根据多普勒原理进行空间位置选择性速度测量的装置

摘要

在采用微波多普勒雷达进行速度测量时，信号噪声，开关过冲尖峰以及近距离的反射体将使测量精度变坏。为了克服这些缺点，通过天线发射一个以周期T0重复的参考信号和一个在参考信号后面时间间隔Ts的一个目标信号。在目标信号发射期间已经又接收到的参考信号部分以后应从接收到的目标信号中减去。这样得到的差值信号是几乎全部清除了干扰尖峰、信号噪声以及近距离反射体反射信号的测量信号。

说明书

为了测量陆上交通工具和有轨交通工具的速度，以及为了在报警设备中对运动体进行探测，通常采用造价适中的微波多普勒传感器。这些传感器的灵敏度主要受到微波发生器噪声特性的限制。

此外，采用连续波(CW)工作的多普勒传感器不可能进行空间位置选择性多普勒分析。

在脉冲—多普勒—方法中发射以某重复频率PRT重复的一系例短微波脉冲。在脉冲—多普勒—传感器中距离的选择性是由不同距离反射物体接收到的反射信号的时间分隔决定的。

对脉冲—多普勒—近距离传感器，期望获得较高的空间位置分辨率，为此要求具有窄脉宽以及较大的传输带宽。然而这就降低了平均发射功率从而也降低了接收级的灵敏度。对此可以采用的应变措施是提高发射脉冲功率或采用较高的脉冲重复频率PRF(然而将限制最大的单值距离范围)或进行脉冲积分(但是限制了最大单值可测速度)。由于在脉冲工作状态下的开关的反作用，有必要在已知的脉冲传感器中配装价格昂贵的、具有方向选择性的部件，例如隔离器或将发射和接收天线分开。

图1示出了一个脉冲—多普勒—传感器的框图，此图发表在“高频技术手册”(“Taschenbuch der Hochfrequenztechnik”)第S1章，Springer出版社，第五版，1992年。由高频发生器HFG-即一个微波振荡器—产生的微波信号借助于一个微波开关S以对比度K： $>>K>=>>>A>1>>>A>2>\; >>>A>$>其中：A1为开关状态α期间的幅度

  A2为开关状态β期间的幅度

  α为微波开关MWS导通期间的开关状态

  β为微波开关MWS阻塞期间的开关状态射。发射场强E_s和接收场强E_R叠加而在高频发生器HFG和反射物体之间形成一个驻波。廉价获得多普勒信号的可能性是采用肖特基二极管对驻波进行检波的零差探测。在连续波工作方式下，由于二极管平方律的特性曲线在解调器DM(也可以称为检波器)上的电压U_Det(t)为：u_Det(t)≡(E_S+E_R)²＝E_S²+2E_SE_Rcos((t))≈E_S²+2E_SE_Rcos((t))其中：E_S为发射场强

E_R为接收场强    

2E_SE_RCOS[(t)]为有用信号(多普勒信号)

E_R＜＜E_S

(t)为在发射场强E_S和接收场强E_R之间的相移

由于高频发生器HFG的噪声，与振荡器信号检波成分相对应的项E_S²不是常数。接收灵敏度是项E_s²的波动宽度与多普勒信号幅度之比决定的。与连续渡工作方式不同的是，在脉冲工作方式下(在理想情况下幅度对比度k＞＞1)只有在开关状态α时(这里α表示导通状态)在解调器DM上才有一个多普勒信号并且可以在那里取样，其中，通过在状态α和β之间的重复切换以重复频率PRF重复对多普勒信号进行测量。通过对多普勒信号所有取样值的插补、例如借助一个取样/保持部件AH可以由取样脉冲中形成一个具有空间位置选择性的、时间连续的多普勒信号。这种方法的制造在于，这些取样值将受到切换时产生的过冲以及振荡器噪声的不利影响，并且由于有限的幅度对比度K＜∞而包含着不期望距离范围的信号成分。这些缺点到目前为止采用具有高开关对比度和方向选择性部件的微波开关、例如职离器、环形器或将发射和接收天线分开只能部分地加以克服。这些措施显著地增加了成本和电路的复杂程度。

本发明的任务在于提供一种空间位置选择性速度测量装置，其中，可以显著降低信号噪声、开关过冲尖峰和不期望距离范围或近距离反射体信号形成的干扰从而提高测量精度。

此项任务是通过一个振荡器根据权利要求1的所述特征加以解决的。

在根据权利要求2至7所述的实施方案中表明，提供一种产生开关信号(脉冲序列)的简单结构是可能的。

借助于以下附图对本发明进一步加以阐述。

图1示出一个进行空间位置选择性速度测量装置的结构，见“高频技术手册”，第S1章，Springer出版社，第5版，1992。

图2示出本发明空间位置选择性速度测量装置的原理结构。

图3示出一个与速度测量装置对应的Minkowski图以及相关的典型信号变化。

图4示出了一个产生脉冲序列的替代装置。

图2所示脉冲发生器PG产生以周期T0重复的第一个脉冲，以下称作参考脉冲RP。此参考脉冲信号经两根不同长度的传输线L和LV到达开关部件S的控制输入端SE。参考脉冲信号经延迟部件LV走过较长路径的那一部分与参考脉冲RP经较短传输线L通过的信号部分相比延迟了时间T_s后到达开关部件S的控制输入端SE。这样，在开关部件S的控制输入端SE有一个以周期T0重复的参考脉冲RP和一个同样以周期T0重复的、与参考脉冲RP相比延迟了T_s的脉冲，这里称为目标脉冲ZP。

如果两个脉冲RP或ZP中的一个在开关部件S的控制输入端SE，则在脉宽T_P期间有一个与在此期间由高频发生器HFG所产生的高频信号S1对应的微波信号MS与天线A接通。由天线A发射的微波信号MS是由高频信号S1和参考脉冲RP构成的脉冲调制信号或者是由高频信号S1和目标脉冲ZP构成的脉冲调制信号或者是一个由于开关部件S有限的开关对比度而不能衰变到零的剩余信号。因为开关部件S处于导通状态，接收信号(回波)也同时到达解调器DM，这样，在那里就产生了一个可以取样的多普勒信号S2。脉冲间隔T_s是这样整定的，即在参考脉冲RP期间所发射的高频信号S1由距离S＝C·T_s/2反射回来的回波同时与目标脉冲ZP相遇并且到达解调器DM。在目标脉冲ZP加在开关部件S的控制输入端SE期间，复又发射一个与目标脉冲ZP调制的高频信号S1。在时刻t2出现目标脉冲ZP期间在解调器DM输出端的第二个解调信号S2(t2)包含着所有干扰信号和关于反射体的信息，而在参考脉冲RP出现时刻t0在解调器输出端的第一个解调信号S2(t0)仅含有干扰信号成分。通过两个解调信号S2(t0)和S2(t2)的比较(相减)得到不含干扰成分的信号S3，此信号只含有关于反射体的信息。其中，既消除了发生器噪声也消除了开关回授，近距离反射体以及由于有限的开关对比度k＜∞由不期望距离范围反射所造成的影响。其结果是灵敏度的显著提高并且实现了预期的空间位置选择性的提高。

此测量过程以周期T0重复。其中，T0应选择得足够长以便使目标和参考的测量互不相关的进行，就是说，在每一次新的测量时不再出现上一个测量过程的接收信号。

发射信号的反射在位置-/时间空间中可以用图3所示的MinKowski-图加以表示。横坐标为时间，纵座标为空间位置。纵座标分为三个区域，即近距离区域FN、目标区域FZ和远距离区域FK，其中，近距离区域FN和目标区域FZ对于功能是重要的。在时刻t0，即在参考脉冲RP加在开关部分S控制输入端SE的时刻，开关部件S，也称为微波开关，在出现参考脉冲RP的时间导通，即相当于开关状态α。由高频发生器HFG产生的连续高频信号S1在开关部件S导通期间与参考脉冲RP调制并加到天线A上发射出去。在时刻t2，即在目标脉冲ZP加在开关部件S控制输入端SE的时刻，高频信号S1与目标脉冲ZP调制并且在脉宽T_p期间加到天线A上并发射出去。在脉宽T_p期间在天线A上同时接收到在时刻t0发射的信号和其后反射回来的信号。

包含着在时刻t＝t0和t＝t2在解调器输出端的信号S2的信号成分S2(t0)和S2(t2)在下表中给出：

    信号/时刻   t＝t0   t＝t2    近距离区域的反射    ×    ×    开关过冲尖峰    ×    ×    振荡器噪声    ×    ×    连续波成分(由于k＜∞)    ×    ×    目标反射    ×

两种信号成分之差是不含任何干扰的信号S3。

采用同时求差方法对解调器所提供的信号的取样是通过一个含有求差部件DIF的特殊取样/保持部件AH进行的。

由脉冲序列S2(t0)和S2(t2)构成的解调信号S2经传输线LL1与一个取样开关AS连接并且接到存储器电容CS上，当信号S2(t2)在点AE时。终端短路的传输线LL2其长度是这样选择的，即在信号成分S2(t2)加到点AE的时刻同时在那里也加上逆信号成分S2(t0)，这样，总共将其差信号加到存储器电容CS上。电压的反转是通过在传输线LL2终端用电容CK短路高频而实现的。信号在点AE至存储器电容CS的导通可以通过由脉冲发生器PG导出的控制脉冲SE2触发。

产生脉冲序列的替代装置如图4所示。由脉冲发生器PG产生的正脉冲P导通二极管Di并且分配到两个传输线Lv和L上。到达传输线Lv的脉冲P的一部分在传输线Lv的开路终端以+1反射并且与另一部分相比延迟脉冲间隔T_s后到达开关部件S的控制输入端SE。这样，参考脉冲RP与仅通过传输线L的脉冲P的一部分相对应，而目标脉冲ZP则相当于既通过传输线Lv也通过传输线L的脉冲P的那一部分。

开关部件S可以用幅度调制部件加以取代。脉冲序列不局限于脉冲。所有适合于与高频信号S1调制的信号波形均可以应用。