单天线位移测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及雷达技术领域，具体是一种基于雷达的位移测量装置。


背景技术：

2.现有技术中采用微波或毫米波的常规位移测量装置通常采用脉冲法、fmcw法、相位检测法等。
3.在脉冲法中，向物体发射脉冲信号，并通过测量反射的接收脉冲与发射脉冲之间的时间差来测量距离和位移。
4.fmcw方法连续且线性地改变发射波的频率，并且测量发射波的频率与来自物体的反射波的频率之间的差。由于该频率差与到物体的距离导致的时间延迟成正比，因此可以测量距离和位移。
5.相位检测方法合成朝着物体辐射的发射波和来自物体的反射波，并检测由于物体的位移而引起的相位变化。
6.在脉冲法测量装置中，需要高速且高分辨率的脉冲发生电路和时差测量电路来测量微小位移，这种装置的结构复杂，制造成本很高。
7.在fmcw法测量装置中，为了实现毫米级的测量(1mm的位移的检测)，也需要高精度的高频振荡器和频率调制电路，并且装置的制造成本很高。
8.现有技术中为了检测相位变化，需要测量电波的振幅信息，容易受到噪声的影响，为了减少噪声确保精度将会提高电路的复杂度。并且测量装置通常需要收发分离的多个天线，尺寸较大。
9.如上所述，传统的测量装置，无法通过低成本、简单的电路结构实现在几百米的距离处高精度地测量物体的位移。


技术实现要素：

10.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低的减少噪声干扰的位移测量装置。
11.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
12.一种位移测量装置，包括高频振荡器、环形器、频率计数器、定向耦合器、混频器、频率控制单元以及收发共用的发送/接收天线；高频振荡器用于产生高频信号并通过环形器和定向耦合器后从所述发射/接收天线辐射；发送/接收天线接收反射波；并且反射波被定向耦合器用于将接收的反射波分成两路输出，一路输出给频率计数器用于测量反射波的频率，另一路输出给环行器；分路到环形器的反射波由环形器提供给混合器，混频器检测从定向耦合器提供的高频振荡器的信号与从环形器提供的反射波信号之间的相位差,并将该相位差信号输出到频率控制单元；频率控制单元通过改变高频振荡器的频率来进行调节,以使得从混频器输入的相位差信号具有0的相位差。
13.在所述定向耦合器的一路输出上连接有用于将输出频率转换为中频的变频器，然
后由所述频率计数器测量。
14.所述发送/接收天线是中心馈电型抛物线天线。
15.所述频率控制单元是电子电路或者是一台装有控制软件的计算机。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
17.本实用新型测量装置，通过定向耦合器检测从提供的高频振荡器的信号与从环形器提供的反射波信号之间的相位差，和频率控制单元调节相位差，使从混频器输入的相位差信号具有0的相位差。从而可实现无干扰条件下的对高频振荡器发射频率的调整，整个方案结构简单，易于实现，解决了干扰的问题，实现了高精度的测量。
18.本技术的装置具有防止不连续跳频的功能,并且该设备还通过使用集成了发送天线和接收天线的功能的发送/接收天线而实现了小型化。在该配置中,通过混频器的相位检测和通过频率控制单元控制振荡器实现频率控制,并防止了频率跳变。
19.本实用新型测量装置中接收/发射为圆极化天线，消除了沿不同旋转方向的圆极化和线性极化，并且仅接收与发射的无线电波在相同旋转方向上的反射波。
20.当右旋圆偏振波从发射天线辐射到本实施例的两侧角反射器并且反射两次时，反射波与辐射的右旋圆偏振波一起返回。通过用右旋圆极化的接收天线接收该反射波，可以提高反射波相对于周围无线电噪声的信噪比。
21.此外，通过使用角反射器，反射波在发射波的方向上返回，因此具有与常规的平面反射板相比，角反射器可以容易地调节反射方向。
附图说明
22.图1是本实用新型位移测量装置的结构框图。
23.图2是角反射器的结构示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图，对发明作详细说明：
25.本技术的位移测量装置，包括高频振荡器1，环形器2，定向耦合器3，变频器4，频率计数器5，混频器6，频率控制单元7,收发共用的发送/接收天线8，其连接方式如图1所示。来自高频振荡器1的信号通过环形器2和定向耦合器3从发射/接收天线8辐射,并且还通过定向耦合器3分路到混频器6。发送/接收天线8接收来自角反射器9的反射波,并且反射波被定向耦合器3分路成变频器 4和环行器2。分路到变频器4的反射波通过变频器4转换为中频,然后由频率计数器5测量该频率。分路到环形器2的反射波由环形器2提供给混合器6。混频器6检测从定向耦合器3提供的高频振荡器1的信号与从环形器2提供的反射波信号之间的相位差,并将该相位差信号输出到频率控制单元7。频率控制单元7通过改变高频振荡器1的频率来进行调节,以使得从混频器6输入的相位差信号具有0的相位差(即,振荡器的相位与反射信号的相位同相)。每当角反射器9移位时,由频率控制单元7执行该调节。结果,可以连续地测量角反射器9的后续位移。
26.本技术的装置具有防止不连续跳频的功能,并且该设备还通过使用集成了发送天线和接收天线的功能的发送/接收天线8而实现了小型化。在该配置中,通过混频器6的相位检测和通过频率控制单元7控制振荡器实现频率控制,并防止了频率跳变。
27.发送/接收天线8是用于接收具有45cm反射器直径的中心馈电型抛物线天线,并且频率控制单元7是电子电路或者是一台装有控制软件的计算机。
28.在该实施例的装置中,将环形器2和定向耦合器3的输出信号输入到混频器6以执行相位检测,并且使用频率控制单元7,使得振荡器的相位和反射信号的相位同相控制频率。该构造使得通过外部控制实现频率控制，而无需将反射波返回到振荡器进行反馈。
29.当振荡器的频率和另一频率组合在一起时振荡器的频率改变以接近另一频率并使得振荡器本身的频率漂移。这意味着从振荡器发射的无线电波经反射后返回到振荡器，以将振荡器自动地转变成容易振荡的状态。也就是说，振荡器即使在没有外部控制的情况下本身也会自动调整（锁定）振荡频率，由振荡器产生的无线电波的相位与反射波的相位在进入振荡器部分也彼此同相（以保持稳定的振荡状态）。返回的反射波的相位取决于到被反射物体的距离，并且振荡器的频率被稳定地锁定在与到物体的距离相关的范围内，因此有必要知道该频率的变化才可以高精度地检测到物体的距离的变化。与物体的距离的变化δd和锁定振荡器的频率的变化δf之间的关系可以由下面的公式1表示。
30.δｄ＝－（ｄ／ｆ）
・
δｆ
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（1）
31.在公式1中，d是振荡器和待反射物体之间的距离，f是振荡器的频率。另外，d》》δd和f》》δf，δd和δf成比例。
32.根据本实用新型的振荡器是指在uhf频带（300mhz至3ghz），微波频带（3至30ghz）和毫米波频带（30至300ghz）中振荡的振荡器。
33.此外，在本实用新型中，原则上对测量距离没有上限，但是由于测量距离越长，相同位移的频率变化越小，因此必须采用高精度的变频器或频率计数器。实际上，考虑诸如湿度之类的大气特性的变化，实际的距离范围约为几米至500米。
34.随着距离的增加，相对于位移量δd的频率变化δf变小，因此，如果变频器的精度或频率计数器的分辨率差，则可能难以实现毫米分辨率。在这种情况下，可以通过增加频率f以增加分辨率来增加频率变化δf。但是，在室外的情况下，还需要选择不易受到降雨影响的频率（例如10ghz频带），并且有必要根据目的选择最佳频率。
35.图2示出了角反射器的结构。用于布置在远离发送/接收天线13的测量位置。由于检测环境中可能存在各种无线电波噪声。位移测量的结果可能受到干扰。为了解决这种问题，本技术通过使用线性偏振或圆偏振仅选择性地接收来自反射器的反射波。发射信号是圆极化的，并且由右旋圆极化(或左旋圆极化)辐射的无线电波在不改变圆极化的旋转方向的情况下被反射装置反射而成为右旋。在接受端通过仅接收圆极化(或左旋圆极化)的接收天线配置，消除了沿不同旋转方向的圆极化和线性极化，并且仅接收与发射的无线电波在相同旋转方向上的反射波。
36.当右旋圆偏振波从发射天线辐射到本实施例的两侧角反射器并且反射两次时，反射波与辐射的右旋圆偏振波一起返回。通过用右旋圆极化的接收天线接收该反射波，可以提高反射波相对于周围无线电噪声的信噪比。
37.此外，通过使用角反射器，反射波在发射波的方向上返回，因此具有与常规的平面反射板相比，角反射器可以容易地调节反射方向。