无线测距方法研究pdf

  无线测距方法研究 燕学智 无线定位有很重要的现实意义，而无线定位最核心的问题是无线测距。解决了无线测 距问题，无线定位就有了坚实的基础。无线测距能借助的工具有声波和电磁波两种传播媒 介。由于声波和电磁波有波动的共性，因此报告从介绍波动的概念和性质开始，接下来分别 介绍声波和电磁波的概念、特点及其应用领域，最后从物理概念和技术实现手段两个方面讨 论几种无线测距方案。 Ⅰ、波动概述 波的产生：机械波和电磁波是波的两种传播方式，但在本质上是两种完全不同的波。机 械波是一种弹性波，由机械振动产生并借助于弹性介质进行传播。而电磁波是变化的电场和 变化的磁场相互激发而产生的波，它的传播无需媒介。 波的分类：参与波动的质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波。参与波 动的质点的振动方向与波的传播方向相平行，这种波称为纵波。形象地说绳子传播的波动就 是横波，而弹簧传播的波动（表现为弹簧圈的稠密和稀疏）为纵波。固体能够形成和传递横 波也能够形成和传递纵波；流体只能形成和传递纵波，不能形成和传递横波。 波线和波面：波线和波面都是为了形象地 描述波在空间的传播而引入的概念。从波源 沿各传播方向所画的带箭头的线，称为波线，用以表示波的传播路径和传播方向；波在传播 过程中，所有振动相位相同的点连成的面，称为波面。在各向同性的均匀介质中波线与波面 垂直。一个点波源在各向同性的均匀介质中激发的波，其波面是一系列同心球面，称为球面 波。波面为平面的波称为平面波。平面波从理论上更容易处理，因此工程上尽可能的用平面 波理论处理波动问题。事实上没有绝对的平面波，球面波传播到足够远处，若观察范围不大， 则波面近似为平面，球面波就近似为平面波。这种近似完全是一种空间尺度上相对无穷小的 概念，但各种文献中均未给出可参考的值，实际应用中我们大家可以根据要求的精度去判断是否 为平面波，见图1。 波动所应遵循的基础原理： 图1 波的传播图 图2 1．波的叠加原理：两列或两列以上的波可以互不影响地同时通过某一区域，在相遇区 域内共同在某质点引起的振动，是各列波单独在该质点所引起的振动的合成。 2 ．惠更斯原理：波所到之处各点都可以看作是发射子波的波源，在以后任一时刻，这 些子波的包络面就是波在该时刻的波面。见图2 Ⅱ、声学概述 一、超声学产生的背景 声学是一门渗透性很强的学科，超声技术是声学领域中发展最迅速，应用最广泛的现 代声学技术。超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。各种频率的声波一般命名如下 5 1 1 4 10 ~ 10 次声波 10 ~ 10 可听声 1 4 8 8 10 10 ~ 10 超声 10 ~ 10 微波超声 1010 ~ 1014 光波超声 一般认为人类首次有效产生高频声波是 1876 年F.Galton 气哨试验。F.Galton 哨在空 4 气中所产生的频率达3 10 Hz 。对超声学的诞生起了重大推进作用的，是 1912 年 Titanic 号在首航中碰撞冰山后的沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家提出用声学方法来预测 冰山。这些活动启发了第一次世界大战期间侦察德国潜艇的紧张研究，gevin 是这一项 目的核心人物。这项工作为后来的超声材料探伤和医学诊断开辟了道路，并随之也为后来的 超声各项能量应用指出了方向，因为实验中无意发现，在石英换能器周围鱼类立即被杀死， 观察人员把手投进超声束时感到灼痛。1927 年R.W.Wood 发表对超声能量作用的实验报告， 为今天的功率超声学奠定了基础。超声学在我国的发展和研究始于1956 年。 二、 超声波的特性 1.波速 固体既可以产生拉压变形、也可以产生剪切变形，故固体可以同时传递横波和纵波 E G 在固体均匀细棒中纵波速度为Ct ，横波速度为Cl r r 其中E — 杨氏模量，G — 固体的切变模量 r — 棒的密度 B 液体和气体由于不能发生剪切变形，故只能传递纵波，波速Cl , B — 媒质的 r 体积弹性模量，一般液体的声速远大于气体的声速。 2 ．声压P 超声场中某点在某时刻所具有的压力p 与没有超声时的静压力P0 之差称为声压，平面 波声压为P r c v ，其中 r — 密度 ，c — 介质的波速，v — 振动质点的振速。 3 ．声强 声强是指在垂直于行进波的传播方向每单位面积每秒所传递的声能量 1 2 2 r cw A ， w — 振动频率， A — 振幅 2 4 ．声阻抗率Zs ，特性阻抗r c 声阻抗率Zs 为声压p 与振动速度v 之比,理想连续介质中的平面波声阻抗率Zs r c 。 r c 反映介质的声学特性，称为特性阻抗，20 ℃空气的特性阻抗为428 Pa .s/m , 水的特性阻 抗为 1.48 Pa .s/m 。 5 ．声压级LP 和声强级 LI LP = 20 lg p e / p 0 （db ）,p 0 = 2 105 (人耳阈值) ，在水中p 0 =1 m p a L = 10lg I / I （db ）, I 10 12 W / m 2 ,人耳声强的分辨能力为0.5 db I e 0 0 2 三、超声波的传播特性 1．超声波在两种介质中传播时能够直接进行反射、折射与透射。 2 ．超声波的衰减 超声波在均匀介质中传播时，由于声吸收的影响，无论振幅还是声强均随传播距离增大 而减弱。x mx 为x 处平面声波的振幅，x m0 为x=0 处平面声波的振幅，下面关系式成立 x mx = x m0 e ax (1) 其中a 为振幅衰减系数，测量表明，在 100 kHz 时，水的衰减系数8.5 107 cm 1 ,空气的 衰减系数8.62 104 cm 1 则水中声强减少e 倍的距离是5900 m,空气中只有5.8m 。 在40 kHz 时,水的衰减系数1.274 107 cm 1 ,空气的衰减系数1.29 104 cm 1 则水 中声强减少e 倍的距离是39400 m, 空气中只有39 m 。进一步计算求得：水中距声源20m 、 50m、100m、200m 处，声强基本上没有衰减，而空气中距声源20m 、50m、100m、200m 处 分别衰减 1.676 倍、3.636 倍、13.218 倍，175 倍 由此得出结论：超声波在水中容易传播，而在空气中由于衰减太快而不易传播。 四、超声的产生和接收 产生超声波一般是通过电磁振荡与机械振动的转换来实现，完成这种转换的装置称为电 声换能器，常见的有两种，一种是压电换能器，另一种是磁致伸缩换能器。 压电换能器是利用具有压电效应的陶瓷晶体制成的。 磁致伸缩换能器是利用具有磁致伸缩效应的铁磁性材料制造成的。这样一种材料在周期性磁场 作用下，会产生周期性的伸缩，即机械振动，此现状称为磁致伸缩效应。 五、超声产业 1．超声清洗 超声清洗是利用超声空化作用来实现的，发生空化时液体局部压力可达 1000 个大气压， 温度可达5000 度。 2 ．超声焊接 超声焊接是利用超声的热效应进行焊接。既可以焊接塑料，又可以焊接金属，且可以焊 接异种金属。 3.超声加工 超声加工包括钻孔、切割、振动切削、研磨、抛光、金属塑性成型等。超声加工对玻 璃、石英、陶瓷、半导体等硬脆性材料特别有效，它需要在工具头与工件间加上磨料，工具 头振动时，冲击磨料颗粒，而由磨料颗粒冲击工件。虽然工具头振幅只有 10~100 um ，但 由于频率高，磨料颗粒的加速度是很大的，足以去除工件上的被加工部分。 4 ．超声检测 超声检测是一种无损检测。超声波可以穿透无线电波、光波无法穿过的物体，同时又能 在两种特性阻抗不同的物质交界面上反射，由于物体内部的不均匀性，使超声波衰减变弱， 从而可区分物体内部的缺陷。由于超声检测可以在线进行、超声对人体无害又不改变系统的 运作时的状态，故超声检测应用很广。但相对其他检测的新方法超声检测效率较低，，近年来一种效 率更高的超声检验测试仪器— — 相控阵超声检测仪 问世，改变了这一状况。相控阵超声的原理 与DOA 估计中智能天线的原理类似：控制多探头的扫查相位以此来实现扫查范围的扩大和声 波聚焦。 3 5 ．超声工业测量 超声工业测量包括超声测料位、超声测厚、超声测距、测粘度、超声测流量等。 6 ．声成象 当声波入射到一个物体的表面或内部结构上时，由于在表面上的声阻抗变化或由于内部 的不均匀性反映出来的声阻抗的不均匀性，声波会按一定规律发生反射。这些反射波或透射 波带有阻抗变化的信息。把反射和透射的声波记录下来、就可以用某种方式得到表面结构或 内部结构的象。 超声检查不会带来副作用，在海洋和地质研究中，声波是唯一可以长距离传播的辐射能， 所以声成象是海洋和地质研究中最实用的成象技术之一。 B 型超声采用的是B 型成象方式，得到的是与声传播方向平行的平面上的图像。C 型超 声采用的是 C 型成象方式，得到的是与声传播方向垂直的平面上的图像。声成象的分辨率 主要与发射超声的脉冲的宽度、声波频率有关。 7 ．超声马达 8．声表面波器件 19 世纪 70 年代瑞利提出了各相同性固体表面传播着瑞利波。声表面波器件现已形成 产业。声表面波技术实现了电子器件的小型化。 Ⅲ、电磁波概述 一、电磁波频谱 真空中电磁波的传播速度是一个常数，记为：c = 299 792 458 米/秒，电磁波波长最长 5 -13 21 的达10米，最短的波长只有10 米，相应的频率从1kHz的低频直到超过10赫的极高 18 频，跨度达到 10倍.如下表所示。可见光只占波长从 0.38微米（紫光）到 0.78微米（红 光）这极窄的一个波段。 电 磁 波 谱 名 称 波长范围 频率范围 γ射线太赫 X 射线.8微米 375～750太赫 红 近 红 外 0.8～1.3微米 230～375太赫 外 短波红外 1.3～3微米 100～230太赫 线太赫 远 红 外 14微米～0.1毫米 0.3～22太赫 亚毫米波 0.1～1毫米 0.3～3太赫 电 微 波 毫米波（EHF ） 1～10毫米 30～300吉赫 厘米波（SHF ） 1～10厘米 3～30吉赫 分米波（UHF ） 0.1～1米 0.3～3吉赫 波 超短波（VHF ） 1～10米 30～300兆赫 短波（HF ） 10～100米 3～30兆赫 中波（MF ） 0.1～1千米 0.3～3兆赫 长波（LF ） 1～10千米 30～300千赫 超长波（VLF ） 10～100千米 3～30千赫 如下图所示，当波沿着+z 轴传播时，它的电场强度E 沿x 轴方向，则其磁感应强度 B 沿y 4 轴方向，E、B 和波的传播方向（沿z 轴）组成右手螺旋关系。E 和B 的振动是同相位的， 即同时达到极大值和极小值。 图3 二、可见光特性 光波是电磁波谱中重要部分，且是人类最先认识的电磁波，因此先介绍光波的一些性质， 光的反射、折射现象大家都很熟悉，这里就不赘述了。光的全反射现象是光通信的基础， 故此有必要说明一下。光从光密介质入射的光折射后沿界面传递而不再进入光疏媒质时的入 射角叫临界角，对石英来讲，n2=1，n1=1.5,θc=arcsin（1/1.5）=41.8o。这表示从玻璃 （或石英）射向空气时入射角超过临界角41.8o的光束都100%地被反射了，此现状称为全 反射。根据这一个道理，使现代“光纤通信”和医学上的“内窥镜”技术得以实现。 光的干涉和衍射现象 1．光的干涉 相干光源在其传播的路径上相遇，会随着相位差的不同振幅相加或相减，这种现象 称为光的干涉。1802 年英国物理学家托马斯．杨成功获得相干光源并进行了著名的双 缝干涉试验。 2 ．光的衍射 图4 在房间里，人们即使不能直接看到窗外的声源，但却能听到从窗外传来的声音，这表明 声波能绕过障碍物传播。当波遇到障碍物时，它能偏离直线传播，此现状叫做波的衍射。 光的衍射不易被察觉，给人们印象是直线传播。主要的原因是光的波长很短。如果让点光源 S 发出的光通过一直径可调的圆孔，当其直径和波长可以比拟时，出现衍射现象。如果将点 光源换成线光源，并将小孔换成一狭缝，只要缝宽可以和光的波长相比拟，就可在光屏上观 察到如图图样。 如果用平行的多狭缝来代替单狭缝，形成衍射光栅。现代高科技可制成每厘米上有超过 一万条狭缝的光栅。这种光栅的衍射条纹非常的细锐，常被用作分析复合光（含有两种以上 的单色光）光谱的光谱仪。 5 三、无线电波的传播 无线电波按其波长可分为四个波段。与红外线邻近的波长最短的波段称为微波（波长约 -4 2 3 为 1～10 米），比微波的波长长的波段依次为短波（波长 10 ～1米），中波（波长 10 ～ 2 5 3 10 米）和长波（波长10 ～10 米）。 地波、天波、空间波三种传播方式，适用于不同波长无线电波的传播。长波一般都会采用地 波传递。这是因为长波的绕射能力强，且大气对其吸收少，因此更适合地波传播。另外， 长波虽不会穿透电离层，但由于电离层对其有强烈的吸收作用，所以不适合天波传播。长波 传播具有稳定性高，受干扰影响小，传播距离远等优点，超长波甚至能作环球传播，但长波 需要庞大的天线设备，实际应用不多。中波可用天波与地波两种方式传播。白天由于电离层 吸收作用较大，主要靠地波传播。晚上电离层强度差别较大，不适合远距离通信，而常用于 国内的广播等。短波主要靠天波传播，短波经电离层反射时，电离层对其的吸附作用较小， 故经电离层和地面的多次连续反射，可传播到很远的地方。短波传播的最大缺点是不稳定。 超短波与微波的绕射能力差，又会穿透电离层，因此不适合地波或天波传播，只适合空间波 传播，又于空间波传播的距离有限，为增加传播距离，可采取增高发射天线高度和接力通信 等方法。 四、雷达、多普勒效应 雷达是英文radio detection and ranging （无线电探测和定位）的缩写音译，是第二次世 界大战期间同盟国（主要是英国）开发的新技术，它在粉碎纳粹德国对英国的空袭中起着极 其重要的作用。传统雷达的工作波长是 1 米，用转动的天线定向发出雷达波脉冲，脉冲间隔 -6 约 10 秒，当脉冲波在空间遇到目标物时，一部分会被反射回来，如在两次脉冲间隔时间内 回到天线，接收后测定其往返经过的时间为t ，即知目标物离天线的距离L 为 L c.t / 2 （2 ） 雷达不但可以定位，还可以测速。 因波源与观察者有相对速度而引起频率改变的效应叫多普勒效应。现在雷达波源频率为 g 0 ，它被运动目标反射的过程可看成是被后者先接收，再发射的过程。V 即为目标物直接 对准天线运动的速度。 于是接收频率g 与发射频率g 0 之差为 2v Δ =g —g 0 ≈ g 0 （3 ） c 只要能够测出反射波与发射波的频率差g ，便可获知目标物的速度。 微波能的利用 当物体受到微波辐射时，其表面会把一部分微波反射回去，一部分则会进入物体内部。 如果物体的线度与微波波长可以比拟时，则另一部分会从物体周围绕过去。不同的物体，反 射、透射和吸收的比例是不同的，对理想导体来说，微波将全部被反射。而绝缘体，则主要 是透射并部分反射微波，很少被吸收，这与光线通过玻璃时的情况相类似。水、脂肪之类的 介质，其吸收微波的比例就较高。当有微波照射时，分子间的相互碰撞会使分子的热运动加 剧，表现为温度上升，这就是水吸收微波而加热的机理。 6 微波加热时，微波能穿透到介质表面下一定的深度，使其表里同时加热；而且，实验已 证明：微波同时起了杀菌的作用。常使用的微波炉的频率为2450兆赫或915兆赫。但过量 的微波照射肯定对身体有害，这是一种电磁辐射污染。隐形飞机靠涂料吸收雷达波而减少它 的反射，又有几率会成为新型微波武器的致命弱点，强大的微波辐射可能烧毁这种飞机。 五、激光 激光的英文名称是Laser ，音译雷射，它是由全称light amplification by stimulated emission of radiation （辐射的受激发射光放大）的第一个字母所组成。1964 年 10 月我国著名科学家 钱学森建议称为激光，以便更明确的表示是光受激发射。激光器的发明是20 世纪中能与原 子能、半导体、计算机相齐名的重大科学技术成就。 ☆激光产生原理 1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射 原子中的电子会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。这种激发过程 是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2 ）的电子寿命很短（一般为 10-8～10-9 秒）， 在没有外界作用下会自发地向低能级（E 1 ）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射 光子的能量为： h = E — E v 2 1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程。 2 、受激发射和光的放大 受激辐射的概念是爱因斯坦于 1917 年在推导普朗克的黑体辐射公式时首先提出来的。 他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是后人发明激光的物理基础。 受激辐射的大致过程如下：原子开始处于高能级E ，当一个外来光子所带的能量h 正 2 v 好为某一能量级之差E -E ，则原子可在此外来光子的诱发下从高能级E 向低能级E 跃 2 1 2 1 迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率 （能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子， 就会出射两个全同光子。这在某种程度上预示着原来光信号被放大了。这种在受激过程中产生并被放大的 光，就是激光。在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上 实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。 ☆激光简史和我国的激光技术 自爱因斯坦1917年提出受激辐射概念后，足足经过了40年，直到 1958年，美国两位 微波领域的科学家汤斯（C.H.Townes,1915-）和肖洛（A.I.Schawlaw,1921-）才打破了沉寂 的局面，发表了著名的论文?红外与光学激射器?，指出了以受激辐射为主的发光的可能性， 以及必要条件是实现“粒子数反转”。他们的论文使在光学领域工作的科学家马上兴奋起来， 纷纷提出各种实现粒子数反转的实验方案，从此开辟了崭新的激光研究领域。 1960年5月 15日加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman，1927-）制成了世界上第一台 红宝石激光器，获得了波长为694.3纳米的激光，这是历史上的第一束激光。 中国的第一台红宝石激光器于1961年8月在中国科学院长春光学精密机械研究所研制 成功。 激光的主要特性：方向性好、亮度高、单色性好、相干性好 ☆激光应用简介 7 1 、激光测距、激光雷达和激光准直 2 、激光用于农业 激光育种，激光技术还可以改造果树性能 3、激光用在加工领域 利用激光的高亮度以及非常好的方向性，可打一般钻头不能打的异型孔和微米孔。利用 激光进行切割，具有速度快、切面光洁、不发生形变等优点。例如，在上海激光技术研究所 中，利用一台2500 瓦的二氧化碳激光器来切割5 毫米厚的钢板，一分钟可前进2 米。 4 、激光用于医疗领域 激光在医疗领域有十分普遍的应用，如激光手术刀、激光纤维内窥镜、激光眼科、激光 诊断、治疗癌症等等。 5、激光通信 6、激光与能源 激光与能源紧密关联的两方面应用：一是激光分离同位素；二是激光核聚变。 7、激光舞台与激光唱片 8、激光在物理基础研究方面的重要应用 1997 年 10 月 15 日，华裔科学家朱棣文因在激光冷却囚禁气体原子实验方面的杰出贡 献，与法国和美国的两位学者一起分享了 1997 年诺贝尔物理学奖。 9、发展中的激光武器 Ⅳ、无线测距方案的确定： 一、声测距 本课题组的电子白板课题即采用超声测距方案：采用光信号作为参考信号（在局域范围 内光传播时间能忽略不计），超声信号作为测距信号，两个信号到达时间差t ，则测定距 离为L V.t ．但超声传播特性决定了空气中超声波衰减很快，就目前资料看，空气介质 中超声测距技术只能用于小距离测量，而且具体范围多大没资料可供参考．如果可能应进 行超声传播距离范围的实验（当然功率应该在不对环境和人员造成影响的前提下进行）。 还需要说明的是，200米距离，声波需要的传播时间200/340=0.6秒，如果移动物体的 速度为20km/h，则0.6秒内物体已前移3.5米，而在这3.5米内也许会产生意想不到的后 果。也就是说很难进行实时控制。 但超声在水中衰减很小，声纳技术即是水中超声测距技术的最好体现。 二、电磁波测距 （一）、.采用DOA估计办法来进行测距 DOA估计技术能对来波方向的角度进行估计，进而达到定位的目的。近场电磁波是球 面波传播，如果近似成平面波，则误差太大。DOA估计的必要条件不具备，因此对于本课题 的研究，DOA估计难以应用。 （二）、激光测距 激光测距技术通常有激光相位测距和脉冲激光测距两种。 a. 、激光相位测距 1．激光相位测距原理 相位测距是通过对光的强度进行调试来实现的。设调制频率为f ，调制波形如图 ５所 示，波长l c / f ，c为光速。光波从A点传播到B点的相移 φ可表示为 f 2mp f 2p (m m) , … m=0,1,2,（4） 8 图5 图6光波经2L 后的相位的变化 式（4）中，m f / 2p 。 若光从A点传到B点所用时间为t，则A、B两点之间的距离 L ct l (m m) （5） 只要能够测出光波相移φ中周期2π的整数倍m和余数Δm，便可由（5）式求出被测距离L。 所以，调制光波的波长λ是相位测距的一把“光尺”。 相位测量技术只能测量出不足 2π的相位尾数Δφ，即只能确定余数Δm=Δφ/2π， 而不能确定相位的整周期数m。因此，当被测距离L大于LS 时，是无法测定距离的。当距 离小于LS （λ/2）时，即m=0时，可确定距离 l f L （6） 2.2p 如果被测距离较长，可降低调制频率，使得L LS ，即可确定距离L 。 2．激光相位检测技术 a、直接测尺频率 由测尺量度LS 可得光尺的调制频率 f s c 2L ，这种方法所选的测尺频率f s 直接和 s 测尺的长度LS 相对应，即测尺长度直接由测尺频率决定，所以这样的形式称为直接测尺频率 方式。 B．间接测尺频率 在实际测量中，由于测程要求较大，大都采用间接测尺频率方式。若分别用两个频率f s 1 和f s2 调制的光测量同一距离L，可得 L L (m m ) (7) S 1 1 1 L L (m m ) (8) S 2 2 2 将式（７）两边乘以f s2 ，式(８)两边乘以f s 1 后作相减运算，可得 9 L L L s 1 s2 [(m1 m2) (m1 m 2)] L (m m) （9） L L s s 1 s 2 （9）式中, Ls 1Ls2 1 c 1 c L （10） Ls 1 Ls2 2 f s1 f s 2 2 f s f f f ,m m m ,m m m f ,f f f s s1 s 2 1 2 1 2 2p 1 2 LS 是一个新的测试尺度，f s 是与LS 对应的新的测尺频率。这样，用f s 1 和f s2 分别测 量某一距离时，所得的相位尾数f 和f 之差，与用f 和f 的差频频率f f f 1 2 s 1 s2 s s1 s 2 测量该距离时的相位尾数Δφ相等，这是间接测尺频率法测距的基础原理。 C、相位测量技术 相位测距仪一般都会采用差频测相技术。差频测相的原理如图所示。设主控振荡器 1产生的 1 6 发射 Es1 反射 2 7 e1 e2 Es2 3 4 er es 5 图7 激光差频测相原理图 信号,经调制器6发射后经2L距离返回光电接收机7，接收到的信号 es2 A cos(ws t fs f ) （12） f 表示相位变化。设基准振荡器2产生的信号 e C cos(w t f ) 1 1 1 （13） 把e 送到混频器3和4分别与e 和e 混频，在混频器中的输出端得到差频参考信号e 和 1 s1 s2 r 测距信号e ，它们分别表示为 s e D cos[(w w ) t (f f )] r s 1 s 1 10 （14） e E cos[(w w ) t (f f ) f ] （15） s s 1 s 1 用相位检测电路 5测出这两个混频信号相位差f =f 。可见，差频后得到的两个低频信 号的相位差f 和直接测量高频调制信号的相位差f 是一样的。通常选取测相的低频频率 f s f s1 f s 2 为几千赫兹到几十千赫兹。 d、脉冲激光测距 脉冲激光测距是利用激光脉冲连续时间极短、能量在时间上相对集中、瞬时功率很大 （一般可达兆瓦级）的特点，在有靶标的情况下，脉冲激光测量可达极远的测程。 由激光脉冲器发出一维持的时间极短的脉冲激光，称之为主波。经过待测距离 L后射向 被测目标，被反射回来的脉冲激光称之为回波，回波返回测距仪，由光电探测器接收，根 据主波信号和回波信号之间的时间间隔（激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t）， 就可算出待测目标的距离。 L c.t / 2 由此激光测距能够直接进行小距离的测量，但由于激光测距靠反射波和入射波的相位差来测 距，因此激光测距的前提是得到反射信号，但由于激光的方向性特强，故很难对移动的目标 做测量，通俗一点说，激光测距存在一个“瞄准”的问题. （三）、无线电波差频测距 从理论上说，无线电波能够直接进行任意距离的测量，但考虑到当前的技术水平，应该说无 线电波测距的核心问题是时差的提取。这可以用几个数据来加以说明：无线 m/s ,解释一下就是 300米/微秒，也就是说，如果时差差了 1微妙，距离将差 300 米。目前的单片机的定时精度一般是微秒级的，很难实现纳秒级的时钟。而如果用微秒级的 时钟处理，那就没有精度可言了，因此用通常的办法来进行测量是不现实的，须采用一种技术 避开小时差的测量，本文采用了差频测量技术。对无线电 P 测距来说，应该利用间接测尺技术，而对每一个频率应该 利用差频测相原理测量。 差频测量技术的思想来源于激光测量技术.P为移动 信源，A、B分别为两接收天线，如果想定位则必须测出 B A PA、PB的距离，但直接测PA、PB较为困难，现在的思路 图8 是测PA、PB之间的距离差，从图中示意的情况看，B点先 接到信号，作为一个基准信号，时间为tb,A点后接到信号，作为测量信号，时间为ta，则 距离差 PA-PB=c.(ta-tb)。由于ta、tb正常的情况下为纳秒或微秒级，很难实际测得，故拟 采用差频测相法测量含有距离信息的相位差，从而求得距离差PA-PB。如果再取一点C,距离 差PC-PB=c.(tC-tb),然后利用一定的数学模型即可求得P点的位置。 图9、图10为差频测相的原理图。其中ws1,ws2为测量信号的频率（高频），w w s1- 1- w W w3 w4（低频），也就是说，从高频变到低频相位不变，即距离信息没有失线- - 即此时求得的相位差仍反映了实际测量距离。而此时求相位就不再是难题了，因为周期长了， 同样相位所占时间增大，提高了测相精度。为了更好的说明这一原理，现举出一组贴近实际 11 问题的数据加以说明。 假定测量的最大距离为 200米，则选定的波长为λ=200米，取λ=200米，则频率为 8 ｆ＝3×10/200=1.5MHz。一般认为发射电磁波的天线至少应大于电波波长的 1/10,工程上 常用半波天线米的天线，这显然不可能，为解决这一矛盾，采用差频测相技术。 选用品率相差 1.5MHz的两个信号 ，λ1=2 米，则天线米，这在实际中时能轻松实现的,同理f2=148.5MHz，λ2=20202米。 相位变化Δφ1=(105/λ1)×2π=52.5×2π,Δφ2=(105/λ2)×2π=51.975×2π, Δφ=52.5×2π-51.975×2π=0.525×2π,实测距离为L=0.525×200=105米，预设定的距 离相一致。当然这其中的精度取决于图9、图10种电路的精度。 设几个信号的频率值： ，则最终的 低频信号ws1-W1-w3=0.2 MHz = 2 KHz, ws2-W2-w4=0.2 MHz = 2 KHz.若采用数字相位检测 -6 技术，选用时钟分辨率 T=1μs,则一个周期内可以计(1/2000)*10=500,初步估算精度 200/500=0.4米，若想提高精度可对信号进一步分频(三分频、四分频)，即可使Δφ1，Δ φ2的精度提高，进而提升整体的测量精度。 当然，进一步分析可知总系统的难点在于各振荡电路的精度如何，混频器及其后的滤 波器的精度如何。而这恰是高频电路的难点。 A 接收w s1,f 1 B 振荡w 1, f c1 接收ws1, f 1+? f 1 混频器 1 振荡w2, f c2 混频器2 混频器3 混频器4 w s1- w 1- w2 w s1- w 1- w2 f 1-f c1-f c2 (f +? f 1) f f 相位检测 1 - c1- c2 ? f 1 图9 测频为ws1 时的二次差频相位测量电路 附：无线三维指向装置 这是一个专利文件中的文字部分，由于其省去了各种起解释说明作用的图和原理性公式，读 起来难免会产生偏差。 装置由如下几部分所组成：信号发射部分（position pointing means ）、信号检测部分（detecting means ）、空间位置分析部分（spatial position analyses means ）、坐标计算部分（个线阵列。 文中特别强调接收阵列和发射阵列要求正交。接收后对每一组信号都有自己的放大、滤波和 包络检波电路，还原出原信号。 12 接收w s2,f 2 B 振荡w3, f c3 接收ws2, f 2+? f 2 混频器5 振荡w4, f c4 混频器6 混频器7 混频器8 W w3 w4 W w3 w4 s2- - s2- - F 2 f f (f 2+? f 2) f f - c3- c 相位检测 - c3- c4 ? f 2 图10 测频为ws2 时的二次差频相位测量电路 空间位置分析部分四个比较器、一个A/D 转换器、相位检测电路、时钟振荡电路组成。 红外信号和一个参考信号比较获得一个基准的时间信号；同时经过 A/D 转换器进行采样， 获得信号强度（幅值）；利用相位检测电路分别测出三个超声信号与红外信号之间的相位差 （含有距离信息）及他们彼此之间的相位差。时钟振荡电路提供时钟基频。 坐标计算部分即利用上述获得的时差和幅值信号通过一定的数学模型进行计算，定出 最终的位置。 疑惑： １.发射阵列和接收阵列为何要正交？如何正交？ 2.真实的数学模型是怎样的？ ３.如何将两个红外信号进行分离？ 13

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