CN101968541B

CN101968541B - 脉冲超宽带测距系统

Info

Publication number: CN101968541B
Application number: CN2010102848229A
Authority: CN
Inventors: 陈俊
Original assignee: STATE-RUN HONGLIN MACHINERY FACTORY
Current assignee: STATE-RUN HONGLIN MACHINERY FACTORY
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: CN101968541A

Abstract

本发明涉及一种脉冲超宽带测距系统，包括控制电路、第一、二信号发生电路、振荡器、功率放大器、天线、低噪声放大器、检波电路、比较电路和脉冲展宽电路，控制器控制第一信号发生电路和振荡器产生超宽带脉冲信号经放大后通过天线发射；超宽带脉冲信号遇到目标后反射信号经低噪声放大器放大后由检波电路检出回波包络信号，回波包络信号通过比较电路后产生回波有效脉冲；控制器延时一定时间后控制第二信号发生电路与回波有效脉冲产生目标有效脉冲；目标有效脉冲经脉冲展宽电路展宽为展宽信号送到控制电路，控制电路根据是否有展宽信号判别在指定距离上是否有目标。本发明简单的解决了超宽带信号的产生、发射和检测问题，有利于小型化设计。

Description

脉冲超宽带测距系统

技术领域

本发明属于无线电测距系统，特别是一种用于无线电测距的脉冲超宽带测距系统。

背景技术

现代高技术对测距系统的要求越来越高，特别是测距系统对抗干扰能力、探测精度和非合作目标测距等方面提出更高要求。传统的脉冲无线电测距系统因为其瞬时带宽窄，其抗干扰能力差，探测精度较低、近距离盲区较大等缺点不能满足现代测距需求，超宽带技术就是在这种需求下产生。

通常认为信号的分数带宽

2 \times \frac{f_{H} - f_{L}}{f_{H} + f_{L}} &GreaterEqual; 25 %

时，就是超宽带信号，其中，f_H和f_L分别为信号频段的最高和最低频率。一般信号很难获得极大的瞬时带宽，如大时宽带宽积的线性调频信号是依靠时宽扩展其频谱，其瞬时频谱仍然是较窄的点频，只有极窄的冲激脉冲才有极大的瞬时带宽。冲激脉冲是指脉冲宽度小于1ns，上升沿在ps级的极窄脉冲。众所周知，时域极窄脉冲对应着频域极宽的频谱；理想的脉冲宽度1ns的冲激脉冲，其频谱从零频一直到1GHz，所以冲激脉冲就是超宽带信号。

脉冲超宽带测距系统就是利用冲激脉冲的超宽带特性进行测距的系统。脉冲超宽带测距系统和脉冲测距雷达原理相同，都是基于测量发射脉冲和回波之间的时间间隔来得到距离信息。但是脉冲超宽带系统发射脉冲宽度极窄的超短脉冲，具有极高的时间分辨率，理论上的测距精度可以达到厘米级。

脉冲超宽带测距系统具有非常高的距离分辨率、超短程探测能力、高峰值功率、强抗干扰能力、强穿透力、和便于目标识别等独特的优点。相对于现有的无线电测距在探测精度和抗干扰等方面都会有显著的改善，特别是其穿透力强，能探测多层介质内部细节，其应用范围更广。

现有脉冲超宽带测距系统一般采用发射机、接收机和发射、接收天线组成。其发射机包含超宽带脉冲信号源和发送天线；接收机包含接收天线、低噪声放大器、采样电路ADC及信号处理电路等。现有脉冲超宽带测距系统发射信号的频率主要功率集中在1GHz以下，由于信号频段较低使发射天线、接收天线的结构复杂、尺寸较大，其接收机带宽较大，需要采用高速的数模转换电路(数模转换速率大于500MHz)，实现成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，发射信号频段较宽，天线小型化和成本低脉冲超宽带测距系统，以克服现有技术的缺陷，实现更具经济性和便携性。

为了实现上述目的，本发明包括控制电路、振荡器、第一信号发生电路、单刀双掷开关、功率放大器、天线、第一与门电路、低噪声放大器、检波电路、比较电路、第二信号发生电路、第二与门电路和脉冲展宽电路；其特点是：

所述控制电路触发第一信号发生电路发出冲激脉冲送到第一与门电路，控制电路同时控制单刀双掷开关接通功率放大器和天线；所述第一与门电路对冲激脉冲和振荡器输出的射频信号进行“与”运算，产生超宽带脉冲，超宽带脉冲经过功率放大器放大后通过天线发射；所述控制电路在触发第一信号发生电路后，延迟Δt₁控制单刀双掷开关切换接通天线与低噪声放大器；天线接收目标反射的脉冲信号，经过低噪声放大器放大后由检波电路检出回波包络信号，比较电路将回波包络信号与设定电压幅度比较后输出回波有效脉冲送到第二与门电路；所述控制电路在触发第一信号发生电路后，延时Δt₂触发第二信号发生电路产生冲激脉冲，该冲激脉冲与所述回波有效脉冲在第二与门电路进行“与”运算产生目标有效脉冲，目标有效脉冲经脉冲展宽电路展宽为展宽信号送到控制电路，控制电路根据是否有展宽信号判别在指定距离上是否有目标；所述Δt₂≥Δt₁且Δt₂＝L/2C，L为测距系统到目标距离，C为光速；Δt₁＝5～10ns。

所述控制电路包括计数器、N个D触发器和一个RS触发器；计数器进位脉冲和时钟信号进行“与”运算产生第一触发脉冲送到第一信号发生电路；所述第一触发脉冲使RS触发器置“1”，RS触发器产生控制信号“1”控制单刀双掷开关接通功率放大器和天线；所述计数器的进位脉冲经过N个D触发器延时后和时钟信号进行“与”运算产生第二触发脉冲，送到第二信号发生电路；所述N＝mod〔Δt2/T〕，T为时钟信号周期，mod〔Δt₂/T〕表示对Δt₂/T取整；所述第二触发脉冲使RS触发器清“0”，RS触发器产生控制信号“0”控制单刀双掷开关切换接通天线与低噪声放大器；展宽信号与启动信号进行“与”运算产生目标判定信号。

所述第一信号发生电路和第二信号发生电路结构完全相同，各自包括3个比较器和1个与门，所述第一触发脉冲或第二触发脉冲连接第一比较器的反相端，在第一比较器中与电源电压幅度的一半比较，第一比较器输出反相脉冲分成两路，一路经过Rx、Cx电路连接第二比较器的正相端，另一路经过R、C电路连接第三比较器的反相端，电源电压幅度的一半输入第二比较器的反相端和第三比较器的正相端；第二比较器的输出和第三比较器的输出在与门进行“与”运算输出冲激脉冲。

所述振荡器产生的连续波射频信号的频率可以通过一个电阻在1GHz～4GHz之间调节。

所述的检波电路包括二极管、电阻和电容；二极管的正极接输入信号，二极管负极接到电容和电阻的一端；电阻和电容的另一端接地；检波后信号由二极管负极输出。

所述脉冲展宽电路包括第四比较器和第五比较器、电阻、电容和二极管；所述比较电路产生的回波有效脉冲连接到第四比较器的正相端，在与设定值比较后输出展宽信号；展宽信号通过电阻R5连接到第五比较器正相端，第五比较器输出通过电阻R6连接到其负相端和电容C1上；第五比较器输出通过二极管V1和电阻R3连接到第四比较器的正相端。

本发明通过检测发射的超宽带脉冲信号与由此脉冲遇到目标后反射信号的时间差计算出目标与系统间距离，实现在指定距离上目标有无的判断。脉冲超宽带测距系统解决了现有一般脉冲式无线电测距系统的探测近距离盲区大，抗干扰能力差和测距精度差等问题，解决了现有超宽带测距系统结构复杂、体积大和高成本的问题。

本发明采用了频率搬移和相关性检测等技术方法，实现了频率提升和信号宽带控制，天线小型化和收发天线公用，使系统小型化，降低了成本。

本发明的原理简单，可以准确探测在指定距离上是否有目标，实现近感探测。其发射信号的频谱很宽，具有很强的抗干扰能力，探测精度高，具有较大实用价值。

附图说明

图1为本发明原理框图。

图2为本发明控制电路原理图。

图3为本发明信号发生电路原理图。

图4为本发明展宽电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明由控制电路、振荡器、第一信号发生电路、单刀双掷开关、功率放大器、天线、第一与门电路、低噪声放大器、检波电路、比较电路、第二信号发生电路、第二与门电路和脉冲展宽电路组成。

控制电路分别连接第一信号发生电路、第二信号发生电路和单刀双掷开关控制端；第一信号发生电路与振荡器分别连接第一与门电路的两输入端；第一与门电路输出连接功率放大器，功率放大器连接单刀双掷开关的常闭点；单刀双掷开关的中心点连接天线，单刀双掷开关常开点连接低噪声放大器输入端，低噪声放大器、检波电路和比较电路依次串联连接；第二信号发生电路和比较电路的输出端分别连接第二与门电路的两输入端；第二与门电路输出端连接脉冲展宽电路，脉冲展宽电路输出端连接控制电路一个输入端。

控制电路在触发第一信号发生电路后，延迟Δt₁控制单刀双掷开关切换接通天线与低噪声放大器；

控制电路在触发第一信号发生电路后，延时Δt₂触发第二信号发生电路产生冲激脉冲；

作为一个实施例，Δt₁＝5～10ns，Δt₂＝L/2C，L为测距系统到目标距离，C为光速。

如图2所示，控制电路包括计数器、3个D触发器和RS触发器；计数器进位脉冲和时钟信号进行“与”运算产生第一触发脉冲送到第一信号发生电路；

第一触发脉冲使RS触发器置“1”，RS触发器产生控制信号“1”控制单刀双掷开关接通功率放大器和天线；

计数器的进位脉冲经过3个D触发器延时后和时钟信号进行“与”运算产生第二触发脉冲，送到第二信号发生电路；

第二触发脉冲使RS触发器清“0”，RS触发器产生控制信号“0”控制单刀双掷开关切换接通天线与低噪声放大器；

展宽信号与启动信号进行“与”运算产生目标判定信号。

控制电路可采用可编程逻辑器件、晶体振荡器、电源和电阻电容等元器件实现，晶体振荡器为可编程逻辑器件提供时钟信号，作为一个实施例，时钟信号周期T为5ns，3个D触发器延时为15ns。

如图3所示，所述第一、第二信号发生电路结构完全相同，各自包括3个比较器和1个与门，所述第一或第二触发脉冲连接第一比较器的反相端，在第一比较器中与电源电压幅度的一半比较，第一比较器输出反相脉冲分成两路，一路经过Rx、C电路连接第二比较器的正相端，另一路经过R、C电路连接第三比较器的反相端，电源电压幅度的一半输入第二比较器的反相端和第三比较器的正相端；第二比较器的输出和第三比较器的输出在与门进行“与”运算输出冲激脉冲。

如图4所示，所述脉冲展宽电路由2个比较器、电阻、电容和二极管组成。所述比较电路产生的回波有效脉冲连接到第四比较器的正相端，在与设定值比较后输出展宽信号；展宽信号通过电阻R5连接到第五比较器正相端，第五比较器输出通过电阻R6连接到其负相端和电容C1上；第五比较器输出通过二极管V1和电阻R3连接到第四比较器的正相端。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种脉冲超宽带测距系统，包括控制电路、振荡器、第一信号发生电路、单刀双掷开关、功率放大器、天线、第一与门电路、低噪声放大器、检波电路、比较电路、第二信号发生电路、第二与门电路和脉冲展宽电路，其特征在于：

2.如权利要求1所述的脉冲超宽带测距系统，其特征在于：所述控制电路包括计数器、N个D触发器和一个RS触发器；计数器进位脉冲和时钟信号进行“与”运算产生第一触发脉冲送到第一信号发生电路；所述第一触发脉冲使RS触发器置“1”，RS触发器产生控制信号“1”控制单刀双掷开关接通功率放大器和天线；所述计数器的进位脉冲经过N个D触发器延时后和时钟信号进行“与”运算产生第二触发脉冲，送到第二信号发生电路；所述N＝mod〔Δt₂/T〕，T为时钟信号周期，mod〔Δt₂/T〕表示对Δt₂/T取整；所述第二触发脉冲使RS触发器清“0”，RS触发器产生控制信号“0”控制单刀双掷开关切换接通天线与低噪声放大器；展宽信号与启动信号进行“与”运算产生目标判定信号。

3.如权利要求2所述的脉冲超宽带测距系统，其特征在于：所述第一信号发生电路和第二信号发生电路结构完全相同，各自包括3个比较器和1个与门，所述第一触发脉冲或第二触发脉冲连接第一比较器的反相端，在第一比较器中与电源电压幅度的一半比较，第一比较器输出反相脉冲分成两路，一路经过Rx、Cx电路连接第二比较器的正相端，另一路经过R、C电路连接第三比较器的反相端，电源电压幅度的一半输入第二比较器的反相端和第三比较器的正相端；第二比较器的输出和第三比较器的输出在与门进行“与”运算输出冲激脉冲。

4.如权利要求1所述的脉冲超宽带测距系统，其特征在于：所述的检波电路包括二极管、电阻和电容；二极管的正极接输入信号，二极管负极接到电容和电阻的一端；电阻和电容的另一端接地；检波后信号由二极管负极输出。

5.如权利要求1所述的脉冲超宽带测距系统，其特征在于：所述脉冲展宽电路包括第四比较器和第五比较器、电阻、电容和二极管；所述比较电路产生的回波有效脉冲连接到第四比较器的正相端，在与设定值比较后输出展宽信号；展宽信号通过电阻R5连接到第五比较器正相端，第五比较器输出通过电阻R6连接到其负相端和电容C1上；第五比较器输出通过二极管V1和电阻R3连接到第四比较器的正相端。

6.如权利要求1所述的脉冲超宽带测距系统，其特征在于：所述振荡器产生的连续波射频信号的频率可以通过一个电阻在1GHz～4GHz之间调节。