CN114389601A - 相位追踪自我注入锁定雷达 - Google Patents

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CN114389601A CN202110227143.6A CN202110227143A CN114389601A CN 114389601 A CN114389601 A CN 114389601A CN 202110227143 A CN202110227143 A CN 202110227143A CN 114389601 A CN114389601 A CN 114389601A
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Abstract

相位追踪自我注入锁定雷达具有自我注入锁定振荡器、相位追踪自我注入锁定回路及锁频回路，该自我注入锁定振荡器产生电振荡信号并接收电注入信号而进入自我注入锁定状态，该相位追踪自我注入锁定回路接收该电振荡信号并输出该电注入信号至该自我注入锁定振荡器，该电注入信号与该电振荡信号之间具有固定的相位差，该锁频回路接收该电振荡信号并输出电控制信号以控制该相位追踪自我注入锁定回路或该自我注入锁定振荡器，以消除该相位追踪自我注入锁定回路对该自我注入锁定振荡器造成的频率偏移，借此，该电振荡信号及该电注入信号之间的相位差维持在0°或180°，使该相位追踪自我注入锁定雷达操作于最佳侦测点。

Description

相位追踪自我注入锁定雷达
技术领域
本发明是关于一种自我注入锁定雷达，特别是关于一种相位追踪自我注入锁定雷达。
背景技术
连续波都普勒雷达已普遍地使用于侦测人体或动物的生理征象信号，近几年来，连续波都普勒雷达中的自我注入锁定雷达对于生理征象的侦测有着极佳的灵敏度而受到重视。但包含自我注入锁定雷达在内的连续波都普勒雷达皆存在着最佳侦测点(Optimaldetection point)及零侦测点(Null detection point)的现象，最佳侦测点及零侦测点每八分之一波长周期性的交替出现，且生命征象信号最强及最弱的强度就分别位于最佳侦测点及零侦测点。因此，当目标移动超过四分之一波长时，由于生命征象信号与其侦测位置相关，导致传统连续波雷达测得的生命征象有着明显的非线性度，这样的非线性度对于传统都普勒雷达侦测移动目标的生命征象造成了很大的困难。
发明内容
本发明的一种相位追踪自我注入锁定雷达使用相位追踪回路让雷达及目标之间的相对相位自动的维持在最佳侦测点的相对相位，因此能够以高灵敏度及高线性度侦测移动中目标的生命征象。
本发明的一种相位追踪自我注入锁定雷达包含自我注入锁定振荡器、相位追踪自我注入锁定回路及锁频回路，该自我注入锁定振荡器用以产生电振荡信号并接收电注入信号而进入自我注入锁定状态，该相位追踪自我注入锁定回路耦接该自我注入锁定振荡器，以由该自我注入锁定振荡器接收该电振荡信号并输出该电注入信号至该自我注入锁定振荡器，该电注入信号与该电振荡信号之间具有固定的相位差，该锁频回路耦接该自我注入锁定振荡器，以由该自我注入锁定振荡器接收该电振荡信号并产生电控制信号至该相位追踪自我注入锁定回路或该自我注入锁定振荡器，以消除该相位追踪自我注入锁定回路对该自我注入锁定振荡器造成的频率偏移，借此，该电振荡信号及该电注入信号之间的相位差维持在0°或180°，使该相位追踪自我注入锁定雷达操作于最佳侦测点。
较佳地，其中该相位追踪自我注入锁定回路具有发射器、接收器、相移器及目标，该发射器电性连接该自我注入锁定振荡器并用以将该自我注入锁定振荡器的该电振荡信号转换为无线信号并发射至该目标，该接收器用以接收该目标反射的反射信号并将其转换为电注入信号，该相移器电性连接于该接收器及该自我注入锁定振荡器之间并用以相位位移该电注入信号，并将该电注入信号注入该自我注入锁定振荡器。
较佳地，其中该发射器及该接收器为电磁波天线、声波传感器或光收发器。
较佳地，该锁频回路具有频率解调器及控制器，该频率解调器电性连接该自我注入锁定振荡器并用以解调该自我注入锁定振荡器的该电振荡信号为电频率偏移信号，该控制器电性连接该频率解调器并用以根据该频率解调器的该电频率偏移信号产生电控制信号，该电控制信号用以控制该相移器对该电注入信号的相移量，使得该电振荡信号及该电注入信号之间的相位差为0°或180°，以消除该相位追踪自我注入锁定回路对该自我注入锁定振荡器造成的频率偏移。
较佳地，其中该控制器的该电控制信号及该频率解调器的该电频率偏移信号之间稳态下的关系式为：
Figure BDA0002956413410000021
其中，Vc为该电控制信号，Kθ为该相移器的相位调整灵敏度，λ为该无线信号的波长，Δx为该目标的相对位移。
较佳地，其中其中该自我注入锁定振荡器具有输出端口及注入端口，该输出端口用以输出该电振荡信号至该相位追踪自我注入锁定回路及该锁频回路，该注入端口用以由该相位追踪自我注入锁定回路的相移器接收该电注入信号。
较佳地，其中该频率解调器具有功率分配器、延迟单元及混波器，该功率分配器电性连接自我注入锁定振荡器的该输出端口并用以将该电振荡信号分为两路，该延迟单元电性连接该功率分配器并用以将该功率分配器其中一路的该电振荡信号延迟为电延迟信号，该混波器电性连接该功率分配器及该延迟单元并用以将该功率分配器另一路的该电振荡信号及该延迟信号进行混波而产生电频率偏移信号。
较佳地，该相位追踪自我注入锁定回路具有发射器、接收器及目标，该发射器电性连接该自我注入锁定振荡器并用以将该自我注入锁定振荡器的该电振荡信号转换为无线信号并发射至该目标，该接收器用以接收该目标反射的反射信号并将其转换为电注入信号，并将该电注入信号注入该自我注入锁定振荡器。
较佳地，其中该发射器及该接收器为电磁波天线、声波传感器或光收发器。
较佳地，该锁频回路具有频率解调器及控制器，该频率解调器电性连接该自我注入锁定振荡器并用以解调该自我注入锁定振荡器的该电振荡信号为电频率偏移信号，该控制器电性连接该频率解调器并用以根据该频率解调器的该电频率偏移信号产生电控制信号并传送至该自我注入锁定振荡器，该电控制信号用以控制该自我注入锁定振荡器以频率偏移该电振荡信号，使得该电振荡信号及该电注入信号之间的相位差为0°或180°，以消除该相位追踪自我注入锁定回路对该自我注入锁定振荡器造成的频率偏移。
较佳地，该控制器的该电控制信号及该频率解调器的该电频率偏移信号之间稳态下的关系式为：
Figure BDA0002956413410000031
其中，Vc为该电控制信号，Kv为该自我注入锁定振荡器的频率调整灵敏度，f0为该自我注入锁定振荡器的初始频率，d為目标至该发射器或该接收器的初始频率，Δx为该目标的相对位移。
较佳地，该自我注入锁定振荡器具有输出端口、注入端口及一频率控制端口，该输出端口用以输出该电振荡信号至该相位追踪自我注入锁定回路及该锁频回路，该注入端口用以由该相位追踪自我注入锁定回路接收该电注入信号，该频率控制端口用以由该控制器接收该电控制信号。
较佳地，其中该频率解调器具有功率分配器、延迟单元及混波器，该功率分配器电性连接自我注入锁定振荡器的该输出端口并用以将该电振荡信号分为两路，该延迟单元电性连接该功率分配器并用以将该功率分配器其中一路的该电振荡信号延迟为电延迟信号，该混波器电性连接该功率分配器及该延迟单元并用以将该功率分配器另一路的该电振荡信号及该延迟信号进行混波而产生电频率偏移信号。
本发明的该相位追踪自我注入锁定雷达与传统自我注入锁定雷达的差异在于具有该相位追踪自我注入锁定回路及该锁频回路而能够一直操作于最佳侦测点，借此，该相位追踪自我注入锁定雷达对生命征象侦测的灵敏度及线性度相较于传统自我注入锁定雷达可以显著地提升，因此，本发明可用于侦测位移超过四分之一波长的目标的生命征象。
附图说明
图1：依据本发明的第一实施例，一种相位追踪自我注入锁定雷达的方框图。
图2：依据本发明的第一实施例，一种相位追踪自我注入锁定雷达的电路图。
图3：依据本发明的该第一实施例，一频率解调器的电路图。
图4：依据本发明的第二实施例，一种相位追踪自我注入锁定雷达的电路图。
图5：使用本发明的该第一实施例的相位追踪自我注入锁定雷达实际测得的移动目标的位移波形图。
图6：图5的量测数据的频谱图。
【主要元件符号说明】
100：相位追踪自我注入锁定雷达 110：自我注入锁定振荡器
111：输出端口 112：注入端口
113：频率控制端口 120：相位追踪自我注入锁定回路
121：发射器 122：接收器
123：相移器 124：目标
130：锁频回路 131：频率解调器
131a：功率分配器 131b：延迟单元
131c：混波器 132：控制器
Sosc：电振荡信号 Sinj：电注入信号
Sw：无线信号 Sr：反射信号
Δf：电频率偏移信号 Vc：电控制信号
Sde：电延迟信号 Δx：相对位移
具体实施方式
请参阅图1，为本发明的相位追踪自我注入锁定雷达100的方框图，该相位追踪自我注入锁定雷达100包含自我注入锁定振荡器110、相位追踪自我注入锁定回路120及锁频回路130，该自我注入锁定振荡器110产生电振荡信号Sosc并接收电注入信号Sinj而进入自我注入锁定状态。该相位追踪自我注入锁定回路120耦接该自我注入锁定振荡器110以由该自我注入锁定振荡器110接收该电振荡信号Sosc并输出该电注入信号Sinj至该自我注入锁定振荡器110，该电注入信号Sinj与该电振荡信号Sosc之间具有固定的相位差。该锁频回路130耦接该自我注入锁定振荡器110以接收该电振荡信号Sosc并进行处理而输出电控制信号Vc，以控制该相位追踪自我注入锁定回路120或该自我注入锁定振荡器110，以消除该相位追踪自我注入锁定回路120对该自我注入锁定振荡器110造成的频率偏移，借此，该电振荡信号Sosc及该电注入信号Sinj之间的相位差维持在0°或180°，使该相位追踪自我注入锁定雷达100操作于最佳侦测点。
请参阅图2，为本发明第一实施例的相位追踪自我注入锁定雷达100的电路图，在本实施例中，该自我注入锁定振荡器110具有输出端口111及注入端口112，该输出端口111用以输出该电振荡信号Sosc至该相位追踪自我注入锁定回路120及该锁频回路130，该注入端口112用以由该相位追踪自我注入锁定回路120接收该电注入信号Sinj，该电注入信号Sinj使该自我注入锁定振荡器110进入自我注入锁定状态。
该相位追踪自我注入锁定回路120具有具有发射器121、接收器122、相移器123及目标124，该发射器121电性连接该自我注入锁定振荡器110，以将该自我注入锁定振荡器110的该电振荡信号Sosc转换为无线信号Sw并发射至该目标124，该接收器122接收该目标124反射的反射信号Sr并转换为电注入信号Sinj。该无线信号Sw及该反射信号Sr为相同能量形式，例如电磁波、声波或光波。
该相移器123电性连接于该接收器122及该自我注入锁定振荡器110之间并用以相位位移该电注入信号Sinj，并将该电注入信号Sinj注入该自我注入锁定振荡器110。使该自我注入锁定振荡器110进入自我注入锁定状态。当该目标124与该发射器121或该接收器122之间发生一相对位移Δx时，该电注入信号Sinj会因为该反射信号Sr受到该相对位移Δx的都普勒效应而含有都普勒相位位移。因此，该相位追踪自我注入锁定回路120让该自我注入锁定振荡器110因为该电振荡信号Sosc及该电注入信号Sinj之间的该相位差而产生频率变化。
该发射器121及该接收器122可为电磁波天线、声波传感器或光收发器，以分别进行电信号与电磁波、声波或光波之间相互转换。该发射器121及该接收器122亦可包含放大器及变频器以进行该电振荡信号Sosc及该电注入信号Sinj的放大及频率转换。此外，该发射器121及该接收器122亦可包含数字模拟转换器及模拟数字转换器，使该电振荡信号Sosc及该电注入信号Sinj可实现为数字信号。
请参阅图2，该锁频回路130具有频率解调器131及控制器132，该频率解调器131电性连接该自我注入锁定振荡器110以解调该自我注入锁定振荡器110的该电振荡信号Sosc为电频率偏移信号Δf。该控制器123电性连接该频率解调器131以根据该电频率偏移信号Δf产生电控制信号Vc至该相移器123，该电控制信号Vc用以控制该相移器123相位位移该电注入信号Sinj，使得该电振荡信号Sosc及该电注入信号Sinj之间的相位差为0°或180°，以消除该相位追踪自我注入锁定回路120对该自我注入锁定振荡器110造成的频率偏移。
请参阅图3，该频率解调器131于本实施例中具有功率分配器131a、延迟单元131b及混波器131c，该功率分配器131a电性连接自我注入锁定振荡器110的该输出端口111并用以将该电振荡信号Sosc分为两路。该延迟单元131b电性连接该功率分配器131a，以延迟该功率分配器131a其中一路的该电振荡信号Sosc为电延迟信号Sde。该混波器131c电性连接该功率分配器131a及该延迟单元131b，以将该功率分配器131a另一路的该电振荡信号Sosc及该延迟信号Sde进行混波而产生电频率偏移信号Δf。
该目标124的相对位移Δx与该电频率偏移信号Δf的关系式为：
Figure BDA0002956413410000071
其中，fLR为该自我注入锁定振荡器110的注入锁定范围(Locking range)，θd为该电振荡信号Sosc及该电注入信号Sinj之间的相位差，θp为该相移器123提供的相位位移，d为该目标124与该发射器121或该接收器122之间的初始距离，λ为该无线信号Sw的波长。上述方程式显示了该电注入信号Sinj及该电振荡信号Sosc之间的该相位差在该自我注入锁定振荡器110的频率偏移被消除后可设置为0°或180°(也就是θd＝2nπ,n为整数)。因此，该电控制信号Vc在稳态时可表示为：
Figure BDA0002956413410000072
其中，Δθ为该相移器123提供的相位位移的变化量，Kθ为该相移器123的相位调整灵敏度。由上式可知该控制器132输出的该电控制信号Vc正比于该目标124的该相对位移Δx，若该目标124为人类或动物，则该相对位移Δx包含了该目标124的生命征象资讯。
该相移器123可设置在该相位追踪自我注入锁定回路120的其他位置上，并对该电振荡信号Sosc或该电注入信号Sinj进行相移，使该电振荡信号Sosc及该电注入信号Sinj之间的相位差固定在0°或180°。
请参阅图4，其为本发明的该相位追踪自我注入锁定雷达100的第二实施例，在本实施例中，该自我注入锁定振荡器110另具有频率控制端口113。该相位追踪自我注入锁定振荡器120同样的包含该发射器121、该接收器122及该目标124，但不包含该相移器123。该发射器121电性连接该自我注入锁定振荡器110，以将该自我注入锁定振荡器110的该电振荡信号Sosc转换为无线信号Sw并发射至该目标124，该接收器122将该目标124反射的反射信号Sr转换为该电注入信号Sinj并注入该自我注入锁定振荡器110。
请参阅图4，该锁频回路130具有频率解调器及控制器，该频率解调器131电性连接该自我注入锁定振荡器110以解调该自我注入锁定振荡器110的该电振荡信号Sosc为电频率偏移信号Δf，该控制器132电性连接该频率解调器131以根据该频率解调器131的该电频率偏移信号Δf产生该电控制信号Vc，并将该电控制信号Vc传送至该自我注入锁定振荡器110的该频率控制端口113。为了使该相位追踪自我注入锁定雷达100操作于最佳侦测点，该电控制信号Vc控制该自我注入锁定振荡器110，以频率偏移该电振荡信号Sosc，使该电振荡信号Sosc及该电注入信号Sinj之间的相位差固定在0°或180°，而消除该电频率偏移信号Δf。借此，稳态下的该电控制信号Vc可表示为：
Figure BDA0002956413410000081
其中，f0及v分别为该自我注入锁定振荡器110的初始频率及频率调整灵敏度，正负符号则分别对应该电振荡信号Sosc及该电注入信号Sinj之间的相位差为0°或180°。由上式可知该电控制信号Vc正比于该目标124的该相对位移Δx，若该目标为人类或动物，则该相对位移Δx包含了该目标的生命征象资讯。
请参阅图5，其为本发明第一实施例的该相位追踪自我注入锁定雷达100对位于雷达前方30cm的坐姿人体进行侦测的结果，该相位追踪自我注入锁定雷达100发射的该无线信号Sw为频率40kHz、波长8.6mm的超音波。图5的量测结果包含了小幅度的前后身体位移及生命征象造成的细微位移。图6为图5的量测数据的频谱图，图中箭头所指的位置分别是0.21Hz的呼吸位移(每分钟12.6次)，0.58Hz的身体位移(每分钟34.8次)及1.42Hz的心跳位移(每分钟85.2次)，此外，由该身体位移为4.5mm(0.52λ)所造成的非线性伪影的幅度非常低，而不会遮蔽生命征象的位移，这结果证实了本实施例的该相位追踪自我注入锁定雷达100能够克服因为身体移动引起的非线性，因此能适用于侦测移动生物的生命征象。
本发明的该相位追踪自我注入锁定雷达100与传统自我注入锁定雷达的差异在于具有该相位追踪自我注入锁定回路120及该锁频回路130而能够一直操作于最佳侦测点，借此，该相位追踪自我注入锁定雷达100对生命征象侦测的灵敏度及线性度相较于传统自我注入锁定雷达可以显著地提升，因此，本发明可用于侦测位移超过四分之一波长的目标124的生命征象。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (13)

1.一种相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，其包含：
自我注入锁定振荡器，用以产生电振荡信号并接收电注入信号而进入自我注入锁定状态；
相位追踪自我注入锁定回路，耦接该自我注入锁定振荡器，以由该自我注入锁定振荡器接收该电振荡信号并输出该电注入信号至该自我注入锁定振荡器，该电注入信号与该电振荡信号之间具有固定的相位差；以及
锁频回路，耦接该自我注入锁定振荡器，以由该自我注入锁定振荡器接收该电振荡信号并产生电控制信号至该相位追踪自我注入锁定回路或该自我注入锁定振荡器，以消除该相位追踪自我注入锁定回路对该自我注入锁定振荡器造成的频率偏移，借此，该电振荡信号及该电注入信号之间的相位差维持在0°或180°，使该相位追踪自我注入锁定雷达操作于最佳侦测点。
2.根据权利要求1所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，其中该相位追踪自我注入锁定回路具有发射器、接收器、相移器及目标，该发射器电性连接该自我注入锁定振荡器并用以将该自我注入锁定振荡器的该电振荡信号转换为无线信号并发射至该目标，该接收器用以接收该目标反射的反射信号并将其转换为电注入信号，该相移器电性连接于该接收器及该自我注入锁定振荡器之间并用以相位位移该电注入信号，并将该电注入信号注入该自我注入锁定振荡器。
3.根据权利要求2所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，其中该发射器及该接收器为电磁波天线、声波传感器或光收发器。
4.根据权利要求2所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，该锁频回路具有频率解调器及控制器，该频率解调器电性连接该自我注入锁定振荡器并用以解调该自我注入锁定振荡器的该电振荡信号为电频率偏移信号，该控制器电性连接该频率解调器并用以根据该频率解调器的该电频率偏移信号产生电控制信号，该电控制信号用以控制该相移器对该电注入信号的相移量，使得该电振荡信号及该电注入信号之间的相位差为0°或180°，以消除该相位追踪自我注入锁定回路对该自我注入锁定振荡器造成的频率偏移。
5.根据权利要求4所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，其中该控制器的该电控制信号及该频率解调器的该电频率偏移信号之间稳态下的关系式为：
Figure FDA0002956413400000021
其中，Vc为该电控制信号，Kθ为该相移器的相位调整灵敏度，λ为该无线信号的波长，Δx为该目标的相对位移。
6.根据权利要求4所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，其中该自我注入锁定振荡器具有输出端口及注入端口，该输出端口用以输出该电振荡信号至该相位追踪自我注入锁定回路及该锁频回路，该注入端口用以由该相位追踪自我注入锁定回路的相移器接收该电注入信号。
7.根据权利要求6所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，其中该频率解调器具有功率分配器、延迟单元及混波器，该功率分配器电性连接自我注入锁定振荡器的该输出端口并用以将该电振荡信号分为两路，该延迟单元电性连接该功率分配器并用以将该功率分配器其中一路的该电振荡信号延迟为电延迟信号，该混波器电性连接该功率分配器及该延迟单元并用以将该功率分配器另一路的该电振荡信号及该延迟信号进行混波而产生电频率偏移信号。
8.根据权利要求1所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，该相位追踪自我注入锁定回路具有发射器、接收器及目标，该发射器电性连接该自我注入锁定振荡器并用以将该自我注入锁定振荡器的该电振荡信号转换为无线信号并发射至该目标，该接收器用以接收该目标反射的反射信号并将其转换为电注入信号，并将该电注入信号注入该自我注入锁定振荡器。
9.根据权利要求8所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，其中该发射器及该接收器为电磁波天线、声波传感器或光收发器。
10.根据权利要求8所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，该锁频回路具有频率解调器及控制器，该频率解调器电性连接该自我注入锁定振荡器并用以解调该自我注入锁定振荡器的该电振荡信号为电频率偏移信号，该控制器电性连接该频率解调器并用以根据该频率解调器的该电频率偏移信号产生电控制信号并传送至该自我注入锁定振荡器，该电控制信号用以控制该自我注入锁定振荡器以频率偏移该电振荡信号，使得该电振荡信号及该电注入信号之间的相位差为0°或180°，以消除该相位追踪自我注入锁定回路对该自我注入锁定振荡器造成的频率偏移。
11.根据权利要求8所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，该控制器的该电控制信号及该频率解调器的该电频率偏移信号之间稳态下的关系式为：
Figure FDA0002956413400000031
其中，Vc为该电控制信号，Kv为该自我注入锁定振荡器的频率调整灵敏度，f0为该自我注入锁定振荡器的初始频率，d為目标至该发射器或该接收器的初始频率，Δx为该目标的相对位移。
12.根据权利要求10所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，该自我注入锁定振荡器具有输出端口、注入端口及频率控制端口，该输出端口用以输出该电振荡信号至该相位追踪自我注入锁定回路及该锁频回路，该注入端口用以由该相位追踪自我注入锁定回路接收该电注入信号，该频率控制端口用以由该控制器接收该电控制信号。
13.根据权利要求12所述的相位追踪自我注入锁定雷达，其特征在于，其中该频率解调器具有功率分配器、延迟单元及混波器，该功率分配器电性连接自我注入锁定振荡器的该输出端口并用以将该电振荡信号分为两路，该延迟单元电性连接该功率分配器并用以将该功率分配器其中一路的该电振荡信号延迟为电延迟信号，该混波器电性连接该功率分配器及该延迟单元并用以将该功率分配器另一路的该电振荡信号及该延迟信号进行混波而产生电频率偏移信号。
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