CN1186245A - 通过准直和聚焦所发射的波而工作的障碍物传感器 - Google Patents
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Abstract
毫米波装置,能够作为信号收发天线,即使在极短距离(1毫米左右)都有最佳的图像分辨率。根据电磁波聚焦的程度,这样实现的无线电探测器的天线采用不同的结构,如一种前曲光学器件,或半球形、非球面形、抛物面形、凹面的、凸面的、双凹面的、双凸面的、阶跃型的光学器件。此无线电探测器的有效焦距比上述天线使用某个透镜的焦距要短。电子接收和处理电路部分的标准尺寸很有限并易盛装。
Description
本发明涉及一种用准直和聚焦所发射的波而运作的障碍物传感器，由以下基本部分组成：一个适于产生和接收电磁辐射的单元，一个数据分析器/鉴别器和一个用来准直和聚焦发射波的天线。上述天线对反射波的操作在把它们送入接收/发射部分前，与对发射波的操作相同。本发明涉及微波和毫米波装置，特别涉及小型固态微波和毫米波装置。这里所用术语“毫米波”包括整个的毫米和亚毫米范围。
所述收发单元包括一个发射部分和直接连到信号分析部分的一个接收部分。此发射部分产生辐射，而接收部分接收由障碍物反射的辐射，并产生信号输出，从而有可能根据应用需要来判定有用信息，例如，特定物体的速度和位置、平面位置、水平等等。上述后一任务由数据分析和处理电路来完成。全向发射的微波被发射，聚焦和会聚为一束单相相干束，由于静止或运动的障碍物的存在，反射回来的单向波被系统所探测，且根据用作微波发生器的二极管典型特性进行分析和定量，或者例如，根据耿(GUNN)二极管当温度和能量变化时频率移动的不同特性进行分析和定量。
众所周知，公知技术的一些无线电探测器(雷达)的一般特征是：虽然对一些特殊的应用意义重大并非常有效，但应用范围很有限，不能用于汽车领域。事实上在此情况下，用于车辆的无线电探测器必须具有很好的特定需求，能满足一些基本要求：即为了可以简便经济地机载折卸，它必须非常小；它必须能精确探测位于车前距离为0到至少150m范围内的物体；其工作中的所有难题都要考虑，且在数瓦量级，发出的辐射波束的直径在一定距离处必须足够小，使得不管物体是静止的还是运动的，都可以分辨出所探测物体的最精确位置；它必须提供尽可能少的错报警次数。另外它必须能大量生产以降低成本。
目前的无线电探测器系统的局限性主要是缘于同一发射点的辐射波束在一定距离处占据的尺寸，这个问题一般归因于天线的直径；事实上，目前唯一产生更小的辐射波束的方法为采用更大的天线。结果具有足够高分辨能力的无线电探测器需要很大的天线，因此其整体尺寸过大，而不能用在汽车上。在目前汽车应用领域，经常采用的无线电探测器类型是多向波束型，尤其是在空间探查上不可缺少。在此系统中为获得高的分辨率所须的天线尺寸增加，也包括该无线电探测器径向尺寸的增加，导致了该系统在汽车上的放置问题。
本发明的目的就是要解决上述的问题，本发明其特征如权利要求所述，通过准直和聚焦发射波运作的障碍物传感器解决这个问题，通过它可获得如下效果：此系统是具有足够范围的毫米量级的小尺寸系统，具有低功率，非常低的假报警几率，可用作信号收发天线，具有最佳图像分辨率，即使在非常靠近的距离(1毫米量级)；它通过采用一个或多个透镜，使得天线的纵向尺寸短于相同的光学设备的焦距，利用所谓的装配式收发和分析电路，并为电路部分提供一个散热系统，从而可以大量生产以降低成本。
本发明的本质优点大致包括一般障碍物传感器结构的尺寸缩小，其紧凑性以及在普通的大气条件和特别是恶劣气候条件下的有效性。特别是此系统可用于汽车领域，使得车辆和乘客在交通中的安全性提高，照亮并方便司机在特殊路况下的驾驶，例如：夜晚的低能见度、雾、雨、雪的存在，等等。当有障碍物存在或与另一车辆过近驾驶时，本发明通过信号或自动应急测量起作用。此发明也很适用于监视与交通控制系统。这些系统总是用于秩序控制，目前大量用于电子系统安全方面。
这种障碍物传感器用微波和毫米波无线电探测器来实现的进一步优点在于它可以很容易地实现和非常经济地大量的生产，因此具有广泛的应用，不但用于汽车领域以在行驶中探测障碍物，而且可作其他用途：例如反偷盗和保护移动装置和房屋棚屋等等免受侵入，工业机器和车辆的自我水平调节系统、水平传感器、用于高速公路、港口、铁路、隧道等的固定的杆、墩探测器。
下面根据以非限制性例子给出的一些实施例，并结合附图，对本发明作进一步详细描述，其中：
图1是此障碍物传感器的数据传输和处理电路的方框图；
图2是传输、分析和处理电子天线/电路系统的整体方框图；
图3是此传感器第一实施例的概略截面图，它具有两个对准定向的半球型透镜和一个斜锥体第二腔；
图4显示了与图3一样的传感器，具有一个圆柱型的第二腔；
图5和图6显示了与图3、4一样的发明，但仅设置有一个透镜；
图7显示了与图4同样的传感器，其半球型透镜沿相反方向取向；
图8表示包含微波发生器和频率发生器的发生腔实施例剖面图。
图9显示了适于本发明结构的透镜的几种形状；
图10、11和12显示了具有不同光学结构实施例的发射图。
这些图涉及一种障碍物传感器，采用准直和聚焦所发射的电磁波技术，它有一个微波发生器，可用砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)工艺制成的碰撞雪崩渡越时间二极管或耿氏二极管，且需保持恒温并有足够的绝缘保护。
根据单独给出且非限制性的具体实施例，采用耿氏二极管的结构将被详细的说明；经过一个相同的第一过程后，上述二极管产生的电磁波经过一个或几个透镜，此透镜由绝缘材料或人工绝缘材料制成，具有高的介电常数，能透过电磁辐射并且能够抗老化。在不同实施例中，该透镜可为半球形、非球形、椭圆形、凹面的、凸面的、双凸面的、阶梯型的。此光学设备可用塑料材料、有机玻璃、陶瓷材料、石英、玻璃、聚乙烯、聚脂、特氟龙等材料制成，任何情况下都是用能透过电磁辐射并且能够抗老化且具有高介电常数的绝缘材料或人工绝缘材料制成，并且需要非常均匀致密，不含杂质和/或异物。
此光学设备的功能在于会聚和聚焦由系统产生并发射的波束，从而产生极高的强度和功率。利用二极管的本征特性，用同一器件探测由障碍物反射而得到的反射波或回波，以便分辨所遇物体的不同特性和它的相对速度。由天线全向发射的微波被聚焦和会聚为单一相干和调相波束。根据用作微波生发器的二极管的典型特性，或者通过耿氏二极管随着能量和温度的变化产生偏移变化的特性，这种单向反射波由系统探测、分析和量化。
一个稳定的馈电单元(1)，通过一个低通滤波器(2)和一个方波倍增器(3)或者一个任何适用类型的波倍增器(4)，例如正弦，三角形，锯齿型等，以及一个分析和处理电路(7)，与一个具有含有耿氏二极管(9)馈电阳极(19)的发生腔(8)的透镜天线(5)相连。在第一个示例性实施例中，此障碍物传感器基本由一个外壳(10)构成，此外壳的下部有一个最好为金属的机体(11)，和一个调整系统也用作偏振电路基座(12)。机体(11)还有抗外部磁场干扰的屏蔽功能。在所述结构的中间有一底座(13)，此底座包含发生二极管(9)和其馈电的阳极(19)，形成的空腔就是发生腔(8)。这一底座(13)同时也作为发生二极管的阴极。此微波发生耿氏二极管与一阳极耦合并由其馈电，此阳极与馈电/接收电路相连。在一些不同实施例中，此阳极也可仅具有如下功能，与耿氏二极管(9)相连以馈电，或者纵向延伸超过所述二极管1/4波长长度，因此可有一个绝缘芯支撑和保护，此绝缘芯提供有对阳极(19)必需的电连接。上述的芯子限定发生腔在上部并与发射腔(8)共轴；另外此阳极包括必要的电路连接和可能的部分金属罩，以与下面的圆柱体相连。在不同实施例中，发生微波的耿氏二极管(9)、阳极(19)和频率调整器(24)可位于腔(8)内，发生相同波束，由所述耿氏二极管发射。此腔既可以放在一个金属体内，或可放在一个支座(28)中，此支座被一合适形状的法兰(26)封闭，通过一小孔(27)与外面相连。
与防止干扰的机体或壳(11)和底座(13)相对应，也有一个抗散射的空腔(25)，其中设有一装置(6)，用于自动调整天线(5)的温度，也包括必要的连接电子部件或电子元件。温控系统(6)可以是热漂移电路补偿型或反馈型。根据一个非限制性实施例，在其上部位置，与所述发生腔共轴，设置有一个第一透镜(14)，透镜是由绝缘或人工绝缘材料制成，可透过电磁辐射，并且抗老化，此透镜位于一无源中间反射器的基座上，该中间反射器为斜锥体型(15)或圆柱型(16)。在其上部，此无源反射器被一个由绝缘或人工绝缘材料制成能透过电磁辐射的第二外透镜(17)封闭着，其尺寸大于所述内透镜(14)。在另一些可行实施例中，此障碍物传感器可装有几个同轴设置的透镜，或仅有一个外透镜(17)。
实际上，此天线包含至少一个透镜(17)，由绝缘或人工绝缘材料制成，能透过电磁辐射并且抗老化，一个偏振器件(12)，一个微波选择腔(8)，一个控制并保持恒定或补偿温度漂移的系统(6)和一个外壳(10)，由一个橡胶或防震塑料等制成的防震层(10′)保护。此透镜用于会聚由天线(15)主轴发射的电磁辐射。使得天线轴向整体尺寸减小的方法是采用短焦距的透镜，这种透镜可用阶梯形透镜(20)来实现，这样既减少了损耗也由于减少了透镜的厚度而降低了其几何尺寸。通过选择合适的透镜的构形，可获得最优的辐射效果。透镜或透镜组的构型影响天线(5)的方向特性，辐射图的波瓣宽度在所有的截面上都相等或近似相等，或者在两个正交的截面上差别很大。在圆柱型透镜的情况下，透镜只能在一个平面上聚焦波束，然而，如果需要，波发生装置可在与上述第一平面正交的第二平面上产生波束。具有半球型的透镜(14-17)在XZ平面以如下方式产生辐射，由其焦点发出的球面波，转换为具有一致相位波前的波，而当透镜具有不同的构形时，例如带有柱状延伸的透镜(29)的球扇形透镜，会使得从半球型透镜通过的球面波产生不均匀相位波前。从上可知，在某些特殊的应用中，如果具有不同方向性的系统在彼此正交的两个不同平面上其波瓣宽度差别很大，就要使用在两个截面上构形不同的透镜；这种透镜的一个非限制例子为(30)所示的透镜。在其他的一些应用中，根据不同要求，采用的透镜既可是各种不同结构的单透镜也可用具有相同结构或不同结构的复合透镜。附图中显示的透镜是半球型的，但是这并不构成任何限制，也可以采用非球形(23)、椭圆形(21)、凹面的、凸面的、双凹面的、甚至是菲涅尔(22)透镜。重要的是，菲涅尔透镜和阶梯形透镜已知不是很适宜实际应用，这是因为它们的带宽很窄，但在这个特殊的情况下，它们能以最佳方式被采用，因为其传输带宽本身是很窄的。考虑菲涅尔透镜，根据在水平和垂直面不同的聚焦要求，在不同实施例中，可采用具有不同开口形状的类型，如直角的、椭圆形的。
在这些不同结构中，所述透镜采用不同的方向：半球型透镜，其弯月形朝向天线外部或内部；菲涅尔透镜，其阶梯形朝里或朝外的。在后一情况下有个优点是没有阴影区的出现，此阴影区会增加辐射图第二波瓣。相反地，在本天线的特定应用中，由于阶梯形而存在积累灰尘的缺陷：这就需要在系统外面采用能透过电磁辐射并且抗老化的进一步透明保护。如果所采用的透镜或透镜组由绝缘或人工绝缘材料制成，能透过电磁辐射但不抗老化的话，还需有一层类似的外保护层。在此光学装置至少由一个透镜构成的实施例中，为了得到整个光学器件的最优组合，也可以沿主发射波束的主方向移动透镜或透镜组。
偏振装置(12)只允许某一特定偏振方向的辐射通过，而阻止与其正交偏振方向的辐射通过，在无线电探测器用于远距离车辆探测情况下，还可探测在无线辐射图的主瓣和从瓣旁边的扰动辐射，这主要来源于横向，前向和反向行驶的汽车采用相同的探测系统。消除这一扰动辐射的最佳方法是旋转线偏振方向45度，这样相反方向行驶的车辆的辐射就接收不到，因为在相反行驶方向上+45度的线偏振方向变为-45度的线偏振方向，反之亦然；这样，天线的正交偏振波不能被后者接收。在另一替代实施例中，同样包括在本发明中并且同样有效，并不把线偏振方向旋转45度，而是采用圆偏振，则即使车辆是相反方向驶来，由于圆偏振方向不变，并不产生上述的效应。电磁波会聚和聚焦透镜或透镜组被安装在有合适确保保护的橡皮垫圈和抗老化座的特定壳体中。在毫米波发生腔(8)中，根据所需频率进行选择。在示例的结构中，发生腔例如由铝制成并应用精密注塑部件等制成是有利且经济的；它大致由一个金属体或座(13)制成，此金属体被调整支撑体(11)支撑；或者采用另一办法，由一金属板(26)和壳体(28)构成，通过一小孔(27)与外面连通。壳体(28)含有选频装置(24)、耿氏二极管的馈电阳极(19)和该二极管。金属体或座(13)以及法兰(26)和壳体(28)都可用钢或任何其他适于所需目的的材料制成。用于调节温度系统或补偿温度漂移的反馈系统(6)具有保持天线(5)总是恒温或至少在某一特定范围的功能。外壳(10)保护并隔离系统不受外界影响，它由一壳体和防震套(10′)构成，其壳体最好由金属制成，并通过注模工艺或其他相当工艺制作，所述防震套(10′)最好由橡胶或防震塑料等制成。
电路部分由一个稳定的电源(1)，一个用作调制器的方波或其他合适波形如正弦波，三角波，锯齿波等的发生器，和一个接收处理和分析电路(7)组成。通过采用一金属表面，使得整个聚焦平面不能透过电磁辐射，从而高于或底于网络频率的频率成分不能到达电路部分。
其馈电、调制、滤波、放大和收发电路，以及分析电路都可集成在一块小的芯片上。
尽管对本发明参照一些特殊的非限制性实施例作出说明和描述，但对本领域技术人员来说，对于所述组成部分、结构、电路、不同形状的透镜组合以及该光学装置的构成，电路结构及其部件等，显然可作出一些改动，而没有落在本发明的范围之外。
Claims (8)
1.一种通过准直和聚焦所发射的电磁波而运作的障碍物传感器，包括一个碰撞雪崩渡越时间二极管或一个耿氏二极管(9)，其特征在于：按轴向顺序，它包括：一个发生和选择由发生二极管(9)发射的波的腔体(8)一个偏振装置(12)、一个无源中间反射器和至少一个用于聚焦和会聚沿天线(5)轴向发射的电磁波的光学器件(12)；所述光学器件产生所需频率和最大功率与强度的会聚的，单极、相干电磁波；其特征还在于，由天线(5)发射的多方向的微波被聚焦和会聚成一束相干且调相的波束，由探测静止或运动的障碍物产生单向反射波或回波，由该系统探测，并且根据用作微波发生器的所述二极管的典型特性进行分析和量化。
2.如权利要求1所述的障碍物传感器，其特征在于：所述光学器件产生具有所需频率和最高功率和强度的会聚、单极、相干的电磁波；由所述天线(5)沿多方向发射的微波被聚焦和会聚成一束相干且调相的波束，由于探测静止或运动的碍物产生的单向反射波或回波被同一系统探测到，并且根据耿氏二极管当温度和能量变化时频率移动的不同特性加以分析和量化。
3.如权利要求1和2所述的障碍物传感器，其特征在于：它里面包括一个支撑和屏蔽体(11)，用来防止外界磁场的干扰，它的中间有一个底座(13)，里面包含给二极管(9)馈电的阳极(19)，且其中构成发生腔(8)；所述底座(13)还包括所述微波发生二极管(9)的阴极，而所述机体(11)和底座(13)由如下系统构成，包括一法兰(26)和一个相应壳体(28)，此壳体里面包含为上述微波发生二极管(9)馈电的阳极(19)的频率选择装置(24)，以及此二极管(9)；在上述底座里构成一腔体(8)，用于发生由所述二极管发射的所述波束，此腔体通过一个小孔(27)与外面相通。
4.如权利要求1-3所述的障碍物传感器，其特征在于：与抗干扰外壳(11)和底座(13)相连，或与法兰(26)或壳体(28)相连，设置有一个防散射空腔(25)，其中设有自动调节温度或补偿/调整电子偏移的反馈系统(6)，以及可能的电子电路连接元件。
5.如权利要求1和2所述的障碍物传感器，其特征在于：所述微波发射二极管(9)与阳极(19)相连并由其馈电，此阳极与馈电/接收系统相连；上述阳极在不同实施例中，可以只具有连接馈电给二极管(9)的作用，或者也可以纵向伸长至超过此二极管1/4波长的长度，并且中可由一个提供阳极(19)所需的适当电连接的绝缘芯子加以支撑和保护，上述的绝缘芯子位于其上部轴向限定发射腔(8)；另外，它可包括与其下柱体所需的电连接以及为此连接可以采用的金属盖。
6.如权利要求1、2和5所述的障碍物传感器，其特征在于：与发射腔(8)同轴并在其上，设置有一个中间无源反射器，它具有斜锥体形(15)或圆柱形(16)。
7.如权利要求1、2、3和6所述的障碍物传感器，其特征在于：在所述发生腔(8)的上部除了中间无源反射器(15)或(16)外，还设置有至少一个能透过电磁辐射并且抗老化的电绝缘或人工绝缘材料，用于会聚和聚焦系统沿天线(5)轴向发射的能量，此天线的纵向尺寸小于所述光学装置的焦距；上述光学装置具有半球形、球面形、椭圆形、凹面的、凸面的、双凸面的或阶梯形等形状，并且可由塑料、丙烯酸树脂、两种树脂、热固树脂、玻璃纤维强化塑料、胶质玻璃、陶瓷、石英、玻璃、聚乙烯、特氟龙等材料制成，且无论是由绝缘或人工绝缘材料制成都具有高介电常数、非常均匀致密，且不含杂质和/或异物。
8.如上面在说明书部分最后一句表达的特别保留中所述的，如实施例所示的，根据前述权利要求并为所述目的的，通过准直和聚焦发射波工作的障碍物传感器。
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