一种基于脉冲压缩的射频通信波段距离差测定系统和方法

1.本发明涉及了一种基于脉冲压缩技术的射频通信波段距离差测定系统和方法，该系统包括射频通信波段发射机和射频通信波段接收机，该方法包括基于上述系统的距离差计算数字信号处理算法。


背景技术：

2.脉冲压缩处理就是通过信号处理技术来获得相应的脉冲压缩输出信号，这样就能在不提高雷达发射功率的条件下，得到较高的输出信号信噪比。按其实现方法可分为时域脉冲压缩和频域脉冲压缩处理法。
3.传统的脉冲压缩测距系统常见于雷达，其发射与接收系统均位于雷达端，为实现高灵敏度和高精度，抵消反射材料对电磁波的衰减，其往往需要更高的发射功率、更高的发射频率，发射频率通常在x波段及更高，并且需要进行发射端和接收端之间信号的隔离，接收机系统的成本也更高。同时，传统的脉冲压缩测距系统的解调算法过于复杂，对于接收机要求较高，成本较高。
4.cn2018104411843给出基于无线脉冲射频信号进行双向飞行时间测距和通信的系统，包括：uwb装置、测距装置，其中，无线脉冲射频信号装置，用于通过无线脉冲射频信号进行通信，并通过双向飞行时间测距方式进行测距；测距装置与无线脉冲射频信号装置，测距装置包括处理器、收发器、天线、id寄存器，测距装置包括处理器、收发器、天线、设置模块、id寄存器和通信接口，其中，处理器用于进行数据处理；收发器与处理器连接，收发器还与所述天线连接，所述收发器用于通过所述天线输出测距请求，同时还通过所述天线接收其他测距装置测距请求，所述天线用于进行数据传输；所述id寄存器为非易失性存储器，用于存储所有测距装置的id识别号。
5.cn2015109540688提供一种射频信号测距方法及系统，能够在不依赖射频接收信号强度测量硬件的前提下，估算发射节点与接收节点之间的距离。所述方法包括：获取不同测距码字的出现概率与节点之间距离的关系表，所述节点之间距离为发射节点与接收节点之间的距离；通过发射节点发射测距分组列，所述测距分组列包括：多个不同级别射频发射功率的分组，分组内容中包含该分组的射频发送功率信息；通过接收节点接收发射节点发射的分组，并根据接收节点的接收结果构建测距码字；根据构建的测距码字及获取的不同测距码字的出现概率与节点之间距离的关系表，估算发射节点与接收节点之间的距离。更适用于定位技术领域。


技术实现要素：

6.本发明目的是，提出一种基于脉冲压缩技术的射频波段通信技术，实现高灵敏度、高精度、低成本、拓展性强的距离差测定系统，可用于高精度测距、多目标检测和三点定位。可用于航海、航天、无人机、自动驾驶等领域的测距和定位。该系统包括射频通信波段发射机和射频通信波段接收机，该方法包括距离差计算数字信号处理算法。
7.本发明的技术方案是，一种基于脉冲压缩技术的射频通信波段距离差测定系统，系统的阐述：包括射频通信波段发射机、射频通信波段接收机，
8.所述射频通信波段发射机包括如下依次电连接的部件：
9.射频信号源，输出射频波段单频正弦波信号或线性扫频信号；
10.低频信号源，输出单极性周期的脉冲波信号；
11.高速电子开关，实现了两路信号相乘即脉冲成型的功能；
12.射频功率放大器，有效提高发射机输出的脉冲压缩信号功率；
13.对数天线，用于发射射频信号。
14.射频信号源和低频信号源均输入至高速电子开关后再经射频功率放大器混频放大后由对数天线发射信号；
15.所述射频通信波段发射机的进一步设计在于，所述射频信号源输出信号频率在1ghz到1.5ghz之间可调，输出信号功率在-40dbm到0dbm之间可调。射频信号源输出信号具体可为单频正弦波信号或线性扫频信号。
16.所述射频通信波段发射机的进一步设计在于，所述低频信号源可以输出周期的脉冲波信号，脉冲波为单极性，其中高电平为正电压5伏，低电平为零，频率在1khz到100khz之间连续可调，占空比在0到100％之间连续可调，输出信号幅度在0到5伏之间连续可调。
17.所述射频通信波段发射机的进一步设计在于，所述高速电子开关至少需支持100khz的开关速率，同时输入信号通道的频率范围需包含1ghz到1.5ghz频段。高速电子开关实现了两路信号相乘即脉冲成型的功能。
18.所述射频通信波段发射机的进一步设计在于，所述射频功率放大器线性工作频段包含1ghz到1.5ghz范围，功率增益大于20db。射频功率放大器可以有效提高发射机输出的脉冲压缩信号功率。
19.所述射频通信波段发射机的进一步设计在于，所述对数天线工作频段包含1ghz-1.5ghz，天线增益为12-18db，辐射方向全向与定向均可，天线驻波比小于等于1.5。
20.所述射频通信波段接收机，其包括如下依次电连接的部件：
21.对数天线，用于接收射频信号；
22.低噪声放大器，提高输入信号的信噪比，抑制输入信号的噪声；
23.无源混频器，通过本振信号对输入信号进行下变频；
24.本振信号源，产生频率幅度固定的标准正弦波本振信号；
25.无源带通滤波器，作为接收机的中频滤波器，可以有效的降低等效噪声带宽；
26.中频放大器，放大中频信号，提高接收机的灵敏度和动态范围；
27.示波器或计算机，采集波形信号并计算距离差。对数天线按序接低噪声放大器、无源混频器、无源带通滤波器、中频放大器和示波器或计算机用于采集波形信号并计算距离差，本振信号源的输出端接无源混频器的第二输入端。
28.所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，各模块的输入阻抗和输出阻抗均为50欧，各模块之间均使用同轴线连接；各模块均采用0欧电阻一点接地。
29.所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述对数天线工作频段包含1ghz-1.5ghz，天线增益为12-18db，天线驻波比小于等于1.5，极化方向为垂直极化。
30.所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述低噪声放大器的工作频率范围
包含1ghz到1.5ghz频段，噪声系数小于1db，放大器增益大于10db。
31.所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述无源混频器工作频率范围包含1ghz到1.5ghz频段，典型转换损耗小于7db。所述无源混频器实现下变频，将输入的脉冲压缩信号的载波频率从1ghz到1.5ghz频率范围搬移到以100mhz为中心，90mhz-110mhz的频率范围内。
32.所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述本征信号源输出正弦波信号频率在900mhz到1.4ghz范围内连续可调，输出信号功率在-40dbm到10dbm范围内连续可调。
33.所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述无源带通滤波器的-3db通频带为90mhz到110mhz，带内插入损耗小于1db。
34.所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述中频放大器工作频率范围需包含100mhz，增益大于20db。提高中频放大器的增益有利于提高接收机的灵敏度。
35.所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述示波器用于对接收机下变频后的脉冲压缩信号进行高速采样，其中设置示波器为深度存储模式，同时要保证示波器的实时采样率大于等于500mhz(示波器的记录时间长度＝最大存储深度除以实时采样频率)，利用示波器的高速adc将脉冲压缩信号的波形进行模数转换并存储，同时将存储的波形数据文件导入计算机。所述计算机用于运行距离差计算数字信号处理算法对接收机下变频后的脉冲压缩信号进行数字解调。
36.本发明测量的距离差定义为：某发射机到接收机1距离和接收机2距离的差值。
37.如图3所示，距离差测量系统由一台发射机和两台接收机组成：接收机1和接收机2。a为发射机到接收机1的距离，b为发射机到接收机2的距离，c为接收机1和接收机2之间的距离。本发明技术距离差测量系统可以测量发射机到接收机1的距离与发射机到接收机2的距离之间的差值d，即有：
38.d＝|a-b|
ꢀꢀ
(1)
39.d即为本发明技术距离差测量系统测量的距离差。
40.在图3中，接收机1与接收机2位置固定，且两者之间的距离c为已知常量。
41.使用本技术发明提及的发射机系统发射脉冲压缩信号，使用本技术发明提及的接收机系统同时接收脉冲压缩信号，接收机完成信号的前置低噪声放大、下变频、滤波和中频放大后，使用示波器高速实时采样并存储脉冲压缩信号波形，同时将经过adc采样量化后波形数据导入计算机，计算机运行距离差计算数字信号处理算法对两路接收机下变频后的脉冲压缩信号进行数字解调。
42.本发明的距离差计算数字信号处理算法，应用上述距离差测量系统，所述距离差计算数字信号处理算法包括：
43.半波整流算法，用于提取脉冲压缩信号的脉冲包络正半周(正极性)波形；
44.低通滤波算法，滤除载波信号，进一步提高信噪比，提取脉冲信号的包络；
45.匹配滤波算法，用于计算两接收机接收信号间的相位差；
46.距离差计算算法，用于计算两接收机与发射机之间距离的距离差。
47.所述的距离差计算数字信号处理算法，所述半波整流算法仅保留波形幅值大于0的部分，将小于0的部分置为0。
48.所述的距离差计算数字信号处理算法，所述低通滤波算法：对半波整流算法的处
理结果进行数字低通滤波器滤波，可以滤除载波信号，进一步提高信噪比，提取脉冲信号的包络。数字低通滤波器的截止频率设置为脉冲包络信号的频率，所述脉冲包络信号的频率为低频信号源产生的周期脉冲波信号的频率。
49.所述的匹配滤波算法，所述互相关函数r
xy
(m)，具体为：
[0050][0051]
上式中，x(n)表示接收机1输出的波形信号数据序列，y(n)表示接收机2输出的波形数据序列，m表示在运算过程中将序列y(n)移动的点数。
[0052]
设发射机产生的脉冲压缩信号的脉冲包络频率为f，单位为hz；两接收机接收到的信号之间存在的相位差为单位为弧度；电磁波信号的传播速度为光速c，单位为m/s，则距离差计算公式为：
[0053][0054]
式(1)所述两接收机接收到的信号之间存在的相位差计算公式为：
[0055][0056]
其中，fs为示波器adc的采样频率，单位为hz；f为脉冲压缩信号的脉冲包络频率，单位为hz；m为互相关函数的主峰值点与原点偏移的采样点数；c为信号的传播速度光速，单位为m/s。
[0057]
本发明距离差计算数字信号处理算法：
[0058]
半波整流算法：仅保留信号波形幅值大于0的部分，将小于0的部分置为0。两路接收机下变频后输出信号的之间的相位差在脉冲压缩信号的波形上表现为脉冲包络信号的相位差，所述脉冲包络信号为低频信号源产生的周期脉冲波信号的周期波形。在对两路脉冲压缩信号进行互相关运算前，可以尽可能滤除脉冲包络上的噪声，有效提取包络信号，提高距离差测量精度。
[0059]
具体的，对于两路接收机输出的下变频后的脉冲压缩信号，经过示波器的高速adc采样存储，将两路波形数据序列导入计算机之后，本发明技术的距离差计算数字信号处理算法首先进行半波整流算法，将双极性的脉冲包络信号转换成单极性的脉冲包络。
[0060]
低通滤波：所述低通滤波算法的特征在于：对半波整流算法的处理结果进行数字低通滤波器滤波，可以滤除载波信号，进一步提高信噪比，提取脉冲信号的包络。数字低通滤波器的截止频率设置为脉冲包络信号的频率，所述脉冲包络信号的频率为低频信号源产生的周期脉冲波信号的频率。
[0061]
在电路系统中，接收机使用混频器对接收的脉冲压缩信号的载波进行了下变频，同时用带通滤波器将下变频后的载波信号取出，滤除其它干扰信号的组合频率分量，降低了等效噪声带宽，提高了信噪比，但是叠加在脉冲压缩信号包络上的噪声还需要进一步的滤除。
[0062]
两接收机端采用完全相同的数字低通滤波器，因此滤波器引入的相移相同，不会影响互相关函数计算两路信号的延迟和距离差的测量。
[0063]
数字滤波器的常用设计算法已经公开和成熟了，在本发明技术方案中不做具体的
阐述。
[0064]
匹配滤波算法：由于两路接收机接收的脉冲压缩信号均来自于同一发射机，两路接收机的电路结构相同，因此载波下变频后的脉冲压缩信号经过高速示波器采样模数转换、存储并导入计算机后的两路波形数据序列有很强的相关性。匹配滤波算法将对两路接收机低通滤波算法输出的波形数据序列进行互相关运算。互相关函数r
xy
(m)可表示为：
[0065][0066]
上式中，x(n)表示接收机1输出的波形信号数据序列，y(n)表示接收机2输出的波形数据序列，m表示在运算过程中将序列y(n)移动的点数。
[0067]
若两个接收机的信号间不存在相位差，则互相关函数r
xy
(m)的最大值点对应的横坐标m＝0；若两路信号间存在相位差，则互相关函数r
xy
(m)的最大值点将对应的横坐标相对零点存在偏移，其偏移量和相位差成正比。同时，若r
xy
(m)在最大值点对应的横坐标m》0，则说明x(n)相位落后于y(n)；若r
xy
(m)在最大值点对应的横坐标m《0，则说明x(n)相位超前于y(n)。
[0068]
距离差计算算法：设发射机产生的脉冲压缩信号的脉冲包络频率为f，单位为hz；两接收机接收到的信号之间存在的相位差为单位为弧度；电磁波信号的传播速度为光速c，单位为m/s，则距离差计算公式为：
[0069][0070]
需要特别注意的是，由于发射机发射的脉冲压缩信号的脉冲包络是周期性的，当两接收机下变频后输出信号之间的相位延迟超过180
°
，即两路接收信号的时间延迟达到1/f的一半以上时，将无法判断和区分两接收机输出信号的相对时间延迟和超前，所述1/f表示发射机低频信号源产生的周期脉冲波信号的周期。且如果两路接收信号的相位差高达1/f的整数倍以上时，互相关函数r
xy
(m)的最大值点与原点的相位偏移量最大值也不会超过一个1/f周期，此时通过互相关函数的主峰值点与原点的相位偏移量换算成的时间差将远小于实际的时间差。
[0071]
因此，本发明提出的距离差测量方案的测距上限由脉冲压缩信号的脉冲包络周期所决定，在距离差测量的实际应用中，两路接收机进行载波下变频后输出的脉冲压缩信号的时延需要满足条件，即时延小于脉冲包络周期的一半。如下式所示：
[0072][0073]
式(6)所述两接收机接收到的信号之间存在的相位差计算公式为：
[0074][0075]
其中，fs为示波器adc的采样频率，单位为hz；f为脉冲压缩信号的脉冲包络频率，单位为hz；m为互相关函数的主峰值点与原点偏移的采样点数；c为信号的传播速度光速，单位为m/s。
[0076]
本发明的理论最大分辨距离由示波器的最大采样频率决定。理论最大分辨距离等于光速乘以最大采样率频率。
[0077]
有益效果：
[0078]
1.发射机的功率相对较小，载波频率较低，可使用成熟的器件和芯片构成发射机电路，降低系统的成本。
[0079]
2.发射机和接收机系统采用脉冲压缩信号进行通信，可节省发射功率，提高信噪比，同时提高了接收机的灵敏度和抗干扰能力。
[0080]
3.在接收机端可直接使用高速数字示波器进行采样存储，并直接将采样后的信号导入计算机进行数字信号处理，简化了接收机系统的复杂度，降低了系统成本。
[0081]
4.在距离差计算数字信号处理算法中，首先通过半波整流，数字低通滤波的预处理，可有效提高信噪比，提高距离差的测量精度。
[0082]
5.在接收机的解调过程中，即距离差计算数字信号处理算法中，采用了数字匹配滤波算法(计算互相关函数)，使距离差测量系统可实现低信噪比情况下的测量，有效提高了接收机的灵敏度和距离差测量精度。对于采样率为5gsa/s的示波器，理论最高精度可达0.12米。
[0083]
6.本距离差测量系统采用的通信波段频率适中，器件成本相对于高频雷达通信系统所用的器件成本明显较低，本系统的发射机和接收机硬件电路完全模块化，实时数字示波器作为脉冲压缩信号解调的核心装置，具有很好的可拓展性，便于系统维护和升级。
附图说明
[0084]
图1是射频通信波段发射机的结构框图。
[0085]
图2是射频通信波段接收机的结构框图。
[0086]
图3是距离差测量实施案例示意图。
[0087]
图4是示波器采集的两路接收机输出的载波下变频脉冲压缩信号波形。
[0088]
图5是两路接收机输出信号经过半波整流和数字低通滤波后的波形。
[0089]
图6是两路数字序列的互相关函数波形。
具体实施方式
[0090]
下面结合附图和具体实施例对本发明方案进行详细说明。
[0091]
发射机如图1，所述射频通信波段发射机，包括：
[0092]
射频信号源，输出射频波段单频正弦波信号或线性扫频信号；
[0093]
低频信号源，输出单极性周期的脉冲波信号；
[0094]
高速电子开关，实现了两路信号相乘即脉冲成型的功能；
[0095]
射频功率放大器，有效提高发射机输出的脉冲压缩信号功率；
[0096]
对数天线，用于发射射频信号。
[0097]
所述射频通信波段发射机的进一步设计在于，所述射频信号源使用lmx2571锁相环模块制作，输出信号频率在1ghz到1.5ghz之间可调，输出信号功率在-40dbm到0dbm之间可调。射频信号源输出信号具体可为单频正弦波信号或线性扫频信号。
[0098]
射频信号源输出产生脉冲压缩信号的载波信号。该频段规避了常用的移动通信频段，环境中的电磁干扰相对较小；同时该频段的器件已相对成熟，在市场上比较常见，同时具有衰减小、低成本等优势。
rms-11x+混频器制作，工作频率范围包含1ghz到1.5ghz频段，典型转换损耗小于7db。
[0117]
在本发明的实施例中，所述无源混频器使用二极管无源混频器，可以获得较大的输入信号动态范围、噪声系数小、输出的组合频分量和干扰小，有利于提高接收机的灵敏度。所述无源混频器实现下变频，将输入的脉冲压缩信号的载波频率从1ghz到1.5ghz频率范围搬移到以100mhz为中心，90mhz-110mhz的频率范围内。
[0118]
所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述无源混频器实现下变频，将输入的脉冲压缩信号的载波频率从1ghz到1.5ghz频率范围搬移到以100mhz为中心，90mhz-110mhz的频率范围内。
[0119]
所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述本征信号源使用lmx2571锁相环制作，输出正弦波信号频率在900mhz到1.4ghz范围内连续可调，输出信号功率在-40dbm到10dbm范围内连续可调。
[0120]
所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述无源带通滤波器使用简单rlc电路制作，其-3db通频带为90mhz到110mhz，带内插入损耗小于1db。
[0121]
所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述中频放大器使用adl5330可控增益放大器电路模块制作，工作频率范围需包含100mhz，增益大于20db。提高中频放大器的增益有利于提高接收机的灵敏度。
[0122]
所述射频通信波段接收机的进一步设计在于，所述示波器用于对接收机下变频后的脉冲压缩信号进行高速采样，其中设置示波器为深度存储模式，同时要保证示波器的实时采样率大于等于500mhz(示波器的记录时间长度＝最大存储深度除以实时采样频率)，利用示波器的高速adc将脉冲压缩信号的波形进行模数转换并存储，同时将存储的波形数据文件导入计算机。所述计算机用于运行距离差计算数字信号处理算法对接收机下变频后的脉冲压缩信号进行数字解调。
[0123]
本技术中测量的距离差定义为：某发射机到接收机1距离和接收机2距离的差值。
[0124]
如图3所示，距离差测量系统由一台发射机和两台接收机组成：接收机1和接收机2。a为发射机到接收机1的距离，b为发射机到接收机2的距离，c为接收机1和接收机2之间的距离。本发明技术距离差测量系统可以测量发射机到接收机1的距离与发射机到接收机2的距离之间的差值d，即有：
[0125]
d＝|a-b|
ꢀꢀ
(9)
[0126]
d即为本发明技术距离差测量系统测量的距离差。
[0127]
在图3中，接收机1与接收机2位置固定，且两者之间的距离c为已知常量。
[0128]
使用本技术发明提及的发射机系统发射脉冲压缩信号，使用本技术发明提及的接收机系统同时接收脉冲压缩信号，接收机完成信号的前置低噪声放大、下变频、滤波和中频放大后，使用示波器高速实时采样并存储脉冲压缩信号波形，同时将经过adc采样量化后波形数据导入计算机，计算机运行距离差计算数字信号处理算法对两路接收机下变频后的脉冲压缩信号进行数字解调。
[0129]
本发明距离差计算数字信号处理算法阐述如下：
[0130]
距离差计算数字信号处理算法包括以下四个部分：1)半波整流算法、2)低通滤波算法、3)匹配滤波算法、4)距离差计算算法
[0131]
半波整流算法：
[0132]
所述半波整流算法特征在于：仅保留信号波形幅值大于0的部分，将小于0的部分置为0。两路接收机下变频后输出信号的之间的相位差在脉冲压缩信号的波形上表现为脉冲包络信号的相位差，所述脉冲包络信号为低频信号源产生的周期脉冲波信号的周期波形。在对两路脉冲压缩信号进行互相关运算前，可以尽可能滤除脉冲包络上的噪声，有效提取包络信号，提高距离差测量精度。
[0133]
具体的，对于两路接收机输出的下变频后的脉冲压缩信号，经过示波器的高速adc采样存储，将两路波形数据序列导入计算机之后，本发明技术的距离差计算数字信号处理算法首先进行半波整流算法，将双极性的脉冲包络信号转换成单极性的脉冲包络。
[0134]
低通滤波：：
[0135]
所述低通滤波算法的特征在于：对半波整流算法的处理结果进行数字低通滤波器滤波，可以滤除载波信号，进一步提高信噪比，提取脉冲信号的包络。数字低通滤波器的截止频率设置为脉冲包络信号的频率，所述脉冲包络信号的频率为低频信号源产生的周期脉冲波信号的频率。
[0136]
在电路系统中，接收机使用混频器对接收的脉冲压缩信号的载波进行了下变频，同时用带通滤波器将下变频后的载波信号取出，滤除其它干扰信号的组合频率分量，降低了等效噪声带宽，提高了信噪比，但是叠加在脉冲压缩信号包络上的噪声还需要进一步的滤除。
[0137]
两接收机端采用完全相同的数字低通滤波器，因此滤波器引入的相移相同，不会影响互相关函数计算两路信号的延迟和距离差的测量。
[0138]
数字滤波器的常用设计算法已经公开和成熟了，在本发明技术方案中不做具体的阐述。
[0139]
匹配滤波算法：由于两路接收机接收的脉冲压缩信号均来自于同一发射机，两路接收机的电路结构相同，因此载波下变频后的脉冲压缩信号经过高速示波器采样模数转换、存储并导入计算机后的两路波形数据序列有很强的相关性。匹配滤波算法将对两路接收机低通滤波算法输出的波形数据序列进行互相关运算。互相关函数r
xy
(m)可表示为：
[0140][0141]
上式中，x(n)表示接收机1输出的波形信号数据序列，y(n)表示接收机2输出的波形数据序列，m表示在运算过程中将序列y(n)移动的点数。
[0142]
若两个接收机的信号间不存在相位差，则互相关函数r
xy
(m)的最大值点对应的横坐标m＝0；若两路信号间存在相位差，则互相关函数r
xy
(m)的最大值点将对应的横坐标相对零点存在偏移，其偏移量和相位差成正比。同时，若r
xy
(m)在最大值点对应的横坐标m》0，则说明x(n)相位落后于y(n)；若r
xy
(m)在最大值点对应的横坐标m《0，则说明x(n)相位超前于y(n)。
[0143]
距离差计算算法：
[0144]
设发射机产生的脉冲压缩信号的脉冲包络频率为f，单位为赫兹；两接收机接收到的信号之间存在的相位差为单位为弧度；电磁波信号的传播速度为光速c，单位为m/s，则距离差计算公式为：
[0145][0146]
需要特别注意的是，由于发射机发射的脉冲压缩信号的脉冲包络是周期性的，当两接收机下变频后输出信号之间的相位延迟超过180
°
，即两路接收信号的时间延迟达到1/f的一半以上时，将无法判断和区分两接收机输出信号的相对时间延迟和超前，所述1/f表示发射机低频信号源产生的周期脉冲波信号的周期。且如果两路接收信号的相位差高达1/f的整数倍以上时，互相关函数r
xy
(m)的最大值点与原点的相位偏移量最大值也不会超过一个1/f周期，此时通过互相关函数的主峰值点与原点的相位偏移量换算成的时间差将远小于实际的时间差。
[0147]
因此，本发明提出的距离差测量方案的测距上限由脉冲压缩信号的脉冲包络周期所决定，在距离差测量的实际应用中，两路接收机进行载波下变频后输出的脉冲压缩信号的时延需要满足条件，即时延小于脉冲包络周期的一半。如下式所示：
[0148][0149]
式11所述两接收机接收到的信号之间存在的相位差计算公式为：
[0150][0151]
其中，fs为示波器adc的采样频率，单位为hz；f为脉冲压缩信号的脉冲包络频率，单位为hz；m为互相关函数的主峰值点与原点偏移的采样点数；c为信号的传播速度光速，单位为m/s。
[0152]
在本发明的部分实施例中，如图3所示位置安装一个发射机与两个接收机，三者构成直角三角形。其中，发射机与接收机1的距离a＝15米，发射机与接收机2的距离b＝25米，接收机1与接收机2的距离c＝20米。
[0153]
在本发明的部分实施例中，在发射机中，设置射频信号源输出频率为1.2ghz的信号作为载波信号，输出功率为-20dbm。低频信号源输出占空比为50％的方波信号，幅值为5v，频率为50khz。低频信号源产生的周期性低频脉冲信号和射频信号源产生的载波信号通过高速开关电路直接相乘，产生一定脉宽的脉冲压缩信号。
[0154]
在本发明的部分实施例中，发射机与接收机使用的对数天线工作频段均包含1ghz-1.5ghz，天线增益为15db，天线驻波比小于等于1.5，极化方向为垂直极化。其中，发射机天线辐射方向为全向，接收机天线辐射方向为定向。
[0155]
在本发明的部分实施例中，在两接收机中，前置低噪声放大器的增益为10db。本征信号源输出频率为1.3ghz，输出功率为0dbm。
[0156]
在本发明的部分实施例中，接收机使用的无源混频器为二极管无源混频器，工作频率范围为200mhz到3ghz频段，典型转换损耗为4.5db。
[0157]
在本发明的部分实施例中，接收机中混频后的脉冲压缩信号的载波频率为100mhz。
[0158]
在本发明的部分实施例中，中频放大器使用adl5330可控增益放大器电路模块，增益设置为20db。
[0159]
在本发明的部分实施例中，使用带宽为1ghz，最高采样率为5ghz的高速实时数字示波器对两路接收机输出的载波下边频后的脉冲压缩信号进行采样(用示波器的双通道同步采样两路接收机的输出信号)
[0160]
在本发明的部分实施例中，示波器设置存储的采样总时间为100us。通过示波器采样存储，并导入计算机的两路接收机输出的脉冲压缩信号波形数字序列都是20000个点。
[0161]
在本发明的部分实施例中，结合示波器设置存储的采样总时间以及采样点数可得此时的实际采样频率为200msa/s，可得此时的分辨精度为1.5米。在实施过程中可通过提高实际采样频率提高实时分辨精度。
[0162]
在本发明的部分实施例中，两路接收机输出的载波下变频的脉冲压缩信号经过示波器采样存储后转换成两路数字序列，将两路数字序列导入计算机进行数字信号处理。
[0163]
在本发明的部分实施例中，在数字信号处理过程中，将对示波器采样到的信号进行半波整流随后进行50khz低通数字滤波，提取出脉冲压缩信号的包络。随后对两路接收机的包络信号进行数字互相关计算，读出互相关函数的主峰值相对于与原点偏移的采样点数，利用前述的计算公式(11)、(13)可以计算出发射机和两路接收机之间的距离差。
[0164]
在本发明的部分实施例中，两路接收机输出的载波下变频脉冲压缩信号经过示波器双通道采集的波形如图4所示。
[0165]
在本发明的部分实施例中，示波器双通道同时采样存储后转换成两路数字序列，将两路数字序列导入计算机进行半波整流，并经过截止频率为50khz的数字低通滤波器后得到的波形如图5所示。
[0166]
在本发明的部分实施例中，两路数字序列经过上述的数字信号处理步骤后，最后计算两路数字序列的互相关函数波形如图6所示。
[0167]
在本发明的部分实施例中，从互相关函数的波形图中可知，互相关函数的主峰值与原点偏移点数为7，代入前述的距离差计算公式可得到发射机和两个接收机之间的距离差为10.5米，与实际值的误差为0.5米。