CN102508235A - 一种采用积分法实现时间-电压转换的雷达测距系统 - Google Patents

Abstract

一种采用积分法实现时间-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、时序变换电路、积分运算电路、A/D转换和信号处理部分组成，其中时序变换电路、积分运算电路和A/D转换为时间-电压转换电路；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，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：该测距系统装置简单、方便实施、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，因此该方法还可用于一些需要精确测量时间的场合。

Description

一种采用积分法实现时间-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，特别是一种采用积分法实现时间-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。测量时延也可以通过相位估计法间接实现，时间分辨力可达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，提供一种采用积分法实现时间-电压转换的雷达测距系统，该测距系统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：

一种采用积分法实现时间-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-电压转换电路包括时序变换电路、积分运算电路和A/D转换，其中积分运算电路由积分电路、跟随电路和运算电路构成，积分电路中设有实现时间-电压转换的充电电容、电阻和集成运放，脉冲信号发生器、发射机、接收机、时序变换电路、积分运算电路、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。

所述积分电路中的集成运放采用宽带放大器。

所述信号处理部分为PC机并将时间信息转换为距离信息。

一种所述采用积分法实现时间-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)测量积分电路中充电电容两端的电压U_c，通过计算公式

计算得待测目标的回波时延

计算公式中：C₁为充电电容，R₁为电阻，t_s为电容充电的起始时刻，t_e为电容充电的终止时刻，u_i为输入信号幅值；

5)根据测距公式L＝ct/2，即可得出待测目标与发射机之间的距离L，式中：c为无线电波传播速度3×10⁸m/s，t为回波时延。

本发明的技术原理：

本发明通过积分法时间-电压转换电路将时间的测量转换为电压的测量，解决了近距离测量时，纳秒级或皮秒级时间难以分辨的问题，因此要实现精确的时间测量，其关键之一就是实现电压的准确测量。脉冲信号发生器产生的脉冲经发射机发射，接收机接收由待测目标表面反射回来的脉冲，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；采用超短冲击脉冲信号，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；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；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为积分法实现时间-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为积分运算电路图。

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：

一种采用积分法实现时间-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，所述时间-电压转换电路包括时序变换电路、积分运算电路和A/D转换，其中时序变换电路，如图2所示，由两个或非门组成的SR触发器构成，积分运算电路由积分电路、跟随电路和运算电路构成，如图3所示，积分电路中设有实现时间-电压转换的充电电容、电阻和集成运放，其中积分电路中的集成运放采用宽带放大器，信号处理部分为PC机并将时间信息转换为距离信息，脉冲信号发生器、发射机、接收机、时序变换电路、积分运算电路、A/D转换和信号处理部分通过导线连接。

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。

积分运算电路为实现时间-电压转换电路的核心部分，由积分电路、跟随电路和运算电路构成，如图3所示，积分电路是时间-电压转换的主要部分，包括宽带放大器、充电电容和电阻。在实施过程中，积分电路中电容、电阻以及集成运放的合适选取很重要。由于近距离测量时，需要测量的时间数量级为皮秒级，因此积分运算电路中的集成运放采用宽带放大器；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；电阻选择精密电阻。跟随电路是为了稳定电压，运算电路是为了得到输入电压和电容两端电压的关系。本实施例中采用四路信号对电压进行测量，如图3所示，四路信号采用相同型号的集成运放，电阻及电容的参数选取不同，见后面的表2，每一路对应不同的时间延时。

该实施例中，主要元器件型号及生产厂家为：脉冲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；宽带放大器采用深圳市新亚洲电子市场日昇电子商行提供的MAX4101ESA；A/D采用深圳市华迅光捷科技有限公司提供的ADS6445；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。

一种所述采用积分法实现时间-电压转换的雷达测距系统的测距方法，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，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，具体步骤如下：

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，如图4中s1所示，该实施例中设脉冲宽度为15ns，脉冲周期为490ns，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490ns，经步骤1)和2)后，即形成了脉宽为回波时延的脉冲信号；

3)该实施例中，积分运算电路中各器件参数设为：R₁＝100Ω，R₂＝100Ω，R₃＝100k，C₁＝1nF，R₄＝R₅＝R₆＝R₇＝1k，u_i＝1V，集成运放为双电源供电±5V，通过Multisim软件仿真，仿真时间设为一个周期490ns，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1V；100-490ns期间，脉冲信号为低电平，电容两端电压保持1V不变；

4)测量电容两端的电压：通过公式

由于C₁，R₁，u_i已知，U_c可以测得，即可计算出目标的回波时延即

由于R₁，C₁不变，则对其中一路信号进行分析，电容两端电压U_c与回波时延t＝t_e-t_s的关系见表1：

5)根据测距公式L＝ct/2，c为无线电波传播速度3×10⁸m/s，即可得出待测目标的距离L。回波时延t与距离L的关系见表1：

表1电容电压及回波时延与距离的关系

设R₄＝R₅＝R₆＝R₇＝1k，U_i＝1V不变的条件下，改变R₁或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：U_i为输入信号电压，R₁为电阻，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为每路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，最大单程测量距离为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50m时，只有第二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，皮秒级时间难于分辨的问题。

本发明采用积分法时间-电压转换系统电路，电压的测量精度直接影响着时间的测量精度，因此A/D转换的精度是影响测量精度的主要因素。

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，电容充电的最短时间为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为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

按同样的分析方法，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。

以上分析中可以看出，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到达毫米量级，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)

1.一种采用积分法实现时间-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-电压转换电路包括时序变换电路、积分运算电路和A/D转换，其中积分运算电路由积分电路、跟随电路和运算电路构成，积分电路中设有实现时间-电压转换的充电电容、电阻和集成运放，脉冲信号发生器、发射机、接收机、时序变换电路、积分运算电路、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所述采用积分法实现时间-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所述采用积分法实现时间-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所述采用积分法实现时间-电压转换的雷达测距系统，其特征在于：所述积分电路中的集成运放采用宽带放大器。

5.根据权利要求1所述采用积分法实现时间-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所述采用积分法实现时间-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)测量积分电路中充电电容两端的电压U_c，通过计算公式计算得待测目标的回波时延

计算公式中：C₁为充电电容，R₁为电阻，t_s为电容充电的起始时刻，t_e为电容充电的终止时刻，u_i为输入信号幅值；

5)根据测距公式L＝ct/2，即可得出待测目标与发射机之间的距离L，式中：c为无线电波传播速度3×10⁸m/s，t为回波时延。

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