本申請涉及射頻雷達(dá)測距，具體而言，涉及一種相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、高精度測距及位移檢測技術(shù)在空間軌道同步及測距任務(wù)，空間探測，無人機(jī)著陸引導(dǎo)，雷達(dá)特征提取，物聯(lián)網(wǎng)通信，室內(nèi)定位，極端特定環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測及安全預(yù)警等領(lǐng)域具重要價值。相位式激光雷達(dá)已實現(xiàn)毫米級到亞毫米級別的距離測量，且其距離分辨率較高，但系統(tǒng)較復(fù)雜且測距成本較高，易受有源干擾影響。與激光測距技術(shù)相比，微波射頻測距及位移檢測方案具有更強(qiáng)的穿透能力，可實現(xiàn)更高度集成和更低成本的測距。

2、目前基于微波射頻(3khz-300ghz范圍內(nèi)的震蕩頻率)的測距技術(shù)有超寬帶測距、信號強(qiáng)度指示測距、線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距和差頻測相測距等方案。

3、超寬帶測距技術(shù)通過發(fā)射和接收兩個超短脈沖信號，并計算信號傳輸時間來實現(xiàn)測距目標(biāo)。該方案具有一定的實時定位和通信能力，且支持雙向通信，其非重疊脈沖信號調(diào)制方式使其具有一定抗干擾能力。其測距精度在厘米量級，但是超寬帶定位及測距需要部署固定的定位網(wǎng)絡(luò)，部署成本高；其穿透性不如藍(lán)牙、wi-fi等無線通信技術(shù)。

4、接收信號強(qiáng)度指示(rssi)的測距基本原理是通過接受到無線信號的強(qiáng)度估計問題或設(shè)備之間的距離，具體來說，接收機(jī)通過測量接受到的射頻信號的能量強(qiáng)度，結(jié)合已知的發(fā)射功率和傳播因子，計算出發(fā)射端與接收端之間的距離。該方案無需額外硬件支持，可基于已有的無線通信設(shè)備進(jìn)行開發(fā)，比如基于藍(lán)牙的rssi和基于wi-fi的rssi測距技術(shù)已有較多相關(guān)研究。該策略在近距離內(nèi)(15m以內(nèi))可實現(xiàn)分米到米量級的測距精度，便于快速部署，成本較低，但是測距精度有限，實際應(yīng)用需考慮多種環(huán)境因素和信號衰減模型，計算過程復(fù)雜，無法實現(xiàn)長距離測距。

5、線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距通過在高頻載波上進(jìn)行低頻信號調(diào)制，并采用基于測時技術(shù)的高精度測相方法實現(xiàn)較高精度和較快速度的距離測量。該策略適用于大范圍和較高精度測量需求場景，可實現(xiàn)較大范圍測距，在1km范圍內(nèi)可在約0.02-0.03s的平均測距時間內(nèi)實現(xiàn)約厘米量級的測距精度。但該方案系統(tǒng)搭建難度較高且后處理方案復(fù)雜，測距應(yīng)用下復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性較差。

6、差頻測相測距技術(shù)利用兩個或多個信號之間的頻率差異進(jìn)行精確測量，在高精度射頻測距和位移檢測中，該方案通過分析信號之間相位差異確定距離或位移。測距應(yīng)用下，通過發(fā)送一個已知頻率的參考信號，并將其與接收的回波信號進(jìn)行拍頻計算差頻，獲得發(fā)射信號與接收信號相位差信息，進(jìn)而對距離進(jìn)行更精確估計。該方案可在一定程度上減少由于溫度變化、電磁干擾等環(huán)境因素引起的誤差，提高測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在無人機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)、建筑工程安裝測量等應(yīng)用場景下融入差頻測相技術(shù)可將射頻信號測距精度由米量級提升至分米量級。位移檢測應(yīng)用下，通過不同時刻接收信號相位變化可精確測量物體位移，該方案在需要高動態(tài)范圍和高測試精度的測距場景下具一定優(yōu)勢。

7、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的上述測距方案在測距范圍、測距精度、成本、系統(tǒng)抗干擾能力等方面各有優(yōu)劣，整體測距精度和距離分辨率亟待提升，無法滿足大范圍、長距離、高精度、全天候測距及位移檢測需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請?zhí)峁┝艘环N相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法及裝置，以提升相干相位射頻測距技術(shù)的測距精度和分辨率，具體方案如下：

2、第一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法，包括：

3、利用信號源生成深度相位調(diào)制的射頻信號，并將所述射頻信號分為兩路發(fā)送其中一路；

4、接收由目標(biāo)接收到一路射頻信號反射的接收信號，并將另一路射頻信號與所述接收信號進(jìn)行混頻得到混頻信號；

5、對所述混頻信號進(jìn)行預(yù)處理，并在預(yù)處理之后進(jìn)行誤差修正得到誤差修正后的混頻信號；

6、計算所述誤差修正后的混頻信號的幅頻譜信息；

7、設(shè)定用于表述測距參數(shù)數(shù)值特征的理論模型與該測距參數(shù)的預(yù)測值差異的目標(biāo)函數(shù)；

8、以最小化所述目標(biāo)函數(shù)為學(xué)習(xí)目標(biāo)，對測距參數(shù)進(jìn)行多次迭代擬合，在擬合過程中利用測距參數(shù)計算得到多階次頻譜信息，并減少多階次頻譜信息與所述幅頻譜信息的差異直至目標(biāo)函數(shù)收斂，得到目標(biāo)函數(shù)收斂時的測距參數(shù)，所述測距參數(shù)包括所述待測相位的具體數(shù)值；

9、利用所述得到目標(biāo)函數(shù)收斂時的待測相位的具體數(shù)值，計算出目標(biāo)的距離信息和位移信息。

10、第二方面，本申請?zhí)峁┝艘环N相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距系統(tǒng)，包括：

11、信號源，用于生成深度相位調(diào)制的射頻信號；

12、發(fā)送端，用于將所述射頻信號分為兩路發(fā)送其中一路；

13、接收端，用于接收由目標(biāo)接收到一路射頻信號反射的接收信號，并將另一路射頻信號與所述接收信號進(jìn)行混頻得到混頻信號；

14、處理端，用于對所述混頻信號進(jìn)行預(yù)處理，并在預(yù)處理之后進(jìn)行誤差修正得到誤差修正后的混頻信號；計算所述誤差修正后的混頻信號的幅頻譜信息；設(shè)定用于表述測距參數(shù)數(shù)值特征的理論模型與該測距參數(shù)的預(yù)測值差異的目標(biāo)函數(shù)；以最小化所述目標(biāo)函數(shù)為學(xué)習(xí)目標(biāo)，對測距參數(shù)進(jìn)行多次迭代擬合，在擬合過程中利用測距參數(shù)計算得到多階次頻譜信息，并通過減少多階次頻譜信息與所述幅頻譜信息的差異直至目標(biāo)函數(shù)收斂，得到目標(biāo)函數(shù)收斂時的測距參數(shù)，所述測距參數(shù)包括所述待測相位的具體數(shù)值；利用所述得到目標(biāo)函數(shù)收斂時的待測相位的具體數(shù)值，計算出目標(biāo)的距離信息和位移信息。

15、本申請實施例的創(chuàng)新點包括：

16、本申請實施例公開了一種相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法及系統(tǒng)，利用信號源生成射頻信號，并將所述射頻信號分為兩路發(fā)送其中一路；接收由目標(biāo)接收到一路射頻信號反射的接收信號，并將另一路射頻信號與所述接收信號進(jìn)行混頻得到混頻信號；對所述混頻信號進(jìn)行預(yù)處理，并在預(yù)處理之后進(jìn)行誤差修正得到誤差修正后的混頻信號；計算所述誤差修正后的混頻信號的幅頻譜信息；設(shè)定用于表述測距參數(shù)數(shù)值特征的理論模型與該測距參數(shù)的預(yù)測值差異的目標(biāo)函數(shù)；以最小化所述目標(biāo)函數(shù)為學(xué)習(xí)目標(biāo)，對測距參數(shù)進(jìn)行多次迭代擬合，在擬合過程中利用測距參數(shù)計算得到多階次頻譜信息，并通過減少多階次頻譜信息與所述幅頻譜信息的差異直至目標(biāo)函數(shù)收斂，得到目標(biāo)函數(shù)收斂時的測距參數(shù)；利用所述得到目標(biāo)函數(shù)收斂時待測相位的具體數(shù)值，計算出目標(biāo)的距離信息和位移信息。本申請通過對單一頻率源進(jìn)行頻率調(diào)制，再分兩路并發(fā)送其中一路射頻信號，通過簡單收發(fā)天線和放大、混頻、濾波以及后處理算法，可實現(xiàn)精度優(yōu)于0.05mm的高精度距離測量和位移檢測，提高了相干相位測量頻率調(diào)制的射頻測距技術(shù)的測距精度和分辨率。

技術(shù)特征：

1.一種相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法，其特征在于，所述利用信號源生成深度相位調(diào)制的射頻信號包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法，其特征在于，所述輸出頻率表示為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法，其特征在于，所述接收信號的相位表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法，其特征在于，所述將另一路射頻信號與所述接收信號進(jìn)行混頻得到混頻信號包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法，其特征在于，對所述混頻信號進(jìn)行預(yù)處理，并在預(yù)處理之后進(jìn)行誤差修正得到誤差修正后的混頻信號包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法，其特征在于，所述設(shè)定用于表述測距參數(shù)數(shù)值特征的理論模型與該測距參數(shù)的預(yù)測值差異的目標(biāo)函數(shù)包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法，其特征在于，所述以最小化所述目標(biāo)函數(shù)為學(xué)習(xí)目標(biāo)，對測距參數(shù)進(jìn)行多次迭代擬合，在擬合過程中利用測距參數(shù)計算得到多階次頻譜信息，并減少多階次頻譜信息與所述幅頻譜信息的差異直至目標(biāo)函數(shù)收斂，得到目標(biāo)函數(shù)收斂時的測距參數(shù)，所述測距參數(shù)包括所述待測相位的具體數(shù)值包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法，其特征在于，所述收斂條件為：所述目標(biāo)函數(shù)的變化小于閾值，且目標(biāo)函數(shù)的值小于給定誤差容限。

10.一種相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距系統(tǒng)，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請實施例公開了一種相干內(nèi)差結(jié)合微波深度相位調(diào)制的雷達(dá)測距方法及系統(tǒng)，利用信號源生成射頻信號并分為兩路并發(fā)送其中一路；將另一路射頻信號與接收信號進(jìn)行混頻得到混頻信號；對混頻信號進(jìn)行預(yù)處理，并在預(yù)處理之后進(jìn)行誤差修正得到誤差修正后的混頻信號，再計算幅頻譜信息；設(shè)定用于表述測距參數(shù)數(shù)值特征的理論模型與該測距參數(shù)的預(yù)測值差異的目標(biāo)函數(shù)；以最小化目標(biāo)函數(shù)為學(xué)習(xí)目標(biāo)，對測距參數(shù)進(jìn)行多次迭代擬合直至目標(biāo)函數(shù)收斂，得到目標(biāo)函數(shù)收斂時的測距參數(shù)；利用測距參數(shù)計算出目標(biāo)的距離信息和位移信息。本申請通過對單一頻率源進(jìn)行頻率調(diào)制，通過簡單收發(fā)天線和放大、混頻、濾波以及后處理算法，可實現(xiàn)高精度的距離測量和位移檢測。

技術(shù)研發(fā)人員：向天祎,段宇光,王正博
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京普測時空科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15