一種採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統的製作方法
2023-06-08 22:45:11
專利名稱：一種採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及脈衝波雷達無線測距的電子技術應用領域，特別是一種採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統。
背景技術：
微波有較好的反射特性和良好的定向輻射特性，因而廣泛地應用在雷達測距系統中。通過測量回波時延來測量目標距離是雷達測距的一種基本方法，但近距離測量時，回波時延可到皮秒或納秒量級，傳統的時間測量儀很難做到這樣高的時間解析度。目前的微波計數器，頻率已達50GHz，精度可達到皮秒量級的時間測量，但價格昂貴，幾萬到幾十萬一臺。測量時延也可以通過相位估計法間接實現，時間分辨力可達10ps，但需要高精度的相位計，而微波波段要實現相位的精確測量，對相位計的要求很高，工程實現會比較困難。發明內容
本發明的目的是針對上述存在的問題，提供一種採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統，該測距系統可以解決現有測距方法中近距離測量時超短時間難於分辨、 測量精度以及系統成本問題。
本發明的技術方案
一種採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統，由脈衝信號發生器、發射機、接收機、時間-電壓轉換電路和信號處理部分組成，所述時間-電壓轉換電路包括時序變換電路、積分運算電路和A/D轉換，其中積分運算電路由積分電路、跟隨電路和運算電路構成，積分電路中設有實現時間-電壓轉換的充電電容、電阻和集成運放，脈衝信號發生器、發射機、接收機、時序變換電路、積分運算電路、A/D轉換和信號處理部分通過導線連接。
所述脈衝信號發生器產生脈寬為納秒級的微波信號。
所述時序變換電路由兩個或非門組成的SR觸發器構成。
所述積分電路中的集成運放採用寬帶放大器。
所述信號處理部分為PC機並將時間信息轉換為距離信息。
一種所述採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統的測距方法，步驟如下
1)由脈衝信號發生器產生脈寬為納秒級的微波信號經發射機發射，微波信號的脈衝周期要大於最大測量距離2倍所對應的時延，發射信號遇到目標後被反射，回波信號被接收機接收；
2)通過時序變換電路將發射信號和接收信號轉換成脈衝寬度等於目標回波時延的單脈衝周期信號；
3)通過Multisim軟體模擬，得到回波時延與電容兩端電壓的瞬態關係曲線；1 ^e
4)測量積分電路中充電電容兩端的電壓U。，通過計算公式^ =T^ |λ ·力，計算得待測目標的回波時延,=4 =」d，計算公式中=C1為充電電容，R1為電阻，ts為電容U1充電的起始時刻，、為電容充電的終止時刻，Ui為輸入信號幅值；
5)根據測距公式L = ct/2,即可得出待測目標與發射機之間的距離L，式中c為無線電波傳播速度3X108m/s，t為回波時延。
本發明的技術原理
本發明通過積分法時間-電壓轉換電路將時間的測量轉換為電壓的測量，解決了近距離測量時，納秒級或皮秒級時間難以分辨的問題，因此要實現精確的時間測量，其關鍵之一就是實現電壓的準確測量。脈衝信號發生器產生的脈衝經發射機發射，接收機接收由待測目標表面反射回來的脈衝，A/D轉換將時間信號轉化為數字量輸出，通過信號處理部分的PC機將時間信息轉換為距離信息。
本發明的優點和有益效果
該測距方法裝置簡單、方便實施、系統成本低；採用超短衝擊脈衝信號，無需載波， 大大降低了發射機和接收機的複雜性，從而降低了整個測距系統的成本；利用時間-電壓轉換電路將時間的測量轉換為電壓的測量，解決了超短時間難於分辨的問題；採用14位A/ D轉換，時間解析度為6. lps，可以測量的最小距離單元為1.83mm。A/D轉換的位數越多，時間解析度和測距精度就越高，採用16位A/D轉換時，時間解析度為1.5ps，可以測量的最小距離單元為0. 45mm,因此該方法可以用於一些需要精確測量時間的場合。
圖1為積分法實現時間-電壓轉換雷達系統結構示意框圖。
圖2為時序變換電路圖。
圖3為積分運算電路圖。
圖4為脈寬為回波時延的脈衝信號形成示意圖。
圖5為回波時延與電容兩端電壓的瞬態關係曲線。
具體實施方式
實施例
一種採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統，如圖1所示，由脈衝信號發生器、發射機、接收機、時間-電壓轉換電路和信號處理部分組成，所述時間-電壓轉換電路包括時序變換電路、積分運算電路和A/D轉換，其中時序變換電路，如圖2所示，由兩個或非門組成的SR觸發器構成，積分運算電路由積分電路、跟隨電路和運算電路構成，如圖3所示，積分電路中設有實現時間-電壓轉換的充電電容、電阻和集成運放，其中積分電路中的集成運放採用寬帶放大器，信號處理部分為PC機並將時間信息轉換為距離信息，脈衝信號發生器、發射機、接收機、時序變換電路、積分運算電路、A/D轉換和信號處理部分通過導線連接。
時序變換電路中，設觸發器的初始狀態為Q = 0，S1為S端輸入信號，S2為R端輸入信號，根據SR觸發器的工作原理SR = 0的條件下，若S = 0,R = 0，則Q維持原態；若S =1，R = 0，則Q = 1 ；若S = 0，R = 1，則Q = 0 ；則發射信號和接收到的回波信號經時序變換電路後，即可得到脈衝為回波時延的單脈衝周期信號。
積分運算電路為實現時間-電壓轉換電路的核心部分，由積分電路、跟隨電路和運算電路構成，如圖3所示，積分電路是時間-電壓轉換的主要部分，包括寬帶放大器、充電電容和電阻。在實施過程中，積分電路中電容、電阻以及集成運放的合適選取很重要。由於近距離測量時，需要測量的時間數量級為皮秒級，因此積分運算電路中的集成運放採用寬帶放大器；為了減小測距誤差，充電電容採用性能穩定的聚苯乙烯電容；電阻選擇精密電阻。跟隨電路是為了穩定電壓，運算電路是為了得到輸入電壓和電容兩端電壓的關係。本實施例中採用四路信號對電壓進行測量，如圖3所示，四路信號採用相同型號的集成運放， 電阻及電容的參數選取不同，見後面的表2，每一路對應不同的時間延時。
該實施例中，主要元器件型號及生產廠家為脈衝信號發生器採用深圳漢潤電子有限公司提供的Agilent E4437B RF ；發射機採用南京翠登科技有限公司提供的ZFP-402E ； 接收機採用西安安特瑪微波技術有限公司提供的Agilent 8530A ；或非門採用深圳市鑫科源電子有限公司提供的74HC02D ；寬帶放大器採用深圳市新亞洲電子市場日昇電子商行提供的MAX4101ESA ；A/D採用深圳市華迅光捷科技有限公司提供的ADS6445 ；為了減小測距誤差，採用深圳市矽晶電子科技有限公司提供的精密電阻和聚苯乙烯電容。
一種所述採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統的測距方法，由脈衝信號發生器產生的微波信號經發射機發射，接收機接收由待測目標表面反射回來的脈衝，A/ D轉換將時間信號轉化為數字量輸出，通過信號處理部分的PC機將時間信息轉換為距離信息，具體步驟如下
1)由脈衝信號發生器發射脈寬為納秒級的脈衝信號，經發射機發射，如圖4中Sl 所示，該實施例中設脈衝寬度為15ns，脈衝周期為490ns，接收機接收到的回波信號如圖4 中s2所示，時延設為IOOns ；
2)通過時序變換電路將發射信號和接收信號轉換成脈衝寬度等於目標回波時延的單脈衝周期信號，如圖4中out所示，圖中脈衝寬度為100ns，周期為490ns，經步驟1)和 2)後，即形成了脈寬為回波時延的脈衝信號；
3)該實施例中，積分運算電路中各器件參數設為=R1 = 100 Ω , R2 = 100 Ω，R3 = IOOkiC1= lnF，R4 = & = I 6 = R7 = lk，Ui = IV，集成運放為雙電源供電士 5V，通過 Multisim 軟體仿真，仿真時間設為一個周期490ns，得到回波時延與電容兩端電壓的瞬態關係曲線， 如圖5所示，圖中O-IOOns期間，脈衝信號為高電平，電容處於充電狀態，在IOOns處充電電壓為最大值IV ； 100-490ns期間，脈衝信號為低電平，電容兩端電壓保持IV不變；1 ^e
4)測量電容兩端的電壓通過公式^=777 (λ·力，由於^，禮，化已知，U。可以測UcClRl得，即可計算出目標的回波時延即〃(弋曲於R1, C1不變，則對其中一路信號進行分析，電容兩端電壓Uc與回波時延t = te-ts的關係見表1 :
5)根據測距公式L = ct/2, c為無線電波傳播速度3 X 108m/s，即可得出待測目標的距離L。回波時延t與距離L的關係見表1
表1電容電壓及回波時延與距離的關係
權利要求
1.ー種採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統，其特徵在於由脈衝信號發 生器、發射機、接收機、時間-電壓轉換電路和信號處理部分組成，所述時間-電壓轉換電路 包括時序變換電路、積分運算電路和A/D轉換，其中積分運算電路由積分電路、跟隨電路和 運算電路構成，積分電路中設有實現時間-電壓轉換的充電電容、電阻和集成運放，脈衝信 號發生器、發射機、接收機、時序變換電路、積分運算電路、A/D轉換和信號處理部分通過導 線連接。
2.根據權利要求1所述採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統，其特徵在於 所述脈衝信號發生器產生脈寬為納秒級的微波信號。
3.根據權利要求1所述採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統，其特徵在於 所述時序變換電路由兩個或非門組成的SR觸發器構成。
4.根據權利要求1所述採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統，其特徵在於 所述積分電路中的集成運放採用寬帶放大器。
5.根據權利要求1所述採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統，其特徵在於 所述信號處理部分為PC機並將時間信息轉換為距離信息。
6.一種如權利要求1所述採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統的測距方 法，步驟如下1)由脈衝信號發生器產生脈寬為納秒級的微波信號經發射機發射，微波信號的脈衝周 期要大於最大測量距離2倍所對應的時延，發射信號遇到目標後被反射，回波信號被接收 機接收；2)通過時序變換電路將發射信號和接收信號轉換成脈衝寬度等於目標回波時延的單 脈衝周期信號；3)通過Multisim軟體模擬，得到回波時延與電容兩端電壓的瞬態關係曲線；j te4)測量積分電路中充電電容兩端的電壓U。，通過計算公式ひe=;計算得待M1 tsUcQR測目標的回波時延Z =ら-も=^^，計算公式中=C1為充電電容，隊為電阻，ts為電容充電U1的起始時刻，、為電容充電的終止時刻，Ui為輸入信號幅值；5)根據測距公式L= ct/2，即可得出待測目標與發射機之間的距離L，式中c為無線 電波傳播速度3X 108m/s，t為回波時延。
全文摘要
一種採用積分法實現時間-電壓轉換的雷達測距系統，由脈衝信號發生器、發射機、接收機、時序變換電路、積分運算電路、A/D轉換和信號處理部分組成，其中時序變換電路、積分運算電路和A/D轉換為時間-電壓轉換電路；該系統的測距方法是由脈衝信號發生器產生的微波信號經發射機發射，接收機接收由待測目標表面反射回來的脈衝，A/D轉換將時間信號轉化為數字量輸出，通過信號處理部分的PC機將時間信息轉換為距離信息。本發明的優點該測距系統裝置簡單、方便實施、成本低；利用時間-電壓轉換電路將時間的測量轉換為電壓的測量，解決了超短時間難於分辨的問題，因此該方法還可用於一些需要精確測量時間的場合。
文檔編號G01S13/10GK102508235SQ201110299289
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月8日 優先權日2011年10月8日
發明者曹曄, 楊秀峰, 童崢嶸, 範立潔, 袁其平 申請人:天津理工大學