CN111427034A - 一种低功耗结构简单的时差测距雷达结构 - Google Patents

一种低功耗结构简单的时差测距雷达结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，所述雷达属于雷达结构及雷达测距技术领域。包括数字梯度发生器、数字控制型振荡器、功率放大器、发射及接收天线、低噪声放大器、包络检波器、时间数字转换器。所述时差测距雷达结构可以解决调频连续波雷达的雷达分辨率受带宽严重限制的问题，同时在发射机部分中振荡器受使能信号的控制，在多比特数字信号输入时，只工作于多比特数字信号处于向上梯度的半个周期，功耗有很大的降低；在接收机部分中，解调与测量电路部分采用包络检波器检测回波信号的包络，采用时间数字转换器测量时间差，相较于调频连续波雷达的相干解调与测量频差的方法，结构简单。

Description

一种低功耗结构简单的时差测距雷达结构
技术领域
本发明涉及一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，所述雷达属于雷达结构及雷达测距技术领域。
背景技术
传统的调频连续波雷达向外发射一系列调频连续波，并接收来自目标的回波信号，又称为接收信号，将发射信号与接收信号进行相干混频，得到包含目标距离信息的信号，目标的距离信息转换为频率差，再运用频率差进行测距。传统调频连续波雷达运用频差测距方法，雷达与目标距离的计算公式为：
Figure BDA0002353993490000011
其中，c为光速，Ts为发射信号周期的一半，BW为扫频带宽。由于差频信号f可取的最小值为
Figure BDA0002353993490000012
故频差测距的分辨率为：
Figure BDA0002353993490000013
由式(2)可知，传统频差测距的分辨率受到系统带宽的影响，而对于很多雷达系统，当发射信号为频率很高的射频信号时，带宽难以达到很高的指标，这样带宽就限制了测距分辨率。
为了解决带宽限制测距分辨率的问题，另一种简单且可行的测距方法是通过测量发射信号与接收信号之间的时间差，运用时间差进行测距。运用时差测距的雷达与目标距离的计算公式为：
Figure BDA0002353993490000014
其中，Δt为从雷达发射了发射信号到雷达接收到接收信号所经过的时间差，即电磁波在介质中传播的总时间。采用时差测距的方法，雷达测距的分辨率则由系统能够测量的最小时间差Δtmin决定。在时差测距雷达中，测距分辨率不再与雷达系统带宽有关，而是只取决于系统的时间测量精度。
发明内容
本发明针对现有调频连续波雷达频差测距存在受带宽限制的技术缺陷，提出了一种低功耗低复杂度的时差测距雷达结构，本雷达结构较为简单，且采用了非完整周期工作的振荡器，降低了功耗。
所述时差测距雷达结构包括数字梯度发生器DGG、数字控制型振荡器DCO、功率放大器PA、发射天线、接收天线、低噪声放大器LNA、包络检波器、时间数字转换器TDC；
其中，数字梯度发生器DGG采用数字实现方法，包括计数器与分频器；
其中，数字控制型振荡器DCO采用互补型LC结构；
其中，功率放大器PA采用AB类推挽结构；
其中，低噪声放大器LNA采用电流复用型三级堆叠式低噪声放大器；
其中，包络检波器采用射频包络检波器结构；
其中，时间数字转换器由电容充放电模块、模拟数字转换器ADC组成；
所述时差测距雷达结构中各组成部件的连接关系如下：
数字梯度发生器与数字控制型振荡器相连，数字控制型振荡器与功率放大器相连，功率放大器与发射天线相连，接收天线与低噪声放大器相连，低噪声放大器与包络检波器相连，包络检波器与时间数字转换器相连，数字梯度发生器与时间数字转换器相连。
所述时差测距雷达结构中各组成模块的功能如下：
数字梯度发生器的功能是在一个较低频时钟的控制下，以一定的时间步长进行计数器自加减，产生台阶状的向上梯度与向下梯度交替的多比特数字信号；同时生成向上梯度时为逻辑高电平，向下梯度时为逻辑低电平的数字方波信号作为数字控制型振荡器的使能信号；
数字控制型振荡器的功能在使能信号的控制下，进行频率调制，将数字梯度发生器产生的多比特数字梯度信号调频到射频信号上，产生射频调频脉冲；
功率放大器的功能是对数字控制型振荡器产生的射频调频脉冲进行功率放大；
发射天线的功能是将功率放大器输出的射频脉冲发射至空气中；
接收天线的功能是从空气中接收射频回波信号；
低噪声放大器的功能是放大接收天线接收到的微弱的射频回波信号；
包络检波器的功能是检测低噪声放大器输出信号的包络，当检测到调制信号时，包络检波器输出逻辑高电平，当没有检测到调制信号而只有零电平时，包络检波器输出逻辑低电平；
时间数字转换器的功能是检测数字梯度发生器生成的方波信号与包络检波器的输出信号的时间差，并将此时间差转化为多比特数字输出。
所述时差测距雷达结构中的工作过程即信号流程如下：
步骤1、数字梯度发生器在n Hz时钟的控制下，产生台阶状的向上梯度与向下梯度交替的多比特数字信号，记为DGG_OUT信号，数字信号DGG_OUT为m比特，即在向上梯度与向下梯度中分别可以产生2m个台阶，每一个台阶的时间步长为1/n秒，则该多比特数字信号的周期为2m+1/n秒，此外，数字梯度发生器还生成了周期为2m+1/n秒，占空比为50％的方波，记为EN_DCO信号，EN_DCO信号的相位与DGG_OUT一致，当DGG_OUT为向上梯度时，EN_DCO为逻辑高电平，当DGG_OUT为向下梯度时，EN_DCO为逻辑低电平；
其中，n的取值为100kHz至100MHz；
其中，m的取值为2到12比特；
步骤2、数字梯度发生器产生的多比特数字信号DGG_OUT与方波信号EN_DCO输入到数字控制型振荡器中，数字控制型振荡器在信号EN_DCO的作为使能信号的控制下进行频率调制，输出射频调频脉冲；
其中，当信号EN_DCO为逻辑高电平时，数字信号DGG_OUT为向上梯度，数字控制型振荡器工作，射频调频脉冲为射频调频信号部分，当信号EN_DCO为逻辑低电平时，数字信号DGG_OUT为向下梯度，数字控制型振荡器不工作，射频调频脉冲为零电平部分；受到使能信号的控制，数字控制型振荡器产生了半个周期为射频调频信号，半个周期为零电平的射频调频脉冲；
步骤2.1当EN_DCO为逻辑高电平时，数字信号DGG_OUT为向上梯度，数字控制型振荡器工作，对多比特数字信号DGG_OUT进行调频，输出射频调频信号；
其中，数字控制型振荡器产生的射频调频信号的幅值不变，中心频率为r GHz，带宽为b GHz，即该数字控制型振荡器具有b/2m的扫频分辨率，向上梯度的2m个台阶对应了r-bGHz到r+b GHz的射频调频信号；
其中，r的取值为2GHz至10GHz；
其中，b的取值为0.2GHz至3GHz；
步骤2.2当EN_DCO为逻辑低电平时，数字信号DGG_OUT为向下梯度，数字控制型振荡器不工作，不进行调制，输出为零电平；
步骤3、数字控制型振荡器输出的射频调频脉冲进入功率放大器，功率放大器对该射频脉冲进行功率放大后输出到发射天线；
步骤4、发射天线将射频脉冲发射至空气中，遇到待测距目标后产生回波射频脉冲，接收天线接收该回波射频脉冲；
步骤5、接收天线接收到的回波射频脉冲进入低噪声放大器，低噪声放大器对回波射频脉冲进行放大处理后输出；
步骤6、低噪声放大器输出的信号输入到包络检波器中，包络检波器检测信号的包络，当检测到调频信号时，包络检波器输出逻辑高电平，当没有检测到调频信号而只有零电平时，包络检波器输出逻辑低电平；
步骤7、数字梯度发生器生成的方波信号EN_DCO与包络检波器的输出信号进入时间数字转换器，时间数字转换器测量两个信号上升沿的时间差，并将该时间差转为k比特数字输出；
其中，k的取值为3至20；
有益效果
本发明提出的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，与现有调频连续波雷达相比，具有如下有益效果：
1.所述时差测距雷达结构采用了时差测距的方法，可以解决调频连续波雷达的频差测距方法中雷达分辨率受带宽严重限制的问题，此时雷达分辨率仅受系统中时间数字转换器的精度的影响；
2.所述时差测距雷达结构的发射机部分，数字控制型振荡器受使能信号的控制，在多比特数字信号输入时，只工作于多比特数字信号处于向上梯度的半个周期，功耗有很大的降低；
3.所述时差测距雷达结构的接收机部分，解调与测量电路部分采用包络检波器检测回波信号的包络，采用时间数字转换器测量时间差，相较于传统调频连续波雷达的相干解调与测量频差的方法，结构简单，对射频调频信号的中心频率与带宽要求较低。
附图说明
图1是本发明提出的时差测距雷达结构的结构框图；
图2是本发明提出的时差测距雷达结构中数字梯度发生器的输入输出节点时序波形图；
图3是本发明提出的时差测距雷达结构中数字控制型振荡器的输入输出节点时序波形图；
图4是本发明提出的时差测距雷达结构中包络检波器与时间数字转换器的输入输出节点时序波形图；
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明所述的一种时差测距雷达结构进行详细阐述。
实施例1
所述时差测距雷达结构的系统框图如图1所示，主要包括数字梯度发生器DGG、数字控制型振荡器DCO、功率放大器PA、发射天线、接收天线、低噪声放大器LNA、包络检波器、时间数字转换器TDC；
其中，数字梯度发生器的功能是在一个较低频时钟的控制下，以一定的时间步长进行计数器自加减，产生台阶状的向上梯度与向下梯度交替的多比特数字信号；同时生成向上梯度时为逻辑高电平，向下梯度时为逻辑低电平的数字方波信号作为数字控制型振荡器的使能信号；
其中，数字控制型振荡器的功能在使能信号的控制下，进行频率调制，将数字梯度发生器产生的多比特数字梯度信号调频到射频信号上，产生射频调频脉冲；
其中，功率放大器的功能是对数字控制型振荡器产生的射频调频脉冲进行功率放大；
其中，发射天线的功能是将功率放大器输出的射频脉冲发射至空气中；
其中，接收天线的功能是从空气中接收射频回波信号；
其中，低噪声放大器的功能是放大接收天线接收到的微弱的射频回波信号；
其中，包络检波器的功能是检测低噪声放大器输出信号的包络，当检测到调制信号时，包络检波器输出逻辑高电平，当没有检测到调制信号而只有零电平时，包络检波器输出逻辑低电平；
其中，时间数字转换器的功能是检测数字梯度发生器生成的方波信号与包络检波器的输出信号的时间差，并将此时间差转化为多比特数字输出。
图2是本发明提出的时差测距雷达结构中数字梯度发生器的输入输出节点时序波形图。数字梯度发生器在51.2MHz时钟的控制下，产生8比特数字信号DGG_OUT，该8比特信号在时钟的控制下，产生向上梯度与向下梯度交替的信号，即从“00000000”递增至“11111111”再递减至“00000000”，以此类推。由于DGG_OUT为8位，故可以产生256个台阶，每一个台阶的时间步长为1/51.2M秒，该数字信号的周期为10微秒，即该数字信号的频率为100kHz。同时，数字梯度发生器还产生了频率为100kHz，占空比为50％的方波，记为EN_DCO。EN_DCO的相位与DGG_OUT一致，当DGG_OUT为向上梯度时，EN_DCO为逻辑高电平，当DGG_OUT为向下梯度时，EN_DCO为逻辑低电平。
图3是本发明提出的时差测距雷达结构中数字控制型振荡器的输入输出节点时序波形图。数字梯度发生器产生的8比特数字信号DGG_OUT与方波信号EN_DCO输入到数字控制型振荡器中，数字控制型振荡器在信号EN_DCO的控制下进行频率调制，输出射频调频脉冲，射频调频脉冲由射频调频信号与零电平两部分组成。当EN_DCO为逻辑高电平时，数字控制型振荡器根据多比特数字信号DGG_OUT进行调频，产生射频调频信号，该射频调频信号的中心频率为4GHz，带宽为512MHz，即数字控制型振荡器具有2MHz的扫频分辨率。8比特数字信号DGG_OUT为向上梯度，从“00000000”递增至“11111111”，数字控制型振荡器产生的调频信号的频率对应以2MHz的扫频分辨率从3.744GHz递增到4.256GHz。当EN_DCO为逻辑低电平时，8比特数字信号DGG_OUT为向下梯度，从“11111111”递减至“00000000”，但此时数字控制型振荡器不工作，输出为零电平。受到使能信号的控制，数字控制型振荡器产生了半个周期为射频调频信号，半个周期为零电平的射频调频脉冲。
数字控制型振荡器输出的射频调频脉冲进入功率放大器PA，功率放大器对该射频脉冲进行功率放大后输出到发射天线。发射天线将射频脉冲发射至空气中，遇到待测距目标后产生回波射频脉冲，接收天线接收该回波射频脉冲。电磁波在空气中传播出去，碰到待测距目标会产生回波，则发射波与回波存在与距离成正比的时间延迟。
图4是本发明提出的时差测距雷达结构中包络检波器与时间数字转换器的输入输出节点时序波形图。接收天线接收到的回波脉冲进入低噪声放大器LNA，低噪声放大器对回波脉冲进行放大处理后输出。低噪声放大器输出的信号输入到包络检波器中，包络检波器检测信号的包络，当检测到调频信号时，包络检波器输出逻辑高电平，当没有检测到调频信号而只有零电平时，包络检波器输出逻辑低电平。数字梯度发生器生成的方波信号EN_DCO与包络检波器的输出信号进入时间数字转换器，时间数字转换器测量两个信号上升沿的时间差，并将该时间差转为14比特数字输出，则该数字输出即代表了待测距目标与雷达系统之间的距离。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：包括数字梯度发生器DGG、数字控制型振荡器DCO、功率放大器PA、发射天线、接收天线、低噪声放大器LNA、包络检波器、时间数字转换器TDC；
所述时差测距雷达结构中各组成部件的连接关系如下：
数字梯度发生器与数字控制型振荡器相连，数字控制型振荡器与功率放大器相连，功率放大器与发射天线相连，接收天线与低噪声放大器相连，低噪声放大器与包络检波器相连，包络检波器与时间数字转换器相连，数字梯度发生器与时间数字转换器相连。
所述时差测距雷达结构中的工作过程即信号流程如下：
步骤1、数字梯度发生器在n Hz时钟的控制下，产生台阶状的向上梯度与向下梯度交替的多比特数字信号，记为DGG_OUT信号，数字信号DGG_OUT为m比特，即在向上梯度与向下梯度中分别可以产生2m个台阶，每一个台阶的时间步长为1/n秒，则该多比特数字信号的周期为2m+1/n秒，此外，数字梯度发生器还生成了周期为2m+1/n秒，占空比为50％的方波，记为EN_DCO信号，EN_DCO信号的相位与DGG_OUT一致，当DGG_OUT为向上梯度时，EN_DCO为逻辑高电平，当DGG_OUT为向下梯度时，EN_DCO为逻辑低电平；
步骤2、数字梯度发生器产生的多比特数字信号DGG_OUT与方波信号EN_DCO输入到数字控制型振荡器中，数字控制型振荡器在信号EN_DCO的作为使能信号的控制下进行频率调制，输出射频调频脉冲；
其中，当信号EN_DCO为逻辑高电平时，数字信号DGG_OUT为向上梯度，数字控制型振荡器工作，射频调频脉冲为射频调频信号部分，当信号EN_DCO为逻辑低电平时，数字信号DGG_OUT为向下梯度，数字控制型振荡器不工作，射频调频脉冲为零电平部分；受到使能信号的控制，数字控制型振荡器产生了半个周期为射频调频信号，半个周期为零电平的射频调频脉冲；
步骤2.1当EN_DCO为逻辑高电平时，数字信号DGG_OUT为向上梯度，数字控制型振荡器工作，对多比特数字信号DGG_OUT进行调频，输出射频调频信号；
其中，数字控制型振荡器产生的射频调频信号的幅值不变，中心频率为r GHz，带宽为bGHz，即该数字控制型振荡器具有b/2m的扫频分辨率，向上梯度的2m个台阶对应了r-bGHz到r+bGHz的射频调频信号；
步骤2.2当EN_DCO为逻辑低电平时，数字信号DGG_OUT为向下梯度，数字控制型振荡器不工作，不进行调制，输出为零电平；
步骤3、数字控制型振荡器输出的射频调频脉冲进入功率放大器，功率放大器对该射频脉冲进行功率放大后输出到发射天线；
步骤4、发射天线将射频脉冲发射至空气中，遇到待测距目标后产生回波射频脉冲，接收天线接收该回波射频脉冲；
步骤5、接收天线接收到的回波射频脉冲进入低噪声放大器，低噪声放大器对回波射频脉冲进行放大处理后输出；
步骤6、低噪声放大器输出的信号输入到包络检波器中，包络检波器检测信号的包络，当检测到调频信号时，包络检波器输出逻辑高电平，当没有检测到调频信号而只有零电平时，包络检波器输出逻辑低电平；
步骤7、数字梯度发生器生成的方波信号EN_DCO与包络检波器的输出信号进入时间数字转换器，时间数字转换器测量两个信号上升沿的时间差，并将该时间差转为k比特数字输出。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：数字梯度发生器DGG采用数字实现方法，包括计数器与分频器。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：数字控制型振荡器DCO采用互补型LC结构。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：功率放大器PA采用AB类推挽结构。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：低噪声放大器LNA采用电流复用型三级堆叠式低噪声放大器。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：包络检波器采用射频包络检波器结构。
7.根据权利要求1所述的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：时间数字转换器由电容充放电模块、模拟数字转换器ADC组成。
8.根据权利要求1所述的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：步骤1中，n的取值是100kHz至100MHz。
9.根据权利要求1所述的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：步骤1与步骤2.1中，m的取值是2到12比特。
10.根据权利要求1所述的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：步骤2.1中，r的取值是2GHz至10GHz，b的取值是0.2GHz至3GHz。
11.根据权利要求1所述的一种低功耗、结构简单的时差测距雷达结构，其特征在于：步骤7中，k的取值是3至20。
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