（通信与信息系统专业论文）微波信号时域分析和测量技术的研究.pdf

摘要 本义研究的重点是如f u 在微波测距仪中采用在系统可编程逻辑器件 以提 高系统稳定性 同时减小系统体积和功耗 并关注如何提高电路的可移植性 随着大规模集成电路的发展 尤其是存系统u j 编程逻辑器件的m 现 数字 电蹄的设计方法发生了很大的变化 采用功能强大的e d a 软件 结合在系统可 编程技术 i s p 可以在小从电路扳卜拆l i 芯片的情况下 应用i s p 技术 改变 芯片的逻辑内容 同时出于在系统可编程逻辑器f l 的集成度不断提高 可以在 单片芯片q j 集成整个数字电路系统 使得系统的稳定性得到了提高 而且体积 功耗大大减小 本文中 首先讨论了目前主流的微波测距理论 然后应用l a t t l c e l o l 6 列 微波测距仪的部分分频控制电路进行了集成 并进行了功能仿真 为了提高仿 真的速度 对部分电路采用v l i d l 语言进行逻辑捕述 通过实验证明 在微波测距仪中采用在系统u j 编程逻辑器件 收到了很好 的效果 关键词 可编程逻辑器件 在系统可编程 微波测距仪 a b s tr a c t 1 n1h lsp a p e r t h ee m p h a s isish o wt ou s et h ei ns y s t e mp r o g r a m m a bje c h i pt oi m p r o v et l e sl a b il i t vo fm i c r o w a v er a n g ef i n d e rar i dr e d u c ct h e k iz eo ti t a tf jr s tt h en a p e zi n t r o d u c o ss o m eh a s i cih e o r i e so fm e a s u r ed is t a n c e t h e ni n t r o d u c e st h es t r u c t u r eort h el 1 3 s y s t e mp l d p r o g r a r m n a b e l o g i c d e v i c e i m itje el 6 w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fv i s ta n di s p i n s y s t e mp r o g r a m m a b e t e c h n i q u e t h ew a yo td e s i g ne l i g i t a c i r c u jlh a sc h a n g e dg r e a t a d o p t i n g s pa n df d ale c h n i q u em a yn o to n iy in t c g r a t i n gc i r c u i tb u ta ls c h a n g in g t h e l o g i cc o n t e n to ft h ec h i pw i t h o u td is i i l a n l ll n gi tf r o mt h ec i r c u i t b o a i d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ei s pc h i p sd e n s i t y t h ew h 0 1 ec ir c u it m a yb e jn t e g r a t e d1n n e c h i p 1 nt h isp a p e r t h em i c r o w a v er a n g e rf i n d e ra d o p t st w ol ll 1 ic el 16 p i dc h ip st oin t e g r a t es o m e s e p a r a t ec i r c u i t sa n dm a k et h ef u n c t i o n s i m u l a t i o n i tp r o v e st h ei s pc h i p m a yi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es y s l e m a n dm a yr e d u c et h e p o w e rc o n s u m p l jo nt o o i no r d e rt om a k et h e s p e e do ft h ef u n c t i o ns i m u l a t i o nf a s t e r t h e s y s t e ma d o p t jn g v t l d i v e r y 1 9 h s p e e d j n t e g r a t e dc j f c u l l a r d w m e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e t om a k es i m u l a t i o nf a s t e r a tt h es a m et i m et h i s m a k eil e a s yl ot r a r l s p l a n tt h ec i f c u it1 0o th e rk i n d s0 rt s pc h j p s k e y w o r d s p r o g r a n m n a b i ei o g i0d e v i c e in s y s t e mpr o g r a m m a b ie m i c r o w a v er a n g efj n d e r 微波衍o j 时域分折和测量技术的 口i 宄 闩i j 吾 在无线电电子测量技术中 测量对象是宽频率范围内信号与系统的参数与 特 盹 从整体上可分为频域测量和时域测虽 频域测量以被测信号和被测系统 存频率领域的特性为依据 时域测量以被测信号和系统在时间领域的特性为依 抓 0 频域测量相比 州域测景具有以下特点 1 成本低 所需设备简单 体积小 2 时域测量涵盖的频率范围已与频域测量相当 采1 h 精密的数 据处翌i 技术 其测量的精度有可能超过频域测量所扶得的精度 4 利用时域 洲量可简单明了的获得线性系统的一切特性 i e 是由于以上几点原幽 随着微 电子技术的发展 进入8 0 年代厉 时域测量技术得到了飞速发展 在时域测量 中 反射测量系统占有很重要的地位 通过测量反射点到观测点的往返路径的 传输时川 可以测出观测点至反射点的传输距离 而且通过观察入射波和反射 波的形状和幅度 还可以确定传输线阻抗不连续的性质和数值 因此在测距 地f 探测 传输线检测等领域都有蓿广泛的应用 而在反射测量中通常采用的 都是微波信号 因此利用微波信号时域分析技术进j 测量有着广泛的应片j 前景 例如在如石油 化1 等部 j 中 液位晌在线测量直是国内外计量行业的 难题 由于这些现场的环境恶劣 防爆要求极严格 许多仪表及传感器的应用 受到了限制 许多部门仍采用手t 测量 不仅工人劳动强度人 而且难以实现 自动在线检测 而利用微波信号进行测距 山于解决了一次仪表带电的问题 目应用精密的数据处理技术 f j 以使得测量精度达到生产的需要 而且易于遥 控监督 自动做业 冈此微波测距在这些领域里得到了广泛的心用 电磁波测距是时域测量的 个重要领域 近4 0 年来 得到了飞速发展 电 磁波测距仪是光波测距仪和微波测距仪的总称 分为三大家庭两兄弟 从1 9 5 7 年的以闩炽灯作载波源的n a s m2 a 型光电测距仪投入大地测量生产作业以来 光 波测距仪已发展到了第三代 第一代是光电测距仪 第二代j 品足激光测距仪 和半导体测距仪 第二代是多波测距仪 以1 0 厘米波作载波的m r a i 犁微波测距 仪和n a s m 一2 a 型光电测距仪同时投入大地测量的生产作业 但在提高测距精度力 面尚无重大突破 难以分代而论 按仪器工作原理之异和所用载波的不同 可将电磁波测距仪分为脉冲式 1 相位式和混合式三人家庭 微波测距仪和光波测距仪两兄弟 山d 二f c 可知 2 电磁波测距仪足以测量测距信号往返于测线的传播r j 问t 而求得待测距离的 按测定传播r 口剧 的不同 电磁波测距仪可以分为下述几种类型 脉冲式 测距仪 它是直接测量仪器所发射的脉冲信号往返于测线的传输时间 按 微波信寸时域分析j f 测量技术的州究 d 二f c 求得待测蹲离的 一 相位式测距仪 它是测量仪器所发射的连续的 2 测距信号往返于测线的滞后千h 位 而间接地求得传播时问 主要特点是测距精 度高 但至少要作二次测量 即要剧 个以上的测距频率 才能测出距离 且 作用距离短 三 混合式测距仪 它发射脉冲信号 而测量调制波或喈波往返 i 一测线的滞后相位 进而问接地求得传输时间 因此又称作脉冲 相位式测 距仪 既有较高的测距精度 又有较远的作用距离 英国研制的g e o r a n l 双激 光测距仪就是例 大地测量和工程测量所应用的电磁波测距仪 按所用载波的不同 可分为 光波测距仪和微波测距仪 采用无线电电波巾的厘米波或毫米波作载波的无线 电测足巨仪叫做微波测距仪 1 9 5 4 年在t l w a d l e y 的指导卜 研制成功了一种崩 i o 厘米波做载波的无线电测距仪 命名为t e l l u r o m e t o r 1 9 5 7 年t e l l u r o m e t e r 仪器公司批最生产了m r a i 型微波测距仪 属于相位式测距仪 它由主台和副台 组成 主台用于观测读数 副台能将接收的测距信号予以变换 并重发到主台 微波测距仪麻用于生产作业 与光电测距仪几乎是同时间的 虽然精度低于光 电测距 但有以下优点 1 昼夜均可观测 这既便于选择适当的观测时间 义 可作移动目标的观测 2 仪器轻小 测程较远 3 要求测线的观测条件低 凡能几何通视 视线不受地面物体障碍的测线 均可作微波测距 在炯雾 甚 j 三d i i i 小雪的情况下亦能工作 4 要求主副台相互定向的精度低 在测线两 端架设仪器时 彼此问只要粗略对准即可工作 5 主副台设有无线电话 便于 及时交流情况 处理问题 m r ai 采用十进扩大法解算波数n 量程2 0 0 m 5 0 k m 测距精度为 5 c m 3 xi 0 d 仅重l l k g 其工作原理仍是现代微波测距仪的基 础 此后微波测距仪的发展主要集中在以下几方面 一 改进仪器设计 提高 测距精度 提高载波频率 采用单一载波频率利提高测距频率 改进天 线系统 二 改进测相方法 提高观测速度 三 采用集成电路 减轻仪器 蕈量 由于微波测距仪的测量精度受地面反射波影响较大 冈而精度较低 其发 展速度比光电测距仪慢得多 7 0 年代研制的测程搬在i o 5 0 k m 精度为 1 0 n 埘 3 p p m 2 0 m m 3 p p m 但8 0 年代后微波洲距仪在重量 精度上取得了 重大突破 特别引人注目的是前苏联中央测绘研究所研制成功的轻小型微波测 距仪b 0 丌h a 精度达到 3 r a m 3 p p m 量程为1 5 k m 采用漏斗式喇叭形天线 和2 5 k m 采用卡塞格伦式抛物镜面大线 英凼t e l l u r o m l e t 公司生产的 t e l l u m a tc m w 2 0 型微波测距仪 测量9 0 2 5 k m 精度为 5 肿 3 p p m 这几种 新型的微波测距仪标志着微波测距仪发展史上的重大突破 t e l1u n l a tc m w2 0 微 波测距仪的测程超过了红外测距仪 且精度与a g a 一1 4 a 等红外测距仪相当 向日 微波信寸时域分十斤和测量坎术的研究 它是全天候作 i k 的仪器 可以说是拉 i 了向波测距仪用于工程测量的序幕 目前冈内外短距离测量系统中多采用时间隔测量法 主要是因为微波信号 步贞率较高 波长短 采用相位法需关注模糊分辨问题 目前在1 0 米量程内 采 用微波信号作为信号源 应用精密的时域分析 数据处理技术 测量精度可 达0 2 测量数据的传输 视一业现场而定 1 1 j 采用无线 g 外 微波 或有 线 同轴 双绞线 光红 传输方式 微波编 l l l j 域分析和测量技术的到充 1 微波测距的理论基础 测距的基小原理最先是由e l i ejb a g h d a d y 和k e n n e t hw k d 1 s e o 在1 9 6 4 年 提出的 是采用电磁波在空间以有限速度传播 并日当它通过均匀媒介传播时 其瞬时相位随传播距离做线性变化 因此 信号到目标问的距离为r c i 2 其中c 为光速 t 为信号从测量站到目标间往返的时延 对于频率为f 的正弦测 距信号 对应的相位延迟中为 书 4 r f c 所以距离r c 咖 4 f 可见距离 的测量 l j 转换为时阳jt 的测量或相位c b 的测量 采用测相泫存在模糊分辨的问题 因为原理上我们只能测出中 3 6 0 的精 确值 测距信号的频率越低 相位误差和距离误差越人 而提高测距正弦信号 的频率则经过日标的彳辛返距离将包括多个波长 从而造成测最距离的1 i 确定性 日n 口测量时间间隔的普遍乃 法是电子计数法1 3 3 j 当测量很小的时问间隔时 宵用变换法 以这种方法为基础构成叫间间隔倍增器 将叫间问隔扩展为一 定倍数的装置 通常倍增器与电了计数器配套使用 1 1 脉冲式钡9 距 i i 量时间t i 1 1 电子计数法的基本原理 脉冲式计数器的原理如图l 1 所示 被测电压u 及u 沿着两个通道加在整 图1 1 脉冲式计数器的原理 f i g u r e l 1 t h ep r l n c i p l eo fp u l s ec o u n t e r 形装置l 当这些电压达到门限电压 及u 时 住整形装置的输出端卜产生 微波信号时域分析和测量挂术的研究 窄脉冲u 及i j 这两个脉冲分别对应于被测时f j 间隔t x 的起点利终点 这些脉 冲作用在触发器上 触发器输出的脉冲存t x 时洲内 r 启选通门 在脉冲作用的时问内 计数器累训已知周期为t 的脉冲 计数脉冲由振荡 器给出 累计的脉冲数目n 正比于被测的时间间隔 并能从读数装置上读m t x n t 一 t t 1 一1 图i 2 是计数脉冲之间的关系 因为t o l f 所以时钟振荡器的频率 不准将引入误差 t 晶振的 f i 准确度乘以t 由于 t 及 t 足由测量的离 散性 起的 因此单次测量将引入 o 1 个计数单位的误差 对1 0 0 m h z 时钟 信号而言 此项误差为 0 h 1 0 n s 另外比较电平的不稳定性 引起时问f f lj 隔的测量误差为 u u t n t k 一可瓦r 一 可东r 一 面k 百k u 1 2 其中 u ah 为比较电半的不稳定性 若警 警 u0 1 2 0 2 u u u2 nuo 1 3 1 4 卜5 n 为比例常数 为选用的比较门限电平 则此误差为 t 羔姿生上 v 高档计数搽的恒温晶振频率稳定度优于 1 1 0 4 5 x 1 0 o d 若输入信号的电 压变化斜率大于 5 1 0 v n s nu 1 m v 则a1 z 可达小于l o o p s 因此提高 测量精确度的关键是设法测出并减小 t 和 t 引入的误差 因而利用下面介绍 的延迟重合法 浮标法或时问问隔变换法等方法测出 t 与 t 可把测量精确 度再提高一 两个数量级 单次测量精确度达5 0 1 0 0 p s u 触放信0 时域分析和测量技术的删f 究 t 2 u a u i 一ix 匕 t 伴 i ii 一一一一一 i ii l i il 私t 剖b t 日 r jj 一ij fff f t t t 图1 2 训数脉冲之问的关系f i g u r e l 2t h er e la t i o no fc o u n t e rd u l s e 6 微波信譬川域分析和捌基技术的 究 1 1 2 延迟重合法 延迟重合法通常用存已消除起点误差 al 的时间间隔测量仪中 以便减 小终点误差at 时间川辐测量仪中附加分段延迟线 它是以匹配电 j 且r 选通 门以及译码与指示装置为负载如图1 3 所示 计数脉冲通过选通门丙加在几段 延迟线的输入端 每段延迟时问是t t n 总延迟时问为t 图1 3 延迟重合法原理图 f i g u r e l 3t h ep r i n c i p i eo fd e l a ys u p e r p o s i t i o n 延迟线是匹配的 因此经n 一 t 时间后 加在输入端的脉冲完全被匹配电 阻吸收 每段的输出端通过选通门与译码及指示装置连接 选通f j 是受触发器 输出的脉冲控制的 在t x 时问内所有选通门是闭锁的 因此在延迟线中被延迟 f 勺第n 个时钟脉冲开始没有加在译码装置一h 反在时间t x 结束后才开启选通fj 计数脉冲逐次通过第k 1 个及以后的选通门 共计 n k 个 山图1 4 有 t x n l kt k b 16 k b 离散性误差 它小于t n 凼此采用此法 测量仪的离散误差小n 倍 h h h 微波符 时域分折和测量技术的研冗 jljl i t l1 r 伴 图1 4 延迟重合法原理图 f i g u r e l 4 t h ep r i n c i p i eo fd e l a ys u p e r p o s i t i o n 1 1 3 游标法 游标法测时的原理图如图1 5 所不 在游标法测时当中 时洲问隔的起点 脉冲b 触发计数脉冲振荡器 使它丌采振荡 同时u 又作用于触发器l 触发 器1 输出的脉冲开启选通门1 这样计数器开始对周期为t 的脉冲计数 当时 刊羹瓣冲 u 8 符合电路 选通f jl 触发器1 触发器2 汁数器 r 译码及读 数装置 薹鬟脉冲振卜 至茧斗厂孬磊谅弃百磊磊 网1 5 游标法原理图 f i g u r e l 5t h ep r i n c i p i eo fc u r s o rc o u n t e r 时问问隔终点脉冲u 到来叫 触发器l 又翻转到初始状态 计数嚣停止计数 微波信号时域分析和测量技术的研究 计数器所计的数目n 是表示n t 的时问闻隔 终点脉冲 时又触发游标振 u u i u 4 q l t x l u b ih lil l 1q k 7 卜k t o 门l 图1 6 游标法原理图 f j g u r e l 6 t h ep r jn c i p l eo fc u f s o fc o u n t e r 荡器 此时触发器2 输出的脉冲开启选通门2 周期为t 一 n 1 t 0 n n 为正 整数 的游标脉冲进入游标脉冲计数器和符合电路 随着时问的变化 计数序 列和游标序列的相邻且墩冲开始重合 于是符合电路开始工作 其输出脉冲作用 到选通门2 使经过游标通道的计数停 r 设游标脉冲计数器累计了k 个游标脉 冲 由图1 6 有 t x n t n a t o 1 7 t k t n k t l 一 t k 1 n 一 t 础 1 8 t t t j 计数与游标脉冲前沿没有准确重合而引起的误差 由丁 t 的限制 n 的数值不能太大 通常设计使 t n 为方便 n 最好取1 0 或1 0 0 将a t 代入上式 其中k 描述间隔at e 的持续时间 以周期t 的分数表示 t x n t a k t o r l mat f 卜9 l n 游标的步距 仪器读数装置与两个计数器相连 使读数装置的高位显示数目n 而低位显示数 目为k 一般n 1 0 或1 0 0 那么at 的值以t 的十分之几或百分之几的形式从 计数器装置的低位上读出 从而使单次测量的离散误差减小1 0 倍或1 0 0 倍 据 报导 利 咩 游标法构成p s 测时系统可达到优于5 0 p s 的测量准确度 1 1 4 时间间隔变换法 将时间问隔变换成电压 然后将它重新变换成时间问隔 变换后的时川人 微波信号时域分所和洌量技术的m 宄 二被测的时问恻隔 这种装置称为时间间隔展宽器 展宽器与数宁式时间f u j 隔 测鼍仪配套使用可用于展宽与at 和at 相关的时间问隔t d 和t e 例 法国汤姆逊公司生产的t s n 6 3 6 时间问隔测量仪 如图1 7 所示 则对 t 3 5 2 0 r l s t 及t e 3 5 l 2 0 r i s atr 展宽2 0 0 倍 用于展宽t d 和t e 的展 宽器的线路相同 电流产生器 i 通过二极管c r 8 通电流 当被测时1 1 l j 问隔的 起t 或 终点 脉冲到达后的第一个时钟脉冲到来时 单稳态2 通过c r 7 把 一极管c r 8 关闭 电流发生器 i 就对电容器c 3 7 恒流充电 通过放大器 把快速比较器m 2 6 触发变态 当经l r l 延迟3 5 n s 的信号到达后 单稳态1 触发 电流发7 l i 器 i 的电流被c r 6 短路 使电容器c 3 7 停止充电 1 剞叫通过电流发 生器i 2 0 0 恒流放电 在放电终了时 快速比较器m 2 6 即回到初态 这样电容 器c 3 7 充电和放电时间内 m 2 6 都处于变换状态 使测 l t d 或a t t e 用的 游标计数器计算时钟脉冲的数值 电容器c 3 7 的充电和放电都足线性的 只是 充电的斜率人 放电的斜率小 它们的斜率是如此调整的 即保证1 2 0 0 或l n 的比例 凶而对应于充放电期间的时间间隔比t d 或t e 展宽了2 0 0 倍 图巾的 延迟线i r 1 的时延量不要求绝对准确 只要求用于 起点 展宽器和 终 囊 展 1 0 0 m h z 时钟 逻辑电路 电流发牛器 单稳态1 c 3 7 充电结束 蚪盖蔫结束 c r 6 c r 8 c r 7 i c 3 7 f 卜 q 9 彪0 0 流 发 生 器 m 2 6 图1 7 列间闯隔测量仪原理图 f i g i j r e l 7t h ep r i n c i p eo ft i m e p e r i o dn l e a s u r e 宽器电路中的延迟线l r i 的时延相等即可 微波信 知j 域分析邱测量拽术的研究 出陶1 8 有 t d 3 5 2 0 n s a1 1 t e 3 5 l 2 0 r l s t u 山t x n t 一 t a t n 有t x n t 一t d t e 已不包含 3 5 1 s 卜1 0 卜1 i f 1 一1 2 图1 8 时州间隔测量仪原理图 f i g u r e l 8t h ep r i n c i p l eo ft i m ep e r i o dm e a s u reir l sl r u m e n t f 面介绍带有展宽器的精密数宁式时间间隔测量仪的工作原理 图1 9 中 所示的展宽器把t d 和t e 展宽2 0 0 倍后再左控制输入到 起点 游标计数器和 终l l 游标计数器的1 0 0 m h z 时钟脉冲 然后再 b e 汁数器级联 这样可狱得 l o o p s 的测量准确度 原理如下 终点展宽器 2 0 0 t l 1 0 0 m h z 时钟 或fj1 或fj2 2 0 0 t d f 起点展宽器 1 0 0 m h z 时钟卜1 n 1 l 等1 0 m h z 高约l 一 型割籼j r f 厩 起点游标训数器 图1 9 时间间隔测量仅原理图 f i g u r e l 9t h ep r j n p l e o ft i m ep e r i o di i i o a s u r e i n s t r u m e n t 参照图i 2 图1 9 可知 通过逻辑电路使在 起点 脉冲到来之后 c r 终点 微波信 j 时域分析和州量技术的研究 脉冲到来之前 主计数器通过或门3 记下n 一1 个时钟脉冲数 又在 起点 脉冲到达后的第 个时钟脉冲到来时 起点 游标记数器丌始记数 其b 2 0 0 t d t 个时钟脉冲数 终点 脉冲到达后的第二个时钟脉冲到来时 终点 游标计数器丌始计数 共记下2 0 0 t e t 个时钟脉冲数 如果2 0 0 t e t 丈于2 0 0 则 终点 游标计数器产生进步脉冲 经过或门3 送入主计数器 随后频率约 为l o m h z 的补偿振荡器丌始振荡 其输出既通过或门2 加到起点游标计数器 又通过或门l 加到终点游标计数器 起点游标计数器的容量设计为m 2 0 0 即对 应m 1 0 n s m 为3 以上的正整数 因为1 5 n s t d 或t e 6 k h z l 1 0 k mr 1 5 k h z f i k mf 1 5 0 k h z l 2 0 m 厶 7 5 0 0 k l l z 可见 这四把电尺所对应的测距频率约为6 k h z 1 5 k i l z 1 5 0 k l l z 7 5 0 0 k h z 直接使用这四个测距频率来测量距离是很不方便的 因为它们的最大频率和最 小频率丰h 差约1 2 5 0 倍 这在设计中 将大大增加电路设计的难度 使其电路的 结构非常复杂 同时降低整个系统的稳定性和可靠性 要解决这个问题实际上 是采用 差频测相 的方法 1 2 2 差频测相法测距的基本原理 差频测相的方法是 如果我们采用角频率为w 和w 的信号 测得的干h 位 分别为 十t 2 z 1 t t 1 一1 9 十 2 2 m t t 卜2 0 与0 的差为 牵 2 中 一审 z22 z t 一2 t 二2 一 2 t 1 2 1 令 l2 o l l 一 1 l 即f l5 l f i 2 微被信号h t 域分析和删量技术的研究 中i 2 a j t 4 n f t t 4 顽d v 1 2 2 其中f t 1 f 分别为 j 1 o 埘应的频率 也就是澄 利用角频 率为0 的测距信号两次测出的相位值之差 相当于用角频率为 0 的 等效测距信号一次测量的结果 这样使电路的结构变得简单 同时增强了整个 系统的稳定性和可靠性 例如c w 9 32 0 0 型微波测距仪的测距频率发置采用的是二进制力法 用了育 十四个不同测距频率的序列 其最精密的测距频率为1 6 0 m h z 十四个不刚测距 频率通过绝对 直接 频率测相和差频测相可以计算所对应的十四个小同模糊 距离g g l 2 根据这十四个模糊距离i 可推算出微波测距仪距离计算的最 终公式 卟每 等m 等m 一 k 等 2 式中 n i n t d l l 当次洲量的正整数 划应相位变化的整削期数 其中n o 当次测量的模糊距离 m 当次测量的不足一周期的相位差的尾数 n o a b c d 的十四次测量的次数 d 当次测量的距离 由于十四个测距频率在设计时已经选定 从而可以预先知道所对应的十四个模 糊距离l 的值 这样 公式中只要知道n 值和 十 值 距离d 就可计算出 在微波 测距仪系统测距过程中 由相位计数器测出卸 再加上上个测距频率所得到 的距离d 计算出的n 值 从而得到距离d 一次测距过程是 第一个测距频率 经孝h 位讣数器测出所对应 如 知道t a 十 山上述公式可计算出第一个测距频 率所得的距离d 第二个测距频率的n i d l 取其正整数 距离d l n 耐一 3 6 0 第 i 个测距频率以此类推 这样距离d 也由第一个测距频 率所得到粗距离到第十四个测距频率所得到精距离 最后测量距离达到 5 m m 3 x 1 0 1d 的测量精度 1 3 微波测距中的误差分析 在测量中有时要对一个或多个测量量进行 一次或多次洲量 对于许多的数 据都要进行处理 在测量数据的处理过程中 通常都是通过研究和处理误差来 完成的 测量误差一般可以分为系统误差和偶然误差 d 微波f 号埘域分析和测量技术的研究 1 3 1 偶然误差与系统误差对微波测距精度的综合影响 设在观测结果中存在着偶然误差 与系统误差j 其总误差臼 2 5 其 j 独立观测次数i l 2 n 上式两端平方求和 得 口2 2 占2 随湍再分别除以 得幽 坠堂 凼 2 坠型 z打蚪雄 r 1 凼2 坠型 0 则 l 刨 幽 刨 1 2 4 盱h挥 可表示为i l l 2 i n m 2 卜2 5 其中m m m 分别足观测结果总误芳的均方根值 偶然误差和系统误差的均方 根值 j l 测量皆非一次 而是多次重复观测 所以经常所说的偶然误差和系统 洪差 不是指 与8 本身 而是 1 1 与m 一的简称 由 一2 5 武很易看出 只有当f f l k i n 时 观测结果的总误差i n 爿 可用偶然 误差j 1 1 近似表示 迸一步讲 只有证明了i t i m 时 才可按最小二乘法原理和 公式对观测结果进行平筹计算和精度m r 计 若在实际观测结果r r 的系统误差小 能忽略时 不加考虑的仍按最小二乘法原理进行平差计算 所得的结果就不是 最佳估值 目前在文章中都是 有 定程度的系统误差 或 有系统误差的影响 等 定性说明 而没有对系统误差进行近似的定量分析 根据理沦与实验资料证明 当 i l 二m 或ms 二m 时 才i i j 以为系统误差已小到可以忽略不计 前者适用卜 j 精度较高的大地测量 后者用于地形或炮兵联测 当满足卜述条件时 就可用 最小二乘法原理对观测结果进行半差运算和精度估计 凼此对系统误差进行近 似的定量分析是必要的 这罩求系统误差在数量级上的大小 不能用来改币系统误差 而只是用来 与偶然误差进行比较 决定其取舍 对 1 i2 5 式做简单的改变 即成 铲 爿 1 2 6 卜2 6 式就是电磁波测距真实精度罢 内部符合精度冬 系统误差 堡 三者之 ddd 俐晌近似关系 只要知道其中的两项 很容易求出第二项 例如微波测距仪的 野外作业 除个别地区地面反射影响大之外 大量试验资料表明 微波测距仪 微波f 圳州0 城分析和测量技术的计7 的内部符合精度 般在五 万分之一到y j 万d z 一范围内 h 1 1 m d 3 2 2 1 1 1 0 微波测距的真实精度 即外部符合精度 u 与高精度的已知边 慕线 边 大激光边 比较得到 一般为二十万分之一 这个数值与国内外试验结 果是一致的 这么人的系统误差是不容忽略的 在平差计算平u 精度估计之前 一定要进行改l 卜 1 3 2 r 嵌波测距中误差表达式 目自h 国内外都采用m 4 m b d 柬计算电磁波测距边的中误差 其中a 是仪器 本身的固有误差 它与边k 无关 b d 是与边长有关的比例误差 两者皆是偶然 性质的误差 仪器mj 时 为表征仪器的技术指标 是用上式表示仪器的误差 关系与大小 如m 5 m m 1 0 1 0 6 d 这种形式表明 该仪器具有固定炭差 5 1 n m 它与边长无关 与边长有关的误差是 1 0 1 0 1 1d 该形式表明 即 使忽略其固定误差 其测边精度最高也只能到一百万分之一 但是m a b d 在形式上只能是电磁波测距的最大误差 不能反映偶然误 差的特性 用此式来规定野外作 p 的限差 会降低观测结果的精度 同时电磁 波测距精度不仅与边长有必 还取决于外界的地形和气象条件 如用微波测距 仪测量边长相等的两条边 按m a b d 算得的叶1 误差是一样的i 若这两条边 的地形条件小i 刊 地面反射误差差别较大 则这两条边的真实精度是会有显著 的不同 因此 可以采用m m 二 y 2 d 2 z 来讣算电磁波测距v j 中误差 其 中 2 2 m 2 m 墨 2 粤 2 m r 分别表示仪器读 h j 数 仪器常数 大气折射率 调制频率的中误差 这个公式是根据误差传播定 律推导出来的 因此 它完全反映了偶然误差的性质 其次 应在野外条件下 测定m 和m 的值 而克服在短边或在室内测定a b v j 局限性 在测定m m 的同时 还在野外条件下测定仪器常数k 值 1 3 3 微波测距的系统误差改正 观测结果中存在着偶然误差与系统误差是毫无异议的 只是住不同条件下 两者的大小小同而已 偶然误差 零均值的随机洪筹 的出现 从表面上看 是杂乱兀章的 毫无规律 但就整体而言 却具有一定的统计舰律 可以按概 率统计的办法束减弱或者消除其影响 系统误差是一种固定的或名 服从某一函 微波信 川域分析耳 测量授术的研究 数规律的误差 它与偶然误差不同 不能用一种统一 的方法处理 而只能针对 某 具体观测对象和条件 用取不同的处理方法 幽此 系统误差本身虽有规 律 但对某一测量结果作实际处理时 往往要比处理偶然误筹复杂 甚至无法 解决 测量误差的基本理论 高斯定理的建立 是以测量结果中只存在偶然误若 而不含有系统误差为前提的 所以 在利用高斯定理对观测结果进行平差计算 和精度估计时 都是假设系统误差与偶然误差相比 比较小 小到可以忽略不 计这 先决条件 反之 如果观测结果q j 存在着4 i 可忽略的系统误差 仍按最 小 乘法原理和公式进行 则所得的平差结果和精度估计都是值得怀疑的 随着科学技术的发展 仪器尤其足无线电仪器的性能不断提高 观测方法 与措施r 趋完善 则近似反映偶然误差的所谓内部符合精度越来越高 所以系 统误差划观测结果的影响就突出起来 处理带有不 f 忽略的系统误差的观测结 果 一股有两种途径 一是修正高斯定理 扩大其应用范围 使之能顾及系统 误差的存在 这个问题困难目前尚未解决 二是事先改m 观测结果中的系统误 差 而后再按最小二乘法的原理和公式 对观测结果进行平差训算和糟度估计 这种方法与修正高斯定理树比 就简单多了 困内外大量统计资料证明 微波测距边与商精度的已知边相比 普遍短 3 6 x 1 0 左右 这样大的系统误差已 重地影响着微波测距的精度提高和作用 的发挥 应此探讨如何改正它的系统误筹是卜分迫切和必要的 在测量实践中 一般采用下列办法来处理系统误差对观测结果精度的影响 l 尽t t i 能精确地测出系统误差的人小 直接对观测结果进行系统误差改 l f 如皋线测量中的温度改正 电磁测距巾的仪器常数改正 2 无法精确地测出其大小 只能掌握它出现的规律 就采用相应的措施 避免系统误差的影响 如经纬仪观测中的度盘分配 选择观测时间减少光折差 的影响 但多数系统洪差的产生是出多种囚素引起的 相互影响又是错综复杂 很 难细分各种误差源的大小 微波测距的系统误差就属于这种情况 它主要由水 蕉气压力和地面反射引起 这两者同前很难用详尽的公式分丌 虽可在观测过 程中 设法避免 但外界变化无常 很难掌握 对于这一类型的系统误差 刘 荣 赵维忠 j 提出 根掘大量的实际观测结果 用数理统计的方法 找f 微波 测距系统误差的变化规律建立其近似改正公式 用这种方法 改l 卜观测结果巾 的系统误筹要具备以下两个条件 1 划所讨论对象产 生系统误差的因素有比较详尽的分析 准确判定系统洪 差变化的规律 关于微波测距的系统误差源的理论分析 叮知系统误差有三种形式 是 与边长无关的常值系统误差 是 瓠塑长成l f 比的线性变值系统洪筹 i 是随 微波符i 时域分析和侧量技术的 j f 饨 边k 变化的周期性系统误差 2 要有大最的观测结果 并有较高精度的已知数据 他俐收集了凼内 i 2 1 6 条微波测距的实测资料 它们分布在平原 丘陵和山 区 边长山2 0 0 米n 6 0 公早 这2 1 6 条边都有较高精度晌基线边长或大激光测距 仪观测结果 对微波测距的精度而占 后者 除个别边外 是可以作为标准长 度的 在2 1 6 条边上 设微波测距边长为d 相应的基线或高精度激光边为d 1 丽 者之差 d d 1 一d j 近似视为微波测距的真误差 它包含着偶然误差和系统误 差两部分的综合影响 表1 1 中仪列出一部分数据以供参考 由此表可以看m 微波测距边比已知边测短了4 1 0 1 d j 左右 以 d 为纵半标 d 为横坐标 可绘 制微波误差点位分布图 边长概值 d傅里叶级数正弦函数4 1 0 6 d 米 米 5 3 4 90 0 7 60 0 4 80 0 2 80 0 40 0 3 60 0 2 0 0 5 5 1 1 8 9 80 0 5 80 0 5 50 0 0 20 0 5 4 0 0 40 0 4 30 0 1 3 1 6 9 3 90 0 8 4 0 0 8 6 0 0 0 20 0 7 40 0 l o0 0 6 8 0 1 6 2 0 6 6 60 0 6 l0 0 7 2o 0 1 10 0 9 9 0 3 80 0 8 3一o 0 2 l 2 6 9 7 3o 1 3 30 1 4 9o 0 1 6o 1 3 0 0 0 3o 1 0 80 0 2 5 6 0 1 20 2 9 3o 1 4 0o 1 5 3 1 5 5o 1 3 8o 1 2 0o 7 3 4 0 8 0 30 2 80 2 6 4o 0 1 60 1 8 60 0 9 4o 1 6 0 1 1 7 4 9 3 0 90 4 6 20 3 1 6o 14 60 2 2 0 0 2 4 20 1 9 70 2 6 5 5 7 4 160 3 0 60 2 9 lo 0 1 50 2 4 90 0 5 70 2 3 0 0 7 6 1 8 5 2 20 0 0 70 0 8 2 0 0 7 30 0 8 4 0 0 7 70 0 7 1 0 0 6 7 表1 1 微波测距误差 先后试用了很多种函数束拟合误差分布 并对微波测距进行系统误差修正 其中最为理想者为直线一傅里叶级数 旦1 占 d o 口j d 十 c o s k 等b 钆s i n 女等d 其中j 为第i 条边d 的系统误差以m 为单位 d 为第i 条边上微波测距观测值 以l0 k i n 为单位 a 坟 k 1 2 1 0 为待定系数 可以使微波测距 精度由平均1 8 万分之一提高n 2 7 万分之一 其性能改善比直线l r 弦函数 微被情l j 时域分析和测量技术的研冗 j d 上 一 等 d 及线性函数 瓯 4 1 0 6 d 要好许多 其巾 a a 与 是待定系数 9 微波俯 j 域分析柙测量技术的研究 2 在系统可编程逻辑器件 2 1 高密度可编程逻辑器件 高密度叮编程逻辑器件 h d p l d 通常指那些集成度大j 二1 0 0 0 门 片的 p i d 器件 这里所说的门不是实际的 而是用来衡量p l d 规模的p l d 等效门 显然 h d p i d 是v l s i 集成工艺高度发展的产物 在集成工艺精度未达到1 m 以f 时 是 生产不出这种商密度和高性能器件的 i i d p l d 人敛可分两类 一类是吐i g a l 发展起来的 虽然其规模比普通g a l 大得 多 功能也强得多 其主体仍是与 或阵列 因而称之为阵列型h d p l d 另一类是 可编程门阵列 f p g a 它是许多逻辑宏单元组成的阵列 因而称之为单元型 f o p l d 随着集成 1 艺的发展 h d p l d 的集成规模越来越大 超过1 0 0 0 0 门 片的h d p i d 已不鲜见 完令有町能将一个数字系统装在一片h d p l d 中 从而使制成的设备体 积小 蕈量小 成本低 生产过程简荦 维修方便 阵列型l i d p l d 与g a l 目比 具 有上屯清零 1 f 可编程 1 0 0 可测试等优点外 还有如下优点 1 高速度 h d p l d 是采用集成精度小于1pm 的 1 艺制成的 芯片尺 j f j 输入到输出 p i nt o p i n 之间的传输延迟小 因而可在较高速度下使用 女w l a t t i c e 公司生产的i s p l s l 2 0 0 0 系列产品的传输延迟为7 5 n s 使用频率可达 1 3 5 m h z 2 低功耗一一h d p l d 中每门的功耗随集成密度提高而降低 例如低密度 g a i 2 2 v l 正常工作时电源电流的典型值为9 0 m a 而含8 0 0 0 等效门的i s p l s l 3 1 9 2 正常工作时 电源电流典型值只有t 5 m a 可见h d p i d 中每门的功耗远小于低密 p l d 3 商保密性能 a l 虽然可以加密 但凶其规模小 很容易被解密 h d p l d 规模是g a i 的数十倍 加之绝大多数端口皆是t 0 端 企图通过穷举测试的方法 解密几乎是不可能的 因而h d p l d 自勺力n 密性能是非常可靠的 此外大多数h d p l d 都有对能导致c m o s 电路损坏的可控硅自锁效应的防护能力和对短暂高压脉冲 e s d 的防护能力 由子结构上的差别 使得阵列型b d p l d n f p g a 的应用范围也有所不同 逻辑 系统通常可分为两人类型 一类是控制密集型 一类是数据密集型 控制密集 型也称逻辑密集型 如高速缓存控制 d r a m 控制和d m a 控制等 它们仅需要很少 的数据处理能力 但逻辑关系一般都复杂 数据密集型需要大量数据处理能力 具应用多见丁通讯领域 为选择合适的h d p l d 应从速度与性能 逻辑利用率 编程技术及其它几方面进行考查 1 速度与性能 微波信 j 时域分析和测量披术的 究 数据密集型系统巾每个单元所需的输入端较少 逻辑相埘简单 对逻辑块 输入端的需求较少 用f p g a 实现 可能只需一级c l b 便可实现 而f p g a 的c l b 囚 其尺叫小 延时是很小的 凼而能获得高的单 i 速度 但若削c l b 来实现控制密 集型系统则相反 冈为控制密集型系统通常是输入密集型的 逻辑复杂 c l b 的 输入端往往不够使用 需把多个c l b 串联起来 这样就使其延迟时间成倍地增长 系统速度急剧降低 而若用阵列型h d p i d 米实现则绝大多数情况都只需一缴延 迟 从而获得较高速度 至于 2 连速度 大体也如此 对数据密集型系统 如果用单元型h d p l d 冈 所需级数少 可以将相关数据位紧密排列在一起 使互连路线较短 有利与系 统性能的提高 但对于控制密集型系统 由于信号关系错综复杂 不经反复运 算和布局 很难使甄连的长度减至很小 而若 连通道长 经过的连接点多 其速度就低 所以控制密集型系统也宜采用阵列型h d p l d 其互连延时是固定的 可获得较高的互连速度 所以阵列型h d p l d g l 单元型h d p l d 各适用丁小同的场合 一般来说 阵列剐 速度优于单元型 2 逻辑利用率 逻辑利用率是指器件中资源被利用的程度 阵列型p l d 逻辑强而寄存器较 少 单元型p l d 中逻辑弱两寄存器多 这正好与控制密集型系统与数据密集型系 统相对应 因此从逻辑利用率角度 也是f p g a 有利于数据密集型系统 阵列型 h d p l d 有利于控制密集型系统 3 使用方便性 使用方便首先要考虑性能的可预测性 在这一点上 阵列型p l d o r 于单元型 p l d 对阵列型p l d 通常只要输入 输出端u 数 内部门和