CN102508233A - 一种采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统 - Google Patents

Abstract

一种采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，由脉冲信号发生器、发射机、接收机、时间-电压转换电路和信号处理部分组成，所述时间-电压转换电路包括电流源、时序变换电路、开关电路、充电电容和A/D转换；该系统的测距方法是：由脉冲信号发生器产生的微波信号经发射机发射，接收机接收由待测目标表面反射回来的脉冲信号，A/D转换将时间信号转化为数字量输出，通过信号处理部分的PC机将时间信息转换为距离信息。本发明的优点：系统装置简单、成本低；利用时间-电压转换电路将时间的测量转换为电压的测量，解决了超短时间难于分辨的问题，因此该方法可用于一些需要精确测量时间的场合。

Description

一种采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统

技术领域

本发明涉及脉冲波雷达无线测距的电子技术应用领域，特别是一种采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统。

背景技术

微波有较好的反射特性和良好的定向辐射特性，因而广泛地应用在雷达测距系统中。通过测量回波时延来测量目标距离是雷达测距的一种基本方法，但近距离测量时，回波时延可到皮秒或纳秒量级，传统的时间测量仪很难做到这样高的时间分辨率。目前的微波计数器，频率已达50GHz，精度可达到皮秒量级的时间测量，但价格昂贵，几万到几十万一台。还可采用FPGA技术实现精密时间的测量，时间测量精度为55ps，但无疑这都增加了项目的成本。测量时延也可以通过相位估计法间接实现，时间分辨率可达10ps，但需要高精度的相位计，而微波波段要实现相位的精确测量，对相位计的要求很高，工程实现会比较困难。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，该测距方法可以解决现有测距方法中近距离测量时超短时间难于分辨、测量精度以及系统成本问题。

本发明的技术方案：

一种采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，由脉冲信号发生器、发射机、接收机、时间-电压转换电路和信号处理部分组成，所述时间-电压转换电路包括电流源、时序变换电路、开关电路、充电电容和A/D转换，脉冲信号发生器、发射机、接收机、电流源、时序变换电路、开关电路、充电电容、A/D转换和信号处理部分通过导线连接。

所述脉冲信号发生器产生脉宽为纳秒级的微波信号。

所述时序变换电路由两个或非门组成的SR触发器构成。

所述开关电路由MOS管实现，当信号为高电平时，MOS管相当于开关闭合，当信号为低电平时，MOS管相当于开关断开。

所述信号处理部分为PC机并将时间信息转换为距离信息。

一种所述采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，步骤如下：

1)由脉冲信号发生器产生脉宽为纳秒级的微波信号经发射机发射，微波信号的脉冲周期要大于最大测量距离2倍所对应的时延，发射信号遇到目标后被反射，回波信号被接收机接收；

2)通过时序变换电路将发射信号和接收信号转换成脉冲宽度等于目标回波时延的单脉冲周期信号；

3)通过Multisim软件模拟，得到回波时延与电容两端电压的瞬态关系曲线；

4)测量电容两端的电压U_c，根据公式

式中C为电容，i为电流，即可计算出目标的回波时延即

5)根据测距公式L＝ct/2，其中c为无线电波的传播速度3×10⁸m/s，即可得出待测目标与发射机之间的距离L。

本发明的技术原理：

脉冲信号发生器产生的脉冲经发射机发射出去，接收机接收由待测目标表面反射回来的脉冲；电流源用作为电容充电；时序变换电路由两个或非门构成的SR触发器组成，完成将发射信号和接收信号转换成脉宽为回波时延的脉冲信号，此脉冲信号作为开关电路的控制信号；A/D转换将电容电压转化为数字量输出，信号处理部分的PC机将时间信息转换为距离信息。

本发明的优点和有益效果：

该测距方法装置简单、方便实施、系统成本低；采用超窄冲击脉冲信号，无需载波，大大降低了发射机和接收机的复杂性，从而降低了整个测距系统的成本；通过电流源法实现时间-电压转换，将时间的测量转换为电压的测量，解决了超短时间难于分辨的问题；采用14位A/D转换，时间分辨率为6.1ps，可以测量的最小距离单元为1.83mm。A/D转换的位数越多，时间分辨率和测距精度就越高，采用16位A/D转换时，时间分辨率为1.5ps，可以测量的最小距离单元为0.45mm，因此该方法可以用于一些需要精确测量时间的场合。

附图说明

图1为电流源法实现时间-电压转换雷达系统结构示意框图。

图2为时序变换电路图。

图3为电流源法实现时间-电压转换电路图。

图4为脉宽为回波时延的脉冲信号形成示意图。

图5为回波时延与电容两端电压的瞬态关系曲线。

具体实施方式

实施例：

一种采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，如图1所示，由脉冲信号发生器、发射机、接收机、时间-电压转换电路和信号处理部分组成，脉冲信号发生器产生的脉宽为纳秒级的微波信号经发射机发射，接收机接收由待测目标表面反射回来的脉冲信号；所述时间-电压转换电路，如图2和3所示，包括电流源、时序变换电路、开关电路、充电电容和A/D转换，其中电流源用于为电容充电；时序变换电路，如图2所示，由两个或非门组成的SR触发器构成，将发射信号和接收信号转换成脉宽为回波时延的脉冲信号，此脉冲信号作为开关电路的控制信号；开关电路由MOS管实现，当信号为高电平时，MOS管相当于开关闭合，当信号为低电平时，MOS管相当于开关断开；A/D转换将输出信号转化为数字量输出；信号处理部分主要由PC机构成，完成时间信息与距离信息之间的转换，脉冲信号发生器、发射机、接收机、电流源、时序变换电路、开关电路、充电电容、A/D转换和信号处理部分通过导线连接。

时间-电压转换电路为该系统的核心部分，为了得到良好的回波时延和电容两端电压的瞬态关系曲线，在具体实施时，电路中增加了稳压管D1和MOS管漏电泄放电阻R₁，如图3所示，稳压管起给电流提供回路作用，电阻R₁给MOS管提供漏电流泄放回路。发射信号和接收信号经时序变换电路后形成宽度为回波时延的脉冲信号，此脉冲信号作为开关电路的控制信号。

时序变换电路中，设触发器的初始状态为Q＝0，S1为S端输入信号，S2为R端输入信号，根据SR触发器的工作原理：SR＝0的条件下，若S＝0，R＝0，则Q维持原态；若S＝1，R＝0，则Q＝1；若S＝0，R＝1，则Q＝0；则发射信号和接收到的回波信号经时序变换电路后，即可得到脉冲为回波时延的单脉冲周期信号。

本方案中开关电路由MOS管实现，图3中Q3，当脉冲信号为高电平时，MOS管相当于开关闭合，电流源为电容充电，当脉冲信号为低电平时，MOS管相当于开关断开，具体实施电路如图3所示。根据

就可以得到电容两端的电压，然后通过A/D转换可以将电压值转化为数字量输出。本发明采用四路电路进行时间的测量，如图3所示，每一路信号对应不同的时延。

在实施过程中，为了实现电压的准确测量，在电流源法实现时间-电压转换电路中要合理选取电容和电阻，见后面的表2。为了减小测距误差，充电电容采用性能稳定的聚苯乙烯电容；电流源电路中电阻选择精密电阻；MOS管漏电泄放电阻为兆欧数量级。当信号为高电平时，MOS管相当于开关闭合，当信号为低电平时，MOS管相当于开关断开。

案例实施中，主要元器件型号及生产厂家为：信号发生器采用深圳汉润电子有限公司提供的Agilent E4437B RF；发射机采用南京翠登科技有限公司提供的ZFP-402E，接收机采用西安安特玛微波技术有限公司提供的Agilent 8530A；或非门采用深圳市鑫科源电子有限公司提供的74HC02D；A/D采用深圳市华迅光捷科技有限公司提供的ADS6445；稳压管采用北京科隆兴电子科技发展中心提供的1SMA4742A，MOS管采用深圳市航腾科技有限公司提供的FDS6690A；晶体管采用深圳市原力达电子有限公司提供的2N3905；为了减小测距误差，采用深圳市硅晶电子科技有限公司提供的精密电阻和聚苯乙烯电容。

该采用时间-电压转换的雷达测距系统的测距方法，步骤如下：

1)由脉冲信号发生器发射脉宽为纳秒级的脉冲信号，经发射机发射出去，如图4中s1所示，本案例中设脉冲宽度为20ns，脉冲周期为510ns，接收机接收到的回波信号如图4中s2所示，时延设为100ns；

2)通过时序变换电路将发射信号和接收信号转换成脉冲宽度等于目标回波时延的单脉冲周期信号，如图4中out所示；图中脉冲宽度为100ns，周期为510ns；

3)在时间-电压转换电路中，各器件参数设为：R_e0＝5.65k，R_e1＝282.5Ω，R＝5.65k，C₁＝1000pF，晶体管Q1和Q2基极和射极的静态电位差U_be1＝U_be2＝-0.7V，电源电压12V，通过Multisim软件仿真，仿真时间设为一个周期510ns，得到回波时延与电容两端电压的瞬态关系曲线，如图5所示，图中0-100ns期间，脉冲信号为高电平，电容处于充电状态，在100ns处充电电压为最大值2V；100-510ns期间，脉冲信号为低电平，电容两端电压保持2V不变；

4)测量电容两端的电压：根据通过公式

i可由图5中R_e0，R_e1，R，Q1，Q2组成的电流源电路计算出来为20mA，C即步骤3)中的C₁为1000pF，U_c可以测得，由A/D转换得到，由于i，C₁不变，则对其中一路信号进行分析，因此可得出目标的回波时延

U_c与t的关系如表1所示：

5)根据测距公式L＝ct/2，即可得出目标的距离L。t与L的关系如表1所示：

表1电容电压及回波时延与距离的关系

设R_e0＝5.65k，R_e1＝282.5Ω，R＝5.65k，C₁＝1000p不变，则电路中的电流i＝20mA保持不变，改变C₁的值，对各路信号的最小可以分辨的距离单元和有效测量范围进行分析。则各参数的对应关系如表2所示：

表2各参数的对应关系

表2中：i为电流源电路的输出电流值，C₁为电容，T_c为输入信号高电平持续时间，T_r为时间分辨率，S_r为可以分辨的最小距离单元，S_max为可以测量的最大距离。

由表2中可以看出，最小时间分辨率为6.1ps，最小可以分辨的距离单元为1.83mm，最大测量距离为15km。并且在一定的测量范围内，总有一路信号可以显示最佳的电压值，它由有效测量范围决定。例测量距离为200m时，只有第三路信号电压值可以精确显示测量值，其他路信号因分辨率不够高或者超量程，而不能显示准确读数。因此解决了近距离测量时，皮秒级时间难以分辨的问题。

以14位A/D转换为例进行精度分析，并且对可以分辨的最小距离单元和有效测量范围进行分析。

1)绝对精度分析

设数字电压表的量程为U，采用14位A/D转换，则电压分辨率为

设时间分辨率为T_r，电容积分的最小时间为100ns，可以分辨的最小距离单元为S_r，则有

$\frac{U}{100\×{10}^{-9}}=\frac{U/16384}{T_r}---\left(1\right)$

可以计算出T_r＝6.1ps，S_r＝cT_r＝1.83mm；所以雷达可以分辨的最小时间单元为6.1ps，可以测量的最小距离单元为1.83mm。

2)相对精度分析

设T_mini四路信号的最小可测时间量程，T_ri为四路信号的时间分辨率，其中i＝1，2，3，4，测距精度P为

按上述方法分析，采用16位A/D转换时，时间分辨率为1.5ps，可以测量的最小距离单元为0.45mm。

以上分析过程可以看出，时间测量精度已经达到了皮秒量级，可以分辨的最小距离单元达到毫米量级，相对测量精度达到了0.625‰，因此可以用于一些需要精确测量时间的场合。

Claims (6)

1.一种采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，其特征在于：由脉冲信号发生器、发射机、接收机、时间-电压转换电路和信号处理部分组成，所述时间-电压转换电路包括电流源、时序变换电路、开关电路、充电电容和A/D转换，脉冲信号发生器、发射机、接收机、电流源、时序变换电路、开关电路、充电电容、A/D转换和信号处理部分通过导线连接。

2.根据权利要求1所述采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，其特征在于：所述脉冲信号发生器产生脉宽为纳秒级的微波信号。

3.根据权利要求1所述采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，其特征在于：所述时序变换电路由两个或非门组成的SR触发器构成。

4.根据权利要求1所述采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，其特征在于：所述开关电路由MOS管实现，当信号为高电平时，MOS管相当于开关闭合，当信号为低电平时，MOS管相当于开关断开。

5.根据权利要求1所述采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，其特征在于：所述信号处理部分为PC机并将时间信息转换为距离信息。

6.一种如权利要求1所述采用电流源法实现时间-电压转换的雷达测距系统，其特征在于步骤如下：

1）由脉冲信号发生器产生脉宽为纳秒级的微波信号经发射机发射，微波信号的脉冲周期要大于最大测量距离2倍所对应的时延，发射信号遇到目标后被反射，回波信号被接收机接收；

2）通过时序变换电路将发射信号和接收信号转换成脉冲宽度等于目标回波时延的单脉冲周期信号； 

3）通过Multisim软件模拟，得到回波时延与电容两端电压的瞬态关系曲线；

4）测量电容两端的电压                                                

，根据公式

，式中C为电容，i为电流，即可计算出目标的回波时延即

；

5）根据测距公式

，其中

为无线电波的传播速度

，即可得出待测目标与发射机之间的距离L。

Images