一种基于无线电波波长的测距装置及测距方法和定位方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于无线电波波长的测距装置及测距方法和定位方法，属于无线电波定位【技术领域】。本发明采用向被测目标发射电磁波，被测目标将接收到的电磁波调幅后返回定位终端，定位终端收到返回电磁波后立即停止发送电磁波，接收从被测目标返回的电磁波，并把这些电磁波利用模数转化器数字化，电磁波的波长只与频率有关，波长不会因为干涉衍射而变化，电磁波经数字化转换之后可划分成很多极小的带有数字编码信息的方波，且每个小方波表示的数字唯一，可保证数值的精确性。最终以这些数字化的电磁波作为精确计算定位终端到被测目标之间距离的依据，基于这些精确的测距即可实现精确的定位。且定位速度快，定位数值精确，受外界环境干扰小。
【专利说明】—种基于无线电波波长的测距装置及测距方法和定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于无线电波波长的测距装置及测距方法和定位方法，属于无线电波定位【技术领域】。
【背景技术】
[0002]无线定位技术对大多数人也都不陌生，我们在日常生活中所使用的导航系统，就是基于无线电波对无线定位技术的一种应用。它出现在上个世纪，发展非常迅速，尤其是在上世纪中期随着计算机技术以及无线通讯技术的迅猛发展，无线定位技术在人类生活上逐步应用。
[0003]目前，人们所广泛使用的无线定位技术，如雷达测距、卫星定位等，普遍采用无线电波发射-接收的时间差作为测距的主要依据。虽然这样的测距方式在无线电波测距中主导了很多年，且已在工业应用领域发展的较为成熟，特别是在采用差分技术后，民用导航卫星GPS的定位精度可达到5米，军用、航空方面定位精度更高，但是电磁波作为一种波，具有和其它波一样特有的共性，它会发生干涉、衍射和受传播介质的影响，特别是在有障碍物存在的场合，因为受干涉衍射的作用，电磁波的发射-接收时间会受到较大的影响。此夕卜，电磁波是光波的一种，所以其速度和光速一样，国际公认其在真空中的传播值为c =299792458米/秒，即使我们能根据无线电波的发射_接收时间记录一个较准确的时间差det(t)，但根据L = c*det(t)，得到的测距误差还是会很大。
[0004]在今天随着工业生产力的发展，自动化水平的逐渐提高、生产规模逐步扩大，工业机器人、自动驾驶搬运车等也逐渐走进了人们的视线，人们对无线定位技术的要求也在提高。在工业自动化实际生产中，若要想对自动化生产进行实时准确的控制，就必须对生产流程中关键运动环节的位置有一个精确且稳定的定位，传统的测距定位方案，已远不能满足现代企业自动化生产的需要。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于无线电波波长的测距装置及测距方法和定位方法，以解决目前采用无线电波发射-接收的时间差作为测距定位依据造成误差大的问题。
[0006]本发明为解决上述技术问题而提供了一种基于无线电波波长的测距装置，该测距装置包括定位终端和被定位终端，所述的定位终端设置有无线电波发射模块、无线电波接收模块、模数转换模块和电波信息综合处理模块，所述被定位终端设置有被定位无线电波接收模块和无线电波发射模块，所述定位终端的无线电波发射模块用于根据电波信息综合处理模块的指令向被定位终端发射源电磁波，所述被定位终端的无线电波接收模块用于接收定位终端发送的电磁波，所述的被定位终端的无线电发射模块用于将收到源电波的振幅放大后生成返回电波并发射给定位终端，模数转化模块用于将无线电波接收模块接收到的返回电波转化为由数字编码的数字方波并把这些数字方波传送至电波信息综合处理模块，所述的电波信息综合处理模块用于根据数字化处理的方波计算定位终端和被定位终端的距离。
[0007]所述电波信息综合处理模块根据波长所计算的定位终端与被定位终端之间的距离L为:
Ar..2 n ^ I
[0008]L = --f —
[0009]其中L为所求的距离，λ为定位终端无线电波接收模块所接收电波的波长，k为电波信息综合处理模块所记录的1/4波长的个数，η为信号突变前所接收的不满1/4波长的编码数字方波的份数，m为模数转换模块分辨率的位数。
[0010]所述的定位终端收到返回电磁波后立即停止发送电磁波，电波信息综合处理模块以收到振幅急剧衰减的电磁波作为无线电波末端信号接收识别的标志判断返回电波完全被接收，所述振幅急剧衰减的电磁波是无线电波定位终端的发射模块停止发射后因能量无法补给而振幅急剧衰减的电磁波。
[0011]本发明为解决上述技术问题提供了一种基于无线电波波长的测距方法，该测距方法包括以下步骤:
[0012]I)设立测试点，在测试点向被测目标发送一定频率的电磁波；
[0013]2)被测目标将接收到的电磁波经放大处理后返回至测试点；
[0014]3)测试点将接收到的电磁波进行模数转换，并统计接收到1/4波长的数量和信号突变前所接收的不满1/4波长的数字编码方波的份数，根据统计到的信息和电磁波的波长计算测试点到被测目标的距离。
[0015]所述测试点与被测目标的距离为:
k ^ λ η * Λ
[0016]I =-+ ^-
82歡‘
[0017]其中L为所求的距离，λ为被测目标所接收电波的波长，k为测试点接收到的1/4波长的个数，η为信号突变前所接收的不满1/4波长的数字编码方波的份数，m为模数转换模块分辨率的位数。
[0018]所述测试点以收到振幅急剧衰减的电磁波作为无线电波末端信号接收识别的标志判断返回电波完全被接收，所述振幅急剧衰减的电磁波是测试点的发射模块停止发射后因能量无法补给而振幅急剧衰减的电磁波。
[0019]本发明还提供了一种基于无线电波波长的定位方法，该定位方法包括以下步骤:
[0020]I)建立一个全局坐标系，在该坐标系下的三个坐标轴上分别设置相应的测点；
[0021]2)控制每一个测点向被测目标发送相应设定频率的电磁波；
[0022]3)被测目标将接收到的电磁波放大处理后返回至相应的测试点；
[0023]4)每个测试点将接收到的电磁波进行模数转换，并统计接收到1/4波长的数量和信号突变前所接收的不满1/4波长的数字编码方波的份数，根据统计到的信息和电磁波的波长计算各测试点到被测目标的距离；
[0024]5)根据所计算出的三个坐标轴上的测试点与测试目标的距离以及三个测试点自身的坐标位置，计算被测目标的坐标值。
[0025]所述的步骤4中测试点与被测目标的距离公式为:「k 家 A Tl 象 λ
[0026]L = ——— +--
S 2m
[0027]其中L为所求的距离，λ为被测目标所接收电波的波长，k为测试点接收到的1/4波长的个数，η为信号突变前所接收的不满1/4波长的编码数字方波的份数，m为模数转换过程中所采用的模数转换器分辨率的位数。
[0028]所述的步骤5)中被测目标的坐标值计算公式为:
—X y z — 2Cl rx-j Li — C
[0029]X - 2a yz * y = L! - a2
s, X y — 2b z J W l|—b2
[0030]其中(0，0，c)、(a, 0，0)、和(0，b, 0)分别为三个测试点的坐标，L” L2和L3分别是三个测试点到被测目标的距离，(x，y，z)为被测目标的坐标。
[0031]所述测试点以收到振幅急剧衰减的电磁波作为无线电波末端信号接收识别的标志判断返回电波完全被接收，所述振幅急剧衰减的电磁波是测试点的发射模块停止发射后因能量无法补给而振幅急剧衰减的电磁波。
[0032]本发明的有益效果是:本发明测距方式采用定位终端向被测目标发射电磁波，被测目标将接收到的电磁波调幅后返回定位终端，定位终端收到返回电磁波后立即停止发送电磁波，接收从被测目标返回的电磁波，并把这些电磁波利用模数转化器数字化，电磁波的波长只与频率有关，频率不改变，波长便不会因为干涉衍射而变化，电磁波经数字化转换之后可划分成很多极小的带有数字编码信息的方波，可保证数值的精确性。最终以这些数字化的电磁波作为精确计算定位终端到被测目标之间距离的依据，基于这些精确的测距即可实现精确的定位。且定位速度快，定位数值精确，受外界环境干扰小。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是本实用新型的定位目标坐标计算依据图；
[0034]图2是无线电波波长测距的模块原理框架图；
[0035]图3是无线电波波长测距的计算原理图；
[0036]图4是无线电波末端信号接收识别原理图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0038]本发明的一种基于无线电波波长的测距装置的实施例。
[0039]如图2所示，本发明的测距装置包括定位终端201和被定位终端212，定位终端201设置有无线电发射模块206、无线电接收模块203、模数转换模块202和电波信息综合处理模块，电波信息综合处理模块205输出端控制连接无线电发射模块206，无线电接收模块203的一个输出端通过模数转换模块202与电波信息综合处理模块205的输入端相连，另一个输出端直接与电波信息综合处理模块205相连，被定位终端212中设置有被定位端无线电波发射模块211和被定位端无线电波接收模块213，被定位端212的无线电波接收模块213用于接收定位终端201的无线电波发射模块206发射的源电磁波208并将其传递给被定位终端212的无线电波发射模块211，无线电波发射模块211将源电波208的振幅放大生成返回电波209，然后由被定位端212的发射-接收端210辐射发出。
[0040]该测距装置的工作过程如下，启动测距时，定位终端201和被定位端212中的各模块首先进行初始化，然后定位终端201中的电波信息综合处理模块205向定位终端无线电波发射模块206发指令，定位终端无线电波发射模块206启动振荡生成源电磁波208，并由定位终端发射-接收天线207向外辐射发出。被定位端212的无线电波接收模块接收到发射-接收端210传来的源电波208，并将其传递至无线电波发射模块211，无线电波发射模块211将源电波208的振幅放大生成返回电波209，然后由被定位端212的发射-接收端210辐射发出。返回电波209由定位终端201的无线电波接收模块203经电波发射-接收端207接收。无线电波接收模块203接收到返回电波209后同时向电波信息综合处理模块205和模数转换模块202发出指令；电波信息综合处理模块205依指令立即终止无线电波发射模块206对被定位模块212源电波的发送，模数转化模块202将无线电波接收模块203接收到的返回电波209转化为由数字编码的数字方波并把这些数字方波传送至电波信息综合处理模块205，电波信息综合处理模块205开始处理传送来的数据。无线电波发射模块206终止电磁波发送后，已发送的电磁波将继续向被定位目标212的发射-接收端传播，振幅被放大后返回。当返回的电磁波完全被接收处理后，电磁波所走过的距离为2倍的定位终端发射-接收端到被定位目标发射-接收端之间的距离。
[0041]定位终端201的模数转换模块202将接收到的无线电波数字化，然后传至电波信息综合处理模块205。电波信息综合处理模块205通过检测模数转换模块202首位符号位输出引脚电平变化(特征为“O”和“I”之间的变化)和除首位以外其它数字编码位峰值的出现(特征为除首位外其它数字编码位为全“ I ”)，即可确定接收电波1/4波长的个数k (首位符号位每变化一次代表接收到2个1/4波长，在电波末端符号位不变化的情况下，若出现峰值需再记录I个1/4波长)；通过检测模数转换模块202输出数字信号的突变来识别电波传送的末端编码信息。
[0042]目前模数转换芯片按分辨率可分为4位、6位、8位、10位、14位、16位、18位、24位等，其中性能卓越的模数转换芯片采样率可高达50GS/S以上，且内置大容量片内缓冲。高的分辨率位数可保证模数转换器对模拟信号转换后纵向精度，进而可实现高度的离散化；高的采样率可保证垂直分辨率的有效利用，即能够保证某种分辨率的模数转换器所能表示的全部数字编码都能在横轴上找到唯一的采样点与之对应；大的内置片内缓冲，能够保证模数转换器对模拟信号进行完整且准确的转换。
[0043]以24位高分辨率高采样率模数转换芯片为实施例。选取3MHz的样本频率，其波长为10m(以波速为30万千米/秒计)。对于24位的模数转换芯片，取其首位作为符号位用于辅助识别电磁波的接收情况，则一个1/4波长能够被其分为223个数字方波301，每个数字方波对应的宽度为λ /225，即0.00000298m,定位终端201发射-接收端204到被测目标212发射-接收端201的测距精确度为0.00000149m,即1.49um。本发明中基于无线电波波长测距的计算如图3所示，电波信息综合处理模块205通过检测模数转换模块202首位符号位输出引脚电平变化(特征为“O”和“I”之间的变化)和除首位以外其它数字编码位峰值的出现可以确定录入1/4波长的个数，设录入k个1/4波长后，电波信息综合处理模块205检测到模数转换模块202输出的数字信息发生突变，且通过电波末端编码信息获得在信号突变点和在第k次录入1/4波长之间有η份编码数字方波，则测得距离为:
k ? A ? * 2
[0044]L =-+ ~^
8 2‘6
[0045]其中L为所求的距离，λ为定位终端无线电波接收模块所接收电波的波长，k为电波信息综合处理模块所记录的1/4波长的个数，η为信号突变前所接收的不满1/4波长的编码数字方波的份数。
[0046]在理想状态下，当无线电波定位终端201的发射模块停止发射后，以发送的电磁波后面不再有电磁波出现，而在事实上，无线电波停止发送后，一部分因能量无法补给而振幅急剧衰减的电磁波403仍会发出，然后经过被测目标212处理后返回，如图4所示，在无线电波401的末端402后出现急剧衰减的电波403，经过电波末端后，电波的幅值由原来的Al衰减为Α2，波长和频率保持不变。
[0047]本发明的一种基于无线电波波长的测距方法的实施例。
[0048]1.设立测试点，在测试点向被测目标发送一定频率的电磁波，本实施例中我们选用的电磁波频率为3MHz的样本频率，其波长为10m (以波速为30万千米/秒计)。
[0049]2.测试目标接收到电磁波经放大处理后返回至测试点，测试点将接收到的电磁波通过模数转换成数字方波，并统计接收到1/4波长的数量和信号突变前所接收的不满1/4波长的数字编码方波的份数，根据统计到的信息和电磁波的波长计算测试点到被测目标的距离。
k ^I λ
[0050]1#..丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.丨.…~t~
8 2as
[0051]其中L为所求的距离，λ为定位终端无线电波接收模块所接收电波的波长，k为电波信息综合处理模块所记录的1/4波长的个数，η为信号突变前所接收的不满1/4波长的编码数字方波的份数。
[0052]本发明的一种基于无线电波波长的定位方法的实施例。
[0053]首先建立一个全局坐标系，如图1所示，在该坐标系下的三个坐标轴上分别设置相应的测点，在每个测点上分别设置有相应的发射-接收端。设三个测点坐标分别为101 (O, O, c)、102 (a, O, O)、103 (O, b, O)，这三个测点到被测目标的距离分别为L1、L2和L3,
[0054]然后利用上述实施例的方法分别求出每个测点与北侧目标的距离U、L2和L3，具体过程已在上述实施例中进行了详细说明，这里不在重复赘述。
[0055]被测目标104坐标为(X，y, z)，则由图示关系，可得到如下矩阵:
■ Xψ Z — 2 Cl rXi L! — c‘"|
[0056]X — 2a yz *|y|= L| — a2.X y — 2b 2 Jl W l| — b2J
[0057]将所求LpL2和L3带入上述公式，被测目标104(x，y, z)的坐标值便可以唯一确定(此矩阵的计算结果为两组解，且这两组解关于三个测点组成的平面对称，根据被测点和测试点的实际位置关系舍弃掉不符合实际的那组解)。
[0058]由图元素位置关系的几何意义可知，本发明中对被测点的坐标计算依据相当于在平面上立三脚架，三个点坐标确定，平面确定，三竿长度确定，被测点相对于平面的位置确定，被测点目标确定且唯一。由图1可知，只要能精确测得被测点到三个定位终端发射-接收端的距离，就能通过计算得到被定位点的坐标位置信息，实现定位。
【权利要求】
1.一种基于无线电波波长的测距装置，其特征在于，该测距装置包括定位终端和被定位终端，所述的定位终端设置有无线电波发射模块、无线电波接收模块、模数转换模块和电波信息综合处理模块，所述被定位终端设置有被定位无线电波接收模块和无线电波发射模块，所述定位终端的无线电波发射模块用于根据电波信息综合处理模块的指令向被定位终端发射源电磁波，所述被定位终端的无线电波接收模块用于接收定位终端发送的电磁波，所述的被定位终端的无线电发射模块用于将收到源电波的振幅放大后生成返回电波并发射给定位终端，模数转化模块用于将无线电波接收模块接收到的返回电波转化为由数字编码的数字方波并把这些数字方波传送至电波信息综合处理模块，所述的电波信息综合处理模块用于根据数字化处理的方波计算定位终端和被定位终端的距离。
2.根据权利要求1所述的基于无线电波波长的测距装置，其特征在于，所述电波信息综合处理模块根据波长所计算的定位终端与被定位终端之间的距离L为:
k ^ λ η ? I L =--+ ——..ι;
82附2 其中L为所求的距离，λ为定位终端无线电波接收模块所接收电波的波长，k为电波信息综合处理模块所记录的1/4波长的个数，η为信号突变前所接收的不满1/4波长的编码数字方波的份数，m为模数转换模块分辨率的位数。
3.根据权利要求2所述的基于无线电波波长的测距装置，其特征在于，所述的定位终端收到返回电磁波后立即停止发送电磁波，电波信息综合处理模块以收到振幅急剧衰减的电磁波作为无线电波末端信号接收识别的标志判断返回电波完全被接收，所述振幅急剧衰减的电磁波是无线电波定位终端的发射模块停止发射后因能量无法补给而振幅急剧衰减的电磁波。
4.一种基于无线电波波长的测距方法，其特征在于，该测距方法包括以下步骤: 1)设立测试点，在测试点向被测目标发送一定频率的电磁波； 2)被测目标将接收到的电磁波经放大处理后返回至测试点； 3)测试点将接收到的电磁波进行模数转换，并统计接收到1/4波长的数量和信号突变前所接收的不满1/4波长的数字编码方波的份数，根据统计到的信息和电磁波的波长计算测试点到被测目标的距离。
5.根据权利要求4所述的基于无线电波波长的测距方法，其特征在于，所述测试点与被测目标的距离为:
k * λ _ η +*+ λ L = 2m*2 其中L为所求的距离，λ为被测目标所接收电波的波长，k为测试点接收到的1/4波长的个数，η为信号突变前所接收的不满1/4波长的数字编码方波的份数，m为模数转换模块分辨率的位数。
6.根据权利要求5所述的基于无线电波波长的测距方法，其特征在于，所述测试点以收到振幅急剧衰减的电磁波作为无线电波末端信号接收识别的标志判断返回电波完全被接收，所述振幅急剧衰减的电磁波是测试点的发射模块停止发射后因能量无法补给而振幅急剧衰减的电磁波。
7.一种基于无线电波波长的定位方法，其特征在于，该定位方法包括以下步骤: 1)建立一个全局坐标系，在该坐标系下的三个坐标轴上分别设置相应的测点； 2)控制每一个测点向被测目标发送相应设定频率的电磁波； 3)被测目标将接收到的电磁波放大处理后返回至相应的测试点； 4)每个测试点将接收到的电磁波进行模数转换，并统计接收到1/4波长的数量和信号突变前所接收的不满1/4波长的数字编码方波的份数，根据统计到的信息和电磁波的波长计算各测试点到被测目标的距离； 5)根据所计算出的三个坐标轴上的测试点与测试目标的距离以及三个测试点自身的坐标位置，计算被测目标的坐标值。
8.根据权利要求7所述的基于无线电波波长的定位方法，其特征在于，所述的步骤4中测试点与被测目标的距离公式为:
k * λ η * A 1 — 8 + 其中L为所求的距离，λ为被测目标所接收电波的波长，k为测试点接收到的1/4波长的个数，η为信号突变前所接收的不满1/4波长的编码数字方波的份数，m为模数转换过程中所采用的模数转换器分辨率的位数。
9.根据权利要求8所述的基于无线电波波长的定位方法，其特征在于，所述的步骤5)中被测目标的坐标值计算公式为: [πψ z — 2Cl rS| Lj — CiI * — 2纖 yz * y = Lf — a2 π y — 2b z J Lzi _ j,2j 其中(0，0，c)、(a, 0，0)、和(0，b, 0)分别为三个测试点的坐标，U、L2和L3分别是三个测试点到被测目标的距离，(x，y，z)为被测目标的坐标。
10.根据权利要求8所述的基于无线电波波长的定位方法，其特征在于，所述测试点以收到振幅急剧衰减的电磁波作为无线电波末端信号接收识别的标志判断返回电波完全被接收，所述振幅急剧衰减的电磁波是测试点的发射模块停止发射后因能量无法补给而振幅急剧衰减的电磁波。
【文档编号】G01S13/08GK104297745SQ201410188741
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】崔凤奎, 解克各, 凌远非, 王晓强, 张丰收, 侯丽敏, 董晓丹 申请人:河南科技大学