(shù)字基帶信號(hào)后傳輸至控制器A;基帶信號(hào)采集模塊B的兩個(gè)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(hào)分別轉(zhuǎn)化為I、Q兩路數(shù)字基帶信號(hào)后傳輸至控制器B; 所述基帶信號(hào)生成模塊A與基帶信號(hào)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(gè)帶通濾波器；基帶信號(hào)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(gè)基帶信號(hào)輸出端口上，輸出端各通過(guò)一個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換成I、Q兩路模擬基帶信號(hào)，并發(fā)送至調(diào) 制解調(diào)模塊A中；基帶信號(hào)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(gè)基帶信號(hào)輸出端口上，輸出端各通過(guò)一個(gè)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