CN102749618B - 利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法和系统，包括发射模块、正交解调模块和基带处理模块；所述的基带处理模块为差分与叉乘模块，包括第一差分器，第二差分器，第一乘法器，第二乘法器，第三乘法器，第四乘法器，减法器，加法器，除法器、累加器和隔直放大器。在雷达或声纳测量物体运动轨迹过程中，利用所述的差分与叉乘模块，能够正确测量出待测物体的运动轨迹，克服了传统小角近似模块中测量结果受待测物体位置影响的问题；以及反正切模块值域限制带来的不连续问题。本发明适合于在通用计算机，可编程逻辑器件以及数字集成电路上实现。

Description

利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种利用雷达或声纳测量物体运动轨迹，尤其是涉及一种利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法和系统。

背景技术

在雷达和声纳系统中，多普勒效应被广泛应用于测量物体各项运动信息，包括运动速度，位移和运动轨迹。以连续波雷达为例：雷达系统中的发射模块向待测物体发射单频电磁波；当单频电磁波打到待测物体表面时，被其反射，同时待测物体的运动对反射波起到相位调制的作用；雷达系统的正交解调模块在接收到反射波后，对其进行解调操作；基带处理模块对正交解调模块输出的同相信号分量I和正交信号分量Q进行数据处理操作，从中提取出物体运动轨迹信息。

传统的基带处理模块都包含有一定的缺点，如小角近似模块中，存在系统测量结果受待测物体位置变化影响的问题；以及反正切模块具有值域限制，处理结果中会出现不连续点问题。为正确提取出正交解调模块输出中所包含的待测物体运动轨迹信息，需要一种不存在上述问题的基带处理模块。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法和系统。在雷达或声纳测量物体运动轨迹的过程中，本发明用于处理雷达或声纳系统中正交解调模块输出的正交信号分量Q和同相信号分量I，从中提取出待测物体的运动轨迹信息。

本发明采用的技术方案是：

一、利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法：

所述的差分与叉乘模块，其输入信号的正交信号分量Q分为三路，即Q1、Q2、Q3路信号，同相信号分量I分为三路，即I1、I2、I3路信号；Q1路信号与Q1路信号相乘得到Q路乘方信号A；Q2路信号经过差分处理的结果和I1路信号相乘得到第一乘积信号B；I2路信号经过差分处理的结果和Q3路信号相乘得到第二乘积信号C；I3路信号与I3路信号相乘得到I路乘方信号D；第一乘积信号B与第二乘积信号C相减得到差信号E；Q路乘方信号A与I路乘方信号D相加得到和信号F；差信号E除以和信号F得到速度信号G；速度信号G经过累加得到位移信号H；位移信号H经过隔直放大得到物体运动轨迹X。

二、利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的系统：

包括发射模块、正交解调模块和基带处理模块。

所述的基带处理模块为差分与叉乘模块，包括第一差分器，第二差分器，第一乘法器，第二乘法器，第三乘法器，第四乘法器，减法器，加法器，除法器、累加器和隔直放大器。

所述的差分与叉乘模块的正交信号分量输入端Q分为三路，即Q1，Q2，Q3，同相信号分量输入端I分为三路，即I1，I2，I3；第一差分器的输入端接Q2，第一差分器的输出端接第二乘法器的第1输入端；第二差分器的输入端接系统的I2，第二差分器的输出端接第三乘法器的第2输入端；第一乘法器的两路输入端接Q1，第一乘法器的输出端接加法器的第1输入端；第二乘法器的第1输入端接第一差分器的输出端，第二乘法器的第2输入端接I1，第二乘法器的输出端接减法器的第1输入端；第三乘法器的第1输入端接Q3，第三乘法器的第2输入端接第二差分器的输出端，第三乘法器的输出端接减法器的第2输入端；第四乘法器的两路输入端接I3，第四乘法器的输出端接加法器的第2输入端；减法器的第1输入端接第二乘法器的输出端，减法器的第2输入端接第三乘法器的输出端，减法器的输出端接除法器的第1输入端；加法器的第1输入端接第一乘法器的输出端，加法器的第2输入端接第四乘法器的输出端，加法器的输出端接除法器的第2输入端；除法器的第1输入端接减法器的输出端，除法器的第2输入端接加法器的输出端，除法器的输出端接累加器的输入端；累加器的输入端接除法器的输出端，累加器的输出端接隔直放大器的输入端；隔直放大器的输入端接累加器的输出端，隔直放大器的输出端为所述的差分与叉乘模块的输出端。

本发明具有的有益效果是：

在雷达或声纳系统测量物体运动轨迹的过程中，利用本发明提供的方法和系统，能够正确测量到待测物体运动轨迹，并克服传统基带处理模块的缺点（如小角近似模块中，系统测量结果受待测物体位置变化影响的问题；以及反正切模块的值域限制引起的不连续点问题）。

本发明适合于在通用计算机，可编程逻辑器件以及数字集成电路上实现。

附图说明

图1是本发明所涉及的雷达或声纳系统测量物体运动轨迹的原理框图。

图2是所述的差分与叉乘模块原理框图。

图3演示实例中的测量结果。

其中，（a）小角近似模块在最佳解调点的测量结果；（b）小角近似模块在最差解调点的测量结果；（c）反正切模块的测量结果；（d）差分与叉乘模块的测量结果。

具体实施方式

以下结合附图，以连续波雷达测量待测物体运动轨迹为实例，具体阐述本发明的工作原理和实施方式：

如图1所示，本发明所述的利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的系统：包括发射模块、正交解调模块和基带处理模块；其特征为：所述的基带处理模块为差分与叉乘模块。

在连续波雷达测量物体运动轨迹的过程中，发射模块向待测物体发射单频电磁波T(t)，不失一般性，假设该信号满足下式，

其中，f_c代表载波频率；代表发射机的相位噪声。

当单频电磁波打到待测物体表面时，被其反射；同时待测物体的运动轨迹（用x(t)表示）对反射波起到相位调制的作用。

正交解调模块在接收到反射波后，对其进行解调操作，得到正交信号分量Q和同相信号分量I，分别满足

和

其中，θ为雷达系统内部的固定相移，与待测物体的位置有关；λ为载波波长；x(t)代表待测物体运动轨迹；

代表剩余相位噪声，可忽略不计。

基带处理模块对正交解调模块输出的同相信号分量I和正交信号分量Q进行数据处理操作，从中提取出物体运动轨迹信息。传统的基带处理模块主要包括小角近似模块和反正切模块两种。其中，

小角近似模块基于的原理是在α<<1时，sin(α)≈α。然而由于正交信号分量Q或同相信号分量I中都具有θ一项，在其取值不同时，Q和I会出现交替满足sin(α)≈α的现象，即小角近似模块的测量结果受θ（与待测物体位置有关）的影响。

利用反正切模块测量物体运动轨迹时，由于

$x\left(t\right)=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;}}[\arctan \frac{Q\left(t\right)}{I\left(t\right)}-\mathrm{\&theta;}].$

该模块测量出的物体运动轨迹，不受待测物体位置的影响。然而，由于反三角函数具有(-π/2,π/2)的值域限制，该模块的测量结果中可能会包含一些不连续点。

在本发明所述的差分与叉乘模块中，按照以下方法计算物体的运动轨迹

$x\left(t\right)=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;}}[\&Integral;\frac{I\left(t\right)\stackrel{\&CenterDot;}{Q}\left(t\right)-\stackrel{\&CenterDot;}{I}\left(t\right)Q\left(t\right)}{I{\left(t\right)}^2+Q{\left(t\right)}^2}\mathrm{dt}-\mathrm{\&theta;}].$

其中，

和分别表示对正交信号分量Q和同相信号分量I求时间导数操作。在通用计算机，可编程逻辑器件以及数字集成电路中，该运算过程使用差分操作实现。

该模块的测量结果在原理上避免了小角近似模块中的测量结果受物体位置影响的问题，以及反正切模块中值域限制带来的不连续点问题。在通用计算机，可编程逻辑器件或数字集成电路中，所述差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的具体方法如下：其输入信号的正交信号分量Q分为三路，即Q1、Q2、Q3路信号，同相信号分量I分为三路，即I1、I2、I3路信号；Q1路信号与Q1路信号相乘得到Q路乘方信号A；Q2路信号经过差分处理的结果和I1路信号相乘得到第一乘积信号B；I2路信号经过差分处理的结果和Q3路信号相乘得到第二乘积信号C；I3路信号与I3路信号相乘得到I路乘方信号D；第一乘积信号B与第二乘积信号C相减得到差信号E；Q路乘方信号A与I路乘方信号D相加得到和信号F；差信号E除以和信号F得到速度信号G；速度信号G经过累加得到位移信号H；位移信号H经过隔直放大得到物体运动轨迹X。

如图2所示，所述的差分与叉乘模块包括第一差分器，第二差分器，第一乘法器，第二乘法器，第三乘法器，第四乘法器，减法器，加法器，除法器、累加器和隔直放大器。

所述的差分与叉乘模块的正交信号分量输入端Q分为三路，即Q1，Q2，Q3，同相信号分量输入端I分为三路，即I1，I2，I3；第一差分器的输入端接Q2，第一差分器的输出端接第二乘法器的第1输入端；第二差分器的输入端接系统的I2，第二差分器的输出端接第三乘法器的第2输入端；第一乘法器的两路输入端接Q1，第一乘法器的输出端接加法器的第1输入端；第二乘法器的第1输入端接第一差分器的输出端，第二乘法器的第2输入端接I1，第二乘法器的输出端接减法器的第1输入端；第三乘法器的第1输入端接Q3，第三乘法器的第2输入端接第二差分器的输出端，第三乘法器的输出端接减法器的第2输入端；第四乘法器的两路输入端接I3，第四乘法器的输出端接加法器的第2输入端；减法器的第1输入端接第二乘法器的输出端，减法器的第2输入端接第三乘法器的输出端，减法器的输出端接除法器的第1输入端；加法器的第1输入端接第一乘法器的输出端，加法器的第2输入端接第四乘法器的输出端，加法器的输出端接除法器的第2输入端；除法器的第1输入端接减法器的输出端，除法器的第2输入端接加法器的输出端，除法器的输出端接累加器的输入端；累加器的输入端接除法器的输出端，累加器的输出端接隔直放大器的输入端；隔直放大器的输入端接累加器的输出端，隔直放大器的输出端为所述的差分与叉乘模块的输出端。

如图3所示，以下通过一个实例，证明所述方法与系统的有效性。在演示实例中，待测物体做幅度为1毫米，周期为1秒的正弦往返运动。使用图1中所示的连续波雷达系统，分别使用小角近似模块、反正切模块和差分与叉乘模块作为基带处理模块，对待测物体的运动轨迹进行测量。

如图3（a）和（b）所示，在小角近似模块的测量结果中，当待测物体处于不同位置时，其测量结果不同。其中，图3（a）所示的结果更接近待测物体的实际运动轨迹，此时的物体位置为最佳解调点。

如图3（c）所示，反正切模块的测量结果由于值域限制而出现了不连续的现象。

如图3（d）所示，差分与叉乘模块的测量结果真实反映了待测物体的实际运动轨迹，克服了小角近似模块中的测量结果受待测物体位置影响的问题，以及反正切模块中值域限制带来的不连续问题。

以上结果证明了所述方法和系统的有效性。

Claims (2)

1.一种利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法，其测量系统包括发射模块、正交解调模块和基带处理模块；其特征在于：所述的基带处理模块为差分与叉乘模块，其输入信号的正交信号分量Q分为三路，即Q1、Q2、Q3路信号，差分与叉乘模块输入信号的同相信号分量I分为三路，即I1、I2、I3路信号；Q1路信号与Q1路信号相乘得到Q路乘方信号A；Q2路信号经过差分处理的结果和I1路信号相乘得到第一乘积信号B；I2路信号经过差分处理的结果和Q3路信号相乘得到第二乘积信号C；I3路信号与I3路信号相乘得到I路乘方信号D；第一乘积信号B与第二乘积信号C相减得到差信号E；Q路乘方信号A与I路乘方信号D相加得到和信号F；差信号E除以和信号F得到速度信号G；速度信号G经过累加得到位移信号H；位移信号H经过隔直放大得到物体运动轨迹X。

2.一种利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的系统，包括发射模块、正交解调模块和基带处理模块；所述的基带处理模块为差分与叉乘模块，包括第一差分器，第二差分器，第一乘法器，第二乘法器，第三乘法器，第四乘法器，减法器，加法器，除法器、累加器和隔直放大器；其特征在于：所述的差分与叉乘模块的正交信号分量输入端Q分为三路，即Q1，Q2，Q3，同相信号分量输入端I分为三路，即I1，I2，I3；第一差分器的输入端接Q2，第一差分器的输出端接第二乘法器的第1输入端；第二差分器的输入端接系统的I2，第二差分器的输出端接第三乘法器的第2输入端；第一乘法器的两路输入端接Q1，第一乘法器的输出端接加法器的第1输入端；第二乘法器的第1输入端接第一差分器的输出端，第二乘法器的第2输入端接I1，第二乘法器的输出端接减法器的第1输入端；第三乘法器的第1输入端接Q3，第三乘法器的第2输入端接第二差分器的输出端，第三乘法器的输出端接减法器的第2输入端；第四乘法器的两路输入端接I3，第四乘法器的输出端接加法器的第2输入端；减法器的第1输入端接第二乘法器的输出端，减法器的第2输入端接第三乘法器的输出端，减法器的输出端接除法器的第1输入端；加法器的第1输入端接第一乘法器的输出端，加法器的第2输入端接第四乘法器的输出端，加法器的输出端接除法器的第2输入端；除法器的第1输入端接减法器的输出端，除法器的第2输入端接加法器的输出端，除法器的输出端接累加器的输入端；累加器的输入端接除法器的输出端，累加器的输出端接隔直放大器的输入端；隔直放大器的输入端接累加器的输出端，隔直放大器的输出端为所述的差分与叉乘模块的输出端。

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