基于LFMCW测距系统的制作方法

本发明涉及测距领域，尤其涉及基于lfmcw测距系统。
背景技术：
：现有技术中，测距应用的非常成熟，其中有近距离测距，远距离测距，例如：远距离的雷达测距，近距离的毫米波、红外以及激光测距。在现有的近距离测距中，很多选用脉冲波进行测距，由于脉冲波本身能量小，经反射回来的脉冲信号弱，使得脉冲波测距存在精度低的问题。线性调频连续波所蕴含的能量较高，所以现在很多都采用线性调频连续波进行测距，但是，使用线性调频连续波进行测距时，又存在天线收发时隔离度低、抗干扰性差的问题。且现有的测距系统中，都有低噪声放大模块或者低噪声放大器，这主要的原因是现有的测距系统接收的返回信号中含有干扰或者噪信号，不进行低噪声放大处理的话，想要的有用信号将会淹没，有用信号将会丧失。技术实现要素：有鉴于此，本发明的基于lfmcw测距系统。本系统中将低噪声放大模块去除，有用信号并没有淹没，并在混频模块中线性部分显示，同时还提高了有用信号的信息度。基于lfmcw测距系统，所述系统包括：信号发生模块、低通滤波模块、功率分配模块、功率放大模块、天线模块、信号放大模块、混频模块、中频滤波模块以及信号转换模块，其中：所述信号发生模块，用于产生线性调频连续波信号；所述低通滤波模块，用于对所述信号发生模块产生的线性调频连续波信号进行高次谐波以及带外信号的抑制，滤除无用信号；所述功率分配模块，用于将所述低通滤波模块输入的信号分成大小相等，相位一致的第一路线性调频连续波信号以及第二路线性调频连续波信号；所述功率放大模块，用于对所述第一路线性调频连续波信号进行功率放大，使得功率强度满足预设的强度；所述天线模块，用于经所述功率放大模块放大的第一路线性调频连续波发射信号发射至空间，并接收返回信号；其中，所述天线模块包括：信号发射单元、信号接收单元、移相馈电单元以及信号处理单元，所述信号处理单元包括垂直设置的两个辐射组，所述移相馈电单元包括与所述信号发射单元连接的信号发射端口、与所述信号接收单元连接的信号接收端口以及与所述辐射组一一对应连接的多个连接端口；所述信号发射单元的发射信号经所述移相馈电单元作用后产生两路发射信号，且每路发射信号之间的相位差为90°，两路发射信号分别对应送至两个辐射组后辐射合成发射圆极化波；所述两个辐射组还用于接收与所述发射圆极化波的旋向相反的接收圆极化波，并分别对应感应出一路感应信号，且两路感应信号之间的相位差为90°，两路感应信号经所述移相馈电单元作用后在所述信号接收端口合成为返回信号并传送至所述信号接收单元；所述发射信号的发射频率为ft，所述返回信号频率为fr，基波频率为fb＝ft-fr；所述信号放大模块，用于接收功率分配模块分配的第二路线性调频连续波信号，对所述第二路线性调频连续波信号进行信号放大处理；所述混频模块，用于对经信号放大模块处理的第二路线性调频连续波信号以及返回信号进行混频，得到混频信号；所述混频信号的扫频带宽fs，扫频时间为ts；所述中频滤波模块，用于滤除中频波段以外信号，得到中频波段信号；所述信号转换模块，用于对中频波段信号进行模拟数字信号的转换，根据d＝c*ts*fb/2fs，计算出距离d，输出距离信号结果。优选地，所述线性调频连续波的工作频段为l波段。优选地，所述低通滤波模块采用型号为lfcn-1700+、lfcn-1800+、lfcn-2000+以及lfcn-2250+中的一种。优选地，所述混频模块采用mca1-24mh+或者sim-43h+。优选地，所述混频模块采用mca1-24mh+。优选地，所述移相馈电单元包括3db电桥。优选地，所述辐射组包括第一辐射组和第二辐射组，所述第一辐射组和所述第二辐射组均包括两个辐射体，且所述第一辐射组的两个辐射体之间的中心连线与所述第二辐射组的两个辐射体之间的中心连线垂直。优选地，所述第一辐射组的辐射体和所述第二辐射组的辐射体在所述天线的横截面上沿所述天线的中心呈圆周阵列布置，且所述第一辐射组的辐射体和所述第二辐射组的辐射体依次相邻间隔设置。优选地，所述辐射体包括以一定夹角依次连接的径向贴片和轴向贴片，且相邻所述轴向贴片分别连接于所述径向贴片的相对的两侧边上。优选地，所述径向贴片包括依次首尾连接的第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边，所述第一侧边与所述第三侧边相对，所述第二侧边与所述第四侧边相对，所述第四侧边靠近所述天线的轴线设置，所述第二侧边远离所述线的轴线设置，所述第四侧边和所述第二侧边上均为锯齿状。在本技术方案中，本测距系统是基于lfmcw介质测距，其测距精度高，且通过采用新型的天线模块，使得天线收发一体，隔离度高，测距精度高，系统中没有采用低噪声放大模块，也不会使得有用信号淹没，且有用信号的信息度提升，降低了整个测距系统的能耗。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为基于lfmcw测距系统示意图；图2为天线模块示意图；图3为天线模块结构示意图；图4为天线模块结构图；图5为天线模块另一结构图；图6为基于lfmcw测距系统工作流程示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。请参看图1，基于lfmcw测距系统，系统包括：信号发生模块21、低通滤波模块22、功率分配模块23、功率放大模块24、天线模块25、信号放大模块26、混频模块27、中频滤波模块28以及信号转换模块29，其中：信号发生模块21，用于产生线性调频连续波(lfmcw)信号，一般选取l波段(1-2ghz)；低通滤波模块22对信号发生模块21产生的线性调频连续波信号进行高次谐波以及带外信号的抑制，滤除无用信号；然后再经功率分配模块23，将低通滤波模块22输入的信号分成大小相等，相位一致的第一路线性调频连续波信号以及第二路线性调频连续波信号；其中，第一路线性调频连续波信号经过功率放大模块24，对第一路线性调频连续波信号进行功率放大处理，使得功率强度满足预设的强度；天线模块25对经功率放大模块24放大的第一路线性调频连续波发射信号发射至空间，并接收返回信号；其中，发射信号的发射频率为ft，返回信号频率为fr，基波频率为fb＝ft-fr；在确定的发射信号以及返回信号中，ft以及fr是一个可以计算或者直接显示确定的值，所以fb＝ft-fr也是可以确定的。但是，由于在信号波处理中，接收的返回信号的还含有干扰信号波或者说噪信号，所以还需要对其信号进行进一步的处理，才可以得到比较精确的返回信号频率fr。信号放大模块27接收功率分配模块23分配的第二路线性调频连续波信号，对第二路线性调频连续波信号进行信号放大处理；混频模块28对经信号放大模块27处理的第二路线性调频连续波信号以及返回信号进行混频，得到混频信号；其中，混频信号的扫频带宽fs，扫频时间为ts，混频信号经过中频滤波模块29，将混频信号中频波段以外信号滤除，得到中频波段信号；中频波段信号在经过信号转换模块30处理，对中频波段信号进行模拟型号转换为数字信号，根据fb/td＝fs/ts，而fb＝ft-fr，可以得出td＝ts*(ft-fr)/fs，而d＝ctd/2，所以可以计算出d＝c*ts*(ft-fr)/2fs，从而完成测距。本系统中将传统的低噪声放大模块去除，目标的返回有用信号并没有淹没，且输出功率、平坦度、谐波抑制均满足要求，且由于将低噪声放大模块去除了，使得系统的能耗降低，同时其有用信号的信息度相对于采用低噪声放大模块会有所提高。请参看图3、图4以及图5，天线模块25包括信号处理单元11、移相馈电单元12、信号发射单元13以及信号接收单元14，信号处理单元11包括垂直设置的两个辐射组，即第一辐射组111和第二辐射组112，移相馈电单元12包括与信号发射单元13连接的信号发射端口121、与信号接收单元14连接的信号接收端口122以及与辐射组一一对应连接的多个连接端口123。信号发射单元13发出的发射信号经移相馈电单元12作用后产生两路发射信号，且两路发射信号之间的相位差为90°，两路发射信号分别对应送至两个辐射组后，两个辐射组辐射的电磁波在空间上合成形成发射圆极化波。此外，两个辐射组还用于接收与发射圆极化波的旋向相反的接收圆极化波，并分别对应感应出一路感应信号，且每路感应信号之间的相位差为90°，两路感应信号经移相馈电单元12作用后在信号接收端口122合成为接收信号并传送至接收信号连接器，同时，两路感应信号经移相馈电单元12作用后在信号发射端口121相位差为180°从而相互抵消。可以理解的是，信号处理单元11、信号发射单元13、信号接收单元14与移相馈电单元12的端口之间通过微带线16连接。在本实施例中，当发射信号时，移相馈电单元12通过信号发射端口121接收信号发射单元13发出的发射信号后，将发射信号移相形成两路相位差为90°的等幅信号，并对应送至两个辐射组后辐射形成两路相互垂直且相位差90°的电磁场，且两个电磁场空间合成正好形成左旋圆极化信号(或右旋圆极化波)发射出去，此时由于两个辐射组在物理空间上相互垂直，因此，第一辐射组111产生的电磁场耦合到第二辐射组112上时，其耦合电磁场在信号接收端口122形成的综合效果为零，从而在信号发射时实现了信号发射端口121与信号接收端口122的隔离。另外，当接收到接收圆极化波时，两个辐射组分别对应产生两路相位差为90°的感应信号中的一路，两路感应信号经过连接端口123进入移相馈电单元12，在移相馈电单元12的移相作用下，两路感应信号在信号接收端口122的相位相等从而使得接收信号得到加强，并传递给信号接收单元14，相反，两路接收信号在信号发射端口121的相位相反而相互抵消，使得在信号发射端口121处无法形成接收信号，实现接收信号时的收发隔离。本发明的天线模块25在收发同频时，仍然可以实现实时收发，能够减少频率对带宽的占用，使得天线模块25占用更少的频谱资源。在本实施例中，参见图3，移相馈电单元12包括3db电桥。可以理解的是，3db电桥具有四个端口，分别是1号端口、2号端口、3号端口和4号端口，其中3号端口和4号端口靠近信号接收与发射单元设置，1号端口和2号端口靠近信号发射单元13和信号接收单元14设置。在本实施例中，1号端口为与信号发射单元13连接的信号发射端口121，2号端口为与信号接收单元14连接的信号接收端口122，4号端口为与第一辐射组111连接的连接端口123，3号端口为与第二辐射组112连接的连接端口123。在本实施例中，发射信号时，发射信号送入到3db电桥的1号端口后，会在4号端口和3号端口形成相位差为90°的信号，分别是在4号端口形成衰减为3db的0°相位信号，和在3号端口形成衰减为3db的90°移相信号。这两路信号，通过微带线16分别送入到第一辐射组111和第二辐射组112并辐射到空间中去，两路相互垂直且相位差为90°的电磁场在空间合成，正好形成左旋圆极化信号发射出去。需要说明的是，相位差为90°包括相位差为+90°和相位差为-90°的两种情况，本发明的天线模块25既可以发射左旋圆极化波也可以发射右旋圆极化波，在此不限定。需要强调的是，3db电桥的1号端口和2号端口的隔离度很高，一般指标是20db的隔离度，发射信号通过3db电桥的1号端口泄露到2号端口的信号大致会衰减20db。另外，3号端口在输出发射信号时其反射信号进入到2号端口的信号也很小，大致会衰减－15db左右。因此，在3db电桥处信号发射端口121和信号接收端口122的隔离度很高。另一方面，由于发射信号经过3db电桥、微带线16直接连接到第一辐射组111，而接收信号连接在第二辐射组112上。此处是指3db电桥的1号端口与4号端口直连，2号端口与3号端口直连。第一辐射组111和第二辐射组112相互垂直，使得第一辐射组111产生的电磁场耦合到第二辐射组112上时，其耦合电磁场在端口上形成的综合效果理论为零。仿真分析结果表明，至少可以达到35db以上。考虑到加工的精度，一般可以达到20db。采用这种拓扑结构，从根本上大大降低了发射信号耦合、泄露到信号接收端口122的信号强度，通过实验数据分析表明，至少可以形成15db以上的隔离度。通过本方案，使得信号接收端口122处无法产生发射信号，实现收发隔离。在本实施例中，接收发射圆极化波遇障碍物15反射回来时形成接收圆极化波时，接收圆极化波进入信号处理单元11，且在相互垂直的第一辐射组111和第二辐射组112感应出等效“圆极化信号”，其等效感应电流从第一辐射组111和第二辐射组112流出后，分别进入3db电桥的4号端口和3号端口，且这两路感应信号相位差为90°。在本实施例中，第一辐射组111的感应信号在4号端口处的相位为0°，第二辐射组112的感应信号在3号端口处相位为90°。其中，4号端口的感应信号经过3db电桥后在2号端口形成90°相位信号，3号端口的感应信号经3db电桥后在2号端口上相位无变化仍为90°，因此3号端口和4号端口的感应信号经3db电桥后在2号端口处的信号相位均是90°，两个90°相位信号合成形成接收信号。另外，4号端口的感应信号经过3db电桥后在1号端口的相位无变化仍为0°，3号端口的感应信号经3db电桥后在1号端口上相位为180°，信号相位差为180°的两个信号正好相互抵消，从而无法在1号端口上形成接收信号，避免接受信号时在信号发射端口产生接收信号，实现收发隔离。本实施例中，通过设计巧妙的拓扑网络，一举多得，不仅从根本上解决了收发隔离问题，而且还形成了圆极化信号，从而对无线电测距仪的姿态不再敏感。值得注意的是，本发明实施例的天线模块25的中心频率不小于1.2ghz，能实现的带宽至少为400mhz，具有超宽带的特性，隔离度为15db至30db。需要说明的是，越高的中心频率需要的空间尺寸越小。本实施例的天线模块25能够应用于雷达，特别是应用于雷达测距。进一步地，参见图5，第一辐射组111和第二辐射组112均包括两个辐射体，且第一辐射组111的两个辐射体之间的中心连线与第二辐射组112的两个辐射体之间的中心连线相互垂直。需要说明的是，本实施例中，中心连线是指天线模块25的横截面上，两个辐射体的中线之间的连线。第一辐射组111和第二辐射组112采用由两个辐射体组合而成的形式，能够在兼顾体积、成本的前提下提高作用距离。优选地，第一辐射组111的中心连线水平设置，第二辐射组112的中心连线垂直设置。在其他实施中，第一辐射组111的辐射体和第二辐射组112的辐射体的数量还可以为多个。优选地，第一辐射组111的辐射体和第二辐射组112的辐射体在天线模块25的横截面上沿天线模块25的中心呈圆周阵列布置，且第一辐射组111的辐射体与第二辐射组112的辐射体依次间隔设置。即说明，第一辐射组111的辐射体、第二辐射组112的辐射体、第一辐射组111的辐射体依次沿圆周间隔设置。第一辐射组111的辐射体与第二辐射组112的辐射体依次间隔设置使得第一辐射组111和第二辐射组112形成场型互补，有利于减少天线模块25的尺寸，符合小型化集成化的技术趋势。需要说明的是，辐射体可以为块状、片状等，且辐射体的横截面形状可以为圆形、方形、三角形、梯形或异形等。参见图3和图4，作为本发明一具体实施例中，见图4，辐射体均包括以一定夹角依次连接的径向贴片113和轴向贴片114，且相邻的轴向贴片114分别连接于同一径向贴片113的相对的两个侧边上。优选地，径向贴片113沿天线模块25的轴线方向布置有多层。优选地，径向贴片113和轴向贴片114垂直连接，便于加工。进一步地，参见图4和图5，径向贴包括依次首尾连接的第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边，第一侧边与第三侧边相对，第二侧边与第四侧边相对，第四侧边相对，第四侧边靠近天线模块25的轴线设置，第二侧边远离天线模块25的轴线设置，且第四侧边和第二侧边上均设为锯齿状。优选地，锯齿状为矩形锯齿状。在其他实施例中，还可以为三角形锯齿状。锯齿状的设计有利于加长辐射波长，从而适应低频信号的发射。此外，本发明实施例中的天线模块25包括支撑结构体115，第一辐射组111和第二辐射组112设置于支撑结构体115内，且支撑结构体115的外径优选为25-30mm，即天线模块25的优选外径为25-30mm，说明本技术方案能够使得小型天线具有收发隔离效果好，且能够收发同时，能够克服现有的双功能小型天线不能具有很好隔离效果的问题。请参看图6，基于lfmcw测距系统的工作流程，测距系统包括：信号发生器31、低通滤波器32、功分器33、功率放大器34、天线35、信号放大器36、混频器38、中频滤波器39以及微控制器40，其中：线性调频连续波信号发生器31产生线性调频连续波信号(lfmcw)，此信号为射频微波信号，通过低通滤波器32，作用是将lfmcw的高次谐波以及带外进行信号抑制，滤除无用信号，然后经过功分器33，功分器的作用是将输入信号分成两路大小相等，相位一样的两个lfmcw信号，一路进入功率放大器34，一路进入信号放大器36放大信号后信号输入混频器38作为混频器的本振输入端口。进入功率放大器34的信号将射频微波信号放大到规定的数值后通过天线35馈电网络后经发射天线辐射体将电磁波能辐射到空间，遇到障碍物41，电磁波旋向反转，反射回来的信号为通过接收天线辐射体后通过天线馈电网络后，将空间电磁波能量转换为射频微波信号，再输入至混频器的射频微波信号输入端，与输入到混频器38本振输入端口的信号进行混频，产生中频信号进入中频滤波器39，中频滤波器选出有用信号，抑制除中频外的无用信号，对中频信号进行调理后，输入到带模拟转数字功能的微控制器40，微控制器做信号算法处理后，输出距离信号，得到测距结果。在选取低通滤波器32时，线性调频连续波信号发生器31产生的射频微波最高频率设为fmhz时，那么低通滤波器32选取一般取截止频率为(f+100)mhz；例如：应用的产品工作在l波段时，滤波器型号可选：lfcn-1700+；lfcn-1800+；lfcn-2000(+)以及lfcn-2250(+)等，当然可根据实际情况进行选择，混频器38的选取时，一般是选择更高线性度的混频器，混频器38的器件注意1db压缩点的指标和iip3的指标，1db压缩点＞5dbm，iip3＞10dbm；一般采用minicircuit公司的mca1-24mh+或sim-43h+等，可根据实际情况进行选择。特别是采用mca1-24mh+时，具有高线性度，可以尽量减少混频器的非线性失真。对本基于lfmcw测距系统与采用了低噪声放大模块的测距系统进行对比，以输入干扰信号0dbm，有用信号输入-48dbm为例，对各个性能进行比较，如下：对比项有低噪声放大模块去除低噪声放大模块是否信号淹没否否第二次谐波抑制30dbc38dbc混频后杂散电平(最大值)-47.75dbm-56.44dbm有用信号输出功率-75dbm-81.54dbm从表中可以看到，本申请的测距系统相较于带有低噪声放大的测距系统的第二次谐波失真优化了8db，最大杂散电平提高了12db左右，虽然有用信号输出功率从绝对值来看，有低噪声放大模块时候，有用信号输出功率电平比除去低噪声放大模块要高6-7db的左右，但是低噪声放大模块时非线性带来的失真问题，产生的频谱已经落在了有用信号周边而且距离很近，无法用中频滤波模块有效滤除，从总体结果来看，去除低噪声放大模块效果优。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，本发明实施例可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。实施例对本方案进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的结构原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。当前第1页12