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專利名稱：根據(jù)多普勒原理進(jìn)行空間位置選擇性速度測量的裝置的制作方法
為了測量陸上交通工具和有軌交通工具的速度，以及為了在報警設(shè)備中對運(yùn)動體進(jìn)行探測，通常采用造價適中的微波多普勒傳感器。這些傳感器的靈敏度主要受到微波發(fā)生器噪聲特性的限制。
此外，采用連續(xù)波(CW)工作的多普勒傳感器不可能進(jìn)行空間位置選擇性多普勒分析。
在脈沖—多普勒—方法中發(fā)射以某重復(fù)頻率PRT重復(fù)的一系例短微波脈沖。在脈沖—多普勒—傳感器中距離的選擇性是由不同距離反射物體接收到的反射信號的時間分隔決定的。
對脈沖—多普勒—近距離傳感器，期望獲得較高的空間位置分辨率，為此要求具有窄脈寬以及較大的傳輸帶寬。然而這就降低了平均發(fā)射功率從而也降低了接收級的靈敏度。對此可以采用的應(yīng)變措施是提高發(fā)射脈沖功率或采用較高的脈沖重復(fù)頻率PRF(然而將限制最大的單值距離范圍)或進(jìn)行脈沖積分(但是限制了最大單值可測速度)。由于在脈沖工作狀態(tài)下的開關(guān)的反作用，有必要在已知的脈沖傳感器中配裝價格昂貴的、具有方向選擇性的部件，例如隔離器或?qū)l(fā)射和接收天線分開。


圖1示出了一個脈沖—多普勒—傳感器的框圖，此圖發(fā)表在“高頻技術(shù)手冊”(“Taschenbuch der Hochfrequenztechnik”)第S1章，Springer出版社，第五版，1992年。由高頻發(fā)生器HFG-即一個微波振蕩器—產(chǎn)生的微波信號借助于一個微波開關(guān)S以對比度KK=A1A2>A]]>其中A1為開關(guān)狀態(tài)α期間的幅度A2為開關(guān)狀態(tài)β期間的幅度α為微波開關(guān)MWS導(dǎo)通期間的開關(guān)狀態(tài)β為微波開關(guān)MWS阻塞期間的開關(guān)狀態(tài)射。發(fā)射場強(qiáng)Es和接收場強(qiáng)ER疊加而在高頻發(fā)生器HFG和反射物體之間形成一個駐波。廉價獲得多普勒信號的可能性是采用肖特基二極管對駐波進(jìn)行檢波的零差探測。在連續(xù)波工作方式下，由于二極管平方律的特性曲線在解調(diào)器DM(也可以稱為檢波器)上的電壓UDet(t)為uDet(t)≡(ES+ER)2＝ES2+2ESERcos((t))≈ES2+2ESERcos((t))其中ES為發(fā)射場強(qiáng)ER為接收場強(qiáng)2ESERCOS[(t)]為有用信號(多普勒信號)ER＜＜ES(t)為在發(fā)射場強(qiáng)ES和接收場強(qiáng)ER之間的相移由于高頻發(fā)生器HFG的噪聲，與振蕩器信號檢波成分相對應(yīng)的項ES2不是常數(shù)。接收靈敏度是項Es2的波動寬度與多普勒信號幅度之比決定的。與連續(xù)渡工作方式不同的是，在脈沖工作方式下(在理想情況下幅度對比度k＞＞1)只有在開關(guān)狀態(tài)α?xí)r(這里α表示導(dǎo)通狀態(tài))在解調(diào)器DM上才有一個多普勒信號并且可以在那里取樣，其中，通過在狀態(tài)α和β之間的重復(fù)切換以重復(fù)頻率PRF重復(fù)對多普勒信號進(jìn)行測量。通過對多普勒信號所有取樣值的插補(bǔ)、例如借助一個取樣/保持部件AH可以由取樣脈沖中形成一個具有空間位置選擇性的、時間連續(xù)的多普勒信號。這種方法的制造在于，這些取樣值將受到切換時產(chǎn)生的過沖以及振蕩器噪聲的不利影響，并且由于有限的幅度對比度K＜∞而包含著不期望距離范圍的信號成分。這些缺點到目前為止采用具有高開關(guān)對比度和方向選擇性部件的微波開關(guān)、例如職離器、環(huán)形器或?qū)l(fā)射和接收天線分開只能部分地加以克服。這些措施顯著地增加了成本和電路的復(fù)雜程度。
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種空間位置選擇性速度測量裝置，其中，可以顯著降低信號噪聲、開關(guān)過沖尖峰和不期望距離范圍或近距離反射體信號形成的干擾從而提高測量精度。
此項任務(wù)是通過一個振蕩器根據(jù)權(quán)利要求1的所述特征加以解決的。
在根據(jù)權(quán)利要求2至7所述的實施方案中表明，提供一種產(chǎn)生開關(guān)信號(脈沖序列)的簡單結(jié)構(gòu)是可能的。
借助于以下附圖對本發(fā)明進(jìn)一步加以闡述。
圖1示出一個進(jìn)行空間位置選擇性速度測量裝置的結(jié)構(gòu)，見“高頻技術(shù)手冊”，第S1章，Springer出版社，第5版，1992。
圖2示出本發(fā)明空間位置選擇性速度測量裝置的原理結(jié)構(gòu)。
圖3示出一個與速度測量裝置對應(yīng)的Minkowski圖以及相關(guān)的典型信號變化。
圖4示出了一個產(chǎn)生脈沖序列的替代裝置。
圖2所示脈沖發(fā)生器PG產(chǎn)生以周期T0重復(fù)的第一個脈沖，以下稱作參考脈沖RP。此參考脈沖信號經(jīng)兩根不同長度的傳輸線L和LV到達(dá)開關(guān)部件S的控制輸入端SE。參考脈沖信號經(jīng)延遲部件LV走過較長路徑的那一部分與參考脈沖RP經(jīng)較短傳輸線L通過的信號部分相比延遲了時間Ts后到達(dá)開關(guān)部件S的控制輸入端SE。這樣，在開關(guān)部件S的控制輸入端SE有一個以周期T0重復(fù)的參考脈沖RP和一個同樣以周期T0重復(fù)的、與參考脈沖RP相比延遲了Ts的脈沖，這里稱為目標(biāo)脈沖ZP。
如果兩個脈沖RP或ZP中的一個在開關(guān)部件S的控制輸入端SE，則在脈寬TP期間有一個與在此期間由高頻發(fā)生器HFG所產(chǎn)生的高頻信號S1對應(yīng)的微波信號MS與天線A接通。由天線A發(fā)射的微波信號MS是由高頻信號S1和參考脈沖RP構(gòu)成的脈沖調(diào)制信號或者是由高頻信號S1和目標(biāo)脈沖ZP構(gòu)成的脈沖調(diào)制信號或者是一個由于開關(guān)部件S有限的開關(guān)對比度而不能衰變到零的剩余信號。因為開關(guān)部件S處于導(dǎo)通狀態(tài)，接收信號(回波)也同時到達(dá)解調(diào)器DM，這樣，在那里就產(chǎn)生了一個可以取樣的多普勒信號S2。脈沖間隔Ts是這樣整定的，即在參考脈沖RP期間所發(fā)射的高頻信號S1由距離S＝C·Ts/2反射回來的回波同時與目標(biāo)脈沖ZP相遇并且到達(dá)解調(diào)器DM。在目標(biāo)脈沖ZP加在開關(guān)部件S的控制輸入端SE期間，復(fù)又發(fā)射一個與目標(biāo)脈沖ZP調(diào)制的高頻信號S1。在時刻t2出現(xiàn)目標(biāo)脈沖ZP期間在解調(diào)器DM輸出端的第二個解調(diào)信號S2(t2)包含著所有干擾信號和關(guān)于反射體的信息，而在參考脈沖RP出現(xiàn)時刻t0在解調(diào)器輸出端的第一個解調(diào)信號S2(t0)僅含有干擾信號成分。通過兩個解調(diào)信號S2(t0)和S2(t2)的比較(相減)得到不含干擾成分的信號S3，此信號只含有關(guān)于反射體的信息。其中，既消除了發(fā)生器噪聲也消除了開關(guān)回授，近距離反射體以及由于有限的開關(guān)對比度k＜∞由不期望距離范圍反射所造成的影響。其結(jié)果是靈敏度的顯著提高并且實現(xiàn)了預(yù)期的空間位置選擇性的提高。
此測量過程以周期T0重復(fù)。其中，T0應(yīng)選擇得足夠長以便使目標(biāo)和參考的測量互不相關(guān)的進(jìn)行，就是說，在每一次新的測量時不再出現(xiàn)上一個測量過程的接收信號。
發(fā)射信號的反射在位置-/時間空間中可以用圖3所示的MinKowski-圖加以表示。橫坐標(biāo)為時間，縱座標(biāo)為空間位置。縱座標(biāo)分為三個區(qū)域，即近距離區(qū)域FN、目標(biāo)區(qū)域FZ和遠(yuǎn)距離區(qū)域FK，其中，近距離區(qū)域FN和目標(biāo)區(qū)域FZ對于功能是重要的。在時刻t0，即在參考脈沖RP加在開關(guān)部分S控制輸入端SE的時刻，開關(guān)部件S，也稱為微波開關(guān)，在出現(xiàn)參考脈沖RP的時間導(dǎo)通，即相當(dāng)于開關(guān)狀態(tài)α。由高頻發(fā)生器HFG產(chǎn)生的連續(xù)高頻信號S1在開關(guān)部件S導(dǎo)通期間與參考脈沖RP調(diào)制并加到天線A上發(fā)射出去。在時刻t2，即在目標(biāo)脈沖ZP加在開關(guān)部件S控制輸入端SE的時刻，高頻信號S1與目標(biāo)脈沖ZP調(diào)制并且在脈寬Tp期間加到天線A上并發(fā)射出去。在脈寬Tp期間在天線A上同時接收到在時刻t0發(fā)射的信號和其后反射回來的信號。
包含著在時刻t＝t0和t＝t2在解調(diào)器輸出端的信號S2的信號成分S2(t0)和S2(t2)在下表中給出
兩種信號成分之差是不含任何干擾的信號S3。
采用同時求差方法對解調(diào)器所提供的信號的取樣是通過一個含有求差部件DIF的特殊取樣/保持部件AH進(jìn)行的。
由脈沖序列S2(t0)和S2(t2)構(gòu)成的解調(diào)信號S2經(jīng)傳輸線LL1與一個取樣開關(guān)AS連接并且接到存儲器電容CS上，當(dāng)信號S2(t2)在點AE時。終端短路的傳輸線LL2其長度是這樣選擇的，即在信號成分S2(t2)加到點AE的時刻同時在那里也加上逆信號成分S2(t0)，這樣，總共將其差信號加到存儲器電容CS上。電壓的反轉(zhuǎn)是通過在傳輸線LL2終端用電容CK短路高頻而實現(xiàn)的。信號在點AE至存儲器電容CS的導(dǎo)通可以通過由脈沖發(fā)生器PG導(dǎo)出的控制脈沖SE2觸發(fā)。
產(chǎn)生脈沖序列的替代裝置如圖4所示。由脈沖發(fā)生器PG產(chǎn)生的正脈沖P導(dǎo)通二極管Di并且分配到兩個傳輸線Lv和L上。到達(dá)傳輸線Lv的脈沖P的一部分在傳輸線Lv的開路終端以+1反射并且與另一部分相比延遲脈沖間隔Ts后到達(dá)開關(guān)部件S的控制輸入端SE。這樣，參考脈沖RP與僅通過傳輸線L的脈沖P的一部分相對應(yīng)，而目標(biāo)脈沖ZP則相當(dāng)于既通過傳輸線Lv也通過傳輸線L的脈沖P的那一部分。
開關(guān)部件S可以用幅度調(diào)制部件加以取代。脈沖序列不局限于脈沖。所有適合于與高頻信號S1調(diào)制的信號波形均可以應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.根據(jù)多普勒原理進(jìn)行空間位置選擇性速度測量的裝置，其特征在于，—其中，配備有產(chǎn)生具有一個參考脈沖(RP)和一個目標(biāo)脈沖(ZP)的脈沖序列(RP、ZP)的部件(PG、L、VL)，—其中，由高頻發(fā)生器(HFG)產(chǎn)生的周期性信號(S1)借助于一種開關(guān)部件(S)與脈沖序列(RP、ZP)相關(guān)地加到天線(A)上，—其中，由與高頻發(fā)生器(HFG)和開關(guān)部件(S)相連的解調(diào)器(DM)獲得的解調(diào)信號(S2)加到信號取樣部件(AH)和求差部件(DIF)上，求差部件在出現(xiàn)參考脈沖(RP)和目標(biāo)脈沖(ZP)期間在解調(diào)信號(S2)之間求取差值，并且—其中，目標(biāo)脈沖(ZP)在時間Ts后加在開關(guān)部件(S)的控制輸入端(SE)，在時間Ts后在出現(xiàn)參考脈沖(RP)期間所發(fā)射的周期性信號(S1)重新可以接收。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，—其中，產(chǎn)生脈沖序列的部件(PG、L、VL)具有一個用于產(chǎn)生參考脈沖(RP)的脈沖發(fā)生器(PG)和一個用于產(chǎn)生目標(biāo)脈沖(ZP)的延遲部件(LV)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述裝置，其特征在于，—其中，延遲部件具有一個延遲線(LV)，此延遲線與傳輸線(L)并聯(lián)連接。—其中，延遲線(LV)要比傳輸線(L)長一段與時間Ts相應(yīng)的長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述裝置，其特征在于，—其中，延遲部件具有延遲線(LV)，此延遲線在其一端開路，而在其另一端與一個二極管(Di)和一段傳輸線(L)相連。—其中，二極管(Di)與脈沖發(fā)生器(PG)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4其中之一所述裝置，其特征在于，—其中，求差部件(DIF)具有一個存儲器，用于直到下一個解調(diào)信號(S2)可以使用之前存儲解調(diào)信號(S2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述裝置，其特征在于，—其中，求差部件(DIF)的存儲器具有一個短路傳輸線(LL2)，在其終端進(jìn)行解調(diào)信號(S2)的反轉(zhuǎn)，—其中，短路傳輸線(LL2)的長度與時間Ts相對應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6其中之一所述裝置，其特征在于，—其中，開關(guān)部件(S)是一個幅度調(diào)制部件。
全文摘要
在采用微波多普勒雷達(dá)進(jìn)行速度測量時，信號噪聲，開關(guān)過沖尖峰以及近距離的反射體將使測量精度變壞。為了克服這些缺點，通過天線發(fā)射一個以周期T0重復(fù)的參考信號和一個在參考信號后面時間間隔Ts的一個目標(biāo)信號。在目標(biāo)信號發(fā)射期間已經(jīng)又接收到的參考信號部分以后應(yīng)從接收到的目標(biāo)信號中減去。這樣得到的差值信號是幾乎全部清除了干擾尖峰、信號噪聲以及近距離反射體反射信號的測量信號。
文檔編號G01S7/34GK1150477SQ95193537
公開日1997年5月21日 申請日期1995年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月10日
發(fā)明者P·海德, R·舒伯特, R·施瓦特, V·馬戈里 申請人:西門子公司