一种距离测量装置及其测量方法及实际距离测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及距离测量技术，特别设及基于有源应答的距离测量装置及其测量方法 及实际距离测量方法。
【背景技术】
[0002] 距离测量技术是一项基础测量技术，广泛应用于人类日常生活中，其测量精度是 非常重要的指标，特别是在边坡跨塌、滑坡、泥石流等地质灾害监测领域，往往要求距离测 量精度极高。全站仪、水准仪等光学测距仪器虽然测距精度很高，但是并没有大规模应用于 地质灾害监测之中，原因一方面是因为运些光学仪器在恶劣天气环境中无法正常使用，另 一方面运些仪器成本较高，而且不能实现自动化控制测量。目前尚未出现成熟的地质灾害 监测系统，主要是因为现有技术均不能同时兼顾测量精度高、作用距离远、在恶劣气象环境 下正常运行等地质灾害监测设备的Ξ大要素。
[0003] 美国专利US7, 504, 992B2公开了一种用于滑坡监测的微位移测量装置和方法， 测量装置分为询问机和应答机，它们的结构相同，但是工作在不同的工作模式，其中询问机 首先向应答机发射一段连续波信号，应答机利用放大器和射频延迟线将接收到的信号延时 后反馈回给询问机，而询问机通过测量和比较应答机转发的射频信号相位变化来获取两者 之间的相对距离变化，该方法中应答机不包含时钟源，因此回避了有源应答测距系统中的 时钟同步问题，但是由于采用射频延迟线实现转发延时，要实现大的延迟就会增大应答机 的体积，而且延时的大小是固定的，不能灵活设置。
[0004] 美国专利US8, 644, 768B2公开了一种无线电网络的两个节点之间测距方法与装 置，在该专利中，测距装置由询问机和应答机组成，询问机和应答机中分别具有独立的参考 时钟发生器和锁相环，在一次测量中双方锁相环产生的射频信号具有固定的频率差，询问 机首先向应答机发送射频信号，应答机接收信号并与本地锁相环输出的信号混频得到频率 固定的差频信号，应答机根据本地参考时钟测量差频信号的相位，然后交换角色，应答机发 射射频信号，询问机测量接收信号降频处理后的差频信号的相位，双方各测得一个相位值 W后同时按固定频率步进值改变各自本地锁相环的输出频率，重复之前测量两个相位值的 过程再次得到两个相位值，如此步进发射信号频率值，测得一组相位值来解算询问机与应 答机之间的距离。该专利所公开的测距方法需要往复发射多次测距信号，因此该方法测距 需要的时间较长，测量的动态性能很差。
[0005] 美国专利US8, 094, 061B2公开了一种微波相位测距的方法，主设备采用正交调制 来产生与本地信号源固定相位差的射频信号并发射出去，从设备接收射频信号并经正交解 调后测出接收信号与本地信号源的相位差，然后交换角色，从设备产生与本地信号源固定 相位差的射频信号向主设备发射，主设备接收射频信号并再测出一个相位差，利用四个相 位值及射频信号频率来计算两个设备之间的距离。运种方法需要主、从两个设备交换相位 差和频率数据来解算两者间的距离，因此需要额外的通信信道。
[0006] 上述现有的双节点有源应答式测距技术中，两设备间的收发同步问题采用了固定 延迟线或两设备间交替收发技术来解决的，存在着设备体积大或测距时间长、动态性能差 的问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的就在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种距离测量装置， 利用该装置可W高精度测量出应答机和询问机之间的实际距离。本发明还提供了利用该装 置的距离测量方法及实际距离测量方法。
[0008] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是： 一种距离测量装置，包括询问机和应答机，所述询问机包括：T/R组件A、调制解调模块 A、 基带信号采集模块A、基带信号生成模块A、控制器AW及与控制器A连接的存储器A; T/R组件A用于接收和发送射频信号；调制解调模块A用于从T/R组件A中接收射频 信号并解调成I、Q两路模拟基带信号发送给基带信号采集模块A，并从基带信号生成模块 A中接收I、Q两路模拟基带信号并调制成射频信号发送给T/R组件A;基带信号采集模块A 用于将调制解调模块A输出的I、Q两路模拟基带信号转化为I、Q两路数字基带信号并发送 给控制器A;基带信号生成模块A用于将控制器A发送的I、Q两路数字基带信号转换成I、 Q两路模拟基带信号并发送给调制解调模块A;控制器A用于将存储器A中存储的I、Q两路 数字基带信号发送给基带信号生成模块A，从基带信号采集模块A接收I、Q两路数字基带 信号，并根据接收的数字基带信号和从存储器A中读取的数字基带信号计算应答机与询问 机的距离； 所述应答机包括：T/R组件B、调制解调模块B、基带信号采集模块B、基带信号生成模块 B、 包络检波器、控制器BW及与控制器B连接的存储器B;所述控制器B具有延时时间预设 模块，延时时间预设模块用于设置应答机的信号发送延时时间； T/R组件B用于接收和发送射频信号；调制解调模块B用于从T/R组件B中接收射频信 号并解调成I、Q两路模拟基带信号发送给基带信号采集模块B，并从基带信号生成模块B中 接收I、Q两路模拟基带信号并调制成射频信号发送给T/R组件B;基带信号采集模块B用于 将调制解调模块B输出的I、Q两路模拟基带信号转化为I、Q两路数字基带信号并发送给控 制器B;基带信号生成模块B用于将控制器B发送的I、Q两路数字基带信号转换成I、Q两 路模拟基带信号并发送给调制解调模块B;控制器B用于从基带信号采集模块B接收I、Q两 路数字基带信号存储到存储器B中，并在到达延时时间后读取存储器B中的I、Q两路数字 基带信号发送给基带信号生成模块B;所述包络检波器的输入端连接调制解调模块B、输出 端连接控制器B，用于检测询问机信号是否来临，并在询问机信号来临时产生一个触发信号 输出至控制器B，触发控制器B启动基带信号采集模块B开始采集模拟基带信号；此处所述 的采集模拟基带信号就是指基带信号采集模块B将调制解调模块B输出的I、Q两路模拟基 带信号转化为I、Q两路数字基带信号并发送给控制器B，该过程就是基带信号采集模块B采 集模拟基带信号的过程。本技术方案中，距离测量装置能够通过预设参数来控制应答机的 转发信号的延时时间长短，延时时间可W灵活设置，还可W采用不同延时区分不同应答机， 因此能够在大量应答机情形下保持高动态性，可W高精度测量出应答机和询问机之间的距 离。
[0009] 作为本发明的进一步改进，所述T/R组件B和T/R组件A的结构相同，均包括天 线、收发开关、低噪声放大器、功率放大器W及2个带通滤波器；收发开关与天线相连，用于 控制发射射频信号和接收射频信号的切换，一个带通滤波器连接在收发开关的输出端与低 噪声放大器的输入端之间，功率放大器连接在另一个带通滤波器的输出端与收发开关的输 入端之间。
[0010] 作为本发明的又一改进，所述调制解调模块A包括本振FSU0/90。功分器G1、正 交解调器A和正交调制器A;0/90°功分器G1的输入端连接本振FS1的输出端； 正交解调器A包括I路混频器化1、Q路混频器化2、I路带通滤波器BPF13、Q路带通 滤波器BPF14、I路放大器F11、Q路放大器F12,I路混频器化1、Q路混频器化2的信号输 入端均与T/R组件A的输出端相连，I路混频器H11的本振输入端连接0/90°功分器G1的 0°直通端口，Q路混频器化2的本振输入端连接0/90。功分器G1的90。移相输出端口； I路带通滤波器BPF13的输入端连接I路混频器化1的输出端、输出端连接I路放大器F11 的输入端；Q路带通滤波器BPF14的输入端连接Q路混频器H12的输出端、输出端连接Q路 放大器F12的输入端； 正交调制器A包括I路混频器化3、Q路混频器化4、加法器A1，I路混频器化3、Q路混 频器H14的信号输入端与基带信号生成模块A的输出端相连，I路混频器H13的本振输入 端连接0/90°功分器G1的0°直通端口，Q路混频器H14的本振输入端连接0/90°功分器 G1的90°移相输出端口；I路混频器化3、Q路混频器化4的输出端各连接加法器A1的一 个输入端，加法器A1的输出端直接连接T/R组件A的输入端； 所述调制解调模块B包括本振FS2、0/9〇D功分器G2、正交解调器B和正交调制器B; 0/90°功分器G2的输入端连接本振FS2的输出端； 正交解调器B包括I路混频器肥1、Q路混频器肥2、I路带通滤波器BPF23、Q路带通 滤波器BPF24、I路放大器F21、Q路放大器F22,I路混频器肥1、Q路混频器肥2的信号输 入端均与T/R组件B的输出端相连，I路混频器肥1的本振输入端连接0/90°功分器G2的 0°直通端口，Q路混频器肥2的本振输入端连接0/90。功分器G2的90。移相输出端口； I路带通滤波器BPF23的输入端连接I路混频器肥1的输出端、输出端连接I路放大器F21 的输入端；Q路带通滤波器BPF24的输入端连接Q路混频器肥2的输出端、输出端连接Q路 放大器F22的输入端； 正交调制器B包括I路混频器肥3、Q路混频器肥4、加法器A2,1路混频器肥3、Q路混 频器肥4的信号输入端均与基带信号生成模块B的输出端相连，I路混频器肥3的本振输 入端连接0/90 °功分器G2的0 °直通端口，Q路混频器肥4的本振输入端连接0/90 °功分 器G2的90°移相输出端口；I路混频器肥3、Q路混频器肥4的输出端各连接加法器A2的 一个输入端，加法器A2的输出端直接连接T/R组件B的输入端。
[0011] 进一步，所述基带信号采集模块A与基带信号生成模块A的转换时钟相同，且与调 制解调模块A中的本振FS1同源或者直接由本振FS1分频获得；基带信号采集模块B与基带 信号生成模块B的转换时钟相同，且与调制解调模块B中的本振FS2同源，或者直接由本振 FS2分频获得。本技术方案中，应答机中正交解调与调制同本振，且基带信号的数模转换、 模数转换时钟与本振相干，应答机的接收信号在经过正交解调、采集存储、延时、提取恢复、 正交调制运一系列处理后变换为应答机的转发信号，该转发信号与接收信号仅存在相位变 化，两者的相位差仅与传播延时和预设的延时时间有关，与询问机和应答机之间的时钟同 步误差无关，且本地时钟不影响信号相干性，因此测距精度高。
[0012] 进一步，所述控制器A和控制器B均具有两个基带信号输入端口和两个基带信号 输出端口； 所述基带信号采集模块A和基带信号采集模块B结构相同，均包括两路同步采样的A/D转换器；基带信号采集模块A的两个A/D转换器的输入端连接调制解调模块A的输出端、 输出端连接控制器A，将调制解调模块A输出的I、Q两路模拟基带信号分别转化为I、Q两 路数字基带信号后传输至控制器A;基带信号采集模块B的两个A/D转换器的输入端连接 调制解调模块B的输出端，输出端连接控制器B，将调制解调模块B输出的I、Q两路模拟基 带信号分别转化为I、Q两路数字基带信号后传输至控制器B; 所述基带信号生成模块A与基带信号生成模块B结构相同，均包括两路同步转换的D/A转换器和两个带通滤波器；基带信号生成模块A的两路D/A转换器的输入端连接控制器A 且各连接到一个基带信号输出端口上，输出端各通过一个带通滤波器连接调制解调模块A， 分别将控制器A发送的I、Q两路数字基带信号转换成I、Q两路模拟基带信号，并发送至调 制解调模块A中；基带信号生成模块B的两路D/A转换器的输入端连接控制器B且各连接 到一个基带信号输出端口上，输出端各通过一个带通滤波器连接调制解调模块B，分别将控 制器B发送的