CN101598791A - 一种超宽带窄脉冲测速方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带窄脉冲测速方法及装置，该方法通过测量脉冲信号的宽度来获得被测运动目标的速度，其中，脉冲信号是超宽带的窄脉冲信号被被测运动目标反射的回波信号经过采样积分后得到的。用于该方法的装置包括：脉冲触发信号发生器，超宽带窄脉冲发生器，发射天线，延时器，采样脉冲发生器，采样积分接收器，接收天线，脉宽计算器和速度计算器。本发明利用了超宽带技术的优点，可以方便、低成本的实现对运动目标的测速。

Description

一种超宽带窄脉冲测速方法及装置

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种超宽带窄脉冲测速方法及装置。

背景技术

测速有着广泛的应用，目前主要的测速方法有超声波测速、无线电波测速以及激光测速。其中，超声波测速的精度较差而且容易受到干扰；激光测速的精度较高，但容易受到雨、雪、雾以及烟尘之类的干扰；基于无线电波的测速是目前应用最广泛的测速方法，其中应用最多的是采用多普勒效应进行测速，其存在的主要问题是：(1)测速装置工作在固定的窄带频段内，容易被电子狗探测到；(2)发射的功率大，容易对其他无线设备产生干扰；(3)结构复杂，成本较高。

2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)发布了超宽带(Ultra-wideband，UWB)无线设备的初步规定并重新对UWB做了定义。根据FCC的定义，UWB是指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于20％。FCC批准超宽带技术可以进入民用领域，并且规定了超宽带在三个民用领域应用的频谱规范和等效全向辐射功率。同年，IEEE专门成立了小组802.15.3a来制定基于超宽带技术的无线个人区域网(Wireless PersonalArea Networks，WPAN)的物理层替代标准，超宽带成了当前的研究热点。

发明内容

本发明提供了一种超宽带窄脉冲的测速方法及装置，利用了超宽带技术的优点，可以方便、低成本的实现对运动目标的测速。

一种超宽带窄脉冲的测速方法，通过测量脉冲信号的宽度来获得被测的运动目标的速度，其中，脉冲信号是超宽带的窄脉冲信号被被测的运动目标反射的回波信号经过采样积分后得到的。

具体包括以下步骤：

(1)由第一脉冲触发信号触发产生第一超宽带的窄脉冲信号，并将第一超宽带的窄脉冲信号发射出去，到达被测的运动目标后，反射目标回波信号；其中，第一脉冲触发信号为可产生窄脉冲的脉冲触发信号；

(2)发出与第一脉冲触发信号有固定延时的第二脉冲触发信号，第二脉冲触发信号触发产生第二超宽带的窄脉冲信号；

固定延时的时间由被测的运动目标与测速装置之间的距离决定的。当被测的运动目标和测速装置相距为D时，目标回波信号和第一超宽带的窄脉冲信号之间有个延时de， $\mathrm{de}=\frac{2D}{C}$ (C为光速)，因此把延时器的固定延时设为de。

第二脉冲触发信号也为可产生窄脉冲的脉冲触发信号，第二超宽带的窄脉冲信号的脉冲宽度优选小于第一超宽带的窄脉冲信号的脉冲宽度。

(3)将第二超宽带的窄脉冲信号作为采样信号，对目标回波信号进行采样并积分，产生输出信号；

(4)对步骤(3)中输出信号进行脉冲宽度的测量；

(5)把步骤(4)中脉冲宽度信息转化为被测的运动目标的速度信息。

一种用于如上所述的测速方法中的超宽带窄脉冲的测速装置，包括：

一脉冲触发信号发生器，用于发出第一脉冲触发信号；

一超宽带窄脉冲发生器，用于经第一脉冲触发信号触发后产生第一超宽带的窄脉冲信号；

一发射天线，用于将第一超宽带的窄脉冲信号发射出去；

一延时器，用于延时第一脉冲触发信号，以发出与第一脉冲触发信号有固定延迟的第二脉冲触发信号；

一采样脉冲发生器，用于经第二脉冲触发信号触发后产生第二超宽带的窄脉冲信号；

一接收天线，用于接收和传输第一超宽带的窄脉冲信号经由被测的运动目标反射回来的目标回波信号；

一采样积分接收器，将第二超宽带的窄脉冲信号作为采样信号，对目标回波信号进行采样积分，并产生输出信号；

一脉宽计算器，用于对采样积分接收器的输出信号进行脉冲宽度的测量；

一速度计算器，用于将采样积分接收器的输出信号的脉冲宽度的信息转化为被测的运动目标的速度信息。

其中，脉冲触发信号发生器的输出端和超宽带窄脉冲发生器的输入端及延时器的输入端相连，超宽带窄脉冲发生器的输出端和发射天线相连，延时器的输出端和采样脉冲发生器的输入端相连，采样脉冲发生器的输出端和采样积分接收器的采样输入端相连，采样积分接收器的接收端和接收天线相连，采样积分接收器的输出端和脉宽计算器的输入端相连，脉宽计算器的输出端和速度计算器相连。

其中，超宽带窄脉冲发生器和采样脉冲发生器可以使用雪崩三极管或阶越恢复二极管等实现，此为通用技术，不再详述。采样积分接收器可以采用肖特基二极管实现，此也为通用技术。脉宽计算器和速度计算器可以采用单片机或DSP实现。延时器可以使用电阻延时或门电路延时实现。以上各单一组件均可从现有技术中获得。作为优选，上述的脉宽计算器和速度计算器可以用一块芯片例如单片机实现。

为了使得脉冲传播方向尽量与被测运动目标的运动方向平行以方便速度的测量，发射天线及接收天线一般采用定向天线来实现。

本发明的超宽带窄脉冲的测速方法及装置的原理如下：

当被测的运动目标和测速装置相距为D时，目标回波信号和第一超宽带的窄脉冲信号之间有个延时de， $\mathrm{de}=\frac{2D}{C}$ (C为光速)。如果把延时器的延时设为de，在不考虑电路等其它延时的情况下，由采样积分接收器接收到的第二超宽带的窄脉冲信号和目标回波信号同步。

发射的第一超宽带的窄脉冲信号的宽度为τ，第一超宽带的窄脉冲信号的距离探测精度为d， $d=\frac{C\×\mathrm{\τ}}{2}$ (C为光速)，在被测的运动目标运动到与测速装置的距离范围为D～(D-d)内能够接收第一超宽带的窄脉冲信号，并反射目标回波信号(见附图3说明，T指信号发射，R是信号接收)。即，当被测的运动目标运动到与测速装置距离为D时，由采样积分接收器接收到的第二超宽带的窄脉冲信号开始和目标回波信号重合(同步)，采样积分接收器将第二超宽带的窄脉冲信号作为采样信号，开始对目标回波信号进行采样积分，采样积分接收器开始有信号输出；在经过 $T=\frac{C\×\mathrm{\τ}}{2V}$ (C为光速)的时间后，被测的运动目标运动到与测速装置距离为(D-d)时，目标回波信号开始不与第二超宽带的窄脉冲信号重合(同步)，此时采样积分接收器不能采样到目标回波信号，采样积分接收器开始没有信号输出，因此，采样积分接收器输出的信号(即输出信号)的宽度为T，根据 $T=\frac{C\×\mathrm{\τ}}{2V}$ (C为光速)，可以将脉宽计算转换为速度计算，实现目标运动物体的测速目的。当V越大时，T越小；V越小时，T越大。由于第一超宽带的窄脉冲信号的宽度τ值很小，V值小的情况下，T值更大更容易测量，因此，本发明的测速方法和装置对低速情况下测速有更明显的优势，主要用于汽车等金属运动物体的测速。对于高速情况下测速，可以通过调节第一超宽带的窄脉冲信号的宽度τ到适当高一些的值来实现，由于高的第一超宽带的窄脉冲信号的宽度τ更容易实现，因此本发明测速适用范围十分广泛。

本发明将超宽带应用于运动物体的测速，相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)测速简单，把速度的测量转换为脉冲宽度的测量方便实用，假设被测物体速度为100公里/小时，测速系统发射的脉冲宽度为1纳秒，根据 $T=\frac{C\×\mathrm{\τ}}{2V}$ (C为光速)，则转换后需要测量的脉冲宽度为5.4毫秒，电路上测量毫秒级的脉冲宽度是容易实现的。

(2)抗干扰能力强，测速系统的工作在超宽带的频谱范围内，普通的无线设备很难对其进行有效干扰。

(3)测速装置结构简单，无需载波，成本低。

(4)发射信号带宽大，功率谱密度低，很难被电子狗探测到，不会对其它通信设备造成干扰。

(5)符合FCC对超宽带的定义和约束，可以和其它无线系统共用频率资源而不会对其造成影响。

(6)穿透能力强。超宽带信号穿透能力强。超宽带引信能穿透雨、雪、烟、雾等而探测到目标。

附图说明

图1是本发明超宽带窄脉冲的测速装置的结构示意图。

图2是本发明超宽带窄脉冲的测速装置中关键节点的波形示意图。

图3是本发明超宽带窄脉冲的测速装置的工作原理示意图。

具体实施方式

参考图1，超宽带窄脉冲的测速装置包括：

脉冲触发信号发生器1，用于发出第一脉冲触发信号11；超宽带窄脉冲发生器2，用于经第一脉冲触发信号11触发产生第一超宽带的窄脉冲信号21；发射天线3，用于将第一超宽带的窄脉冲信号21发射出去；延时器4，用于产生与第一脉冲触发信号11有固定延时的第二脉冲触发信号41；采样脉冲发生器5，用于经固定延时的第二脉冲触发信号41触发产生第二超宽带的窄脉冲信号51；接收天线7，用于接收和传输第一超宽带的窄脉冲信号21经由被测的运动目标10反射回来的窄脉冲信号(即目标回波信号61)；采样积分接收器6，将第二超宽带的窄脉冲信号51作为采样信号，对目标回波信号61进行采样积分，并输出采样积分后得到的信号作为输出信号62；脉宽计算器8，用于对输出信号62进行脉冲宽度的测量；和速度计算器9，用于将输出信号62的脉冲宽度的信息转化为被测的运动目标10的速度信息。

脉冲触发信号发生器1输出端和超宽带窄脉冲发生器2输入端相连，脉冲触发信号发生器1产生第一脉冲触发信号11，第一脉冲触发信号11触发超宽带窄脉冲发生器2产生第一超宽带的窄脉冲信号21；超宽带窄脉冲发生器2的输出端和发射天线3相连，通过发射天线3将第一超宽带的窄脉冲信号21发射出去，被测的运动目标10接收到该信号并反射回窄脉冲信号(即目标回波信号61)，目标回波信号61由接收天线7接收和传输。

同时，脉冲触发信号发生器1输出端与延时器4的输入端相连，第一脉冲触发信号11触发延时器4产生一个和第一脉冲触发信号11有固定延时的第二脉冲触发信号41；延时器4的输出端和采样脉冲发生器5的输入端相连，第二脉冲触发信号41触发采样脉冲发生器5产生第二超宽带的窄脉冲信号51。

采样脉冲发生器5的输出端和采样积分接收器6的采样输入端相连，同时，采样积分接收器6的接收端和接收天线7相连，采样积分接收器6将第二超宽带的窄脉冲信号51作为采样信号，对目标回波信号61进行采样积分，并输出采样积分后得到的信号作为输出信号62。

采样积分接收器6的输出端和脉宽计算器8的输入端相连，将采样积分后得到的输出信号62提供给脉宽计算器8使用并计算脉冲宽度。

脉宽计算器8的输出端和速度计算器9相连，将脉冲宽度的信息转化为速度计算，实现目标运动物体的测速目的。

其中，超宽带窄脉冲发生器和采样脉冲发生器可以使用现有技术中的雪崩三极管或阶越恢复二极管等实现；采样积分接收器可以采用现有技术中的肖特基二极管实现；脉宽计算器和速度计算器可以采用单片机或DSP实现；延时器可以使用电阻延时或门电路延时实现。

本发明超宽带窄脉冲测速方法及装置的原理分析如下：

参考图2和3，第一脉冲触发信号11由脉冲触发信号发生器1产生；第一超宽带的窄脉冲信号21由超宽带窄脉冲发生器2产生；与第一脉冲触发信号11有固定延时的第二脉冲触发信号41由延时器4发出；第二超宽带的窄脉冲信号51是由采样脉冲发生器5产生；目标回波信号61由接收天线7接收和传输，为被测的运动目标10接收到第一超宽带的窄脉冲信号21后反射的信号；输出信号62为采样积分接收器6将第二超宽带的窄脉冲信号51作为采样信号对目标回波信号61进行采样积分后得到的信号。采样积分接收器6的输出信号62输入至脉宽计算器8和速度计算器9，用于测量输出信号62的脉冲宽度和被测的运动目标10的速度。

当被测的运动目标10和测速装置相距为D时，目标回波信号61和第一超宽带的窄脉冲信号21之间有个延时de， $\mathrm{de}=\frac{2D}{C}$ (C为光速)。如果把延时器4的延时设为de，在不考虑电路等其它延时的情况下，由采样积分接收器6接收到的第二超宽带的窄脉冲信号51和目标回波信号61同步。

发射的第一超宽带的窄脉冲信号21的宽度为τ，第一超宽带的窄脉冲信号21的距离探测精度为d， $d=\frac{C\×\mathrm{\τ}}{2}$ (C为光速)，在被测的运动目标10运动到与测速装置的距离范围为D～(D-d)内能够接收第一超宽带的窄脉冲信号21，并反射目标回波信号61。即，当被测的运动目标10运动到与测速装置距离为D时，第二超宽带的窄脉冲信号51开始和目标回波信号61重合(同步)，采样积分接收器6将第二超宽带的窄脉冲信号51作为采样信号，开始对目标回波信号61进行采样积分，采样积分接收器6开始有信号输出；在经过 $T=\frac{C\×\mathrm{\τ}}{2V}$ (C为光速)的时间后，当被测的运动目标10运动到与测速装置距离为(D-d)时，目标回波信号61开始不与第二超宽带的窄脉冲信号51重合(同步)，此时采样积分接收器6不能采样到目标回波信号61，采样积分接收器6开始没有信号输出，因此，采样积分接收器6输出的信号(即输出信号62)的宽度为T，根据 $T=\frac{C\×\mathrm{\τ}}{2V}$ (C为光速)，可以将脉宽计算转换为速度计算，从而实现目标运动物体的测速目的。当V越大时，T越小；V越小时，T越大。由于第一超宽带的窄脉冲信号21的宽度τ值很小，V值小的情况下，T值更大更容易测量，因此，本发明的测速方法和装置对低速情况下测速有更明显的优势，主要用于汽车等金属运动物体的测速。对于高速情况下测速，可以通过调节第一超宽带的窄脉冲信号21的宽度τ到适当高一些的值来实现，由于高的第一超宽带的窄脉冲信号21的宽度τ更容易实现，因此本发明的测速方法和装置的适用范围十分广泛。

Claims (5)

1、一种超宽带窄脉冲的测速方法，其特征在于，通过测量脉冲信号的宽度来获得被测的运动目标的速度，其中，脉冲信号是超宽带的窄脉冲信号被被测的运动目标反射的回波信号经过采样积分后得到的。

2、如权利要求1所述的测速方法，包括以下步骤：

(1)由第一脉冲触发信号触发产生第一超宽带的窄脉冲信号，并将第一超宽带的窄脉冲信号发射出去，到达被测的运动目标后，反射目标回波信号；

(2)发出与第一脉冲触发信号有固定延时的第二脉冲触发信号，第二脉冲触发信号触发产生第二超宽带的窄脉冲信号；

(3)将第二超宽带的窄脉冲信号作为采样信号，对目标回波信号进行采样并积分，产生输出信号；

(4)对步骤(3)中输出信号进行脉冲宽度的测量；

(5)把步骤(4)中脉冲宽度信息转化为被测的运动目标的速度信息。

3、如权利要求2所述的测速方法，其特征在于，所述的第二超宽带的窄脉冲信号的脉冲宽度小于第一超宽带的窄脉冲信号的脉冲宽度。

4、一种用于如权利要求1～3任一所述的测速方法中的超宽带窄脉冲的测速装置，包括：

一脉冲触发信号发生器，用于发出第一脉冲触发信号；

一超宽带窄脉冲发生器，用于经第一脉冲触发信号触发后产生第一超宽带的窄脉冲信号；

一发射天线，用于将第一超宽带的窄脉冲信号发射出去；

一延时器，用于延时第一脉冲触发信号，以发出与第一脉冲触发信号有固定延迟的第二脉冲触发信号；

一采样脉冲发生器，用于经第二脉冲触发信号触发后产生第二超宽带的窄脉冲信号；

一接收天线，用于接收和传输第一超宽带的窄脉冲信号经由被测的运动目标反射回来的目标回波信号；

一采样积分接收器，将第二超宽带的窄脉冲信号作为采样信号，对目标回波信号进行采样积分，并产生输出信号；

一脉宽计算器，用于对采样积分接收器的输出信号进行脉冲宽度的测量；

一速度计算器，用于将采样积分接收器的输出信号的脉冲宽度的信息转化为被测的运动目标的速度信息。

5、根据权利要求4所述的超宽带窄脉冲测速装置，其特征在于，所述的脉宽计算器和速度计算器在一块单片机中实现。

Images