CN1151382C - 一个具有扫描区间门的脉冲雷达 - Google Patents

一个具有扫描区间门的脉冲雷达

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CN1151382C CNB951973495A CN95197349A CN1151382C CN 1151382 C CN1151382 C CN 1151382C CN B951973495 A CNB951973495 A CN B951973495A CN 95197349 A CN95197349 A CN 95197349A CN 1151382 C CN1151382 C CN 1151382C
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Abstract

本发明提供了一个雷达区间搜索器和隐蔽物体定位器，它们以有高分辨力扫描区间门的超宽带雷达为依据。设备产生一个等效时间幅度扫描(典型的范围是4英寸至20英尺)和一个模拟区间分辨力(受抖动限制在0.01英寸)。利用一个差分取样器有效地消除了在接收机中因离发射天线(10)挨得很近而感应的瞬时扰动和其他的象差，所以，背景消减法就不需要了，简化了电路，改善了性能。利用了减小接收信号中地面反射干扰的技术，例如，使接收腔(24)与发射腔(22)去耦(退耦)，方法是它们之间的空间位置要安排好，在腔内利用传导或辐射阻尼元件，以及在两侧开口的地方利用端板。天线可以配置成空间上隔开的、平行的、并排结构，也可以配置成共平面反方向结构，这样就大大减小了主突波的耦合。

Description

一个具有扫描区间门的脉冲雷达
本发明涉及高分辨力、短区间的雷达系统，更具体地说，涉及具有短范围的映象的超宽带雷达。
在以前的技术中，短区间搜索的应用是利用超声技术或频率调制连续波(FMCW)雷达来实现的。例如，在以前的技术中对大的槽箱内流体平面传感器中所使用的区间搜索包含FMCW雷达的平面传感。但是这种技术是依靠在差拍频率上测量被检测的发射波和接收波的变化，需要在微波频率上十分线性的压控振荡器。这个技术要实现平面传感技术中的精密要求是十分困难的。因此，以前技术的FMCW雷达限制在几英寸的分辨力上而且相对较贵。在平面传感中利用的另一个技术是超声波。但是，超声技术有几个缺点。具体说，对于液体平面高度传感器而言，超声波可能错误地拾取泡沫的平面而不是实际的液面。还有，它不能穿透雾气，如可能在槽箱中聚集起来的汽油气或蒸气。而且，传感器上任何的污物都将阻碍传感器的工作。再说，超声波用来作精密测量本来就是困难的，因为声波的速度随温度和湿度的变化而变化，要比正常工作条件下变化10％之多。
因此，希望提供一个区间搜索系统或映象系统，它在短的区间内工作，价格低，精度好。
本发明提供了一个雷达区间搜索器和隐蔽物体定位器，它以超宽带雷达为基础，带有高的分辨力扫描区间门。本发明的设备产生一个等效时间幅度扫描，其典型的范围为1英寸至20英尺，还产生一个模拟区间分辨力，其受抖动限制在0.01英寸量级。利用差分取样接收机有效地消除了因离发射天线挨得很近而感应的瞬时扰动和其他的象差，所以，背景消感法就不需要了，简化了电路，改善了性能。本发明的利用包括替代超声波的设备用于流体平面传感、自动雷达(如巡航控制)和车场辅助设施。这个技术能够用来放在高速公路上为交通控制收集交通车辆的计数。其他的利用包括有效的停止系统传感、占位传感以及其他应用一需要测定的物体的精确区间。这个雷达区间搜索器制造出一个极好的流体或固体平面高度传感器，用于石油贮存罐、工业混合桶和地下谷粒仓。它的幅度显示也表示了在障碍后面有物体还是没有物体，例如，墙后有没有支柱，混凝土里有没有钢筋。输出也能够使不同空间位置的类似单元相关连，以便提供同步波束用于窄波束应用和用于映象。
本发明能被特征化成一个装置，检测范围内物体的特性。该装置包括一个发射机，发射与发射时基信号相对应的序列电磁脉冲。一个接收机对在范围内物体产生的序列电磁脉冲回波进行取样。接收机对这些回波取样是利用一个差分取样接收机，该接收机具有无变压器的差分输入，有高的共模抑制，这样就减小了发射脉冲通过装置结构而耦合过来的地电流。
根据本发明的一个观点，接收机包括波导腔，作为发射天线和接收天线。天线包括AC(交流)耦合单极天线，具有各个腔内形成的阻性负载。
设备包括有发射腔和接收腔是为了减小所产生的取样信号中的地物干扰，如在屏蔽结构中发射信号的瞬时干扰所产生的取样信号中的地物干扰。减小地物干扰的设备可以藉助屏蔽发射腔和屏蔽接收腔加垫片去耦的方法来实现。还有一种技术可用来减小屏蔽接收腔内的瞬时干扰。这种技术包括利用辐射导体，向着屏蔽接收腔和发射腔的周边传感的范围延伸。另外，端板可以放在屏蔽接收腔和发射腔上开口的周围。这些板可以与腔中开口面等高紧贴，或者可以偏向目标范围以便提供给反射信号某些天线增益。另一个方法包括利用传导阻尼元件与接收腔开口的周长耦合，例如，在开口的拐角处或在开口一侧的中心处，基本上成一个三角形。
接收机产生取样信号，提供一个正被接收的回波的等效时间表示。时基电路将发射时基信号加到发射机；将接收时基信号加到接收机。接收时基信号使接收机对回波取样，于是，在该序列中的传输脉冲之间的时间和接收机的取样掠过整个延迟区间。取样检测电路对应于取样信号和时基电路，指示发射机与范围内反射回波的物体之间的距离。
在时基电路对传输脉冲之间的时间和接收机取样进行扫描的整个延迟区间内，其延迟决定了设备的工作区间。按照本发明，这个区间可能小于300ns，或者更确切地说，在某个系统中小于10ns。由发射机发射的脉冲之间的时间会跟取样被扫描的延迟区间一样长或者比该延迟区间长。
因此，发射时基信号使发射机在脉冲重复速率上发射序列电磁脉冲，接收时基信号在一个扫描周期对整个延迟区间扫描，于是，回波在脉冲重复速率上被取样并且在延迟区间内有不同的延迟。这就产生了一个取样信号，表示等效时间内所接收回波的幅度。
脉冲重复速率可以(比方说)大于1MHZ，扫描速率小于16KHZ-NTSC的视频。最好是扫描周期的速率小于100HZ，例如，40HZ。
按照本发明另一个观点的接收机包括一个在波导接收腔内的接收天线。第一二极管取样门和第二二极管取样门安装在接收腔内与接收天线相连。这两个二极管取样门被接收时基信号脉动并馈送到差分放大器的输入端。差分放大器的输出在等效时间内提供取样信号。天线包括交流耦合偶极天线，在相关的腔内形成阻性负载。
在并排的配置中，辐射器或在腔内的天线部件是一种在空间平行相隔的结构。在另一种相反方向的具体装置中，辐射器或在腔内的天线部件是在相反方向上共平面延伸的。相反方向的辐射器配置对减小发射天线与接收天线之间耦合的主突波有效。
因此，有高分辨力和扫描区间门的宽带雷达被提供在相近的范围内工作。它克服了所有以前超声波区间搜索器的不足，并且比应用FMCW雷达更精确、实现起来更容易。
在抑制瞬时干扰和渐近地物干扰方面，本发明达到了一个特别的水平。在离传感器远过4英寸的范围上，瞬时干扰和地物干扰比强有力的回波低30dB。大多数以前的技术都试图建立接近区间的宽带雷达，结果却恰恰得到一个相反的作用，即，瞬时干扰和地物干扰反而比接收回波强30dB，不得不加上背景消减技术。在雷达中不得不加上的背景消减技术通常减小了动态范围和稳定性，而且使电路复杂了。
本发明另外一些观点和优点能够在下面的附图介绍和详细描述看到。
图1是按照本发明宽带雷达的方框图。
图2是本发明一个具体装置的波导腔和天线的结构。
图3是按照本发明的雷达所产生的回波反射。
图4A表示了本发明的发射机利用了一个介质透镜。
图4B表示了一个取样信号。
图5表示了本发明的发射机利用了一个天线喇叭。
图6表示了利用本发明的信号处理器的一部份。
图7A-7G提供了按照本发明雷达的电路图。
图8是接收腔和发射腔的图，腔与腔之间在空间上互相去耦。
图9是接收腔和发射腔的图，利用传导阻尼元件与接收腔和发射腔开口的周长相耦合。
图10是接收腔和发射腔的图，有辐射阻尼元件从周长向着欲传感的范围延伸。
图11A是接收腔和发射腔的图，有三角形的端板与接收腔和发射腔的周长耦合。
图11B和11C提供图11A结构的侧视图和顶视图以便表示端板的位置。
图12通常表示由图2、8-11A并排腔/天线结构所产生的电场。
图13通常表示另一种相反方向的腔/天线结构及其从中产生的电场。
图14A和图14B是发射腔和接收腔的正视图和侧视图，腔中有简单几何形状的相反辐射元件；图14C是较复杂几何形状的相反辐射元件的侧视图。
下面参照附图提供了本发明优选的具体装置的详细描述。在附图1中，图1提供了传感器的方框图。
正如图1中能够看到的，雷达包括1 1/4英寸单极发射机天线10和1 1/4英寸单极接收机天线11。发射天线用于发射序列电磁脉冲12。电磁脉冲在传感器的范围内反射物体或目标13的回波。回波14被接收天线11所接收。
对应于发射时钟，序列电磁脉冲在线15上产生。发射时钟由脉冲重复频率发生器16提供，在本例中一般是2MHZ。如果需要在传感器中加进噪声免除效应，则此脉冲重复频率发生器可以用抖动机械17加以抖动。在线15上的发射时钟驱动一个100ps脉冲发生器18(即一个晶体管)，发生器18通过电容19与天线10耦合。天线10是阻性负载单极天线，发射负载电阻20与地平面21耦合。
正如图示，脉冲发生器18和天线10被安置在波导腔22内，以提供对其他部件的传感器屏蔽并产生电磁脉冲12正向发出，只有有限的后瓣发生。
接收天线11耦合到第一高速取样门25和第二高速取样门26。天线的连接是从取样门25的输入到地跨接电阻27，从地到取样门26输入跨接电阻28。再有，调整电阻29从取样门26的输入接到地。天线11是容性负载和阻性负载兼有的单极天线，有一个发射负载电容51和串接一个耦合到地平面23的发射负载电阻52。天线11及其组合部件，取样门25，26都安装在波导腔24中。
利用由100ps脉冲发生器31(即晶体管)所驱动的脉冲形成网络30，取样门被选通。100ps脉冲发生器由线32上的接收时基时钟控制。接收时基时钟在延迟区间内由指数斜坡延迟电路33扫描。输入到斜坡延迟电路的是线15上的发射时钟。斜坡延迟电路33的扫描由指数斜坡发生器34控制，它是经线35耦合到斜坡延迟电路33的。线35上的斜坡也驱动灵敏度时间控制器36。
取样门26和25耦合到差分放大器37。差分放大器37的输出加到线38上作为灵敏度时间控制器的输入。当回波的区间增大时，这个灵敏度时间控制器补偿所接收回波的幅度。
灵敏度时间控制器的输出加到放大器39提供线40上区间归一化等效时间信号，表示正在被接收的回波。线40上的取样信号加到信号处理器41以指示与取样信号对应的目标13的特征。
指数斜坡发生器34由斜坡扫描发生器45来控制，在本例中，标称值为40HZ。还有，40HZ斜坡扫描发生器45用来提供一个同步信号46，这是给信号处理器41用的，否则的话就在网络里作控制用。
因此，脉冲重复频率发生器16驱动发射脉冲发生器18以提供100ps的步进给阻性负载的、后背是腔的、单极的天线10。斜坡延迟通路包括一个指数电压斜坡电路34，它提供一个实时区间扫描电路，例如，其扫描区间是0-10ns。一个等效时间指数斜坡电路34用作参考，于是，形成区间扫描的两个轨迹都是指数律的，故对应时间来说是十分线性的。指数电压斜坡电路是极其简单、稳定、低价格、提供纳秒级速度的扫描电路。在本例中区间在40HZ上被扫描，40HZ同步脉冲被提供来触发一个监示器或者是信号处理器41用的数字计。延迟电路驱动一个快速晶体管以便提供一个门脉冲给接收取样器。接收取样器有一个无变压器的差分输入，有高的共模抑制。差分工作用来减小从发射脉冲经过地平面的平板电感而耦合来的地电流。等效时间指数斜坡也驱动一个灵敏度时间控制36，后者维持常数幅度的输出脉冲而不管目标的区间。STC电路利用FET(场效应晶体管)作衰减器，它根据区间斜坡电压按比例地由STC中的斜坡仿型电路加以修正。一个独立的信号衰减器和斜坡仿型衰减器场效应晶体管通过一个伺服环被强制成具有高精度的轨迹。
系统的绝对精度受门延迟中的漂移和实现雷达而用的部件所限制。这种漂移源之一是斜坡发生器。产生扫描延迟的另一个系统可以依靠调谐晶体振荡器。用于脉冲重复频率发生器的第一个晶体振荡器被设定在所需的频率上，例如，2MHZ。第二个晶体振荡器可以设定在脉冲重复频率减去扫描频率40HZ上，即2MHZ-40HZ。第二上取样门重复频率发生器将驱动脉冲成形网络中的脉冲发生器去选通接收取样门。同步信号处理器的40HZ振荡器会被发射脉冲重复频率发生器的上升沿和接收脉冲发生器重合触发。由于晶体振荡器的稳定性，接收和发射时间信号的漂移能够被正确地控制。
脉冲重复频率发生器的抖动器提供了相同范围内具有类似系统的噪声免除。因此，许多系统能够在不同的空间位置按需放置以便提供映象能力和为窄波束应用形成的合成波束。
图2描述天线和不同的取样器的物理配置。发射天线和接收天线包容在相邻的两个腔内，即T腔60和R腔61。因此，包括电容19和负载电阻20的单极天线10装在1 1/2英寸高的发射腔60内。发射脉冲产生器的晶体管18也装在腔内。一个驱动馈送孔64在发射腔60内形成，通过此孔进行电子通信。
接收腔61也包含有一个选通馈送孔65，通过此孔电子耦合到接收机中的一对取样器66。电阻27和28装在接收腔内。由单极11上负载电阻52和负载电容51组成的天线也跨接在1 1/2英寸高的接收腔61上。
发射腔和接收腔装在屏蔽盒70上，除了发射腔和接收腔中的部件；所有其他的电路都装在屏蔽的下面。
阻性负载单极天线10和11的交流耦合完成各种功能。对发射天线10来说，电容19防止加在脉冲产生晶体管18上的偏压被旁路到地。接收天线上的电容51防止发射脉冲来的残余低频电流被经过屏蔽层耦合到天线11里去。
发射腔和接收腔是合金制成，或者是有金属镀层的波导腔，它有一个后背板71以防止发射天线产生的后瓣，改善了发射机的方向性。藉此结构，发射脉冲传播的观察范围大约是150°，相对于主瓣低3dB的衰减。后瓣的产生将小得多。
如上所述，当腔是波导腔时最好设计成具有脉冲的中心频率，注意要工作成无损波导。在上述的具体装置中，接收腔61和发射腔60的近似尺寸是1 1/2英寸高、1 1/2英寸深、1 3/4宽。本例的基座是3 1/2英寸深、1/2英寸高、3 1/2英寸宽。
注意：门脉冲发生器是在屏蔽基座70的下面而不在选通腔里面，发射脉冲产生晶体管装在发射腔内。
雷达腔的平板电感把发射脉冲耦合到接收机多数是通过地平面进行的。放大器的差分输入抵消了地平面噪声的输出。接收天线的交流耦合也限制了大量低频噪声耦合进接收机。发射腔和接收腔提供的屏蔽防止发射脉冲直接耦合进接收机。
由图2所示的波导腔所实现的波导发射型系统能够利用喇叭或介质透镜来加以改进，正如下面要描述的，它提供了接收信号的增益和窄的波束宽度。
图3表示利用图2雷达产生的信号。曲线是图1中线40上的取样信号。图上表示了两条轨迹，第一条轨迹100表示在30cm上回波的结果，第二条轨迹150表示在60cm上回波的结果。信号包括一个起始脉冲101，它对应发射脉冲产生的信号回波。在轨迹100中，脉冲102从约30cm处的物体产生。在轨迹105中，脉冲103从约60cm处的物体产生。正如可以看到的那样，在脉冲101和脉冲102之间的区间内或脉冲101和脉冲103之间的区间内有十分小的背景噪声或地物干扰。测量该被检的回波，背景噪声比强有力的反射回波约低30dB。
发射主回波101和信号103之间的区间内，地物干扰来自各种来源，包括波导腔壁上由发射信号主波产生的瞬时干扰。降低信号与地物干扰之比可以利用下述的技术(参照图8-图11)来达到。抑制除了天线腔瞬时干扰以外的现象所引发的地物干扰能够达到进一步的改善。此外，当处理方法可采用来使干扰形式的地物干扰最小化的时候，可以利用数字背景消减法。还有，测量表明，反射回波信号的抖动是十分低的，是1ps的量级，或者说，是0.01英寸的量级。因此，如上结构的传感器其分辨力是十分好的。
在轨迹100和150最左边的起始脉冲是发射“主突波”在比区间少4英寸的地方产生的残留脉冲。此后，在回波轨迹中看到的小波纹表示了瞬时干扰和地物干扰，它们大约比30cm处的回波102和60cm处的回波103低30dB。这些残留的脉冲说明了信号要比仅提早几个纳秒产生的发射脉冲弱1000多倍。
图4A表示了按照本发明的雷达所包含的两个特点。在图4A中，雷达用符号200来代表。雷达通过介质透镜发射一个信号，建立一个有方向性的波瓣202，改善了雷达的灵敏度和方向控制。
另外图4A还表示了利用雷达200的范围内的基准物203。基准物可以带有介质透镜201也可以不带，视具体应用而定。基准物的目的是提供取样信号的精确定标。于是，一个取样信号204被画在图4B中。取样信号包括起始突缘205，它由发射脉冲产生。从基准物203接收一个回波206，然后从雷达200的范围202内的物体208接收一个回波207。因为相对于雷达200的发射机来说，基准物203的位置是已知的，所以雷达部件中任何的漂移都将被抵消，它们可以在起始脉冲205和物体回波207之间的距离内被反射。这就较好地指明了雷达200到物体208的距离。
图5还表示了雷达的另外一种结构。具体地说，图5表示的雷达300有一个天线喇叭301，用于产生雷达的方向波瓣302。正如将要认识到的技术，方向性喇叭301是改善雷达灵敏度、控制雷达方向性的又一途径。
图4A的介质透镜和图5的方向性喇叭表明了天线和腔结构的多种变形，可以用来控制传感器工作范围的特性。当利用介质透镜使辐射图样变窄并获得天线增益的时候，可优选选用低介质常数的材料，这样就减小了天线腔的Fa-bry-Perot共振。例如，在塑料容器中用石油作透镜提供直至十二dB的增益而不会引入瞬时干扰，其中石油的介质常数εr＝2.5。
图6表示的一种信号处理技术用于检测物体离雷达的距离。具体地说，在这个具体装置中信号处理器包括一个区间计数器600，它由10MHZ时钟601来驱动。10MHZ时钟601由门602使能。门602由二进单元603来接通。二进单元是一个触发器，它由线46上的40HZ扫描发生器同步信号的上升沿来置位。比较器604的输出使触发器复位。比较器604将线40的取样信号与线605的门限电压相比较。线46上的40HZ信号向复位控制器606发信号，通知606半区间计数器600复位并在线607上加一个复位信号给数据处理器去处理数据。
与线46上的40HZ信号相对应的每次扫描开始，藉区间计数器600使能，系统就工作了。当线40上的取样信号超过门限时，正如比较器604的输出所指明的，二进单元被复位，计数器600的时钟就关掉了。计数器600的值被读出，该值指示了区间扫描开始与接收足够幅度回波之间的时间。
区间计数器600的精度由时基部件中的漂移和时钟601的速度来确定。若时钟是10MH，区间扫描是40HZ，那么区间计数器600每次扫描的精度是250,000次。这就提供了较高的、精确的区间数据，信号处理系统利用这些数据指明物体的各种特性。
线46上的40HZ信号可以用类似的门限检波器来替代，检波器检测取样信号中产生的起始脉冲(例如脉冲101)或者基准脉冲，可以利用已知的电路技术的脉冲206来进行。
图7A-7G提供的电路图是用图2所示天线结构实现的雷达电路。
图7A表示2MHZ脉冲重复频率发生器，由反相器700与反相器701串联组成。反相器700的输出连到反相器701的输入。电阻702从反相器700的输出连到它的输入。电容703从反相器701的输出连到反相器700的输入。反相器704从反相器700输出连到充电泵-电容705，耦合到节点706。二极管的阳极连到节点706，阴极连到地。二极管708的阳极连到-3V电源节点7-9，阴极连到节点706。电容710从地耦合到-3V电源节点709。
脉冲重复频率发生器将其输出接在节点715上。节点715被驱动，经可调电阻716到反相器717。反相器717的输出加到图7C所述的脉冲形成电路，最后将驱动脉冲发生器。
还有，节点715通过电阻718连到节点719。节点719通过一可调电容720接到地。节点719是反相器721的输入，反相器721提供一个线722的信号，驱动图7D的接收时基信号发生器电路。
节点719通过电阻725从运算放大器726的输出接收指数斜坡。运算放大器726的输出连到它的反相输入，它的正输入连到节点727。节点727通过聚脂电容(密拉电容)728耦合到地，同时耦合到双极晶体管729的集电极。晶体管729的集电极通过电阻730耦合到5V电源。晶体管729的发射极连到地。晶体729的基极连到节点731。节点731通过电阻732连到地，通过电阻733和电容734连到节点735。节点735是40HZ扫描振荡器的输出，振荡器是由反相器736与反相器737的串联实现的。电阻738从反相器736的输出连到它的输入。密拉电容739从反相器737的输出连到反相器736的输入。反相器736的电源由电阻740馈给，电阻740连到5V电源。电容741从反相容736的电源输入接到地。
40HZ扫描振荡器的节点735输出通过电阻745加到同步输出746，这是给信号处理器用的。
运算放大器726输出上的信号是一个指数斜坡，它被驱动后经电阻725供给反相器721的输入。
反相器721的门限建立一个指数延迟特性，它与运算放大器726的指数斜坡对称以便提供一个线性的延迟扫描给线722信号。
运算放大器726的输出上的指数斜坡还通过电阻750连到运算放大器751的反相输入。运算放大器751有一个电阻752从它的输出连到它的反相输入。运算放大器751的正输入接地、运算放大器751的反相输入通过电阻753连到可调电阻754去调整STC的增益。运算放大器751的输出在线755上连到图7E的STC电路。
图7B所示的系统中，电源电压从输入756上的9V电池供给。电容757从节点756连到地。调节器758在线759上提供一个5V的输出。电容760从调节器758线759上的输出连到地。
从图7A反相器717的输出来的信号被图7C的线800接收。它加到反相器801的输入。反相器801的电源由电阻802从5V电源馈入。电容803从反相器801的电源输入端连到地。反相器801的输出连到反相器804的输入。反相器804的输出在线805上连到图7F所示的发射脉冲发生器。
从图7A来的线722的信号通过电容806连到反相器807的输入。反相器807的输入跨接电阻808到地。反相器807的电源输入由电阻809耦合到5V电源来馈给。电容810从反相器807的电源输入连到地。反相器807的输出连到反相器811的输入。反相器811的输出在线812上加到图7G的接收脉冲产生电路。
在图7E中，从运算放大器751来的线755上的信号通过STC仿型电路被接收，STC的组成是：电阻821与二极管822的串联电路与电阻820并联。这个电路提供灵敏度时间特性的仿型，该特性由STC电路随区间的增加提供增量增益来加以补偿。STC电路随区间的增加提供增量增益来加以补偿。STC仿型的输出连到节点823。节点823连到运算放大器824的正输入端。运算放大器824的反相输入端连到节点825。节点825经电阻826连到5V电源，并经电容827连到运算放大器824的输出。电阻899从节点825连到地。运算放大器824的输出也接到FET晶体管830的栅极上。FET晶体管830的漏极连到节点823。FET晶体管的源极接地。同样，运算放大器824的输出连到FET831的栅极。FET831的漏极连到节点832。FET831的源极接地。FET831为STC补偿而控制节点832上信号的衰减。
在接收机中差分放大器的输出在来自图7G的电路的线840上被接收。它通过电容841加到节点842。节点842通过电阻843连到地并通过电阻844连到节点832。节点832连到运算放大器845的正输入端。运算放大器845的反相输入通过电阻846与电容847的串联连到地。电阻848从运算放大器845的输出连到它的反相输入端。运算放大器845的输出通过电阻849加到一个视频输出850。电容851接在视频输出850与地之间。视频输出850正如上述，提供等效时间取样信号。
图7F和图7G表示了雷达中电路的平衡。在线805上发射时基时钟通过电容900耦合到节点901。节点901通过电阻902接地，通过电阻903接晶体管904的基极。晶体管904的发射极接地。晶体管904的集电极通过电阻905连到节点906。节点906通过电容907接地并通过电阻908接节点910。节点910通过电容911接地并通过电阻912接5V电源。晶体管904的集电极通过电容920交流耦合到单极天线921，它由电阻922承担阻性负载。在本具体装置中，阻性负载的单极天线的1 1/4英寸长。虚线923表示这些部件装在发射腔内。
接收时基信号被接收在线812上。通过电容930耦合到节点931。节点931跨接一个电阻932到地并通过电阻933连到高速双极晶体管934的基极。晶体管934的发射极接地。晶体管934的集电极通过电阻935连到节点936。节点936跨接电阻937到5V电源并跨接电容938到地。晶体管934的集电极也通过电容939提供门脉冲去选通接收腔中的取样门。接收腔通常用虚线940画出。
接收腔940中装了许多部件，包括阻性负载的单极天线、电容945、天线946、电阻947。天线通过电阻949从节点948接到地，并通过电容950从节点948接到取样二极管951的阳极。二极管951阴极的连接是：通过电容939接收从线952来的接收选通脉冲。线952又通过电阻953接地。二极管951的阳极经电阻954连到节点955。节点955跨接电阻956到运算放大器957的正输入端。运算放大器957的正输入端还跨接电阻958到地。运算放大器957上的负电源接到-3V电源(从图7A来)且跨接电容960到地。运算放大器957的输出连到反相输入端并通过电容961和电阻962连到运算放大器963的反相输入。运算放大器963的反相输入通过电阻964连到它的输出。运算放大器上的正电源接到5V电源。
运算放大器763的正输入通过第二个取样门被驱动，其连接如下。具体说，取样二极管970的阴极连到线952去接收门脉冲。二极管970的阳极通过电容971连到节点972。节点972通过电阻973连到地。另外，可调电阻974接在节点972和地之间。
二极管970的阳极通过电阻980和电阻982连到运算放大器963的正输入。电阻980和电阻982之间的节点通过电容983接地。类似地有一个电容984接在节点955和地之间。电阻985从运算放大器963的正输入连接到地。
在图7A-7G中，反相器700，701，704，717，721，736和737可以用74HC04来实现。反相器801，804，807和811可以用74AC04来实现。运算放大器726，751，824，845，963和957可以用TLC272来实现。调节器758用精工(Seiko)制造的812-50来实现。晶体管830和831用CD4007，其第14脚为5V，第7脚为地。所有二极管都用IN4148，除非在图上另有标记。晶体管904和934用NE68533来实现。晶体管729用2N2222来实现。图中列开的部件值代表了一种实现。它们可以按实际应用的需要调整。
正如上述，电路提供了一个差分取样结构有十分高的共式抑制。差分接收机电路的另一种实现被描述在美国专利5345471中，公布于1994年4月12日提出申请的，申请号No.08/044745。这份专利为交流接收技术的教学目的作参考。
图8，9，10和11A-11C表示减小地物干扰的技术，方法是对发射腔和接收腔内的瞬时干扰加阻尼。图8表示在两腔之间加双隔墙的结构。因而，发射腔1000和接收腔1001装在电子腔1002上面。印刷电路板1003在发射腔和接收腔1001与电子腔1002间起缓冲作用。在发射腔内，叶片天线1004耦合进发射脉冲去驱动晶体管1005并且串接电阻Rt(约220Ω)和电容Ct(约2pf)。这种结构使阻性负载单极天线把发射脉冲发射到工作范围内。发射腔1000用波导结构来构成，高约1.5英寸，宽约1.5英寸。发射腔有后背板1006、侧板1007、顶板1008和底板1009。内墙1010包容在腔内。发射腔的这些板在本具体装置中用黄铜制成。
同样，接收腔包括一个叶片天线1015装在阻性耦合的单极结构中，用电阻Rt(约220Ω)和电容Ct(约2pf)串联接到接收腔1001。取样电子电路1016安装在电子腔1002里面的馈送点上。本例中也用黄铜制成的接收腔有顶板1017、侧板1018、底板1019和后背板1020。内墙021包容在腔内。接收腔的尺寸基本上与发射腔的尺寸相同。正如图8所示，接收腔1001和发射腔1000的组合形成一个双墙结构-内墙1010和1021空间隔成两个腔。内墙1010和1021之间的区域1022可以充气或其他的介质材料，如印刷电路板或类似的东西。这就防止了发射脉冲引起的信号波直接从发射腔耦合进接收腔，基本上减小了瞬时干扰和信号的地物干扰。发射腔和接收腔的顶板和底板可以连成一体。
图9表示了基于发射腔和接收腔中传导阻尼单元的减小瞬时干扰的另一种技术。图9中发射腔和接收腔的结构与图8中的一样。两个腔的单元不在这里赘述了。图9中表示的另一个特点是传导阻尼单元1030，1031，1032和1033。这些阻尼单元的每一个都由传导单元组成，接在两腔开口周长的两个地方。因此，传导阻尼单元1031接在发射腔的拐角1035处以及发射腔开口周长的一侧，基本上靠近中心，例如点1036。传导阻尼单元包括一个电阻Rd，约100Ω。这些电阻阻尼单元被较好地沿两腔的侧板安放，它们与开口齐高或者稍微伸出到工作范围区域中。这些窄带阻尼器消除了发射波引起的长久、高Q的瞬时干扰。三角形状不是极需的，不过，最好是依据试验和误差(例如导体可能形成一个矩形)。三角部份所处的方向面也不是极需的。传导体的总长表示成图中近似的标尺。这好象是沿着导体长度的阻抗变换，它有助于瞬时干扰的抑制。所以导体的长度要与图示的接近。导体的长度以及阻挠可依据具体所用发射接收腔的实现和设计来试验地确定。
图10表示了减小接收信号中地物干扰的另一种技术。发射腔和接收腔的结构基本上与图8的一样，这时不再复述。图10所示的特点是窄带辐射阻尼单元1040和1041。这两单元包括阻尼阻抗Rn，约100Ω；辐射导体，从发射腔和接收腔内墙1010和1019上在开口的中心处伸出约1英寸。同样，长度和阻抗可依据发射腔和接收腔的具体设计来试验地确定。
图11A还表示减小地物干扰的又一种技术。根据图11A所示，三角形端板耦合到发射腔和接收腔1000和1001开口的周长处。发射腔和接收腔的结构同图8所示的一样，这里不重述。三角形板包括板1050，它沿发射腔1000的顶板耦合到腔开口的周长。三角形板1051亦沿腔的顶板耦合到接收腔1001开口的周长。三角形单元1052沿底板耦合到发射腔1000开口的周长，三角形单元1053沿底板耦合到接收腔1001开口的周长。三角形单元1054沿外墙耦合到射腔1000开口的周长。三角形单元1055沿外墙耦合到接收腔1001开口的周长。三角形单元1054和1055所处的平面基本上与开口1057和1058的平面平行。端单元1050，1051，1052和1053稍微折向正被传感的区域，例如45°角。这就提供了某些天线增益，阻尼了残留的瞬时干扰并提供了某些旁负载抑制。这些板的尺寸基本上如图中所示，等边三角形单元离开发射腔和接收腔开口平面约1英寸处有一尖峰。
图11B表示三角形单元1050，1051，1052和1053是怎样折向正被传感的区域45°角的。但是三角形单元1055基本上还是在开口平面上的。图11C表示了三角形单元1055和1054的结构。于是，发射腔1000和接收腔1001被表示成顶视图。可以看到三角形单元1050和1051偏向正被传感的区域。三角形单元1055和1054基本上是离发射腔和接收腔的侧板成直角伸出的。不过，这可以描述为三角形单元1050，1051，1052和1053拉平，因而可沿着表面平滑地机械拉长而不必系于三角形端板上。
图2，8-11A的微波雷达区间搜索器具体装置有一个并排辐射器结构，通常如图12所示。每一个这样的超宽带雷达区间搜索器有一个发射腔1100和一个接收腔1102并排配置，垂直的内部辐射单元1104，1106在空间隔开且平行(辐射单元包括发射辐射单元1104和接收辐射单元1106)。这两个辐射单元1104和1106对2GHZ中心频率的系统来说，可以是导线也可以是约1/4”宽的金属条，它们的远端接有电阻，其典型值是RT1＝RT2＝200Ω。
这个并排配置的主要问题是从每个腔来的E场1108在金属隔墙1110的相近侧终结。隔墙1110λ/4，即墙端到中心是λ/8。因此，隔墙1110从接地端区域被隔离λ/8，从而显示了一个非零阻抗进入 E场1108。结果，两腔1100，1102之间产生了耦合，在基本“主突波”脉冲中产生了后果-遮蔽了从近处物体来的反射即从0-6”来的反射。在图8-11A的具体装置中，隔墙1110包括两块空间接近的金属板而不是图中所示的一块板以便帮助减小耦合。
这种并排结构的第二个限制是难以组装金属腔1100，1102，又要用PCB1112把腔1100，1102与屏蔽电子腔1114隔开。
图13表示另一种天线结构，其中E场不会在隔墙的相近侧终结，倒不如说，它们是远远隔开的。此外，辐射器的远端有端电阻RT1，RT2，它们有最大的间距，有最好的T-R隔离。UWB雷达区间搜索器包括一个发射腔1120和一个接收腔1122，两腔间有气隙1121。辐射器单元1124，1126从相近的气隙1121以相反的方向伸出去。辐射器单元是导线或金属条，它们向相反的方向延伸但却是共平面的。从辐射器1124，1126伸出的E场于是就不会在两腔1120，1122之间的共平面上终结。试验表明这种结构比关于主突波耦合的并排结构好将近几十倍。进一步说，喇叭(即腔1120，1122)不必金属连接，即它们可以隔开一个气隙1121，能够利用指状把柄(fingerstock)在PCB上分开又能保持住。
图14A和14B提供了发射腔和接收腔1130，1132的正视图和侧视图，较好地表示了喇叭1130，1132的位置以及它们内部的辐射器1134，1136。正如在并排的具体装置中，辐射器可以是导线也可以是金属条，条的宽度由试验确定，使之有最佳的辐射效应和带宽。喇叭1130，1132隔开一个气隙1131，装在PCB1138上，PCB1138使喇叭1130，1132与电子屏蔽腔1140隔开，电子腔内装有各种区间搜索器的电子部件1142，它们是装在PCB1138的背面的。
发射辐射器(即导线)1134从PCB1138上的发射机输出端T通过端电阻RT1向喇叭1130的末端板延伸。同样，接收辐射器(即导线)1136从接收机输入端R通过端电阻RT2向喇叭1132的末端板延伸。发射机输出T的接收机输入R位于喇叭1130，1132内部靠近气隙1131(气隙1131将喇叭1130，1132隔开)的地方。于是，辐射器1134，1136离两腔1130，1132之间的交界面而延伸。腔1130向一个物体发射脉冲，腔1132接收从该物体反射回来的回波。
图14C描述一个比较复杂的辐射结构，一个顶部负荷的辐射器，其中驱动/采取部分连到单极的顶部或高阻抗端，在雷达的中心频率上单极长度约λ/4。发射腔/喇叭1150包容一个发射辐射器1152，它由两部分1154，1156形成，这两部分在弯头或游丝圈1158相连。同样，接收腔/喇叭1160包容一个接收辐射器1162，它由两部分1164、1166形成，这两部分在弯头或游丝圈1168相连。喇叭1150、1160装在PCB1170上，PCB背面装有屏蔽腔1172。于是，辐射器1152，1162从输出端T，输入端R伸出，穿过腔，又返回到RT1，RT2处的远端板上终结。藉此连接，发射天线和接收天线二者在图14B(与图12的具体装置相同)的整个结构中提供约60dB的增益。可以设想到，当两部分1154，1156之间的中心距相隔λ/4(沿导线的游丝圈了1158)的时候，两部分1154，1156的辐射是相加的。
作为一个最后的改进，接收辐射器1162在PCB1170上接收机的R输入端无终了地向左。这就产生了双倍的接收电压，于是改善了灵敏度。远端电阻RT1，RT2减小或者消除了瞬时干扰。总起来说，这种结构提供的灵敏度比图12的整个结构多约18dB。
在图13中一般表示、在图14A-C中更确切表示的相反方向的辐射器配置与在图12中一般表示、在图2，8-11A中更确切表示的并排结构相比，前者大大减小了两腔间的主突破波耦合。此外，在图8-11A中表示的传导阻尼单元是并排结构中用的，在相反方向的辐射器配置中通常是不需要的。
藉相反方向配置的这一种天线结构，从发射天线到接收天线的主突波耦合被减小了，所以雷达能够在零区间工作，这样就允许检测靠近表面的物体，例如人类的心脏和混凝土中的钢筋。应用包括心脏监腔、墙厚测量、桥面映象以及雷达高度计。相反方向的天线结构也提供了低价格、组装简便，允许高容量的应用例如非接触式气罐灌注平面的测量。
因此，本发明提供了一种高精度、低价格、简便实现的宽带雷达传感器，它有一个扫描区间门，它提供了幅度与时间取样信号的转换，使雷达能用作雷达区间搜索器。本发明的雷达区间搜索器取代了用于工业的超声区域传感器，克服了声速随温度和湿度的变化，桶中的泡沫反射出来造成虚假的平面测量等等，还有工业环境产生的超声干扰，超声不能穿透薄板，或者污物包裹住传感器。所有的这些不足均被本发明解决了，且价格低，用途多，精度高。
除了流体平面测量系统之外-以前的技术主要用超声来实现-本发明直接用于汽车停车场辅助雷达和巡航控制雷达。本发明还有一个应用是隐蔽物体的定位，例如对墙中间的支柱和管道，混凝土中的钢筋，简易箱或垫子里的武器，地下管线，进行搜索并精确定位。雷达搜索应用也在自动遥控范围内有许多利用。
虽然所描述的具体装置是建立在发射机的基础上的，该发射机发出一序列信号脉冲RF，但是，利用一系列几个周期长的RF能量脉冲也能够实现类似的系统。脉冲传输的具体装置可能会限应用，因为美国联邦通信委员会第15部规定了允许宽带脉冲传输的方法。
本发明的另一个应用是教育应用。具体地说，利用这个具有等交香间输出信号的简易雷达可以研究时间范畴的电磁学。学生可以实时地监示在所研究的方法下雷达范围的特性，看到取样信号中回波脉冲的结果。
因此，本发明提供一个低价格、高精度的雷达，它有高分辨力扫描区间门用于接近区间的应用。应用包括汽车停车场辅助雷达、马路牙子(道牙)传感、活动悬挂系统传感、车内乘员占位传感以及其他需要测定物体精确区间的应用。区间搜索器还制造出很好的流体和固体平面传感器，用于储油罐、工业混合桶、地下谷仓等。它的幅度扫描指示器也指示了在障碍后面有没有物体，如墙后的支柱、混凝土中的钢筋。设备可以用在医学应用中传感器官的移动，如心脏在扫描区间内的移动。
本发明优选具体装置的以上描述是为图示和描述而介绍的。它不会是包罗万象、面面俱到的，或者去限制发明仅是所揭示的那些精确形式。显然，技术熟悉的技术人员将作出许多修正和改变。希望发明的范围由下面的权利要求和它们的等效替换来确定。

Claims (52)

1.一种用于检测一个范围内物体的特性的雷达，包括：
一个发射机，包括一个屏蔽的发射腔和一个置于屏蔽的发射腔内的发射天线，该发射机发射一序列与发射时基信号相对应的电磁脉冲；
一个接收机，包括一个屏蔽接收腔和一个置于该屏蔽的接收腔内的接收天线，该接收机对一序列电磁脉冲范围内从物体反射来的回波进行取样，可控的时基与接收时基信号相对应，同时产生一个与取样相对应的取样信号，取样信号指示范围内物体的特性；
一个时基电路，将发射时基信号加到发射机，将接收时基信号加到接收机，接收时基信号使接收机对回波进行取样，于是，序列内脉冲的传输与接收机的取样之间的时间扫过整个延迟区间。
2.如权利要求1所述的雷达，其中，发射时基信号使发射机在脉冲重速率上发射序列电磁脉冲。
3.如权利要求2所述的雷达，其中，接收时基信号在一个扫描周期内扫过整个延迟区间，这样，回波在脉冲重复速率上被取样且在延迟区间有不同的延迟，于是，取样信号表示了等效时间内所接收的回波。
4.如权利要求1所述的雷达，其中，发射机包括一个装在发射波导腔内的天线，接收机包括一个装在接收波导腔内的天线。
5.如权利要求1或4所述的雷达，其中，接收机包括与接收天线耦合的第一取样门，与接收天线耦合的第二取样门以及一个差分放大器，放大器的第一输入耦合到第一取样门，第二输入耦合到第二取样门。
6.如权利要求1或4所述的雷达，其中，时基电路包括有控制输入的压控延迟电路，电压斜坡发生器耦合到压控延迟电路的控制输入端对接收时基信号扫描。
7.如权利要求6所述的雷达，其中，电压斜坡发生器包括一个模拟指数斜坡发生器，并且压控延迟电路产生一个延迟，其是控制输入端上电压的指数函数。
8.如权利要求1或4所述的雷达，其中，发射天线包括一个阻性负载单级天线，接收天线包括一个阻性负载单极天线。
9.如权利要求1或4所述的雷达，其中，发射腔与接收腔并排放置，并且发射天线和接收天线基本上是共平面配置且向相反的方向伸出。
10.如权利要求1或4所述的雷达，其进一步包括与接收机耦合的设备以减小取样信号中的地物干扰。
11.如权利要求10所述的雷达，其中，减小地物干扰的设备包括至少有一个使发射腔与接收腔退耦(去耦)的设备；在接收腔内阻尼瞬时干扰的设备；从接收腔伸出来的辐射导体；一个与接收腔耦合的端板以及装在接收腔内的传导阻尼单元。
12.如权利要求1或4所述的雷达，其中发射天线包括一个阻性负载单极叶片天线，接收天线包括一个阻性负载单极叶片天线。
13.如权利要求1或4所述的雷达，其中接收腔和发射腔并排安装，且进一步包括接收腔和发射腔之间的双墙结构，其中双墙结构又包括第一墙和第二墙，两墙在空间上隔开，第一墙是发射腔的一侧墙，第二墙是接收腔的一侧墙。
14.如权利要求13所述的雷达，其中发射天线和接收天线在腔墙上阻性地终结，该腔墙远离第一墙和第二墙。
15.一种用于检测一个范围内物体特性的扫描区间门雷达，包括：
一个发射机，包括一个屏蔽发射腔和屏蔽发射腔内的发射天线，发射一序列电磁脉冲从发射天线进入与发射时基信号相对应的范围内；
一个接收机，包括一个屏蔽接收腔和屏蔽接收腔内的接收天线，在一序列电磁脉冲的范围内对物体来的回波进行取样，可控的时基与接收时基信号相对应，并产生一个与取样相对应的取样信号；
一个时基电路，将发射时基信号加到发射机，将接收时基信号加到接收机，接收时基信号使接收机对回波取样，于是在序列内脉冲的传输和接收机的取样之间的时间扫过整个延迟区间；
一个信号处理器，与接收机耦合，指示与取样信号相对应的物体的特性。
16.如权利要求15所述的雷达，其中，发射时基信号使发射机在脉冲重速率上发射序列电磁脉冲。
17.如权利要求16所述的雷达，其中，接收时基信号在一个扫描周期内扫过整个延迟区间，这样，回波在脉冲重复速率上被取样且在延迟区间有不同的延迟，于是，取样信号表示了等效时间内所接收的回波。
18.如权利要求15所述的雷达，其中，接收机包括与接收天线耦合的第一取样门，与接收天线耦合的第二取样门以及差分放大器，放大器的第一输入耦合到第一取样门，第二输入耦合到第二取样门。
19.如权利要求15所述的雷达，其中，时基电路包括有控制输入的压控延迟电路，电压斜坡发生器耦合到压控延迟电路的控制输入端对接收时基信号扫描。
20.如权利要求19所述的雷达，其中，电压斜坡发生器包括一个模拟指数斜坡发生器，并且压控延迟电路产生一个延迟，其是控制输入端上电压的指数函数。
21.如权利要求15所述的雷达，其中，发射天线包括一个阻性负载单极天线，接收天线包括一个阻性负载单极天线。
22.如权利要求15所述的雷达，其中，发射腔与接收腔并排放置，并且发射天线和接收天线基本上是共平面配置且向相反的方向伸出。
23.如权利要求15所述的雷达，其进一步包括与接收机耦合的设备以减小取样信号中的地物干扰。
24.如权利要求23所述的雷达，其中，减小地物干扰的设备包括至少有一个使发射腔与接收腔退耦(去耦)的设备；在接收腔内阻尼瞬时干扰的设备；从接收腔伸出来的辐射导体；一个与接收腔耦合的端板以及装在接收腔内的传导阻尼单元。
25.如权利要求15所述的雷达，其中发射天线包括一个阻性负载单极叶片天线，接收天线包括一个阻性负载单极叶片天线。
26.如权利要求15所述的雷达，其中接收腔和发射腔并排安装，且进一步包括接收腔和发射腔之间的双墙结构，其中双墙结构又包括第一墙和第二墙，两墙在空间上隔开，第一墙是发射腔的一侧墙，第二墙是接收腔的一侧墙。
27.如权利要求26所述的雷达，其中发射天线和接收天线在腔墙上阻性地终结，该腔墙远离第一墙和第二墙。
28.一种用于检测小于20英尺区间内物体特性的扫描区间门雷达，包括：
一个发射机，包括一个屏蔽发射腔和屏蔽发射腔内的发射天线，发射一序列无线电频率(RF)脉冲从发射天线进入与发射时基信号相对应的范围内，发射脉冲重复速率大于1MHZ；
一个接收机，包括一个屏蔽接收腔和屏蔽接收腔内的接收天线，第一取样门与接收天线耦合，第二取样门也与接收天线耦合，还包括一个差分放大器，其第一输入与第一取样门耦合，第二输入与第二取样门耦合，对在序列RF脉冲的范围内从物体来的回波进行取样，在第一和第二取样门内可控的时基与接收时基信号相对应，同时产生一个与取样相对应的取样信号；
一个时基电路，将发射时基信号加到发射机，将接收时基信号加到接收机，接收时基信号使接收机对回波进行取样，于是发射机的序列脉冲的传输与接收机的取样之间的时间在扫描周期内扫过整个延迟区间，这样，回波在脉冲重复速率上被取样且在延迟区间内有不同的延迟，于是取样信号表示了等效时间内所接收的回波；
一个信号处理器与接收机耦合并指示在与取样信号相对应的区间内物体的特性。
29.如权利要求28所述的雷达，其中，时基电路包括有控制输入的压控延迟电路，电压斜坡发生器耦合到压控延迟电路的控制输入端对接收时基信号扫描。
30.如权利要求29所述的雷达，其中，电压斜坡发生器包括一个模拟指数斜坡发生器，一并且压控延迟电路产生一个延迟，其是控制输入端上电压的指数函数。
31.如权利要求28所述的雷达，其中，发射天线包括一个阻性负载单极天线，接收天线包括一个阻性负载单极天线。
32.如权利要求28所述的雷达，其中，发射腔与接收腔并排放置，并且发射天线和接收天线基本上是共平面配置且向相反的方向伸出。
33.如权利要求28所述的雷达，其进一步包括与接收机耦合的设备以减小取样信号中的地物干扰。
34.如权利要求33所述的雷达，其中，减小地物干扰的设备包括至少有一个使发射腔与接收腔退耦(去耦)的设备；在接收腔内阻尼瞬时干扰的设备；从接收腔伸出来的辐射导体；一个与接收腔耦合的端板以及装在接收腔内的传导阻尼单元。
35.如权利要求28所述的雷达，其中发射天线包括一个阻性负载单极叶片天线，接收天线包括一个阻性负载单极叶片天线。
36.如权利要求28所述的雷达，其中接收腔和发射腔并排安装，且进一步包括接收腔和发射腔之间的双墙结构，其中双墙结构又包括第一墙和第二墙，两墙在空间上隔开，第一墙是发射腔的一侧墙，第二墙是接收腔的一侧墙。
37.如权利要求36所述的雷达，其中发射天线和接收天线在腔墙上阻性地终结，该腔墙远离第一墙和第二墙。
38.一种用于检测一个范围内物体的特性的雷达，包括：
一个发射机，包括一个屏蔽发射腔，有一个发射开口，开口有一个周长并正对工作范围；屏蔽发射腔内的一个发射天线，发射一序列电磁信号从发射天线进入与发射时基信号相对应的范围内，序列中每一个信号其时间大约是10ns或更小；
一个接收机，包括一个屏蔽接收腔，有一个接收开口，开口有一个周长并正对工作范围；屏蔽接收腔内的一个接收天线，对一序列电磁信号的范围内从物体来的回波进行取样，可控的时基与接收时基信号相对应，同时产生一个与取样相对应的取样信号；
一个屏蔽基座，支撑屏蔽发射腔和屏蔽接收腔，这样，发射腔与接收腔隔开且屏蔽了接收和发射机的电子电路；
一个时基电路，由屏蔽基座加以屏蔽，它将发射时基信号加到发射机，将接收时基信号加到接收机，这样，序列内给定的电磁信号的传输与所述给定电磁信号的回波的取样之间的取样间隔有一个小于约300ns的长度。
39.如权利要求38所述的雷达，其中，接收机包括与接收天线耦合的第一取样门，与接收天线耦合的第二取样门以及差分放大器，放大器的第一输入耦合到第一取样门，第二输入耦合到第二取样门。
40.如权利要求38所述的雷达，其中，时基电路包括有控制输入的压控延迟电路，电压斜坡发生器耦合到压控延迟电路的控制输入端对接收时基信号扫描。
41.如权利要求40所述的雷达，其中，电压斜坡发生器包括一个模拟指数斜坡发生器，并且压控延迟电路产生一个延迟，其是控制输入端上电压的指数函数。
42.如权利要求38所述的雷达，其中，发射天线包括一个阻性负载单极天线，接收天线包括一个阻性负载单极天线。
43.如权利要求38所述的雷达，其中，发射腔与接收腔并排放置，并且发射天线和接收天线基本上是共平面配置且向相反的方向伸出。
44.如权利要求38所述的雷达，其进一步包括与接收机耦合的设备以减小取样信号中的地物干扰。
45.如权利要求44所述的雷达，其中，减小地物干扰的设备包括至少有一个使发射腔与接收腔退耦(去耦)的设备；在接收腔内阻尼瞬时干扰的设备；从接收腔伸出来的辐射导体；一个与接收腔耦合的端板以及装在接收腔内的传导阻尼单元。
46.如权利要求38所述的雷达，其中发射天线包括一个阻性负载单极叶片天线，接收天线包括一个阻性负载单极叶片天线。
47.如权利要求38所述的雷达，其中接收腔和发射腔并排安装，且进一步包括接收腔和发射腔之间的双墙结构，其中双墙结构又包括第一墙和第二墙，两墙在空间上隔开，第一墙是发射腔的一侧墙，第二墙是接收腔的一侧墙。
48.如权利要求47所述的雷达，其中发射天线和接收天线在腔墙上阻性地终结，该腔墙远离第一墙和第二墙。
49.一种在范围内传感物体特性的方法，包括：
将一序列电磁信号从具有可控时基的发射腔的发射天线发射到范围内，其中序列电磁信号有10ns或更小的时间，同时，电磁信号之间的发射间隔长度超过100ns；
在靠近具有可控时基发射腔的接收腔的接收天线上，对从范围内物体反射来的序列电磁信号的序列回波进行取样，在序列中所取样的每个回波其取样时间间隔从序列中相应电磁信号的传输时间起算小于100ns；
对回波的取样序列进行处理，指示范围内物体的特性。
50.如权利要求49的所述方法，包括在整个区间长度的对取样间隔扫描。
51.如权利要求49或50所述的方法，其中处理的步骤包括对序列中回波的取样并进行保持以产生一个取样信号，表示等效时间内该序列的取样回波。
52.如权利要求49或50所述的方法，其中安置发射腔和接收腔内的发射天线和接收天线，使得电场基本上与两腔之间的交界面平行。
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