一個具有掃描區間門的脈衝雷達的製作方法

2023-09-14 05:00:25 1

專利名稱：一個具有掃描區間門的脈衝雷達的製作方法
技術領域：
本發明涉及高分辨力、短區間的雷達系統，更具體地說，涉及具有短範圍的映象的超寬帶雷達。
在以前的技術中，短區間搜索的應用是利用超聲技術或頻率調製連續波(FMCW)雷達來實現的。例如，在以前的技術中對大的槽箱內流體平面傳感器中所使用的區間搜索包含FMCW雷達的平面傳感。但是這種技術是依靠在差拍頻率上測量被檢測的發射波和接收波的變化，需要在微波頻率上十分線性的壓控振蕩器。這個技術要實現平面傳感技術中的精密要求是十分困難的。因此，以前技術的FMCW雷達限制在幾英寸的分辨力上而且相對較貴。在平面傳感中利用的另一個技術是超聲波。但是，超聲技術有幾個缺點。具體說，對於液體平面高度傳感器而言，超聲波可能錯誤地拾取泡沫的平面而不是實際的液面。還有，它不能穿透霧氣，如可能在槽箱中聚集起來的汽油氣或蒸氣。而且，傳感器上任何的汙物都將阻礙傳感器的工作。再說，超聲波用來作精密測量本來就是困難的，因為聲波的速度隨溫度和溼度的變化而變化，要比正常工作條件下變化10％之多。
因此，希望提供一個區間搜索系統或映象系統，它在短的區間內工作，價格低，精度好。
本發明提供了一個雷達區間搜索器和隱蔽物體定位器，它以超寬帶雷達為基礎，帶有高的分辨力掃描區間門。本發明的設備產生一個等效時間幅度掃描，其典型的範圍為1英寸至20英尺，還產生一個模擬區間分辨力，其受抖動限制在0.01英寸量級。利用差分取樣接收機有效地消除了因離發射天線挨得很近而感應的瞬時擾動和其他的象差，所以，背景消感法就不需要了，簡化了電路，改善了性能。本發明的利用包括替代超聲波的設備用於流體平面傳感、自動雷達(如巡航控制)和車場輔助設施。這個技術能夠用來放在高速公路上為交通控制收集交通車輛的計數。其他的利用包括有效的停止系統傳感、佔位傳感以及其他應用-需要測定的物體的精確區間。這個雷達區間搜索器製造出一個極好的流體或固體平面高度傳感器，用於石油貯存罐、工業混合桶和地下穀粒倉。它的幅度顯示也表示了在障礙後面有物體還是沒有物體，例如，牆後有沒有支柱，混凝土裡有沒有鋼筋。輸出也能夠使不同空間位置的類似單元相關連，以便提供同步波束用於窄波束應用和用於映象。
本發明能被特徵化成一個裝置，檢測範圍內物體的特性。該裝置包括一個發射機，發射與發射時基信號相對應的序列電磁脈衝。一個接收機對在範圍內物體產生的序列電磁脈衝回波進行取樣。接收機對這些回波取樣是利用一個差分取樣接收機，該接收機具有無變壓器的差分輸入，有高的共模抑制，這樣就減小了發射脈衝通過裝置結構而耦合過來的地電流。
根據本發明的一個觀點，接收機包括波導腔，作為發射天線和接收天線。天線包括AC(交流)耦合單極天線，具有各個腔內形成的阻性負載。
設備包括有發射腔和接收腔是為了減小所產生的取樣信號中的地物幹擾，如在屏蔽結構中發射信號的瞬時幹擾所產生的取樣信號中的地物幹擾。減小地物幹擾的設備可以藉助屏蔽發射腔和屏蔽接收腔加墊片去耦的方法來實現。還有一種技術可用來減小屏蔽接收腔內的瞬時幹擾。這種技術包括利用輻射導體，向著屏蔽接收腔和發射腔的周邊傳感的範圍延伸。另外，端板可以放在屏蔽接收腔和發射腔上開口的周圍。這些板可以與腔中開口面等高緊貼，或者可以偏向目標範圍以便提供給反射信號某些天線增益。另一個方法包括利用傳導阻尼元件與接收腔開口的周長耦合，例如，在開口的拐角處或在開口一側的中心處，基本上成一個三角形。
接收機產生取樣信號，提供一個正被接收的回波的等效時間表示。時基電路將發射時基信號加到發射機；將接收時基信號加到接收機。接收時基信號使接收機對回波取樣，於是，在該序列中的傳輸脈衝之間的時間和接收機的取樣掠過整個延遲區間。取樣檢測電路對應於取樣信號和時基電路，指示發射機與範圍內反射回波的物體之間的距離。
在時基電路對傳輸脈衝之間的時間和接收機取樣進行掃描的整個延遲區間內，其延遲決定了設備的工作區間。按照本發明，這個區間可能小於300ns，或者更確切地說，在某個系統中小於10ns。由發射機發射的脈衝之間的時間會跟取樣被掃描的延遲區間一樣長或者比該延遲區間長。
因此，發射時基信號使發射機在脈衝重複速率上發射序列電磁脈衝，接收時基信號在一個掃描周期對整個延遲區間掃描，於是，回波在脈衝重複速率上被取樣並且在延遲區間內有不同的延遲。這就產生了一個取樣信號，表示等效時間內所接收回波的幅度。
脈衝重複速率可以(比方說)大於1MHZ，掃描速率小於16KHZ-NTSC的視頻。最好是掃描周期的速率小於100HZ，例如，40HZ。
按照本發明另一個觀點的接收機包括一個在波導接收腔內的接收天線。第一二極體取樣門和第二二極體取樣門安裝在接收腔內與接收天線相連。這兩個二極體取樣門被接收時基信號脈動並饋送到差分放大器的輸入端。差分放大器的輸出在等效時間內提供取樣信號。天線包括交流耦合偶極天線，在相關的腔內形成阻性負載。
在並排的配置中，輻射器或在腔內的天線部件是一種在空間平行相隔的結構。在另一種相反方向的具體裝置中，輻射器或在腔內的天線部件是在相反方向上共平面延伸的。相反方向的輻射器配置對減小發射天線與接收天線之間耦合的主突波有效。
因此，有高分辨力和掃描區間門的寬帶雷達被提供在相近的範圍內工作。它克服了所有以前超聲波區間搜索器的不足，並且比應用FMCW雷達更精確、實現起來更容易。
在抑制瞬時幹擾和漸近地物幹擾方面，本發明達到了一個特別的水平。在離傳感器遠過4英寸的範圍上，瞬時幹擾和地物幹擾比強有力的回波低30dB。大多數以前的技術都試圖建立接近區間的寬帶雷達，結果卻恰恰得到一個相反的作用，即，瞬時幹擾和地物幹擾反而比接收回波強30dB，不得不加上背景消減技術。在雷達中不得不加上的背景消減技術通常減小了動態範圍和穩定性，而且使電路複雜了。
本發明另外一些觀點和優點能夠在下面的附圖介紹和詳細描述看到。


圖1是按照本發明寬帶雷達的方框圖。
圖2是本發明一個具體裝置的波導腔和天線的結構。
圖3是按照本發明的雷達所產生的回波反射。
圖4A表示了本發明的發射機利用了一個介質透鏡。
圖4B表示了一個取樣信號。
圖5表示了本發明的發射機利用了一個天線喇叭。
圖6表示了利用本發明的信號處理器的一部份。
圖7A-7G提供了按照本發明雷達的電路圖。
圖8是接收腔和發射腔的圖，腔與腔之間在空間上互相去耦。
圖9是接收腔和發射腔的圖，利用傳導阻尼元件與接收腔和發射腔開口的周長相耦合。
圖10是接收腔和發射腔的圖，有輻射阻尼元件從周長向著欲傳感的範圍延伸。
圖11A是接收腔和發射腔的圖，有三角形的端板與接收腔和發射腔的周長耦合。
圖11B和11C提供圖11A結構的側視圖和頂視圖以便表示端板的位置。
圖12通常表示由圖2、8-11A並排腔/天線結構所產生的電場。
圖13通常表示另一種相反方向的腔/天線結構及其從中產生的電場。
圖14A和圖14B是發射腔和接收腔的正視圖和側視圖，腔中有簡單幾何形狀的相反輻射元件；圖14C是較複雜幾何形狀的相反輻射元件的側視圖。
下面參照附圖提供了本發明優選的具體裝置的詳細描述。在附圖1中，圖1提供了傳感器的方框圖。
正如圖1中能夠看到的，雷達包括11/4英寸單極發射機天線10和1 1/4英寸單極接收機天線11。發射天線用於發射序列電磁脈衝12。電磁脈衝在傳感器的範圍內反射物體或目標13的回波。回波14被接收天線11所接收。
對應於發射時鐘，序列電磁脈衝在線15上產生。發射時鐘由脈衝重複頻率發生器16提供，在本例中一般是2MHZ。如果需要在傳感器中加進噪聲免除效應，則此脈衝重複頻率發生器可以用抖動機械17加以抖動。在線15上的發射時鐘驅動一個100ps脈衝發生器18(即一個電晶體)，發生器18通過電容19與天線10耦合。天線10是阻性負載單極天線，發射負載電阻20與地平面21耦合。
正如圖示，脈衝發生器18和天線10被安置在波導腔22內，以提供對其他部件的傳感器屏蔽並產生電磁脈衝12正向發出，只有有限的後瓣發生。
接收天線11耦合到第一高速取樣門25和第二高速取樣門26。天線的連接是從取樣門25的輸入到地跨接電阻27，從地到取樣門26輸入跨接電阻28。再有，調整電阻29從取樣門26的輸入接到地。天線11是容性負載和阻性負載兼有的單極天線，有一個發射負載電容51和串接一個耦合到地平面23的發射負載電阻52。天線11及其組合部件，取樣門25，26都安裝在波導腔24中。
利用由100ps脈衝發生器31(即電晶體)所驅動的脈衝形成網絡30，取樣門被選通。100ps脈衝發生器由線32上的接收時基時鐘控制。接收時基時鐘在延遲區間內由指數斜坡延遲電路33掃描。輸入到斜坡延遲電路的是線15上的發射時鐘。斜坡延遲電路33的掃描由指數斜坡發生器34控制，它是經線35耦合到斜坡延遲電路33的。線35上的斜坡也驅動靈敏度時間控制器36。
取樣門26和25耦合到差分放大器37。差分放大器37的輸出加到線38上作為靈敏度時間控制器的輸入。當回波的區間增大時，這個靈敏度時間控制器補償所接收回波的幅度。
靈敏度時間控制器的輸出加到放大器39提供線40上區間歸一化等效時間信號，表示正在被接收的回波。線40上的取樣信號加到信號處理器41以指示與取樣信號對應的目標13的特徵。
指數斜坡發生器34由斜坡掃描發生器45來控制，在本例中，標稱值為40HZ。還有，40HZ斜坡掃描發生器45用來提供一個同步信號46，這是給信號處理器41用的，否則的話就在網絡裡作控制用。
因此，脈衝重複頻率發生器16驅動發射脈衝發生器18以提供100ps的步進給阻性負載的、後背是腔的、單極的天線10。斜坡延遲通路包括一個指數電壓斜坡電路34，它提供一個實時區間掃描電路，例如，其掃描區間是0-10ns。一個等效時間指數斜坡電路34用作參考，於是，形成區間掃描的兩個軌跡都是指數律的，故對應時間來說是十分線性的。指數電壓斜坡電路是極其簡單、穩定、低價格、提供納秒級速度的掃描電路。在本例中區間在40HZ上被掃描，40HZ同步脈衝被提供來觸發一個監示器或者是信號處理器41用的數字計。延遲電路驅動一個快速電晶體以便提供一個門脈衝給接收取樣器。接收取樣器有一個無變壓器的差分輸入，有高的共模抑制。差分工作用來減小從發射脈衝經過地平面的平板電感而耦合來的地電流。等效時間指數斜坡也驅動一個靈敏度時間控制36，後者維持常數幅度的輸出脈衝而不管目標的區間。STC電路利用FET(場效應電晶體)作衰減器，它根據區間斜坡電壓按比例地由STC中的斜坡仿型電路加以修正。一個獨立的信號衰減器和斜坡仿型衰減器場效應電晶體通過一個伺服環被強制成具有高精度的軌跡。
系統的絕對精度受門延遲中的漂移和實現雷達而用的部件所限制。這種漂移源之一是斜坡發生器。產生掃描延遲的另一個系統可以依靠調諧晶體振蕩器。用於脈衝重複頻率發生器的第一個晶體振蕩器被設定在所需的頻率上，例如，2MHZ。第二個晶體振蕩器可以設定在脈衝重複頻率減去掃描頻率40HZ上，即2MHZ-40HZ。第二上取樣門重複頻率發生器將驅動脈衝成形網絡中的脈衝發生器去選通接收取樣門。同步信號處理器的40HZ振蕩器會被發射脈衝重複頻率發生器的上升沿和接收脈衝發生器重合觸發。由於晶體振蕩器的穩定性，接收和發射時間信號的漂移能夠被正確地控制。
脈衝重複頻率發生器的抖動器提供了相同範圍內具有類似系統的噪聲免除。因此，許多系統能夠在不同的空間位置按需放置以便提供映象能力和為窄波束應用形成的合成波束。
圖2描述天線和不同的取樣器的物理配置。發射天線和接收天線包容在相鄰的兩個腔內，即T腔60和R腔61。因此，包括電容19和負載電阻20的單極天線10裝在11/2英寸高的發射腔60內。發射脈衝產生器的晶體這18也裝在腔內。一個驅動饋送孔64在發射腔60內形成，通過此孔進行電子通信。
接收腔61也包含有一個選通饋送孔65，通過此孔電子耦合到接收機中的一對取樣器66。電阻27和28裝在接收腔內。由單極11上負載電阻52和負載電容51組成的天線也跨接在11/2英寸高的接收腔61上。
發射腔和接收腔裝在屏蔽盒70上，除了發射腔和接收腔中的部件，所有其他的電路都裝在屏蔽的下面。
阻性負載單極天線10和11的交流耦合完成各種功能。對發射天線10來說，電容19防止加在脈衝產生電晶體18上的偏壓被旁路到地。接收天線上的電容51防止發射脈衝來的殘餘低頻電流被經過屏蔽層耦合到天線11裡去。
發射腔和接收腔是合金製成，或者是有金屬鍍層的波導腔，它有一個後背板71以防止發射天線產生的後瓣，改善了發射機的方向性。藉此結構，發射脈衝傳播的觀察範圍大約是150°，相對於主瓣低3dB的衰減。後瓣的產生將小得多。
如上所述，當腔是波導腔時最好設計成具有脈衝的中心頻率，注意要工作成無損波導。在上述的具體裝置中，接收腔61和發射腔60的近似尺寸是11/2英寸高、11/2英寸深、13/4寬。本例的基座是31/2英寸深、1/2英寸高、31/2英寸寬。
注意門脈衝發生器是在屏蔽基座70的下面而不在選通腔裡面，發射脈衝產生電晶體裝在發射腔內。
雷達腔的平板電感把發射脈衝耦合到接收機多數是通過地平面進行的。放大器的差分輸入抵消了地平面噪聲的輸出。接收天線的交流耦合也限制了大量低頻噪聲耦合進接收機。發射腔和接收腔提供的屏蔽防止發射脈衝直接耦合進接收機。
由圖2所示的波導腔所實現的波導發射型系統能夠利用喇叭或介質透鏡來加以改進，正如下面要描述的，它提供了接收信號的增益和窄的波束寬度。
圖3表示利用圖2雷達產生的信號。曲線是圖1中線40上的取樣信號。圖上表示了兩條軌跡，第一條軌跡100表示在30cm上回波的結果，第二條軌跡150表示在60cm上回波的結果。信號包括一個起始脈衝101，它對應發射脈衝產生的信號回波。在軌跡100中，脈衝102從約30cm處的物體產生。在軌跡105中，脈衝103從約60cm處的物體產生。正如可以看到的那樣，在脈衝101和脈衝102之間的區間內或脈衝101和脈衝103之間的區間內有十分小的背景噪聲或地物幹擾。測量該被檢的回波，背景噪聲比強有力的反射回波約低30dB。
發射主回波101和信號103之間的區間內，地物幹擾來自各種來源，包括波導腔壁上由發射信號主波產生的瞬時幹擾。降低信號與地物幹擾之比可以利用下述的技術(參照圖8-圖11)來達到。抑制除了天線腔瞬時幹擾以外的現象所引發的地物幹擾能夠達到進一步的改善。此外，當處理方法可採用來使幹擾形式的地物幹擾最小化的時候，可以利用數字背景消減法。還有，測量表明，反射回波信號的抖動是十分低的，是1ps的量級，或者說，是0.01英寸的量級。因此，如上結構的傳感器其分辨力是十分好的。
在軌跡100和150最左邊的起始脈衝是發射「主突波」在比區間少4英寸的地方產生的殘留脈衝。此後，在回波軌跡中看到的小波紋表示了瞬時幹擾和地物幹擾，它們大約比30cm處的回波102和60cm處的回波103低30dB。這些殘留的脈衝說明了信號要比僅提早幾個納秒產生的發射脈衝弱1000多倍。
圖4A表示了按照本發明的雷達所包含的兩個特點。在圖4A中，雷達用符號200來代表。雷達通過介質透鏡發射一個信號，建立一個有方向性的波瓣202，改善了雷達的靈敏度和方向控制。
另外圖4A還表示了利用雷達200的範圍內的基準物203。基準物可以帶有介質透鏡201也可以不帶，視具體應用而定。基準物的目的是提供取樣信號的精確定標。於是，一個取樣信號204被畫在圖4B中。取樣信號包括起始突緣205，它由發射脈衝產生。從基準物203接收一個回波206，然後從雷達200的範圍202內的物體208接收一個回波207。因為相對於雷達200的發射機來說，基準物203的位置是已知的，所以雷達部件中任何的漂移都將被抵消，它們可以在起始脈衝205和物體回波207之間的距離內被反射。這就較好地指明了雷達200到物體208的距離。
圖5還表示了雷達的另外一種結構。具體地說，圖5表示的雷達300有一個天線喇叭301，用於產生雷達的方向波瓣302。正如將要認識到的技術，方向性喇叭301是改善雷達靈敏度、控制雷達方向性的又一途徑。
圖4A的介質透鏡和圖5的方向性喇叭表明了天線和腔結構的多種變形，可以用來控制傳感器工作範圍的特性。當利用介質透鏡使輻射圖樣變窄並獲得天線增益的時候，可優選選用低介質常數的材料，這樣就減小了天線腔的Fa-bry-Perot共振。例如，在塑料容器中用石油作透鏡提供直至十二dB的增益而不會引入瞬時幹擾，其中石油的介質常數εr＝2.5。
圖6表示的一種信號處理技術用於檢測物體離雷達的距離。具體地說，在這個具體裝置中信號處理器包括一個區間計數器600，它由10MHZ時鐘601來驅動。10MHZ時鐘601由門602使能。門602由二進單元603來接通。二進單元是一個觸發器，它由線46上的40HZ掃描發生器同步信號的上升沿來置位。比較器604的輸出使觸發器復位。比較器604將線40的取樣信號與線605的門限電壓相比較。線46上的40HZ信號向復位控制器606發信號，通知606半區間計數器600復位並在線607上加一個復位信號給數據處理器去處理數據。
與線46上的40HZ信號相對應的每次掃描開始，藉區間計數器600使能，系統就工作了。當線40上的取樣信號超過門限時，正如比較器604的輸出所指明的，二進單元被復位，計數器600的時鐘就關掉了。計數器600的值被讀出，該值指示了區間掃描開始與接收足夠幅度回波之間的時間。
區間計數器600的精度由時基部件中的漂移和時鐘601的速度來確定。若時鐘是10MH，區間掃描是40HZ，那麼區間計數器600每次掃描的精度是250,000次。這就提供了較高的、精確的區間數據，信號處理系統利用這些數據指明物體的各種特性。
線46上的40HZ信號可以用類似的門限檢波器來替代，檢波器檢測取樣信號中產生的起始脈衝(例如脈衝101)或者基準脈衝，可以利用已知的電路技術的脈衝206來進行。
圖7A-7G提供的電路圖是用圖2所示天線結構實現的雷達電路。
圖7A表示2MHZ脈衝重複頻率發生器，由反相器700與反相器701串聯組成。反相器700的輸出連到反相器701的輸入。電阻702從反相器700的輸出連到它的輸入。電容703從反相器701的輸出連到反相器700的輸入。反相器704從反相器700輸出連到充電泵-電容705，耦合到節點706。二極體的陽極連到節點706，陰極連到地。二極體708的陽極連到-3V電源節點7-9，陰極連到節點706。電容710從地耦合到-3V電源節點709。
脈衝重複頻率發生器將其輸出接在節點715上。節點715被驅動，經可調電阻716到反相器717。反相器717的輸出加到圖7C所述的脈衝形成電路，最後將驅動脈衝發生器。
還有，節點715通過電阻718連到節點719。節點719通過一可調電容720接到地。節點719是反相器721的輸入，反相器721提供一個線722的信號，驅動圖7D的接收時基信號發生器電路。
節點719通過電阻725從運算放大器726的輸出接收指數斜坡。運算放大器726的輸出連到它的反相輸入，它的正輸入連到節點727。節點727通過聚脂電容(密拉電容)728耦合到地，同時耦合到雙極電晶體729的集電極。電晶體729的集電極通過電阻730耦合到5V電源。電晶體729的發射極連到地。晶體729的基極連到節點731。節點731通過電阻732連到地，通過電阻733和電容734連到節點735。節點735是40HZ掃描振蕩器的輸出，振蕩器是由反相器736與反相器737的串聯實現的。電阻738從反相器736的輸出連到它的輸入。密拉電容739從反相器737的輸出連到反相器736的輸入。反相器736的電源由電阻740饋給，電阻740連到5V電源。電容741從反相容736的電源輸入接到地。
40HZ掃描振蕩器的節點735輸出通過電阻745加到同步輸出746，這是給信號處理器用的。
運算放大器726輸出上的信號是一個指數斜坡，它被驅動後經電阻725供給反相器721的輸入。
反相器721的門限建立一個指數延遲特性，它與運算放大器726的指數斜坡對稱以便提供一個線性的延遲掃描給線722信號。
運算放大器726的輸出上的指數斜坡還通過電阻750連到運算放大器751的反相輸入。運算放大器751有一個電阻752從它的輸出連到它的反相輸入。運算放大器751的正輸入接地、運算放大器751的反相輸入通過電阻753連到可調電阻754去調整STC的增益。運算放大器751的輸出在線755上連到圖7E的STC電路。
圖7B所示的系統中，電源電壓從輸入756上的9V電池供給。電容757從節點756連到地。調節器758在線759上提供一個5V的輸出。電容760從調節器758線759上的輸出連到地。
從圖7A反相器717的輸出來的信號被圖7C的線800接收。它加到反相器801的輸入。反相器801的電源由電阻802從5V電源饋入。電容803從反相器801的電源輸入端連到地。反相器801的輸出連到反相器804的輸入。反相器804的輸出在線805上連到圖7F所示的發射脈衝發生器。
從圖7A來的線722的信號通過電容806連到反相器807的輸入。反相器807的輸入跨接電阻808到地。反相器807的電源輸入由電阻809耦合到5V電源來饋給。電容810從反相器807的電源輸入連到地。反相器807的輸出連到反相器811的輸入。反相器811的輸出在線812上加到圖7G的接收脈衝產生電路。
在圖7E中，從運算放大器751來的線755上的信號通過STC仿型電路被接收，STC的組成是電阻821與二極體822的串聯電路與電阻820並聯。這個電路提供靈敏度時間特性的仿型，該特性由STC電路隨區間的增加提供增量增益來加以補償。STC電路隨區間的增加提供增量增益來加以補償。STC仿型的輸出連到節點823。節點823連到運算放大器824的正輸入端。運算放大器824的反相輸入端連到節點825。節點825經電阻826連到5V電源，並經電容827連到運算放大器824的輸出。電阻899從節點825連到地。運算放大器824的輸出也接到FET電晶體830的柵極上。FET電晶體830的漏極連到節點823。FET電晶體的源極接地。同樣，運算放大器824的輸出連到FET831的柵極。FET831的漏極連到節點832。FET831的源極接地。FET831為STC補償而控制節點832上信號的衰減。
在接收機中差分放大器的輸出在來自圖7G的電路的線840上被接收。它通過電容841加到節點842。節點842通過電阻843連到地並通過電阻844連到節點832。節點832連到運算放大器845的正輸入端。運算放大器845的反相輸入通過電阻846與電容847的串聯連到地。電阻848從運算放大器845的輸出連到它的反相輸入端。運算放大器845的輸出通過電阻849加到一個視頻輸出850。電容851接在視頻輸出850與地之間。視頻輸出850正如上述，提供等效時間取樣信號。
圖7F和圖7G表示了雷達中電路的平衡。在線805上發射時基時鐘通過電容900耦合到節點901。節點901通過電阻902接地，通過電阻903接電晶體904的基極。電晶體904的發射極接地。電晶體904的集電極通過電阻905連到節點906。節點906通過電容907接地並通過電阻908接節點910。節點910通過電容911接地並通過電阻912接5V電源。電晶體904的集電極通過電容920交流耦合到單極天線921，它由電阻922承擔阻性負載。在本具體裝置中，阻性負載的單極天線的11/4英寸長。虛線923表示這些部件裝在發射腔內。
接收時基信號被接收在線812上。通過電容930耦合到節點931。節點931跨接一個電阻932到地並通過電阻933連到高速雙極電晶體934的基極。電晶體934的發射極接地。電晶體934的集電極通過電阻935連到節點936。節點936跨接電阻937到5V電源並跨接電容938到地。電晶體934的集電極也通過電容939提供門脈衝去選通接收腔中的取樣門。接收腔通常用虛線940畫出。
接收腔940中裝了許多部件，包括阻性負載的單極天線、電容945、天線946、電阻947。天線通過電阻949從節點948接到地，並通過電容950從節點948接到取樣二極體951的陽極。二極體951陰極的連接是通過電容939接收從線952來的接收選通脈衝。線952又通過電阻953接地。二極體951的陽極經電阻954連到節點955。節點955跨接電阻956到運算放大器957的正輸入端。運算放大器957的正輸入端還跨接電阻958到地。運算放大器957上的負電源接到-3V電源(從圖7A來)且跨接電容960到地。運算放大器957的輸出連到反相輸入端並通過電容961和電阻962連到運算放大器963的反相輸入。運算放大器963的反相輸入通過電阻964連到它的輸出。運算放大器上的正電源接到5V電源。
運算放大器763的正輸入通過第二個取樣門被驅動，其連接如下。具體說，取樣二極體970的陰極連到線952去接收門脈衝。二極體970的陽極通過電容971連到節點972。節點972通過電阻973連到地。另外，可調電阻974接在節點972和地之間。
二極體970的陽極通過電阻980和電阻982連到運算放大器963的正輸入。電阻980和電阻982之間的節點通過電容983接地。類似地有一個電容984接在節點955和地之間。電阻985從運算放大器963的正輸入連接到地。
在圖7A-7G中，反相器700，701，704，717，721，736和737可以用74HC04來實現。反相器801，804，807和811可以用74AC04來實現。運算放大器726，751，824，845，963和957可以用TLC272來實現。調節器758用精工(Seiko)製造的812-50來實現。電晶體830和831用CD4007，其第14腳為5V，第7腳為地。所有二極體都用IN4148，除非在圖上另有標記。電晶體904和934用NE68533來實現。電晶體729用2N2222來實現。圖中列開的部件值代表了一種實現。它們可以按實際應用的需要調整。
正如上述，電路提供了一個差分取樣結構有十分高的共式抑制。差分接收機電路的另一種實現被描述在美國專利5345471中，公布於1994年4月12日提出申請的，申請號No.08/044745。這份專利為交流接收技術的教學目的作參考。
圖8，9，10和11A-11C表示減小地物幹擾的技術，方法是對發射腔和接收腔內的瞬時幹擾加阻尼。圖8表示在兩腔之間加雙隔牆的結構。因而，發射腔1000和接收腔1001裝在電子腔1002上面。印刷電路板1003在發射腔和接收腔1001與電子腔1002間起緩衝作用。在發射腔內，葉片天線1004耦合進發射脈衝去驅動電晶體1005並且串接電阻Rt(約220Ω)和電容Ct(約2pf)。這種結構使阻性負載單極天線把發射脈衝發射到工作範圍內。發射腔1000用波導結構來構成，高約1.5英寸，寬約1.5英寸。發射腔有後背板1006、側板1007、頂板1008和底板1009。內牆1010包容在腔內。發射腔的這些板在本具體裝置中用黃銅製成。
同樣，接收腔包括一個葉片天線1015裝在阻性耦合的單極結構中，用電阻Rt(約220Ω)和電容Ct(約2pf)串聯接到接收腔1001。取樣電子電路1016安裝在電子腔1002裡面的饋送點上。本例中也用黃銅製成的接收腔有頂板1017、側板1018、底板1019和後背板1020。內牆021包容在腔內。接收腔的尺寸基本上與發射腔的尺寸相同。正如圖8所示，接收腔1001和發射腔1000的組合形成一個雙牆結構-內牆1010和1021空間隔成兩個腔。內牆1010和1021之間的區域1022可以充氣或其他的介質材料，如印刷電路板或類似的東西。這就防止了發射脈衝引起的信號波直接從發射腔耦合進接收腔，基本上減小了瞬時幹擾和信號的地物幹擾。發射腔和接收腔的頂板和底板可以連成一體。
圖9表示了基於發射腔和接收腔中傳導阻尼單元的減小瞬時幹擾的另一種技術。圖9中發射腔和接收腔的結構與圖8中的一樣。兩個腔的單元不在這裡贅述了。圖9中表示的另一個特點是傳導阻尼單元1030，1031，1032和1033。這些阻尼單元的每一個都由傳導單元組成，接在兩腔開口周長的兩個地方。因此，傳導阻尼單元1031接在發射腔的拐角1035處以及發射腔開口周長的一側，基本上靠近中心，例如點1036。傳導阻尼單元包括一個電阻Rd，約100Ω。這些電阻阻尼單元被較好地沿兩腔的側板安放，它們與開口齊高或者稍微伸出到工作範圍區域中。這些窄帶阻尼器消除了發射波引起的長久、高Q的瞬時幹擾。三角形狀不是極需的，不過，最好是依據試驗和誤差(例如導體可能形成一個矩形)。三角部份所處的方向面也不是極需的。傳導體的總長表示成圖中近似的標尺。這好象是沿著導體長度的阻抗變換，它有助於瞬時幹擾的抑制。所以導體的長度要與圖示的接近。導體的長度以及阻撓可依據具體所用發射接收腔的實現和設計來試驗地確定。
圖10表示了減小接收信號中地物幹擾的另一種技術。發射腔和接收腔的結構基本上與圖8的一樣，這時不再複述。圖10所示的特點是窄帶輻射阻尼單元1040和1041。這兩單元包括阻尼阻抗Rn，約100Ω；輻射導體，從發射腔和接收腔內牆1010和1019上在開口的中心處伸出約1英寸。同樣，長度和阻抗可依據發射腔和接收腔的具體設計來試驗地確定。
圖11A還表示減小地物幹擾的又一種技術。根據圖11A所示，三角形端板耦合到發射腔和接收腔1000和1001開口的周長處。發射腔和接收腔的結構同圖8所示的一樣，這裡不重述。三角形板包括板1050，它沿發射腔1000的頂板耦合到腔開口的周長。三角形板1051亦沿腔的頂板耦合到接收腔1001開口的周長。三角形單元1052沿底板耦合到發射腔1000開口的周長，三角形單元1053沿底板耦合到接收腔1001開口的周長。三角形單元1054沿外牆耦合到射腔1000開口的周長。三角形單元1055沿外牆耦合到接收腔1001開口的周長。三角形單元1054和1055所處的平面基本上與開口1057和1058的平面平行。端單元1050，1051，1052和1053稍微折向正被傳感的區域，例如45°角。這就提供了某些天線增益，阻尼了殘留的瞬時幹擾並提供了某些旁負載抑制。這些板的尺寸基本上如圖中所示，等邊三角形單元離開發射腔和接收腔開口平面約1英寸處有一尖峰。
圖11B表示三角形單元1050，1051，1052和1053是怎樣折向正被傳感的區域45°角的。但是三角形單元1055基本上還是在開口平面上的。圖11C表示了三角形單元1055和1054的結構。於是，發射腔1000和接收腔1001被表示成頂視圖。可以看到三角形單元1050和1051偏向正被傳感的區域。三角形單元1055和1054基本上是離發射腔和接收腔的側板成直角伸出的。不過，這可以描述為三角形單元1050，1051，1052和1053拉平，因而可沿著表面平滑地機械拉長而不必繫於三角形端板上。
圖2，8-11A的微波雷達區間搜索器具體裝置有一個並排輻射器結構，通常如圖12所示。每一個這樣的超寬帶雷達區間搜索器有一個發射腔1100和一個接收腔1102並排配置，垂直的內部輻射單元1104，1106在空間隔開且平行(輻射單元包括發射輻射單元1104和接收輻射單元1106)。這兩個輻射單元1104和1106對2GHZ中心頻率的系統來說，可以是導線也可以是約1/4」寬的金屬條，它們的遠端接有電阻，其典型值是RT1＝RT2＝200Ω。
這個並排配置的主要問題是從每個腔來的E場1108在金屬隔牆1110的相近側終結。隔牆1110λ/4，即牆端到中心是λ/8。因此，隔牆1110從接地端區域被隔離λ/8，從而顯示了一個非零阻抗進入E場1108。結果，兩腔1100，1102之間產生了耦合，在基本「主突波」脈衝中產生了後果-遮蔽了從近處物體來的反射即從0-6」來的反射。在圖8-11A的具體裝置中，隔牆1110包括兩塊空間接近的金屬板而不是圖中所示的一塊板以便幫助減小耦合。
這種並排結構的第二個限制是難以組裝金屬腔1100，1102，又要用PCB1112把腔1100，1102與屏蔽電子腔1114隔開。
圖13表示另一種天線結構，其中E場不會在隔牆的相近側終結，倒不如說，它們是遠遠隔開的。此外，輻射器的遠端有端電阻RT1，RT2，它們有最大的間距，有最好的T-R隔離。UWB雷達區間搜索器包括一個發射腔1120和一個接收腔1122，兩腔間有氣隙1121。輻射器單元1124，1126從相近的氣隙1121以相反的方向伸出去。輻射器單元是導線或金屬條，它們向相反的方向延伸但卻是共平面的。從輻射器1124，1126伸出的E場於是就不會在兩腔1120，1122之間的共平面上終結。試驗表明這種結構比關於主突波耦合的並排結構好將近幾十倍。進一步說，喇叭(即腔1120，1122)不必金屬連接，即它們可以隔開一個氣隙1121，能夠利用指狀把柄(fingerstock)在PCB上分開又能保持住。
圖14A和14B提供了發射腔和接收腔1130，1132的正視圖和側視圖，較好地表示了喇叭1130，1132的位置以及它們內部的輻射器1134，1136。正如在並排的具體裝置中，輻射器可以是導線也可以是金屬條，條的寬度由試驗確定，使之有最佳的輻射效應和帶寬。喇叭1130，1132隔開一個氣隙1131，裝在PCB1138上，PCB1138使喇叭1130，1132與電子屏蔽腔1140隔開，電子腔內裝有各種區間搜索器的電子部件1142，它們是裝在PCB1138的背面的。
發射輻射器(即導線)1134從PCB1138上的發射機輸出端T通過端電阻RT1向喇叭1130的末端板延伸。同樣，接收輻射器(即導線)1136從接收機輸入端R通過端電阻RT2向喇叭1132的末端板延伸。發射機輸出T的接收機輸入R位於喇叭1130，1132內部靠近氣隙1131(氣隙1131將喇叭1130，1132隔開)的地方。於是，輻射器1134，1136離兩腔1130，1132之間的交界面而延伸。腔1130向一個物體發射脈衝，腔1132接收從該物體反射回來的回波。
圖14C描述一個比較複雜的輻射結構，一個頂部負荷的輻射器，其中驅動/採取部分連到單極的頂部或高阻抗端，在雷達的中心頻率上單極長度約λ/4。發射腔/喇叭1150包容一個發射輻射器1152，它由兩部分1154，1156形成，這兩部分在彎頭或遊絲圈1158相連。同樣，接收腔/喇叭1160包容一個接收輻射器1162，它由兩部分1164、1166形成，這兩部分在彎頭或遊絲圈1168相連。喇叭1150、1160裝在PCB1170上，PCB背面裝有屏蔽腔1172。於是，輻射器1152，1162從輸出端T，輸入端R伸出，穿過腔，又返回到RT1，RT2處的遠端板上終結。藉此連接，發射天線和接收天線二者在圖14B(與圖12的具體裝置相同)的整個結構中提供約60dB的增益。可以設想到，當兩部分1154，1156之間的中心距相隔λ/4(沿導線的遊絲圈了1158)的時候，兩部分1154，1156的輻射是相加的。
作為一個最後的改進，接收輻射器1162在PCB1170上接收機的R輸入端無終了地向左。這就產生了雙倍的接收電壓，於是改善了靈敏度。遠端電阻RT1，RT2減小或者消除了瞬時幹擾。總起來說，這種結構提供的靈敏度比圖12的整個結構多約18dB。
在圖13中一般表示、在圖14A-C中更確切表示的相反方向的輻射器配置與在圖12中一般表示、在圖2，8-11A中更確切表示的並排結構相比，前者大大減小了兩腔間的主突破波耦合。此外，在圖8-11A中表示的傳導阻尼單元是並排結構中用的，在相反方向的輻射器配置中通常是不需要的。
藉相反方向配置的這一種天線結構，從發射天線到接收天線的主突波耦合被減小了，所以雷達能夠在零區間工作，這樣就允許檢測靠近表面的物體，例如人類的心臟和混凝土中的鋼筋。應用包括心臟監腔、牆厚測量、橋面映象以及雷達高度計。相反方向的天線結構也提供了低價格、組裝簡便，允許高容量的應用例如非接觸式氣罐灌注平面的測量。
因此，本發明提供了一種高精度、低價格、簡便實現的寬帶雷達傳感器，它有一個掃描區間門，它提供了幅度與時間取樣信號的轉換，使雷達能用作雷達區間搜索器。本發明的雷達區間搜索器取代了用於工業的超聲區域傳感器，克服了聲速隨溫度和溼度的變化，桶中的泡沫反射出來造成虛假的平面測量等等，還有工業環境產生的超聲幹擾，超聲不能穿透薄板，或者汙物包裹住傳感器。所有的這些不足均被本發明解決了，且價格低，用途多，精度高。
除了流體平面測量系統之外-以前的技術主要用超聲來實現-本發明直接用於汽車停車場輔助雷達和巡航控制雷達。本發明還有一個應用是隱蔽物體的定位，例如對牆中間的支柱和管道，混凝土中的鋼筋，簡易箱或墊子裡的武器，地下管線，進行搜索並精確定位。雷達搜索應用也在自動遙控範圍內有許多利用。
雖然所描述的具體裝置是建立在發射機的基礎上的，該發射機發出一序列信號脈衝RF，但是，利用一系列幾個周期長的RF能量脈衝也能夠實現類似的系統。脈衝傳輸的具體裝置可能會限應用，因為美國聯邦通信委員會第15部規定了允許寬帶脈衝傳輸的方法。
本發明的另一個應用是教育應用。具體地說，利用這個具有等交香間輸出信號的簡易雷達可以研究時間範疇的電磁學。學生可以實時地監示在所研究的方法下雷達範圍的特性，看到取樣信號中回波脈衝的結果。
因此，本發明提供一個低價格、高精度的雷達，它有高分辨力掃描區間門用於接近區間的應用。應用包括汽車停車場輔助雷達、馬路牙子(道牙)傳感、活動懸掛系統傳感、車內乘員佔位傳感以及其他需要測定物體精確區間的應用。區間搜索器還製造出很好的流體和固體平面傳感器，用於儲油罐、工業混合桶、地下穀倉等。它的幅度掃描指示器也指示了在障礙後面有沒有物體，如牆後的支柱、混凝土中的鋼筋。設備可以用在醫學應用中傳感器官的移動，如心臟在掃描區間內的移動。
本發明優選具體裝置的以上描述是為圖示和描述而介紹的。它不會是包羅萬象、面面俱到的，或者去限制發明僅是所揭示的那些精確形式。顯然，技術熟悉的技術人員將作出許多修正和改變。希望發明的範圍由下面的權利要求和它們的等效替換來確定。
權利要求
1.一種用於檢測一個範圍內物體的特性的裝置，包括一個發射機，發射一序列與發射時基信號相對應的電磁脈衝；一個接收機，對一序列電磁脈衝範圍內從物體反射來的回波進行取樣，可控的時基與接收時基信號相對應，同時產生一個與取樣相對應的取樣信號，取樣信號指示範圍內物體的特性；一個時基電路，將發射時基信號加到發射機，將接收時基信號加到接收機，接收時基信號使接收機對回波進行取樣，於是，序列內脈衝的傳輸與接收機的取樣之間的時間掃過整個延遲區間。
2.一種用於檢測一個範圍內物體特性的掃描區間門雷達，包括一個發射機，包括一個屏蔽發射腔和屏蔽發射腔內的發射天線，發射一序列電磁脈衝從發射天線進入與發射時基信號相對應的範圍內；一個接收機，包括一個屏蔽接收腔和屏蔽接收腔內的接收天線，在一序列電磁脈衝的範圍內對物體來的回波進行取樣，可控的時基與接收時基信號相對應，並產生一個與取樣相對應的取樣信號；一個時基電路，將發射時基信號加到發射機，將接收時基信號加到接收機，接收時基信號使接收機對回波取樣，於是在序列內脈衝的傳輸和接收機的取樣之間的時間掃過整個延遲區間；一個信號處理器，與接收機耦合，指示與取樣信號相對應的物體的特性。
3.一種用於檢測小於20英尺區間內物體特性的掃描區間門雷達，包括一個發射機，包括一個屏蔽發射腔和屏蔽發射腔內的發射天線，發射一序列無線電頻率(RF)脈衝從發射天線進入與發射時基信號相對應的範圍內，發射脈衝重複速率大於1MHZ；一個接收機，包括一個屏蔽接收腔和屏蔽接收腔內的接收天線，第一取樣門與接收天線耦合，第二取樣門也與接收天線耦合，還包括一個差分放大器，其第一輸入與第一取樣門耦合，第二輸入與第二取樣門耦合，對在序列RF脈衝的範圍內從物體來的回波進行取樣，在第一和第二取樣門內可控的時基與接收時基信號相對應，同時產生一個與取樣相對應的取樣信號；一個時基電路，將發射時基信號加到發射機，將接收時基信號加到接收機，接收時基信號使接收機對回波進行取樣，於是發射機的序列脈衝的傳輸與接收機的取樣之間的時間在掃描周期內掃過整個延遲區間，這樣，回波在脈衝重複速率上被取樣且在延遲區間內有不同的延遲，於是取樣信號表示了等效時間內所接收的回波；一個信號處理器與接收機耦合併指示在與取樣信號相對應的區間內物體的特性。
4.一種用於檢測一個範圍內物體的特性的雷達，包括一個發射機，包括一個屏蔽發射腔，有一個發射開口，開口有一個周長並正對工作範圍；屏蔽發射腔內的一個發射天線，發射一序列電磁信號從發射天線進入與發射時基信號相對應的範圍內，序列中每一個信號其時間大約是10ns或更小；一個接收機，包括一個屏蔽接收腔，有一個接收開口，開口有一個周長並正對工作範圍；屏蔽接收腔內的一個接收天線，對一序列電磁信號的範圍內從物體來的回波進行取樣，可控的時基與接收時基信號相對應，同時產生一個與取樣相對應的取樣信號；一個屏蔽基座，支撐屏蔽發射腔和屏蔽接收腔，這樣，發射腔與接收腔隔開且屏蔽了接收和發射機的電子電路；一個時基電路，由屏蔽基座加以屏蔽，它將發射時基信號加到發射機，將接收時基信號加到接收機，這樣，序列內給定的電磁信號的傳輸與所述給定電磁信號的回波的取樣之間的取樣間隔有一個小於約300ns的長度。
5.如權利要求1或2所述的裝置，其中，發射時基信號使發射機在脈衝重速率上發射序列電磁脈衝，且其中，接收時基信號在一個掃描周期內掃過整個延遲區間，這樣，回波在脈衝重複速率上被取樣且在延遲區間有不同的延遲，於是，取樣信號表示了等效時間內所接收的回波。
6.如權利要求1所述的裝置，其中，發射機包括一個裝在發射波導腔內的天線，接收機包括一個裝在接收波導腔內的天線。
7.如權利要求2或6所述的裝置，其中，接收機包括與接收天線耦合的第一取樣門，與接收天線耦合的第二取樣門以及一個差分放大器，放大器的第一輸入耦合到第一取樣門，第二輸入耦合到第二取樣門。
8.如權利要求2所述的雷達，其中，時基電路包括有控制輸入的壓控延遲電路，電壓斜坡發生器耦合到壓控延遲電路的控制輸入端對接收時基信號掃描。
9.如權利要求8所述的雷達，其中，電壓斜坡發生器包括一個模擬指數斜坡發生器，並且壓控延遲電路產生一個延遲，其是控制輸入端上電壓的指數函數。
10.如權利要求2，3，4或6所述的裝置，其中，發射天線包括一個阻性負載單極天線，接收天線包括一個阻性負載單極天線。
11.如權利要求2，3，4或6所述的裝置，其中，發射腔與接收腔並排放置，並且發射天線和接收天線基本上是共平面配置且向相反的方向伸出。
12.如權利要求2，3，4或6所述的裝置，其一步包括與接收機耦合的設備以減小取樣信號中的地物幹擾。
13.如權利要求12所述的裝置，其中，減小地物幹擾的設備包括至少有一個使發射腔與接收腔退耦(去耦)的設備；在接收腔內阻尼瞬時幹擾的設備；從接收腔伸出來的輻射導體；一個與接收腔耦合的端板以及裝在接收腔內的傳導阻尼單元。
14.如權利要求2，3，4或6所述的裝置，其中發射天線包括一個阻性負載單極葉片天線，接收天線包括一個阻性負載單極葉片天線。
15.如權利要求2，3，4或6所述的裝置，其中接收腔和發射腔並排安裝，且進一步包括接收腔和發射腔之間的雙牆結構，其中雙牆結構又包括第一牆和第二牆，兩牆在空間上隔開，第一牆是發射腔的一側牆，第二牆是接收腔的一側牆。
16.如權利要求15所述的裝置，其中發射天線和接收天線在腔牆上阻性地終結，該腔牆遠離第一牆和第二牆。
17.一種在範圍內傳感物體特性的方法，包括將一序列電磁信號從具有可控時基的發射腔發射到範圍內，其中序列電磁信號有10ns或更小的時間，同時，電磁信號之間的發射間隔長度超過100ns；在靠近具有可控時基發射腔的接收腔上，對從範圍內物體反射來的序列電磁信號的序列回波進行取樣，在序列中所取樣的每個回波其取樣時間間隔從序列中相應電磁信號的傳輸時間起算小於100ns；對回波的取樣序列進行處理，指示範圍內物體的特性。
18.如權利要求17的所述方法，包括在整個區間長度的對取樣間隔掃描。
19.如權利要求18所述的方法，其中處理的步驟包括對序列中回波的取樣並進行保持以產生一個取樣信號，表示等效時間內該序列的取樣回波。
20.如權利要求17所述的方法進一步包括將發射天線和接收天線安放在發射腔和接收腔內，於是，電場基本上與兩腔之間的交界面平行。
全文摘要
本發明提供了一個雷達區間搜索器和隱蔽物體定位器,它們以有高分辨力掃描區間門的超寬帶雷達為依據。設備產生一個等效時間幅度掃描(典型的範圍是4英寸至20英尺)和一個模擬區間分辨力(受抖動限制在0.01英寸)。利用一個差分取樣器有效地消除了在接收機中因離發射天線(10)挨得很近而感應的瞬時擾動和其他的象差,所以,背景消減法就不需要了,簡化了電路,改善了性能。利用了減小接收信號中地面反射幹擾的技術,例如,使接收腔(24)與發射腔(22)去耦(退耦),方法是它們之間的空間位置要安排好,在腔內利用傳導或輻射阻尼元件,以及在兩側開口的地方利用端板。天線可以配置成空間上隔開的、平行的、並排結構,也可以配置成共平面反方向結構,這樣就大大減小了主突波的耦合。
文檔編號G01S13/04GK1173226SQ95197349
公開日1998年2月11日 申請日期1995年12月19日 優先權日1994年12月19日
發明者託馬斯·E·邁克伊萬 申請人:加利福尼亞大學