专利名称：应用于脉冲雷达和导波雷达上的测距方法及其控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业自动化控制领域的脉冲雷达及导波雷达设备，特别涉及一种脉冲 雷达及导波雷达设备上可采用的测距方法及其控制电路。
背景技术：
目前，市场上的脉冲雷达和导波雷达物位仪表种类比较多，高精度雷达大多采用 昂贵的调频连续波(FMCW)雷达方案，成本高，不易推广。普通雷达大多采用脉冲体制，使用 两个晶体，用锁相环(PLL(Phase Locked Loop，相位锁相环)或 DLL(Delay Locked Loop, 延时锁相环))技术产生两路相参的信号，一路相参信号作为发射信号，另一路相参信号作 为本振信号，反射信号经下变频后，进入A/D转换器，A/D转换器通过后续的处理得到测量 的距离。但此种脉冲体制技术的不足之处在于测量精度依赖发射信号与本振信号的相参精 度，精度低，一般为厘米或毫米级，以及需要较高速度的A/D转换器，并且大多数厂商对元 器件的选择、生产工艺的要求都比较高，使得生产成本较高。
发明内容
为了解决上述问题，提供一种低成本的、运行更稳定的脉冲雷达和导波雷达上的 测距方法及其控制电路，所述方法包括以下步骤(1)利用单晶体振荡电路和直接数字频率合成模块产生两路高度相参信号，一路 相参信号作为发射信号，另一路相参信号作为本振信号；(2)智能控制系统提供一个脉冲发射开始信号，所述脉冲发射开始信号控制发射 机从0相位差开始发送所述发射信号和所述本振信号；(3)所述发射信号经天线发射和接收转换为反射信号，所述反射信号和所述本振 信号经下变频处理后得到低频信号，将所述低频信号送入放大器进行放大，得到放大后的 低频信号，将所述放大后的低频信号同时送入比较器和A/D转换器；(4)所述A/D转换器将所述放大后的低频信号转换为数字信号，所述A/D转换器逐 点描绘发射波波形和反射波波形，获取反射波位置和反射波幅度；(5)所述智能控制系统根据所述反射波幅度自动设置一阈值电压，将所述阈值电 压作为所述比较器的比较门槛电压；(6)所述比较器接收所述放大后的低频信号的同时，当所述反射波的峰值大于所 述比较门槛电压时，输出反射峰方波；(7)所述智能控制系统使用频率源，一次或两次发射分别记录所述脉冲发射开始 信号至所述反射峰方波前沿的频率源振荡周期数和所述脉冲发射开始信号至所述反射峰 方波后沿的频率源振荡周期数；(8)所述智能控制系统计算所述反射峰方波前沿的振荡周期数和所述反射峰方波 后沿的振荡周期数的平均值，根据所述平均值得到所述脉冲发射开始信号和所述反射峰方 波的时间差，从而测量出距离。
步骤(8)中的所述根据所述平均值得到所述脉冲发射开始信号和所述反射峰方 波的时间差，从而测量出距离具体为根据所述平均值、脉冲的个数得到脉冲发射开始信号和反射峰方波的时间差，所 述时间差与测量距离成正比。步骤(7)中的所述频率源具体为晶体振荡器。所述控制电路包括单晶体振荡电路、直接数字频率合成模块、智能控制系统、发 射机、天线、下变频模块、放大器、比较器和A/D转换器，所述单晶体振荡电路和所述直接数字频率合成模块，产生高度相参的发射信号和 本振信号；所述发射机发送所述发射信号和所述本振信号；所述天线，将所述发射信号发射和接收转换为反射信号；所述下变频模块，对所述反射信号和所述本振信号进行下变频处理得到低频信 号，并将所述低频信号送入所述放大器；所述放大器，对所述低频信号进行放大滤波处理，得到放大后的低频信号，并将所 述放大后的低频信号同时送入所述比较器和所述A/D转换器；所述A/D转换器，将所述放大后的低频信号转换为数字信号，逐点描绘发射波波 形和反射波波形，所述智能控制系统判断反射波位置和反射波幅度；所述比较器，接收放大后的低频信号，当所述反射波的峰值大于所述比较门槛电 压时，输出反射峰方波；所述智能控制系统，对电路进行控制，并发出脉冲发射开始信号控制所述发射机 从0相位差开始发送发射信号和本振信号；根据所述反射波幅度自动设置阈值电压，将所 述阈值电压作为所述比较器的比较门槛电压；使用频率源，一次或两次发射记录所述脉冲 发射开始信号至所述反射峰方波前沿的频率源振荡周期数和所述脉冲发射开始信号至所 述反射峰方波后沿的频率源振荡周期数；计算所述反射峰方波前沿的振荡周期数和所述反 射峰方波后沿的振荡周期数的平均值，根据所述平均值得到所述脉冲发射开始信号和所述 反射峰方波的时间差，从而测量出距离。所述频率源为晶体振荡器。本发明提供的技术方案的有益效果是本发明采用了高度相参的发射信号和本振信号，保障了信号的差频精度；本发明 可使用较慢速度的A/D转换器，可以使用较少量的数据存储空间，以降低成本和功耗；最大 的优势是将脉冲雷达及导波雷达距离的测距精度提高一到两个数量级，达到微米级别的测
量效果。
图1为本发明提供的测距方法的流程图；图2为本发明提供的反射峰、发射峰和比较门槛电压的示意图；图3为本发明提供的反射峰方波示意图；图4为本发明提供的控制电路的结构图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。为了解决上述问题，提供一种低成本的、运行更稳定的应用于脉冲雷达和导波雷 达上的测距方法，参见图1、图2和图3，详见下文描述101 利用单晶体振荡电路和直接数字频率合成模块(DDS)产生两路高度相参信 号，一路相参信号作为发射信号，另一路相参信号作为本振信号；102 智能控制系统提供一个脉冲发射开始信号，该脉冲发射开始信号控制发射机 从0相位差开始发送发射信号和本振信号；103 发射信号经天线发射和接收转换为反射信号，反射信号和本振信号经下变频 处理后得到低频信号，将低频信号送入放大器进行放大处理，得到放大后的低频信号，将放 大后的低频信号同时送入比较器和A/D转换器；其中，实际应用中经天线转换时通常不能将发射波全部隔离开，因此该低频信号 中包括反射波和发射波。104 :A/D转换器将放大后的低频信号转换为数字信号，A/D转换器逐点描绘发射 波波形和反射波波形，获取反射波位置和反射波幅度；其中，通过A/D转换器逐点描绘发射波波形和反射波波形，可以不太精确地得到 反射波位置和反射波幅度，可以辅助提高测距的精度。105:智能控制系统根据反射波幅度自动设置一阈值电压，将阈值电压作为比较器 的比较门槛电压；其中，阈值电压的取值为低于反射波幅度一定比例的电压，该比例的确定根据实 际应用中的具体应用情况进行设定，通常为75%左右，具体实现时，本发明实施例对此不做 限制。106:比较器接收放大后的低频信号的同时，当反射波的峰值大于比较门槛电压 时，输出反射峰方波；107 智能控制系统使用频率源，一次或两次发射分别记录脉冲发射开始信号至反 射峰方波前沿的频率源振荡周期数和脉冲发射开始信号至反射峰方波后沿的频率源振荡 周期数；进一步地，为了提高测量精度，本发明实施例优选频率源为精度高的频率源，例如 晶体振荡器等。由于本发明实施例采用了智能控制系统来记录数据，不需要采用高速度的A/D转 换器，故在A/D转换器的选择上可以采用较慢速度的A/D转换器，降低了生产的成本，并且 减少了数据的存储空间，满足了实际应用中的需要。108:智能控制系统计算反射峰方波前沿的振荡周期数和反射峰方波后沿的振荡 周期数的平均值，根据平均值得到脉冲发射开始信号和反射峰方波的时间差，从而测量出 距离；其中，该步骤具体为根据平均值、脉冲的个数得到脉冲发射开始信号和反射峰方 波的时间差，将脉冲发射开始信号和反射峰方波的时间差、光速和一个系数相乘得到距离 (时间差与测量距离成正比)。上述距离可以包括目标距离和液位，例如在实际应用中需
6要利用脉冲雷达或导波雷达对油罐中油量的使用情况进行监控，目标距离为油罐的顶端和 油面之间的距离，液位为油罐底部到油面之间的距离。综上所述，本发明实施例提供了一种应用于脉冲雷达和导波雷达上的测距方法， 通过本发明实施例提供的方法保障了信号的差频精度；本发明实施例可使用较慢速度的 A/D转换器，可以使用较少量的数据存储空间，以降低成本和功耗；最大的优势是将脉冲雷 达及导波雷达的测距精度提高一到两个数量级，达到微米级别的测量效果。一种应用于脉冲雷达和导波雷达上的控制电路，参见图4，该控制电路包括单晶体振荡电路、直接数字频率合成模块、智能控制系统、发射机、天线、下变频模 块、放大器、比较器和A/D转换器；单晶体振荡电路和直接数字频率合成模块，产生高度相参的发射信号和本振信 号；智能控制系统，对电路进行控制，并发出脉冲发射开始信号控制发射机从0相位 差开始发送发射信号和本振信号；发射机，发送发射信号；天线，将发射信号发射和接收转换为反射信号；下变频模块，对反射信号和本振信号进行下变频处理得到低频信号，并将低频信 号送入放大器；放大器，对低频信号进行放大处理，得到放大后的低频信号，并将放大后的低频信 号同时送入比较器和A/D转换器；A/D转换器，将放大后的低频信号转换为数字信号，逐点描绘发射波波形和反射波 波形，智能控制系统判断反射波位置和反射波幅度；智能控制系统，根据反射波幅度自动设置阈值电压，将该阈值电压作为比较器的 比较门槛电压；比较器，接收放大后的低频信号，当反射波的峰值大于比较门槛电压时，输出反射 峰方波；智能控制系统，使用频率源，一次或两次记录脉冲发射开始信号至反射峰方波前 沿的频率源振荡周期数和脉冲发射开始信号至反射峰方波后沿的频率源振荡周期数；智能控制系统，计算反射峰方波前沿的振荡周期数和反射峰方波后沿的振荡周期 数的平均值，根据平均值得到脉冲发射开始信号和反射峰方波的时间差，从而测量出距离。
其中，该低频信号为低频模拟信号。其中，阈值电压的取值为低于反射波幅度一定比例的电压，该比例的确定根据实 际应用中的具体应用情况进行设定，通常为75%左右，具体实现时，本发明实施例对此不做 限制。进一步地，为了提高测量精度，本发明实施例优选频率源为精度高的频率源，例如 晶体振荡器等。综上所述，本发明实施例提供了一种应用于脉冲雷达和导波雷达上的控制电路， 通过本发明实施例提供的控制电路保障了信号的差频精度；本发明实施例可使用较慢速度 的A/D转换器，可以使用较少量的数据存储空间，以降低成本和功耗；最大的优势是将脉冲 雷达及导波雷达的测距精度提高一到两个数量级，达到微米级别的测量效果。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种应用于脉冲雷达和导波雷达上的测距方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)利用单晶体振荡电路和直接数字频率合成模块产生两路高度相参信号，一路相参信号作为发射信号，另一路相参信号作为本振信号；(2)智能控制系统提供一个脉冲发射开始信号，所述脉冲发射开始信号控制发射机从0相位差开始发送所述发射信号和所述本振信号；(3)所述发射信号经天线发射和接收转换为反射信号，所述反射信号和所述本振信号经下变频处理后得到低频信号，将所述低频信号送入放大器，得到放大后的低频信号，将所述放大后的低频信号同时送入比较器和A/D转换器；(4)所述A/D转换器将所述放大后的低频信号转换为数字信号，所述A/D转换器逐点描绘发射波波形和反射波波形，获取反射波位置和反射波幅度；(5)所述智能控制系统根据所述反射波幅度自动设置一阈值电压，将所述阈值电压作为所述比较器的比较门槛电压；(6)所述比较器接收所述放大后的低频信号的同时，当所述反射波的峰值大于所述比较门槛电压时，输出反射峰方波；(7)所述智能控制系统使用一个频率源，一次或两次发射分别记录脉冲发射开始信号至反射峰方波前沿的频率源振荡周期数和脉冲发射开始信号至反射峰方波后沿的频率源振荡周期数；(8)所述智能控制系统计算所述反射峰方波前沿的振荡周期数和所述反射峰方波后沿的振荡周期数的平均值，根据所述平均值得到所述脉冲发射开始信号和所述反射峰方波的时间差，从而测量出距离。
2.根据权利要求1所述的应用于脉冲雷达和导波雷达上的测距方法，其特征在于，步 骤(8)中的所述根据所述平均值得到所述脉冲发射开始信号和所述反射峰方波的时间差， 从而测量出距离具体为根据所述平均值、脉冲的个数得到脉冲发射开始信号和反射峰方波的时间差，所述时 间差与测量距离成正比。
3.根据权利要求1所述的应用于脉冲雷达和导波雷达上的测距方法，其特征在于，步 骤(7)中的所述频率源具体为晶体振荡器。
4.一种用于权利要求1所述的应用于脉冲雷达和导波雷达上的测距方法的控制电路， 其特征在于，包括单晶体振荡电路、直接数字频率合成模块、智能控制系统、发射机、天线、 下变频模块、放大器、比较器和A/D转换器，所述单晶体振荡电路和所述直接数字频率合成模块，产生高度相参的发射信号和本振 信号；所述发射机发送所述发射信号；所述天线，将所述发射信号发射和接收，并转换为反射信号；所述下变频模块，对所述反射信号和所述本振信号进行下变频处理得到低频信号，并 将所述低频信号送入所述放大器；所述放大器，对所述低频信号进行放大滤波处理，得到放大后的低频信号，并将所述放 大后的低频信号同时送入所述比较器和所述A/D转换器；所述A/D转换器，将所述放大后的低频信号转换为数字信号，逐点描绘发射波波形和 反射波波形，所述智能控制系统将判断反射波位置和反射波幅度；所述比较器，接收放大后的低频信号的同时，当所述反射波的峰值大于所述比较门槛 电压时，输出反射峰方波；所述智能控制系统，对电路进行控制，并发出脉冲发射开始信号控制所述发射机从0 相位差开始发送发射信号和本振信号；根据所述反射波幅度自动设置阈值电压，将所述阈 值电压作为所述比较器的比较门槛电压；使用频率源，一次或两次发射分别记录脉冲发射 开始信号至反射峰方波前沿的频率源振荡周期数和脉冲发射开始信号至反射峰方波后沿 的频率源振荡周期数；计算所述反射峰方波前沿的振荡周期数和所述反射峰方波后沿的振 荡周期数的平均值，根据所述平均值得到所述脉冲发射开始信号和所述反射峰方波的时间 差，从而测量出距离。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述频率源为晶体振荡器。
全文摘要
本发明公开了一种应用于脉冲雷达和导波雷达上的测距方法及其控制电路，涉及工业自动化控制领域的脉冲雷达及导波雷达设备领域，本发明采用了高度相参的发射信号和本振信号，保障了信号的差频精度；本发明可使用较慢速度的A/D转换器，可以使用较少量的数据存储空间，以降低成本和功耗；最大的优势是通过本发明提供的方法并辅以A/D转换器的逐点描绘反射波波形和发射波波形及反射波幅度，精确地得到了反射波位置，可以将脉冲雷达及导波雷达距离的测距精度提高一到两个数量级，达到微米级别的测量效果，提高了测量精度，满足了实际应用中的需要，并且该方法和控制电路可以应用到距离测量或液位测量上。
文档编号G01S7/02GK101982794SQ20101029551
公开日2011年3月2日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者秦旭东 申请人:天津菲特测控仪器有限公司