一种基于相关取样的微波测距装置

摘要

一种基于相关取样的微波测距装置，涉及一种微波测距装置。提供一种结构简单，精确度较高，成本较低的基于相关取样的微波测距装置。设有频率控制模块、微波模块和信号处理模块，频率控制模块设有主时钟信号发生器、主路脉冲形成电路、取样时钟信号发生器和取样脉冲形成电路。微波模块设有本地振荡器、主路开关、取样开关、功率放大器、低噪声放大器、滤波器、耦合器、发射混频器、接收混频器以及天线。信号处理模块设有发射峰值检测器、接收峰值检测器、或门电路、微控制器和显示器。利用与接收信号周期相差极小的取样信号对发射信号和接收信号进行基于相关的取样，实现发射与接收的时间差在时域上的扩展，进行高精度的物距测量。

权利要求

1.一种基于相关取样的微波测距装置，其特征在于设有频率控制模块、微波模块和信号处理模块，频率控制模块设有主时钟信号发生器、主路脉冲形成电路、取样时钟信号发生器和取样脉冲形成电路，主路时钟信号与取样时钟采用相关时钟形成电路设计，利用温度补偿晶体振荡器与压控晶体振荡器的差频信号，与温补晶振的分频信号进行鉴相，鉴相输出电压控制压控振荡器产生与温补晶振频差稳定的信号，并通过分频得到具有微小频差的主路时钟信号与取样时钟信号；主路脉冲形成电路输入端接主时钟信号发生器输出端，取样脉冲形成电路输入端接取样时钟信号发生器输出端；

微波模块设有本地振荡器、主路开关、取样开关、功率放大器、低噪声放大器、滤波器、耦合器、发射混频器、接收混频器以及天线，本地振荡器产生的微波信号分为两路，本地振荡器的主路信号输出端经主路开关与主路脉冲形成电路输出端相连，作为主路脉冲的载波，产生主路脉冲调制波；本地振荡器的取样信号输出端经取样开关与取样脉冲形成电路输出端相连，作为取样脉冲的载波，产生取样脉冲调制波；主路脉冲调制波作为发射信号，与功率放大器相连接，功率放大器的输出端与耦合器相连；耦合器的一个输出端接天线，耦合器的另一个输出端接低噪声放大器，低噪声放大器的输出端与滤波器相连；发射混频器的两个输入端分别接于主路开关的输出端与取样开关的输出端，接收混频器则接于滤波器的输出端与取样开关的输出端；

信号处理模块设有发射峰值检测器、接收峰值检测器、或门电路、微控制器和显示器，发射峰值检测器输入端接发射混频器的输出端，接收峰值检测器输入端接接收混频器的输出端，两个峰值检测器的输出端分别接于或门电路的输入端，或门电路的输出端与微控制器连接，微控制器输出端接显示器。

2.如权利要求1所述的一种基于相关取样的微波测距装置，其特征在于所述本地振荡器为5.8GHz本地振荡器。

说明书

一种基于相关取样的微波测距装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微波测距装置，特别是涉及一种基于相关取样的微波测距装置。主要解决脉冲雷达的回波时间短难以精确测量的问题，以实现高精度、非接触式的基于微波的距离测量。

背景技术

[0002] 近程微波测距技术是一种探测距离从零点几米到几百米的小型雷达技术，其在工业与商业中，都有广泛的应用，特别适合于自动停车、工业生产监测和罐内液位测量等等(1.WolfgangWeidmann.A high resolution radar for short range automotive thapplication.28 Europeanmicrowave conference Amsterdam 1998)。

[0003] 微波测距装置经由天线发射微波信号，遇到待测目标发生反射并由天线进行接收，通过测定信号延迟时间而计算出微波测距系统与待测目标之间的距离。微波测距装置根据发射信号的不同，通常可分为脉冲式和连续波式(2.Matthias Wei.Low-cost，Low-power nanosecondpulse radar for industrial applications with mm accuracy.Proceedings EDMO 2001)。

[0004] 连续波方式测距的基本原理是采用某种方式对连续波载频信号进行调制，并将其同时作为发射和本振信号，测距装置接收到目标回波后，与本振信号混频，之后对其作频域分析，利用回波的频移与时延的对应关系得出目标的距离。按照发射信号的调制方式，可分为相位调制与频率调制两类。频率调制主要包括线性调制(3.A.G.Stove，Liner FMCW radar techniques，IEEE proc-F，Radar and signal processing，vol，139，No.5，Oct，1992，pp.343-350；4.Yuming Du.Performance analysis of acceleration resolution for the LFMCW radar.2004 internationalconference on communications，circuits and systems.)与非线性调制(5.M.Vossiek.Novelnonlinear FMCW radar for precise distance and velocity measurements.Microwave SymposiumDigest，1998 IEEE MTT-S International.)；相位调制包括相位编码调制(6.刘国岁.连续波雷波及其信号处理技术.现代雷达，1995，6：20-36)等。连续波方式测距的缺点是在工作时持续发射微波信号，因此功耗较大。

[0005] 脉冲方式测距是利用目标回波与发射脉冲包络的相对延时来测定目标的 距 离 (7.D.L.McClanahan；Pulse-echo radar for short range sensing.IEEE instrumentation and measurementtechnology conference，1998)，其测距速度快，且由于脉冲式测距是按一定周期间隔发射脉冲信号，其功耗相较于连续波方式测距装置可以减小。

[0006] 现阶段发展起来的许多测距算法，虽然有所改变，但是总体上仍是由它们衍生改进而来的。测距算法的主要研究重点在于测距精度，在某些情况下可以通过牺牲测量距离或测量速度、硬件设备精度等方法来提高精度。当测距结果受到硬件条件限制后，要想继续改善测距精度问题，就必须从算法上做改变。中国专利CN 101162268A提出一种利用与发射、接收信号具有微小频差的脉冲信号对发射和接收信号进行抽样扩时的测距方式。但是应用这种方式，需要开关速度在ps级以实现脉冲对发射波和回波的抽样，实现困难，成本较高。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种结构简单，精确度较高，成本较低的基于相关取样的微波测距装置。

[0008] 本发明的技术方案是其发射和接收脉冲调制波，利用与发射波和接收波周期相差极小并相关的抽样信号对发射信号和接收信号抽样，对发射和接收的时间差进行扩时，从而提高测距精度。

[0009] 本发明设有频率控制模块、微波模块和信号处理模块，频率控制模块设有主时钟信号发生器、主路脉冲形成电路、取样时钟信号发生器和取样脉冲形成电路，主时钟信号发生器与取样时钟信号发生器产生的信号周期具有极小的差别，主路脉冲形成电路输入端接主时钟信号发生器输出端，取样脉冲形成电路输入端接取样时钟信号发生器输出端，产生两个周期相差极小的脉冲信号。

[0010] 微波模块设有本地振荡器、主路开关、取样开关、功率放大器、低噪声放大器、滤波器、耦合器、发射混频器、接收混频器以及天线。本地振荡器产生的微波信号分为两路，本地振荡器的主路信号输出端经主路开关与主路脉冲形成电路输出端相连，作为主路脉冲的载波，产生主路脉冲调制波；本地振荡器的取样信号输出端经取样开关与取样脉冲形成电路输出端相连，作为取样脉冲的载波，产生取样脉冲调制波。主路脉冲调制波作为发射信号，与功率放大器相连接，功率放大器的输出端与耦合器相连。耦合器的一个输出端接天线，耦合器的另一个输出端接低噪声放大器，低噪声放大器的输出端与滤波器相连。发射混频器的两个输入端分别接于主路开关的输出端与取样开关的输出端，接收混频器则接于滤波器的输出端与取样开关的输出端。

[0011] 所述本地振荡器最好采用5.8GHz本地振荡器。

[0012] 信号处理模块设有发射峰值检测器、接收峰值检测器、或门电路、微控制器和显示器。发射峰值检测器输入端接发射混频器的输出端，接收峰值检测器输入端接接收混频器的输出端。两个峰值检测器的输出端分别接于或门电路的输入端，或门电路的输出端与微控制器连接，微控制器输出测距结果由显示器显示出来。

[0013] 本发明提出一种新的基于相关抽样的扩时测距方法，利用与接收信号周期相差极小的取样信号对发射信号和接收信号进行基于相关的取样，实现发射与接收的时间差在时域上的扩展，进行高精度的物距测量。本发明无需高频开关则可实现取样扩时，不仅电路实现简单，而且测距精度较高，测距速度较快。本发明特别适合于自动停车、工业生产监测和罐内液位测量等领域的高精度物距测量。

附图说明

[0014] 图1为本发明实施例的电路组成框图。

[0015] 图2为本发明实施例的主信号与取样信号两个相关时钟信号形成电路的组成框图。

[0016] 图3为本发明实施例的本地振荡器电路组成原理图。

[0017] 图4为本发明实施例的微带混频器的电路组成原理图。

[0018] 图5为本发明实施例统的发射和接收峰值检测电路的组成原理图。

[0019] 图6为本发明实施例的发射波(接收波)的基于相关抽样的原理图。

[0020] 图7为本发明实施例的整体扩时测距原理图。

具体实施方式

[0021] 参见图1，本发明实施例设有频率控制模块A、接收模块B和信号处理模块C。频率控制模块A设有主时钟发生器1、主路脉冲形成电路2、取样时钟发生器3和取样脉冲形成电路4。主路脉冲形成电路2的输入端接主时钟发生器1的输出端，取样脉冲形成电路4的输入端接取样时钟发生器3的输出端。信号发生器用于控制脉冲信号的周期，而脉冲信号的脉宽则由脉冲形成电路决定。频率控制模块A产生两路周期相差很小的脉冲波，主路脉冲作为发射波的调制信号，取样脉冲作为取样波的调制信号。

[0022] 微波模块B设有主路开关5、取样开关6、本地振荡器7、功率放大器8、耦合器9、低噪声放大器10、滤波器11、发射混频器12与接收混频器13。主路开关5的两个输入端分别接于主路脉冲形成电路2和本地振荡器7的输出端，取样开关6的两个输入端分别接于取样脉冲形成电路4和本地振荡器7的输出端。功率放大器8输入端接主路开关5的输出端。耦合器9的输入端接功率放大器输出端，耦合器9的一个输出端接天线14，耦合器9的另一个输出端接低噪声放大器10的输入端，滤波器11的输入端接低噪声放大器10的输出端。发射混频器12的两个输入端分别接主路开关5与取样开关6，接收混频器13的两个输入端分别接取样开关6和滤波器11的输出端。本地振荡器7用于产生微波信号，其产生的信号分成两路，主路信号通过主路开关5为主路脉冲形成电路2产生的脉冲调制信号提供载波，另一路作为取样信号通过取样开关6为取样脉冲形成电路4产生的脉冲调制信号提供载波。主路开关5输出的脉冲调制波经过功率放大器8进行信号放大，然后经过耦合器9送到天线14，经由天线发射出去。发射信号遇到待测目标P，进行反射，天线14接收到反射的信号，经耦合器9送入到低噪声放大器10进行前置放大。耦合器具有优异的输入/输出隔离特性，可以将输出端到输入端的信号抑制到极低的程度。由于空间中的传播损耗及待测物体的反射损耗，使得接收到的微波信号能量减弱，因此需要低噪声放大器将弱信号进行放大。放大后的接收信号经滤波器11进行滤波，作为接收信号进行处理。取样开关6输出分为两路，一路通过发射混频器12对发射信号进行相关取样，另一路通过混频器13对接收信号进行相关取样。

[0023] 信号处理模块C设有发射峰值检测器15、接收峰值检测器16、或门电路17、微控制器18与显示器19。发射峰值检测器15接于发射混频器12的输出端，对经过取样处理的发射信号进行峰值检测，接收峰值检测器16接于接收混频器13的输出端，对经过取样处理的接收信号进行峰值检测。两路检测信号进入或门电路17进行整合。微控制器18接于或门电路17的输出端，当检测到输出扩展信号的峰值时，微控制器18开始进行计时；当检测到接收扩展信号的峰值时，微控制器18计时停止。微控制器18根据扩展的时间差计算出待测距离，通过显示器19将距离值显示出来。

[0024] 本发明中的两个时钟信号频率差别微小，要求这两个频率的稳定性高，主路时钟与取样时钟采用相关时钟形成电路设计。参见图2，80MHz的温度补偿晶体振荡器202的稳-6定度在10 量级。压控晶体振荡器102中心频率调在80.001MHz，两个晶振信号送到数字混频器106产生差频为0.001MHz，与80M晶振信号经80000分频器105产生的0.001M信号进行鉴相，鉴相器104的电压输出经环路滤波器103去控制压控晶振，保证压控晶振输出时钟为80.001MHz。80.001MHz信号经20分频器101产生4.00005MHz的主时钟信号B1，80MHz信号经20分频器201产生4MHz的取样时钟信号B2。主时钟信号与取样时钟信号具有微小的频差。

[0025] 主路、取样脉冲形成电路采用单稳态触发器结构设计，输入时钟信号，输出脉宽很窄的脉冲信号。其输出脉冲宽度由电路中的积分电路的充放电时间常数有关。

[0026] 本地振荡器可采用锁相环式本振源设计，产生5.8GHz固定点频的本振信号C2，其原理图参见图3，电路由鉴相器601、环路滤波器602、压控振荡器603和分频器604组成。利用锁相环的频率无误差跟踪特性，可由VCO产生与晶体振荡器(环路的输入信号C1)相同准确度和稳定度的频率信号，具有噪声电平低、频率稳定度高等优点。

[0027] 耦合器可采用3dB微带分支线耦合，其输入输出端口具有较好的隔离度，可以将输出端耦合到输入端抑制到极低的程度。滤波器可采用微带发夹型滤波器，具有结构紧凑、插入损耗小、阻带特性好等优点，可以很好地实现接收信号的滤波。天线可采用喇叭天线或者介质棒天线等波束集中型天线。

[0028] 功率放大器可以采用集成功率放大器。放大器输入端与本地振荡器输出进行阻抗匹配，放大器的输出端要与天线进行阻抗匹配。低噪声放大器可以根据具体应用的频率和信号强度进行设计。

[0029] 主路开关与取样开关可采用CMOS传输门开关，或门电路可采用CMOS工艺的或门。

[0030] 发射、接收混频器主要由微带分支线耦合器121、匹配网络122、匹配网络123、混频二极管124、积分电路125以及滤波网络126组成，参见图4。在实现发射波信号D1(回波信号)与取样波信号D2的混频后，通过电容对输出信号进行积分，后接低通滤波网络126，即可实现对发射波信号与回波信号在时域上的扩展。在图4中，D3为扩时输出信号。

[0031] 发射、接收峰值检测电路原理图参见图5。首先利用包络检波器151对输入信号E1进行包络检波，使其变成具有单一峰值的信号，后接低通滤波器152对信号进行平滑滤波，再将此信号进行峰值检测。峰值检测电路由上下两个部分组成，上部分为峰值保持电路153，下部分为信号输入电路154。当输入信号变大时，比较器155输出的信号为0；当输入信号开始变小时，则输出1。由于比较器后接单稳态触发器156，当检测到最大值时，则输出一个脉冲E2(峰值输入)给微控制器，作为开始计时或者计时停止的控制。

[0032] 本发明对发射波和接收波基于波形相关抽样的原理参见图6。基于波形相关抽样的扩时测距技术的原理是利用与发射波和接收回波的波形相关，周期相差很小的取样脉冲调制波对发射波和回波进行抽样和扩时操作。相关取样是指发射波(回波)信号(参见图6a)的点与抽样信号(参见图6b)中相关的点相乘，相乘的结果成为合成信号(参见图6c)上的点。所有的相乘结果组成了合成信号，通过对合成信号进行积分和信号处理，实现对发射波(回波)信号的扩时(参见图6d)。

[0033] 当取样波对发射波(回波)进行抽样时，由于第二个脉冲信号相比第一个脉冲对回波抽样的位置存在一个延迟：Td＝T2-T1，即可以看作是对发射波(回波)在一个周期T1内，每隔Td时间的点进行的抽样。经过N＝T1/Td次抽样后，可完成发射波(回波)波形中一个周期信号的完整取样，即得到扩展后波形的一个完整周期。N个取样脉冲总时间为T＝N*T2，此时回波传播了N+1个周期。用基于波形相关抽样的扩时方法，将发射波(回波)波形放大的倍数为β＝T2/(T1-T2)＝N+1。

[0034] 本发明的整体扩时测距原理参见图7。在图7中，第一个周期信号波形为发射信号(参见图7a)，第二个周期信号为发射波遇到待测物体反射的回波信号(参见图7b，即接收信号)。发射信号与周期信号之间存在一个时延t，为微波信号在测距仪与待测物体之间传播产生的时延，故t＝2d/t。其中d为待测的物距，c为光速。若测得延迟时间t，则待测距离就可以求得。由于之间对这个时间测量精度不高，因此将回波信号进行时间谱上的扩展放大，以提高测量的精度。

[0035] 第三个周期信号为取样脉冲信号(参见图7c)，其为与发射信号同时产生，且波形相关，但时钟周期稍长的周期信号。取样脉冲信号对回波信号进行基于波形相关的抽样，将回波信号在时间轴上扩展(N+1)倍。因此延迟时间为：t＝(t2-t1)/(N+1)。

[0036] 假设电子元器件对时间的测量误差为Δt，那么直接测量的结果为：T1±Δt。采用基于波形相关抽样的扩时测量后，对时间测量的误差依然为Δt，即扩展后测量的时间为T±Δt。最后将扩展时间压缩N+1倍还原待测时间可得：(T±Δt)/(N+1)＝T1±Δt/(N+1)。与直接测量的结果相比，误差减小了N+1倍。图7d和7e分别给出发射波扩时信号和接收波扩时信号。