扫频周期内的多次测距设备及其方法与流程

1.本发明属于测距技术领域，特别涉及一种多次测距设备，可用于航空飞行器中对飞行高度的测量或雷达测距。


背景技术：

2.测距设备用于测量使用者与目标之间的距离，通常由各类车辆或飞行器装备测量所需距离。
3.无线电高度表是各种航空航天飞行器上必不可少的电子测距设备，可实时测量飞行器相对地面的高度。无线电高度表主要有三种工作体制，一是脉冲体制，二是调频连续波体制，以及伪码连续波测高体制。每种体制高度表的工作方式都是通过捕获和跟踪过程完成。传统调频体制高度表通过产生锯齿波调制线性调频信号，调整锯齿波的斜率，使回波与发射波的差拍信号保持恒定，在此过程中，通过测量锯齿波的周期，计算得到飞行器距地面的高度:h＝fb/f*t*c/2,式中，t为锯齿波周期即扫频周期，差拍频率fb＝25k保持恒定，扫频带宽f＝100mhz，c为光速，由此得到h＝37500*t
4.由于高度解算需要锯齿波周期参数，因此高度更新必须等待一个锯齿波周期。如1000m时，锯齿波周期为27ms左右，如为10000m高度，锯齿波周期达到270ms，高度计算程序的启动，由锯齿波扫描启动或终止脉冲触发，即这种情况下，产生一个高度值需要270ms，高度更新率就不能满足需求。根据测高原理，可以减小扫频带宽，但会减少频谱利用率；也可以提高恒定差拍频率，但采用多频率控制会带来控制系统的复杂度提高。
5.为解决或改善线性调频高度表测高问题，专利cn202111083383公开了《一种基于线性调频连续波体制的高度表测量方法及系统》，专利cn201210166779公开了《一种线性调频连续波雷达高度表的数字化处理方法》，这两项发明对测高算法进行了说明，但均未对调制周期内进行采样及高度计算次数进行说明。
6.对于传统调频连续波体制高度表而言，一个锯齿波扫描周期就是一个测高周期；对于前期的数字调频连续被连续波高度表，测高周期仍然是这样。对于大高度而言，一个锯齿波扫描周期往往较长，严重影响复杂地形条件下测高跟踪能力。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种在扫频周期内的多次测距系统及其方法，以提高对数据的利用率和数字高度表的响应能力，避免扫频周期过长造成高度更新慢的问题，提升高度表在复杂地形条件下测高跟踪能力。
8.本发明的技术思路是：通过调频连续波在扫频周期内多次进行采样并计算高度，当差拍信号在扫频周期可控范围内时，只进行测高，并在扫频周期结束时控制扫频周期的调整。当高度变化较大，差拍信号即将超出频率跟踪范围时，可立即调整扫描周期，使差拍信号进入跟踪频率范围。
9.根据上述思路，本发明在扫频周期内的多次测距设备，包括，发射天线、接收天线、
射频收发组件、a/d单元、信号处理单元、接口单元、电源单元，其特征在于：
10.所述信号处理单元，包括：
11.ad采样模块，用于读取a/d单元采样数据并存储在ram区；
12.数据分析及控制模块，用于对采样数据的分析和对扫频周期进行调整；
13.高度解算模块，用于接收数据分析及控制模块计算结果，根据扫频周期和扫频带宽，解算出高度值并传送给接口单元，通过接口单元将高度值传输给系统；
14.时序控制模块，用于控制ad采样模块、数据分析及控制模块和高度解算模块的启动和终止。
15.所述射频收发组件，包括：
16.发射单元，其采用dds芯片，用于产生调频连续波；
17.接收单元，用于接收天线传输过来的信号，并与调频连续波混频后生成差拍信号输出给a/d单元。
18.进一步，所述时序控制模块控制ad采样模块、数据分析及控制模块和高度解算模块的启动和终止，是通过忙信号busy进行控制:
19.在高度解算模块解算出高度值并传送给接口单元后，将忙信号busy清零；
20.在ad采样模块采样数据数量足够后，将忙信号busy即刻置1；
21.在ad采样模块采样数据数量不足且扫频周期结束情况下，根据不同情况设置忙信号busy的值：
22.如果扫频周期内高度解算模块未解算出高度值且数据分析及控制模块扫频周期未控制，则置忙信号busy为1，通过高度解算模块解算高度值；
23.否则，忙信号busy为0；
24.当忙信号busy为0时，ad采样模块进行数据采样，并在采样结束后，将采样数据产送给数据分析及控制模块；
25.当忙信号busy为1时，数据分析及控制模块进行数据分析及解算，在数据分析结束且扫频周期重新开始条件时，向发射单元中的dds芯片发送控制命令，调整扫频周期，以保证差拍信号频率的恒定；时序控制模块控制数据分析及控制模块向高度解算模块传送数据分析结果。
26.进一步，所述数据分析及控制模块产生扫频周期指令，控制发射单元中的dds芯片产生调频连续波后通过发射天线发射，使从目标地面反射的信号经过接收天线进入射频收发组件中的接收单元进行混频，混频信号输出给a/d单元进行采样后返回给ad采样模块，ad采样模块将此信号传输给数据分析及控制模块，数据分析及控制模块将数据分析结果传输给高度解算模块计算其差拍信号频率，得出目标距离或设备高度并通过接口单元输出。
27.所述信号处理单元由fpga和dsp实现，两者通过印制线连接，其中ad采样模块、数据分析及控制模块、时序控制模块运行在fpga上；高度解算模块运行在dsp和fpga上,通过印制线数据分析及控制模块将数据分析结果传输给运行在dsp上的高度解算模块，高度解算模块在dsp上完成高度值解算，再通过高度值传输到fpga传输给接口单元输出。
28.根据上述思路，本发明在扫频周期内进行多次测距的方法，包括如下步骤：
29.1)对设备进行初始化，发射单元中的dds芯片产生调频连续波后通过发射天线发射，使从目标地面反射的信号经过接收天线进入射频收发组件中的接收单元进行混频，混
频信号输出给a/d单元进行采样，对所需采样样本数赋初值；
30.2)对采样数据进行计数；
31.3)根据采样计数，判断采样样本数是否足够：
32.若足够，则进入数据分析及控制，执行7；
33.若不够，则执行4)
34.4)判断此扫频周期是否结束：
35.若未结束，返回步骤2)；
36.若已结束，则需执行5)；
37.5)判断是否下发控制扫频周期控制指令：
38.若未下发指令，则需进入数据分析及控制，执行6)；
39.若已下发指令，则采样样本数清零，返回步骤2)；
40.6)判断此扫频周期是否首次进入采样环节：
41.若不是首次进入采样环节，则采样样本数清零，返回步骤2)；
42.若是首次进入采样环节，则需执行7)；
43.7)对采样数据进行fft运算并取模，并通过对这些结果的比较，得到差拍频率，当差拍频率在设定范围内时，置控制发送标志,tran_do_b＝1，当差拍频率不在设定范围内时，置控制发送标志,tran_do_a＝1，执行8)；
44.8)根据扫频周期和差拍频率，解算出高度值上报给上级系统，采样样本数清零，返回步骤2)；
45.9)控制扫频周期：
46.在上述步骤进行的同时，数据分析及控制模块监控控制发送标志，当tran_do_a＝1时，或tran_do_b＝1，且扫频周期结束时，数据分析及控制模块调整发射单元中的dds芯片产生调频连续波的扫频周期，调整扫频周期内所需采样样本数，保持距离数据的跟踪。
47.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
48.第一，本发明通过信号处理单元采用全数字技术，控制简单且灵活稳定。
49.第二，本发明的数据分析及控制模块采用fft计算，并将计算出的差拍频率输入到高度解算模块计算目标相较地面的高度值，其灵敏度较高，有利于适应复杂地形条件下使用。
50.第三，由于发射单元采用dds芯片产生调频连续波，无需考虑锯齿波线性度，调制周期稳定，误差小，高度值精度高而且稳定，有利于适应复杂地形条件下使用；
51.第四，本发明在扫频周期内，通过信号处理单元中数据分析及控制模块，多次进行采样，并通过高度解算模块，可以解算出多个高度值：当差拍信号在扫频周期可控范围内时，只进行高度解算，不调整扫频周期，并在扫频周期结束时调整扫频周期；当高度值变化幅度较大，差拍信号即将超出频率跟踪范围时，立即调整扫频周期，使差拍信号进入频率跟踪范围。该方法可避免扫频周期过长导致高度更新慢的问题，有利于适应复杂地形条件下使用，且提高了a/d单元采样数据的利用率。
附图说明
52.图1是本发明的整体结构框图；
53.图2为本发明中的信号处理单元结构图；
54.图3为本发明进行扫频周期内多次测距的流程图；
55.图4为本发明控制扫描周期的流程图。
具体实施方式
56.以下结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
57.参照图1，本实例包括：发射天线1、接收天线2、射频收发组件3、a/d单元4、信号处理单元5、接口单元6和电源单元7。其中，射频收发组件3由发射单元31和接收单元32组成；信号处理单元5使用dsp+fpga信号处理模式，该信号处理单元产生扫频周期命令，发射单元31受令产生调频连续波，放大后通过发射天线1发射，从目标地面反射的信号经过接收天线2进入射频收发组件中的接收单元32，混频后输出差拍信号发送给a/d单元4；a/d单元4进行模数转换，将转换的采样数据送入信号处理单元5进行fft、求模运算，通过收发信号的频率差和扫频时间得出目标距离或设备高度，并通过接口单元6输出。
58.接口单元6接收信号处理单元5的数据并上传系统，完成设备与系统通信。设备采用can总线协议。该接口单元6采用但不限于ti公司的tms320f28235zjzs芯片,该tms320f28235zjzs支持can 2.0b协议，数据传输率可达1mbps。
59.电源单元7将系统提供的28v电源变换为设备工作所需各种电压。其主电源模块采用但不限于vpt公司的dc-dc电源模块dvtr2812t,以进行+5v、+12v的电压转换，该dvtr2812t输入电压范围15v～50v，总功率输出可达30w。其它电源部分采用但不限于linear公司的开关电源芯片ltc3404和ti公司的开关电源芯片tps54312，以分别进行+3.3v、+1.2v的电压转换。转换后的+5v、+12v电压提供给射频收发组件3，+3.3v、+1.2v提供给a/d单元4、信号处理单元5和接口单元6，以使其可以正常工作。
60.本实例采用数字调频连续波技术对地面回波信号进行捕获与跟踪，完成高度测量任务。现有高度表在一个高度解算周期需要一个完整的扫频周期，需时间较长，特别对于大高度而言。
61.为解决现有高度表的不足，本发明重点对信号处理单元5的结构进行改进，即在扫频周期内多次进行采样并计算高度，当差拍信号在扫频周期可控范围内时，只进行测高，并在扫频周期结束时控制锯齿波扫描周期的调整，当高度变化较大，差拍信号即将超出频率跟踪范围时，可立即调整扫描周期，使差拍信号进入跟踪频率范围。以此方法，避免长扫频周期高度更新慢问题，提高测量数据利用率。
62.参照图2，所述信号处理单元5，包括ad采样模块51，数据分析及控制模块52和高度解算模块53、时序控制模块54。
63.所述时序控制模块54，控制产生ad采样模块51、数据分析及控制模块52和高度解算模块53的启动和终止，即产生忙信号busy。该忙信号busy，在高度解算并输出后清零，在采样数据数量满足后，即刻置1，在采样数据数量不足且扫描周期结束情况下，根据是否进行高度解算且进行扫描周期控制，确定其数值：
64.如果是扫频周期内未进行高度解算且未进行扫描周期控制，则需要置忙信号busy为1进行高度解算；否则，忙信号busy为0，采样数据舍去，不进行解算。
65.所述ad采样模块51，在忙信号busy为1时，进入数据分析及控制时段52和高度解算
模块53。
66.所述ad采样模块51，在忙信号busy为0时进行数据采样。
67.所述数据分析及控制模块52，在忙信号busy为1时进行数据分析及解算，在数据分析结束且扫描周期重新开始条件时，向发射单元31中的dds芯片发送控制命令，调整扫描周期，以保证差拍信号频率的恒定。
68.所述高度解算模块53，接收数据分析及控制模块52计算结果，最终解算出高度值并发送。
69.参照图3，本实例在扫频周期内进行多次测高测距的方法，包括如下步骤:
70.步骤1，设备初始化。
71.1.1)发射单元中的dds芯片产生调频连续波后通过发射天线发射，使从目标地面反射的信号经过接收天线进入射频收发组件中的接收单元进行混频，混频信号输出给a/d单元进行采样；
72.1.2)对所需采样样本数m赋值:m＝m0,m0≤4096：
73.1.3)设置忙信号busy＝0。
74.步骤2，采样计数。
75.在忙信号busy＝0时，以不小于400khz的频率对差拍信号进行ad采样及计数，以满足差拍信号频率未恒定控制情况下的20khz-125khz采样。
76.步骤3，对采样样本数进行判断。
77.将采样计数与所需采样的样本数m进行比较，判读其是否数量足够：
78.若采样样本数≥m，则数量足够，设忙信号busy＝1，执行步骤7；
79.若采样样本数＜m，则数量不足，则执行步骤4；
80.步骤4，对扫频周期进行判断。
81.扫频周期结束时，发射单元中的dds芯片会发送一个扫描起始脉冲信号给数据分析及控制模块，根据数据分析及控制模块是否收到扫描起始脉冲信号判断扫频周期是否结束：
82.若数据分析及控制模块未收到扫描起始脉冲信号，则扫频周期未结束，返回步骤2；
83.若数据分析及控制模块已收到扫描起始脉冲信号，则扫频周期已结束执行步骤5。
84.步骤5，确认扫频周期控制指令的下发。
85.数据分析及控制模块下发扫频控制指令后，会触发dds重新扫频，为此置一标志jcb_num＝1，jcb_num在重新开始扫频周期后清零。根据标志jcb_num的变化，对扫频周期控制指令的下发进行判断：
86.若jcb_num＝0，则没有下发扫频周期控制指令，将设忙信号busy＝1，进入数据分析及控制，执行步骤6；
87.若jcb_num＝1，则下发了扫频周期控制指令，采样样本数清零，返回步骤2。
88.步骤6，确认首次进入的采样环节。
89.对扫频周期内首次进入采样环节判断：
90.若在扫频周期内已进入一次及多次数据分析及控制模块，则不是首次进入采样环节，采样样本数清零，返回步骤2；
91.若在扫频周期内尚未进入数据分析及控制模块，则为首次进入采样环节，执行步骤7；
92.步骤7，数据分析及控制。
93.7.1)对采样数据依次进行fft运算和求模运算，将运算结果按照频率从低到高进行搜索，搜索到的第一个峰值点的频率为差拍频率fb：
94.7.2)根据差拍频率fb计算新的调频连续波的扫频周期tg：
95.tg＝25khz/fb*tn,
96.其中，tn为原来的扫频周期t,tn＝t；
97.7.3)确定新扫频周期内所需采样的样本数mc：
98.设mmax为预先设定的最大所需采样样本数，对实例赋值mmax＝4096。
99.根据新的扫频周期tg和采样周期ts＝1/fs，fs为采样频率，计算扫频周期内所需采样的样本数：mc＝tg/ts：
100.将计算出的样本数与预先设定的最大所需采样样本数进行比较：
101.若所计算的样本数mc大于预先设定的最大所需采样样本数mmax，则取mc＝mmax＝4096，
102.若所计算的样本数小于等于预先设定的最大所需采样样本数mmax，则用计算出的样本数mc作为新扫频周期内所需采样的样本数；
103.其公式表示如下：
[0104][0105]
7.4)当差拍频率在设定范围内时，本实例设定为22k～28khz，置控制发送标志,tran_do_b＝1，当差拍频率不在设定范围内时，置控制发送标志,tran_do_a＝1，执行步骤8；
[0106]
步骤8，解算高度值
[0107]
8.1)采样样本数清零，根据扫频周期和差拍频率，解算出高度值h：
[0108]
h＝fb/f*tn*c/2，
[0109]
其中，f为扫频带宽，f＝100khz，tn为原来的扫频周期，fb为差拍频率，c为光速值，c＝3
×
108m/s。
[0110]
8.2)上报高度值给上级系统，将忙信号busy值设为0，返回步骤2。
[0111]
步骤9，根据步骤7计算出新的的扫频周期tg和新的所需的采样样本数mc对现有的扫频周期t和现有的所需的采样样本数m进行调整。
[0112]
参照图4，本步骤都具体实现如下：
[0113]
在上述步骤1到步骤8进行的同时，数据分析及控制模块监控控制发送标志，当tran_do_a＝1时，或tran_do_b＝1，且扫描起始脉冲到来，即扫频周期已结束时，向发射单元的dds芯片发送扫频周期控制指令，扫频周期调整为最新计算结果t＝tg，调整所需采样样本数为m＝mc；
[0114]
当不满足上述条件时，不对扫频周期t、所需采样样本数m进行调整。
[0115]
以上描述仅为本发明的一个实例，显然对于本领域的专业人员来说在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修
正和改变，但是这些是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种扫频周期内的多次测距设备，包括：发射天线(1)、接收天线(2)、射频收发组件(3)、a/d单元(4)、信号处理单元(5)、接口单元(6)、电源单元(7)，其特征在于：所述信号处理单元(5)，包括：ad采样模块(51)，用于读取a/d单元(4)采样数据并存储在ram区；数据分析及控制模块(52)，用于对采样数据的分析和对扫频周期进行调整；高度解算模块(53)，用于接收数据分析及控制模块(52)计算结果，根据扫频周期和扫频带宽，解算出高度值并传送给接口单元(6)，通过接口单元(6)将高度值传输给系统；时序控制模块(54)，用于控制ad采样模块(51)、数据分析及控制模块(52)和高度解算模块(53)的启动和终止。所述射频收发组件(3)，包括：发射单元(31)，其采用dds芯片，用于产生调频连续波；接收单元(32)，用于接收天线传输过来的信号，并与调频连续波混频后生成差拍信号输出给a/d单元(4)。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，时序控制模块(54)控制ad采样模块(51)、数据分析及控制模块(52)和高度解算模块(53)的启动和终止，是通过忙信号busy进行控制:在高度解算模块(53)解算出高度值并传送给接口单元(6)后，将忙信号busy清零；在ad采样模块(51)采样数据数量足够后，将忙信号busy即刻置1；在ad采样模块(51)采样数据数量不足且扫频周期结束情况下，根据不同情况设置忙信号busy的值：如果扫频周期内高度解算模块(53)未解算出高度值且数据分析及控制模块(52)扫频周期未控制，则置忙信号busy为1，通过高度解算模块(53)解算高度值；否则，忙信号busy为0；当忙信号busy为0时，ad采样模块(51)进行数据采样，并在采样结束后，将采样数据产送给数据分析及控制模块(52)；当忙信号busy为1时，数据分析及控制模块(52)进行数据分析及解算，在数据分析结束且扫频周期重新开始条件时，向发射单元(31)中的dds芯片发送控制命令，调整扫频周期，以保证差拍信号频率的恒定；时序控制模块(54)控制数据分析及控制模块(52)向高度解算模块(53)传送数据分析结果。3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电源单元(7)分别与射频收发组件(3)、a/d单元(4)、信号处理单元(5)和接口单元(6)连接，用于将系统提供的28v电源进行5v、12v、3.3v、1.2v及1.8v的转换，分别提供射频收发组件(3)、a/d单元(4)、信号处理单元(5)和接口单元(6)所需的工作电压。4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，数据分析及控制模块(52)产生扫频周期指令，控制发射单元(31)中的dds芯片产生调频连续波后通过发射天线(1)发射，使从目标地面反射的信号经过接收天线(2)进入射频收发组件(3)中的接收单元(32)进行混频，混频信号输出给a/d单元(4)进行采样后返回给ad采样模块(51)，ad采样模块(51)将此信号传输给数据分析及控制模块(52)，数据分析及控制模块(52)将数据分析结果传输给高度解算模块(53)计算其差拍信号频率，得出目标距离或设备高度并通过接口单元(6)输出。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述信号处理单元(5)由fpga和dsp实现，两者通过印制线连接，其中ad采样模块(51)、数据分析及控制模块(52)、时序控制模块(54)运行在fpga上；高度解算模块(53)运行在dsp和fpga上,通过印制线数据分析及控制模块(52)将数据分析结果传输给运行在dsp上的高度解算模块(53)，高度解算模块(53)在dsp上完成高度值解算，再通过高度值传输到fpga传输给接口单元(6)输出。6.一种扫频周期内多次测距方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对设备进行初始化，发射单元中的dds芯片产生调频连续波后通过发射天线发射，使从目标地面反射的信号经过接收天线进入射频收发组件中的接收单元进行混频，混频信号输出给a/d单元进行采样，对所需采样样本数赋初值；2)对采样数据进行计数；3)根据采样计数，判断采样样本数是否足够：若足够，则进入数据分析及控制，执行7)；若不够，则执行4)4)判断此扫频周期是否结束：若未结束，返回步骤2)；若已结束，则需执行5)；5)判断是否下发控制扫频周期控制指令：若未下发指令，则需进入数据分析及控制，执行6)；若已下发指令，则采样样本数清零，返回步骤2)；6)判断此扫频周期是否首次进入采样环节：若不是首次进入采样环节，则采样样本数清零，返回步骤2)；若是首次进入采样环节，则需执行7)；7)对采样数据进行fft运算并取模，并通过对这些结果的比较，得到差拍频率，当差拍频率在设定范围内时，置控制发送标志tran_do_b＝1，当差拍频率不在设定范围内时，置控制发送标志tran_do_a＝1，执行8)；8)根据扫频周期和差拍频率，解算出高度值上报给上级系统，采样样本数清零，返回步骤2)；9)控制扫频周期：在上述步骤进行的同时，数据分析及控制模块监控控制发送标志，当tran_do_a＝1时，或tran_do_b＝1，且扫频周期结束时，数据分析及控制模块调整发射单元中的dds芯片产生调频连续波的扫频周期，调整扫频周期内所需采样样本数，保持距离数据的跟踪。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤8)中调整扫频周期，是将原来的扫频周期，重新调整为新的扫频周期tg，表示如下：tg＝25khz/fb*tn,其中，tn为原来的扫频周期，fb为差拍频率。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤8)中调整扫频周期内所需采样样本数，是根据扫频周期和采样周期，通过下式计算其计算出新的扫频周期内所需的采样样本数mc：
其中tg为新的扫频周期，ts＝1/fs为采样周期，fs为采样频率，mmax为预先设定的最大采样样本数mc。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤9)中解算出高度值，根据调频连续波雷达测距，通过下式计算其高度值h：h＝fb/f*tn*c/2，其中，f为扫频带宽，tn为原来的扫频周期，fb为差拍频率，c为光速值。

技术总结
本发明公开了一种扫频周期内多次测距设备及方法。主要解决现有技术飞行器在高空条件下扫频周期长，高度更新率慢问题。其包括：收发天线、收发单元、A/D单元和信号处理单元。信号处理单元包括信号处理单元包括时序控制模块，AD采样模块，数据分析及控制模块，高度解算模块。信号处理单元产生扫频周期指令送发射单元，发射单元由DDS器件产生线性调频信号通过发射天线发射，从目标地面反射的信号经接收天线进入接收单元，混频后通过A/D单元采样并通过数据分析得出目标距离。本发明在一个扫频周期内能多次采样和信号处理，及时更新目标距离，提升了测距设备在复杂地形条件下测高跟踪能力和高度更新速度，可用于航空飞行器中对飞行高度的测量。行高度的测量。行高度的测量。


技术研发人员：席睿波 赵传丰 温超行 张贵 李雄 元文鹏 李媛 王昊
受保护的技术使用者：陕西长岭电子科技有限责任公司
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/9