CN113138369B - 一种基于扩频调制的微波探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波探测领域，具体涉及一种基于扩频调制的微波探测器，该探测器包括伪随机序列发生器、晶振频率源、调制器、载波频率源、上变频器、环形器、微波收发天线、下变频器、解调器和数字化采集处理器。本发明利用数字调制技术进行测量信号的扩频，对测量信号信噪比的要求显著降低，从而对探测信号的功率要求降低，抗干扰能力提升；直接将随机序列信息加载至中频信号，采用同一个射频波源进行上下变频，经过载波分离还原中频信号完成相位测量，具有免伪码同步、免载波同步、抗环境干扰能力强、多通道多发多收同时测量、算法可靠适用于实时处理等特点。

Description

一种基于扩频调制的微波探测器
技术领域
本发明属于微波探测领域，具体涉及一种基于扩频调制的微波探测器。
背景技术
标准微波收发模块在测量领域具有非常广泛的用途，例如测量速度、距离、厚度、形变、密度等。目前，微波收发探测分为模拟调制和数字调制两类方式。其中常见的是模拟调制，通常采用低频晶振进行调幅，或采用压控振荡器等器件进行调频等方式，模拟调制系统往往容易受到低频干扰，需要采用外差、超外差等方式进行多次变频处理。此外，模拟调制的系统相干性较差，在同一空间进行多通道同频测量，各通道难免互相串扰。另外一类是数字调制方式，目前数字调制技术在测量方面的应用主要采用通讯领域的做法，发射和接收独立处理，测量与被测量方进行通讯互相传递高精度时钟信息，从而计算两者之间的时差完成测量，从而对被测方有一定的要求。
因此需要提供一种基于扩频调制的微波探测器，以解决现有技术存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于扩频调制的微波探测器，实现低发射功率、抗干扰以及同频复用的功能。
实现本发明目的的技术方案：
一种基于扩频调制的微波探测器，该探测器包括伪随机序列发生器、晶振频率源、调制器、载波频率源、上变频器、环形器、微波收发天线、下变频器、解调器和数字化采集处理器；
其中伪随机序列发生器第一输出端与解调器第一输入端连接，伪随机序列发生器第二输出端与调制器的键控输入端连接，调制器输出端与上变频器中频端连接，上变频器射频端与环形器第一端口连接，环形器第二端口与微波收发天线的馈源连接，环形器第三端口与下变频器射频段连接，其中环形器第一、二、三端口为顺行方向，下变频器中频端与解调器输入端连接，解调器输出端与数字化采集处理器第一输入端连接，晶振频率源第一输出端与调制器本振端连接，晶振频率源第二输出端与数字化采集处理器第二端口连接，载波频率源第一输出端与上变频器本振端连接，载波频率源第二输出端与下变频器本振端连接。
所述的伪随机序列发生器产生随机电平。
所述的伪随机序列发生器产生的伪随机序列具有游程平衡性和类白噪声的二值自相关特性。
所述的调制器根据伪随机序列对晶振频率进行键控调制。
所述的调制器的调制方式有调幅、调频、调相和IQ调制。
所述的解调器采用与调制器匹配的方式进行解调。
所述的晶振频率源根据调制器和解调器以及上变频器和下变频器的工作特性而定。
所述的载波频率源根据被测物体的特性和测量方式而定。
所述的上变频器为单边带调制器，其本振的频率根据载波频率而定，其中频的频率根据晶振频率而定，一般具有10dB以上的交调抑制。
所述的下变频器为单边带调制器，其本振的频率根据载波频率而定，其中频的频率根据晶振频率而定，一般具有10dB以上的交调抑制。
所述的环形器实现探测器发射信号与接收信号的隔离，其方向性大于探测信号的衰减。
所述的数字化采集处理器进行模拟数字信号转换。
所述的数字化采集处理器经过离线或在线处理，根据晶振频率源进行选频并计算晶振信号与测量信号的相位差。由相位差得到延时信息，最后根据测量的实际布置，经过换算得到速度、距离、厚度、形变或密度信息。
所述的探测器能够多组协同或者独自测量被测物体。
所述的当多组探测器采用不同的正交伪随机序列进行扩频调制时，不同探测器所发射的探测信号互为白噪声，多套探测器同时同频进行多点位，多角度测量，而不会互相干扰。
所述的根据被测物体的特性选择反射或干涉测量方式。
所述的进行反射测量时微波收发天线垂直朝向被测物体。
所述的进行干涉测量时，采用两组或更多探测器，使所有微波收发天线相对排布在被测物体两侧且极化方向相同；或者拆除单组探测器的环形器，分别将上变频器的射频端和下变频器的射频端连接至微波收发天线的馈源端，并使微波收发天线相对排布在被测物体两侧且极化方向相同。
本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明利用数字调制技术进行测量信号的扩频，对测量信号信噪比的要求显著降低，从而对探测信号的功率要求降低，抗干扰能力提升；
(2)本发明直接将随机序列信息加载到中频信号上，采用同一个射频波源进行上下变频，经过载波分离还原中频信号完成相位测量，具有免伪码同步、免载波同步、抗环境干扰能力强、多通道多发多收同时测量、算法可靠适用于实时处理等特点；
(3)本发明相较于现有数字调制技术，具有免编码器、免载波同步等特点，简化了测量中的信号处理过程。
(4)本发明具有码分多址的特性，可以实现同一时间空间内多个同频探测信号的测量。
附图说明
图1为本发明所提供的一种基于扩频调制的微波探测器示意图；
图2为多组微波扩频调制探测器同时收发测量示意图；
图中：1-探测器；2-被测物体；3-伪随机序列发生器；4-晶振频率源；5-调制器；6-载波频率源；7-上变频器；8-环形器；9-微波收发天线；10-下变频器；11-解调器；12-数字化采集处理器。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。
如图1所示，本发明所提供的一种基于扩频调制的微波探测器，该探测器包括伪随机序列发生器3、调制器5、载波频率源6、上变频器7、微波收发天线9、下变频器10、解调器11和数字化采集处理器12。
其中伪随机序列发生器3第一输出端与解调器11第一输入端连接，伪随机序列发生器3第二输出端与调制器5的键控输入端连接，调制器5输出端与上变频器7中频端连接，上变频器7射频端与环形器8第一端口连接，环形器8第二端口与微波收发天线9的馈源连接，环形器8第三端口与下变频器10射频段连接，其中环形器8第一、二、三端口为顺行方向，下变频器10中频端与解调器11输入端连接，解调器11输出端与数字化采集处理器12第一输入端连接，晶振频率源4第一输出端与调制器5本振端连接，晶振频率源4第二输出端与数字化采集处理器12第二输入端连接，载波频率源6第一输出端与上变频器7本振端连接，载波频率源6第二输出端与下变频器10本振端连接。
根据被测物体2的特性选择反射或干涉测量方式。
进行反射测量时微波收发天线9垂直朝向被测物体2；
如图2所示，进行干涉测量时，可采用两组或更多探测器1，使所有微波收发天线9相对排布在被测物体2两侧且极化方向相同，亦可拆除单组探测器1的环形器8，分别将上变频器7的射频端和下变频器10的射频端连接至微波收发天线9的馈源端，并使微波收发天线9相对排布在被测物体2两侧且极化方向相同。
伪随机序列发生器3产生随机电平，要求序列应具有游程平衡性，在序列中高电平和低电平出现的频率相同，相同长度的游程中高低电平的游程数基本相等；具有类白噪声的双值自相关函数特征，序列滑动任意长度则相关系数降至最低。该特征对测量的实施不具有决定性，仅对测量精度具有影响。
调制器5根据伪随机序列对晶振频率进行键控调制，可行的调制方式有调幅、调频、调相以及IQ调制。
解调器11采用与调制器5匹配的方式进行解调，调制方式对测量的实施不具有决定性。
晶振频率源4根据调制器5和解调器11以及上变频器7和下变频器10的工作特性而定。
载波频率源6根据被测物体2的特性和测量方式而定。
上变频器7和下变频器10为单边带调制器，其本振的频率根据载波频率而定，其中频的频率根据晶振频率而定，通常要求具有10dB以上的交调抑制。
环形器8实现探测器1发射信号与接收信号的隔离，要求其方向性大于探测信号的衰减。该特征对单天线收发的测量方式具有决定性，但不限定于环形器8，具有足够方向性的定向耦合器或功分器可以满足测量要求。
数字化采集处理器12进行模拟数字信号转换，经过离线或在线处理，根据晶振频率源4进行选频并计算晶振信号与测量信号的相位差。由相位差得到延时信息，最后根据测量的实际布置，经过换算得到速度、距离、厚度、形变或密度信息。
多组探测器1能够协同测量，亦可单组探测器1独自进行测量。当多组探测器1采用不同的正交伪随机序列进行扩频调制时，不同探测器1所发射的探测信号互为白噪声，多套探测器1同时同频进行多点位，多角度测量，而不会互相干扰。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (18)

1.一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：该探测器(1)包括伪随机序列发生器(3)、晶振频率源(4)、调制器(5)、载波频率源(6)、上变频器(7)、环形器(8)、微波收发天线(9)、下变频器(10)、解调器(11)和数字化采集处理器(12)；
其中伪随机序列发生器(3)第一输出端与解调器(11)第一输入端连接，伪随机序列发生器(3)第二输出端与调制器(5)的键控输入端连接，调制器(5)输出端与上变频器(7)中频端连接，上变频器(7)射频端与环形器(8)第一端口连接，环形器(8)第二端口与微波收发天线(9)的馈源连接，环形器(8)第三端口与下变频器(10)射频段连接，其中环形器(8)第一、二、三端口为顺行方向，下变频器(10)中频端与解调器(11)输入端连接，解调器(11)输出端与数字化采集处理器(12)第一输入端连接，晶振频率源(4)第一输出端与调制器(5)本振端连接，晶振频率源(4)第二输出端与数字化采集处理器(12)第二输入端连接，载波频率源(6)第一输出端与上变频器(7)本振端连接，载波频率源(6)第二输出端与下变频器(10)本振端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的伪随机序列发生器(3)产生随机电平。
3.根据权利要求2所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的伪随机序列发生器(3)产生的伪随机序列具有游程平衡性和类白噪声的二值自相关特性。
4.根据权利要求3所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的调制器(5)根据伪随机序列对晶振频率进行键控调制。
5.根据权利要求4所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的调制器(5)的调制方式有调幅、调频、调相和IQ调制。
6.根据权利要求5所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的解调器(11)采用与调制器(5)匹配的方式进行解调。
7.根据权利要求6所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的晶振频率源(4)根据调制器(5)和解调器(11)以及上变频器(7)和下变频器(10)的工作特性而定。
8.根据权利要求7所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的载波频率源(6)根据被测物体(2)的特性和测量方式而定。
9.根据权利要求8所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的上变频器(7)为单边带调制器，其本振的频率根据载波频率而定，其中频的频率根据晶振频率而定，具有10dB以上的交调抑制。
10.根据权利要求9所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的下变频器(10)为单边带调制器，其本振的频率根据载波频率而定，其中频的频率根据晶振频率而定，具有10dB以上的交调抑制。
11.根据权利要求10所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的环形器(8)实现探测器(1)发射信号与接收信号的隔离，其方向性大于探测信号的衰减。
12.根据权利要求11所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的数字化采集处理器(12)进行模拟数字信号转换。
13.根据权利要求12所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的数字化采集处理器(12)经过离线或在线处理，根据晶振频率源(4)进行选频并计算晶振信号与测量信号的相位差，由相位差得到延时信息，最后根据测量的实际布置，经过换算得到速度、距离、厚度、形变或密度信息。
14.根据权利要求13所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：所述的探测器(1)能够多组协同或者独自测量被测物体(2)。
15.根据权利要求14所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：当多组探测器(1)采用不同的正交伪随机序列进行扩频调制时，不同探测器(1)所发射的探测信号互相关系数为噪声水平，多套探测器(1)同时同频进行多点位，多角度测量，而不会互相干扰。
16.根据权利要求15所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：根据被测物体(2)的特性选择反射或干涉测量方式。
17.根据权利要求16所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：进行反射测量时微波收发天线(9)垂直朝向被测物体(2)。
18.根据权利要求17所述的一种基于扩频调制的微波探测器，其特征在于：进行干涉测量时，采用两组或更多探测器(1)，使所有微波收发天线(9)相对排布在被测物体(2)两侧且极化方向相同；或者拆除单组探测器(1)的环形器(8)，分别将上变频器(7)的射频端和下变频器(10)的射频端连接至微波收发天线(9)的馈源端，并使微波收发天线(9)相对排布在被测物体(2)两侧且极化方向相同。
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