CN1646935A - 用于汽车及其它商业用途的脉冲压缩雷达系统 - Google Patents

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Abstract

基于雷达的传感器检测系统包括操作用于在输出端提供连续波信号的微波源(10)。脉冲形成器(13)被耦合到该源的输出端并操作用于在输出端提供根据目标检测的距离增加雷达系统的发射能量的可变长度脉冲。调制器(16)被耦合到脉冲形成器的输出端用以提供调制脉冲信号。被耦合到调制器输出端的发送接收开关(18)可选择地操作于第一发送位置和第二接收位置之间。当开关操作在发送位置时，被耦合到发送接收开关的发送信道(25，26，30)发送脉冲信号。当开关操作在接收位置时，被耦合到发送接收开关的接收信道接收调制器信号。第一和第二倍压器(44，45)的每一个具有用于接收在接收位置的调制器信号的本地振荡器输入端，并且每一个具有输入信号端口和输出端口。接收器信道(40，41，31)从输出端接收被反射的发送信号，且将接收信号施加到倍压器的接收信号输入端口上。被耦合到倍压器的输出端口的自相关器(47，55)相关接收信号以生成表示目标的检测及位置的输出信号。

Description

用于汽车及其它商业用途的脉冲压缩雷达系统
技术领域
本发明涉及一种特别适于作为集成电路制造的短程脉冲压缩雷达系统。
背景技术
存在对例如适用于汽车或其它商业用途的短程雷达系统的需求。该系统将能够在约0.15米至30米或之外的距离半径内感测其它移动或静止的车辆或目标的接近。现有技术中已提出了应用于汽车的雷达系统，包括将雷达用于自动刹车以及警告车辆的操作者迫近的危险或障碍物例如道路上的动物或人的系统。
除了目标距离检测之外，它还用于辨别或分析两个非常紧密接近的目标(例如在它们大约相隔15厘米远时)之间的距离。智能雷达检测系统包括数个(一个或更多)作为电磁能收发器工作的传感器。该传感器通常在规定空间区域内通过天线发送和接收规定频率和功率的电磁能。反过来，该系统接收来自该区域中任何被辐照目标的部分反射的回波信号。该传感器分析两个或更多紧密地位于被辐照区域内的目标的能力引入了高分辨率雷达(HRR)的描述名称。
现有技术也涉及一种被命名为(HRRM)的高距离分辨率的单脉冲雷达系统。例如参照由McGraw Hill公司(1990)出版的、作者为Merrill Skolnik的、题名为“雷达手册(Radar Handbook)”第二版的文章。该文章描述了包含高分辨率系统的雷达系统。可以确信的是，存在汽车雷达及用于其它商业应用的雷达的巨大的潜在市场。该应用包括，且并不限定于，自动门开门器，卫生设施，电子界限检测器或雷达警戒网，电子照相聚焦，导航设备，停车协助传感器及其许多其它潜在应用。然而，为了制造针对该市场的系统，必须提供技术解决方案即不仅仅能够以预定程度的性能操作，且也要为较低成本的传感器提供潜在的渠道。价格的削减应该能够利用规模经济和其它已建立的高批量制造技术。此外，传感器的结构必须足够灵活以提供多个操作模式从而允许根据预期的最终用途改变应用和常规要求。
现有技术意识到对低成本、高分辨率雷达的需求。参考K.V.Puglia申请的于2000年5月23日公开的名称为“用于商业及工业应用的低成本高分辨率雷达(Low Cost High Resolution Radar for Commercial and IndustrialApplications)”的美国专利No.6,067,040。该专利描述了基于低成本、高分辨率雷达的检测系统，其具有被连接至第一和第二窄脉冲调制器的脉冲重复频率发生器。系统使用了与第一窄脉冲调制器连接的发射信道且发射基于脉冲调制器载波的具有预定频率和预定间隔的发送信号。接收信道被连接至第二窄脉冲调制器。存在对第二脉冲调制器到接收信道的输出进行延迟的时延电路和混频器，该混频器将从目标反射的基于脉冲调制载波的发送信号之一的一部分与第二窄脉冲调制器的输出混频。
由Martin Reiche申请的具有优先权日1999年1月20日、号为No.WO00/43801、名称为“用于测量距目标的距离的传感器(Sensor forMeasuring a Distance from an Object)”的PCT申请描述了用于测量距目标的距离的传感器。该装置包括生成载波信号的振荡器。第一调制开关将脉冲调制到载波信号上并生成第一脉冲信号。第一脉冲信号被沿目标的方向发出。第一脉冲信号由目标反射且延迟了传播时间。位于振荡器和第一调制开关之间的功分器将载波信号发送到第二调制开关。第二调制开关将该脉冲调制到载波信号上并生成被延迟了可变延迟时间的第二脉冲信号。将第二脉冲信号的延迟与第一脉冲信号的传播时间做比较以检测传播时间并确定到目标的距离。
本发明的一个方面在于通过提供位于振荡器和功分器之间的第三调制开关来增加调制开关的通带传输损耗。由上述技术可看出，上述系统中给出的典型操作情况(operating scenario)是基于与软基片上的分布式传输线元件相结合的离散电路元件的组合。这些现有技术方案不仅导致加工公差问题而且导致损害(compromise)传感器性能的操作情况。可以理解地是，基于离散元件的传感器的设计及组装将导致相对较大的设备。由于添加每一额外的电路块相对地昂贵，传感器的功能性操作由于尺寸和交叉制约而受限。分布式传输线电路的使用对于高频率微波及毫米电路的设计来说为普通技术，但其基于一基本的假定即驻波存在于电路中。在短脉冲条件下，该假定不再为真，且将引起降低工作容限并损害传感器性能的瞬时和短期电路效应。最后，由于两个问题导致短脉冲传感器的中至长距离操作并非最适宜的。传感器从被检测目标的部分反射所接收的能量作为目标距离的四次方的反比例函数而变化。当距离增加时，传感器检测目标的能力作为入射到目标上的、和从目标反射的大幅减少的能量的函数而迅速地减少。通常，有两个限制限定了可由传感器发送的能量(功率)总量：在两个目标之间辨别(射程辨别)的能力是脉冲雷达系统中脉冲长度和CW雷达系统中的线性调频(chirp)或频率调制带宽的函数。更长的脉冲长度增加了由传感器发送的能量，而传感器辨别紧密定位的目标的能力随之减少。而且，不能为了保持无模糊距离测量的需要而不加选择地减小脉冲之间的间隔(或脉冲重复频率(p.r.f))以增加要发送的能量。此外，传感器易受到频带内(in-band)干扰源的影响，该干扰源在与传感器相同的电磁频谱部分生成并发送电磁能。干涉源的形式包括其它系统的CW或脉冲调制(pulsed)的CW发射，来自以相同或类似目的操作的第二传感器或传感器系统的相互干扰，由于发送和接收端口天线的不完美隔离引起的自-干扰，和宽频带热噪声。
从而，可以轻易地理解，这些问题在用于例如汽车工业的传感器设备时将更多。例如，单一条公路上的数以百计的汽车可能会同时都产生并接收工作在相同雷达射程或相似频带内的信号。
发明内容
根据本发明的一个方面，引入增加在更远的射程内的传感器的发送能量的可变长度脉冲。短间隔相位编码在扩展的发送脉冲上的叠加被用于保持用于更长脉冲间隔情况的传感器的所需距离分辨率。相位编码在增加传感器对其它源的抗干扰性方面也有用。此外，通过使得特定的相位编码作为距离的函数可变，可以增加传感器的p.r.f，而不损害距离模糊度。其它补充或增强该处理的电路功能包括不仅随着时间而且作为在监测下的距离选通的函数改变发送序列的脉冲重复频率，将频率调制添加至传感器内的本地振荡器和用于控制和改变任何情况下由传感器发送的能量总量的可变增益放大器。传感器的接收器包括两步预检测合成处理以确保传感器所捕获的反射能量在给定的瞬间尽可能大以最大化正确检测判定的可能性。
可以着手于根据本发明的传感器的增加的功能性，并同时考虑到可制造性以及成本的问题。体现本发明一个方面的系统将电路功能合并入单个收发器集成电路(IC)或者包含单独的发送器和接收器IC的双IC芯片组或其结合中。集成电路工序的高集成能力允许几个电路功能紧密接近地位于单个芯片上。此外，减小的电路尺寸和元件之间相互连接距离允许电路使用常规的模拟和集总电路原理来设计。该技术消除了对于短脉冲瞬时条件下不理想的分布式电路设计的需要。该电路优选地使用平衡电路配置来设计以最大化公共模式噪声抑制，尽管单端(single-ended)的电路设计也是可能的。适宜于完成增强操作和增加的电路密度的集成电路工序为硅锗(SiGe)工序，它不仅包括双极晶体管而且包括作为同一电路的一部分的CMOS晶体管(BiCMOS)。其它被认为有用的合适技术为仅仅包括双极的SiGe工序；和III-V工序例如基于GaAs或InP的MESFETs，pHEMTs，或HBT设备。可以理解，由于该系统的结构且由于使用可变脉冲长度实现该系统的方式，故该集成电路技术可以被使用，其中该可变脉冲长度基本上增加了在较长的射程中的传感器的发送能量。
一种适用于汽车以及其它短程商业应用的短程雷达系统，用于感测在从大约0.1米至约30米和以上的半径内车辆或目标的接近程度。
本发明的一个方面在用于短程雷达系统的系统结构中体现，该短程雷达系统能够利用常规的集成电路技术而实现。
本发明进一步的方面在于对可变长度相位编码的使用，该可变长度相位编码的编码长度可以作为距离的函数变化、以提供对干扰源的增强的抗干扰性；在于发送具有短相位编码的较长脉冲以保持短程辨别力的能力，以及在于使用可变长度编码作为与常规雷达传感器相比保持相对较高的p.r.f的手段且同时仍保持较高的无模糊距离的能力。
附图说明
图1为根据本发明的一个方面的脉冲编码、脉冲压缩雷达传感器的方块图。
图2为根据本发明的一个方面的用于提供单个天线的发送/接收(T/R)开关的另一实施例的简图。
图3A至3D示出了一系列的时序图以及波形，包括解释如图1所描绘的脉冲编码、脉冲压缩雷达传感器系统的操作所需的表格。
图4为用于根据本发明的一个方面的雷达传感器的典型集成电路布局的顶视图。
图5为示出了当由传感器发送的脉冲长度作为距离的函数增加时，叠加在脉冲上的相位码如何也发生变化的例子的图表。
具体实施方式
参考附图1，示出了根据本发明的一个方面的高分辨率雷达(HRR)的传感器结构。典型雷达传感器操作的一般原理为目标检测、位置和速度测量的一般原理。在典型雷达中，载波信号通过天线从传感器发送。天线可以为固定的，或可操纵的，其中射束的焦点可以通过电子的或机械的控制动态地改变。在图1中，给出了分离的发送天线(TX)30和接收天线(RX)31。邻近发送天线的为标记为TX以表示被发送的信号的箭头。类似地，在接收天线31处有被标记为RX的表示接收信号的箭头。因此，可以使用分离的天线用于发送和接收，但是也可以通过添加额外的开关元件使用单个天线进行发送和接收操作而不改变所述发明的原理。
被发送的信号TX从发送和接收天线的平面或从传感器的平面由在距离R处的目标35部分地反射。
发送操作如下。如附图1所示，微波源或振荡器10生成为连续波(CW)信号的载波信号。该CW信号可以为自由振荡的，或频率或相位锁定到外部基准振荡器。微波源10通常工作在4-8GHz(吉赫兹)的C-频段范围或8-12GHz，18-25GHz或更高频率的X-频段范围。辨别0.15m(米)距离的能力需要具有宽度至少2GHz的频谱特性的信号，该信号可以通过‘线性调频(chirping)’或调制在2GHz频率范围内的CW信号，或通过具有0.5nS(十亿分之一秒)或更短间隔的脉冲获得。从而，发送器发送脉冲，每一脉冲持续处于上述的C或X-频段或其它频率频段工作的频率的持续数个频率周期。这将被举例说明，例如在附图3A的下面的波形中。微波源也被耦合至FM调制和频率校正模块11。由微波源10发射的载波信号的频率可以通过应用叠加在载波频率上的短间隔调制信号而改变。该短间隔调制信号由FM调制模块11生成。频率校正可以为控制电压的某种形式并可以通过使用前述的频率或相位锁定技术而实现，所述控制电压将振荡器的频率稳定在作为温度或其它变化环境源的函数的特定频率范围内。这种操作可通过电压控制调谐端口与微波振荡器10相关联地实现。振荡器的这种电压控制已为大家熟知且标准技术是使用可变电抗设备，由此微波源10的频率偏离与所施加的DC或AC控制信号的幅度成比例。这种振荡器有时被称为电压控制振荡器(VCO)。可被用作微波源的电压控制振荡器的许多已熟知的例子包括变容二极管或其它可变可控电抗设备的使用。FM调制模块11提供对微波源10的校正且被用于改变和补偿作为外部影响例如温度，电源变化或其它可变参数的函数的源频率中的变化。用于根据温度变化等等稳定微波源10的输出频率的技术也已为大家熟知。微波源10的输出端被耦合到缓冲放大器12的输入端。缓冲放大器12的输入端被耦合到振荡器10的信号输出端用以将振荡器从作为切换瞬时现象的函数的输出负载网络的变化中隔离开。放大器12可以提供导致放大器输出端载波信号大小的增加的增益。放大器12的主要功能为减少频率牵引(pulling)效应。频率牵引是一种振荡器在负载网络的幅度和/或相位变化时经受的效应。振荡器10提供连续波(CW)输出载波信号。该用于目标检测的载波信号(被发送的脉冲)通过使用脉冲形成网络或脉冲形成器13选通振荡器或CW载波信号预定量的时间而形成。附图1中示出脉冲形成器13，作为组成吸收性单刀单掷(SPST)开关，或单刀双掷(SPDT)开关的两端或三端开关网络的理想实现方式。两个被选臂之一(3)端接匹配的或耗能负载14。开关的通常状况是处于放大器12的输出端被耦合和导向到耗能负载或电阻器14的状态。以这种方式，端子1或脉冲形成器的输入端被连接到端子3，端子3连接到耗能负载14。脉冲形成器13被选通以将能量导向理想开关的位置2，作为发送脉冲间隔的函数，和作为距离选通时延的函数。因此，可以看到存在被耦合到脉冲形成器13并根据期望的操作控制脉冲形成器的状态的开关驱动器模块15。
当脉冲形成器13的输入端1被连接至位置3时，接着缓冲放大器12的输出端通过耗能负载14分流接地。当开关驱动器15控制脉冲形成器13以使开关输入端1被连接至输出端2时，来自缓冲放大器12的输出信号被导向至双相调制器16的输入端。脉冲形成器开关13可以通过许多已知的电路配置实现。场效应晶体管(FET)开关已为大家熟知且大规模的集成技术利用了如在开关以及双极晶体管，PIN二极管，和许多其它设备中所使用的MOS硅选通晶体管所提供的许多可能性。
在脉冲形成过程中，在缓冲放大器12输出端生成的CW振荡器10输出被连接至由位置2所指示的脉冲形成器的输出路径，其长度与所生成的脉冲长度相称。脉冲长度由开关驱动器15所生成的适当控制信号所确定且为由传感器所考虑的距离R和由双相位调制器16所叠加的特定相位码的长度的函数。
存在两个由开关驱动器15执行的不同的功能。第一个功能为通过在端口2和3之间选通CW源信号来控制载波脉冲的宽度。开关驱动器15的第二个功能为确定生成脉冲式样之间的周期(即脉冲重复频率或p.r.f)。如将被理解的，传感器向位于距离R的目标35处以由脉冲重复频率所确定的频率发送多个脉冲。该频率可以动态地变化以有助于减少来自操作在类似载波频率下的其它传感器和源的互干扰的影响。脉冲重复频率被定义为由传感器发送的两个脉冲之间的脉间间隔。当相同的微波源10和脉冲形成网络13也被用于形成接收器的本地振荡器(LO)功能时，开关驱动器15额外地被用于在发射脉冲的发送期间不时地选通来自脉冲形成器13的脉冲。
双相调制器16由调制驱动器17控制。相位翻转的数量及其它们相对未经调制脉冲的极性由调制驱动器17确定。双相调制器16的输出被导向至标记为TX/RX开关或发送/接收选择开关的开关18的输入。曾经形成的发送脉冲便呈现以微波源10的CW载波频率为中心的宽带频域信号的特性。从而输出信号脉冲具有傅立叶变换，其包括载波频率处的中心频率和在1/τ，τ级展开的傅立叶分量，其中τ为脉冲宽度。所生成的脉冲的性质将结合附图3被进一步地描述。如上所述的发送脉冲被导向至相位调制网络16的输入，该相位调制网络16操作以将单个或序列的相位反转叠加在载波脉冲上。这通过使脉冲通过双相调制器16实现。调制器16或者保持脉冲信号的已有相位，或者将相位反相180。如所述该操作在调制驱动器17的控制之下。无论所叠加的相位条件如何脉冲的振幅特征理想地保持相同。对于作为其中接收脉冲的特征与本地所生成的发送信号的复制信号作比较的理想相关接收器的传感器来说，重要的是在原始发送脉冲和用于接收功能的复制脉冲之间由电路所引入的任何失真是共同的(尽可能的是共同的)。
如所示，相对于未调制脉冲的相位翻转和极性翻转的数量由调制驱动器17来确定。这是脉冲长度的函数，而脉冲长度本身在任何给定的瞬间为传感器的目标检测距离R的函数。每一相位翻转的长度等于来自脉冲形成网络13的可用最短脉冲及其倍数。特别地，来自脉冲形成网络13的典型可用的标称(最短)脉冲间隔或长度近似为400pS(兆分之一秒)，其可以被认为是单个脉冲以及传感器操作的最基本模式。最短脉冲的特定长度没必要为400pS，但其取决于，并且为传感器期望的所需距离分辨率的函数。传感器发送单片脉冲(single chip pulses)而对于近距离操作例如少于10米的距离不增加相位调制。400pS脉冲的相关距离分辨率近似为12厘米。
脉冲压缩处理允许雷达传感器使用更长的脉冲以增加辐射的能量，且同时保持短脉冲的距离分辨率。所使用的脉冲压缩的更具体的形式采用了标记为间隔T的碎片(chip)的长脉冲并且将其划分为N个长度为τ的子脉冲。接着每一子脉冲的相位被选为0或π弧度。脉冲格式以及其它方面如附图3所示且接下来将得到解释。尽管子脉冲相位的选择不管为0还是为π是随机进行的，但是一些序列对于特定雷达应用来说更加适宜。一个判别序列质量的标准为通过访问序列的自相关函数的时间旁瓣电平。需要的是当与自相关函数的峰值作比较时该序列的时间旁瓣电平应该是相等的并且为最小电平。尽管可以使用任何处理适当的自相关函数的函数，一个这种序列已知为Barker码序列。相关于碎片长度(子脉冲的数量)和序列的适当相位编码的这些时间旁瓣的值如附图3中所示。
从而，当以不同的操作模式操作时，雷达传感器对于近程距离处的目标可以发送包含码长度等于1(脉冲长度τ)的单个子脉冲的碎片，并且逐渐地增加碎片的长度(码长度)以包含7、11或13个子脉冲(导致7τ、11τ或13τ的总脉冲长度)。该碎片长度的增加将在雷达射程增加的时候出现。这可以通过对脉冲形成器和调制驱动器的控制自动完成。说明了脉冲长度及其相应的相位码如何可以作为距离的函数被改变的例子的附图5中的图表示出了长度为τ、3τ、5τ、7τ、11τ、13τ的相位码的一个序列，尽管它的其它结合也是可能的。
关于实现脉冲压缩雷达的一个考虑为接收器提供响应于接收信号的匹配滤波器。其被需要从而在最大化接收器中有效信号与噪声比的同时，扩展信号可以被压缩并且适当的信息可以被恢复。一种用于实现匹配滤波器接收器的技术为配备一个相关器作为用于将载波频率接收信号下变频到基带表示的转换机构。匹配滤波器经常被定义为一种其频域内的脉冲响应为接收信号的复共轭表示的结构。匹配滤波器的时域等价物为相关处理，由此接收信号与其自身的时延形式相乘且乘积的输出在特定的时间或预定的时间段内被积分。因此，被用于发送路径中发送脉冲的生成的同一网络也被使用在接收处理或接收路径中。
如附图1所示，双相位调制器的输出被导向至发送位置(已关闭)中所示的TX/RX选择开关18的输入。开关18进一步被开关驱动器28所控制。开关驱动器28生成取决于距离选通的时延。在发送过程中，开关18连接至输出放大器25和26。输出放大器26可以被耦合到可变增益控制器27且放大器26的输出被耦合到发送天线30。在放大器26的输出端所生成的信号为被发送的信号，其如所标记的，由在距离R处的目标35部分地反射。如上所述，在发送路径操作期间，开关18被连接至输出放大器25和26且被发送的脉冲在幅度级别上增加且由发送天线30发射。被发送脉冲的放大当然是由于输出放大器25和26的增益或功率增益。施加在发送脉冲上的放大量可以通过调整可变增益控制27来控制，其也是大家熟知的技术。从而放大器26的输出增益可以通过可变增益电路27来控制。如所述的，开关18操作被包括取决于距离选通的时延的开关驱动器28控制。在发送过程期间，开关18被连接至输出放大器25和26，然而在接收模式期间，开关(标以虚线的)将相位调制器16的输出连接至接收路径。开关驱动器28将双相调制器16的输出连接至接收路径，即通过本地振荡器(LO)信号被施加到倍压器或混频器44和45上。复制以适当相位调制发送的最后一个脉冲的第二脉冲被形成且被耦合到合并入接收路径的倍压器44和45的本地振荡器端口。接收天线31接收来自目标35的反射信号。该信号被传递至输入低噪声放大器40和41且在其中被放大。输入放大器当然为大家所熟知的低噪声放大器设备。来自双相调制器16和发送/接收开关18的输出通过使用任一熟知的功率分配技术划分为两个相同的部分。现在第一部分被连接至移相器43的输入以及标记为44的第一倍压器的LO输入。移相器的输出被连接至第二倍压器45的LO输入。对每一倍压器的输入源于低噪声放大器41的输出，其实质上为放大的接收信号。使用两个倍压器44和45从而一个提供同相或I信号且另一个提供正交或Q信号。正交LO驱动源于来自双相调制器16的LO脉冲信号，且在载波频率处将信号延迟90°。该延迟由移相器43完成用于倍压器45。
每一倍压器44和45的输出与各个集成电路47和48相连接。集成电路可以包括电容或其它存储设备并基本上对于由放大器41的输出端提供的接收信号进行部分的自相关功能。接着，被恢复的信号信息通过多普勒滤波器49和50滤波以生成仅为基带的信号。接着这些来自滤波器50和51的信号被导向至由采样电路51所操作的输入开关52和53。被滤波后的恢复信号信息被切换，其也被称为积分和转储(dump)处理，并且切换输出被施加在第二积分器53和55上。积分器53和55分别被称为I信道输出和Q信道输出。
用于控制开关的采样器51，以脉冲重复频率速度打开或关闭开关52和54。开关54的通常状态为打开的从而多普勒滤波器49和50与第二级积分器53和55之间没有连接。接着在检测判决做出之前，通过使用第二级积分处理集中来自数个脉冲的积累信息。雷达传感器充分操作的能力通过使用相位编码、脉冲压缩方案得到加强，该方案通过利用集成电路解决方案的增强的集成和功能性能力成为可能。
如上所述，同样的微波源和脉冲形成网络也被用于执行接收器的本地振荡器(LO)功能。倍压器45和44通过发送接收开关18接收来自双相调制器的实际输出。当然该输出来源于微波源10且为本地振荡器信号。开关驱动器15另外被用于在发送发射脉冲期间不时选通来自脉冲形成器的脉冲。该第二操作以可变的速率出现且与到达被考虑的距离R处目标35的电磁脉冲的返回射程时间相称。该传感器以延迟在数个脉冲期间内保持不变的模式操作，由此允许传感器通过多个脉冲监视特定的距离特定长的时间。可选择地，延迟可以作为相应于传感器扫描连续不同距离以寻找目标或动态地追踪移动目标的时间的函数变化。当然，可以理解的是，数字脉冲压缩技术通常不仅使用滤波生成而且使用雷达波形的匹配滤波。例如，Barker码，其表示专门的二进制码类别，已知被使用。自相关函数的峰值为N且最小峰值旁瓣的大小为1，其中N为确定码长度的子脉冲的数量。要获得额外的信息，读者可以翻至“雷达手册”10到17及以下的页(第二版，1990)，其中讨论了脉冲压缩雷达中的Barker码。
参考附图3A，给出了描述根据本发明的一个方面的脉冲序列的一个相位编码的图表。如所示的，脉冲可以在a+1和-1级(+，-)之间变化。这相应于脉冲序列期间一定数量载波信号的有限传输。因此，例如，如附图3A所示，微波源10由附图3A的波形60表示。微波源的频率等于正弦波的一个周期。被耦合到缓冲放大器12的微波振荡器10，由如上所述的脉冲形成器模块13修正。开关驱动器15产生信号60。因此该信号66控制微波振荡器的传输周期数且基本上为在脉冲形成器13(端子2)输出端的信号。开关驱动器的输出为如附图3A所示的信号66。
附图3A给出了被放大的时基，描述了脉冲长度N，表示也可包括2至7和13的11个单元Barker码的子脉冲(碎片)长度τ。如众所周知的，为了得到最佳二进制码且取决于码N的长度，现在可以确定最小峰值旁瓣的大小。附图3C中的表格示出了码N的长度，接着在第二栏给出了码序列且接着给出了以分贝(-db)为单位的峰值旁瓣比。从而，对于长度为2的N，峰值旁瓣比为6。对于长度为7的N，峰值旁瓣比为16.9。已知的Barker码为具有一个最小峰值旁瓣的码。就目前所了解的，没有大于13的Barker码。因此，使用这些Barker码的压缩雷达通常被限定为最大压缩比率为13。
附图3D给出了距离筐(range bin)对自相关的函数曲线且指示子脉冲(碎片)长度τ的效果。可以看出，自相关在距离筐期间实质上增加，因此自相关可以被轻易地实现。基本上，相关性处理基于两个波形的时间卷积的频谱等于这些信号频谱的乘积的原理操作。相同距离的采样必须由一个相关处理器提供，快速傅立叶变换(FFT)的采样数量应该等于N+参考波形中采样的数量。这些增加的N个采样在参考波形FFT中被填零。为了扩展距离的覆盖范围，需要具有在相邻操作之间N个采样的距离延迟的重复相关性操作。该系统的使用脉冲编码以实现脉冲压缩方案的整个方面使得集成电路工序极其地简单且非常便于使用。如上所述，雷达系统功能上的增长通过允许将如附图1所描述的电路功能合并入或单个收发器集成电路(IC)或包含单独的发送器和接收器IC的双IC芯片组，或任何这种功能的适当结合中、来顾及到便宜的制造以及成本的问题。集成电路工序的高集成能力允许所有在附图1所描述的电路功能可以紧密接近地位于单一芯片上。此外，在元件之间相互连接距离上减少的电路尺寸允许电路使用常规模拟和集总电路原理来设计。这将排除了对不适用于短脉冲瞬时条件的分布式电路设计的需要。
如所述的，电路更适宜使用平衡电路配置以最大化通常模式噪声抑制。然而单端(sigle ended)的电路设计也被考虑。适宜于完成包括电路密度的增强操作的集成电路工序为硅锗(SiGe)工序，它不仅包括双极晶体管而且包括作为同一电路的一部分的CMOS晶体管。其它也被认为有用的技术有仅包括双极的硅锗工序和基于MESFETs以及pHEMTs或HBT设备的镓砷(GaAs)工序。因此，用于实现如附图1所示的设备的电路是可用的且为大家所熟知。例如，MOS设备已经被用于提供切换技术、调制器、振荡器、放大器、乘法器、积分器以及滤波器。
参考附图2，如上所述，给出了使用单个天线70同时作为发送和接收天线的替换实施例的简图。开关71和72在(TX)发送位置如附图2所示。该如附图2所示的位置明确了放大器26(附图1)的输出被耦合到输入端75。该输出将被直接地发送至公用天线70。在接收模式期间，开关71和72在虚线位置操作而天线70现在被耦合到低噪声放大器40的输入。如所示出的，放大器41的输出结合附图1，连接到倍压器44和45，如所示出的。注意到开关71和72也可以被单独的控制装置或也能控制例如模块11、15、17、28和27的处理器控制。当然，可以理解地是，每一如上所述的模块可以通过中央处理单元控制，或能被内部定时程序所控制。
参考附图4，示出了用于在单个收发器集成电路(IC)中的集成电路的典型布局。可以理解的是该芯片也可以作为单独的发送和接收IC而实现。本质上，整个芯片被构造在通常为半导体晶片例如硅、锗、或硅和锗的结合物，锗砷，或其它半导体材料的晶片70上。如附图1所述的模块可以通过可用的常规半导体电路来实现。该实现可以包括FET设备，以及Schottky二极管，PIN二极管和其它微波设备。这些设备可以使用控制脉冲来切换。许多电路也可以使用CMOS倒相器技术来实现。要指出的是，上述系统包括工作在4至8GHz或其它适当微波频率下的微波源或振荡器。微波振荡器71可以使用许多不同的设备制造，包括双极或场效应晶体管以及基于耿氏效应的(Gunn)设备。与微波源(图1的附图标记10)相关的调制器72(图1的附图标记11)位于源上面引起最小的干扰量的区域。可以确信地是，如附图1中所描述的项目在基片70上给出并被标记以显示例如，典型的布局。也注意到接收和发送天线表示标准天线阵列且不一定为IC的一部分，而可以为独立的天线结构或IC设备。尽管为任何雷达传感器的基本部分，天线结构可以不被包含在IC上而为更大组件的一部分。
芯片70包含发送天线耦合器或路径80和接收天线耦合器或路径81。位于基片70上的还有附图2中的天线开关82。天线开关82如附图2所示操作。其它元件，例如倍压器示出为附图标记85(附图1中的44和45)。发送开关85一般位于芯片的中央区域以减少干扰。如所述的，附图1中所示的放大器，滤波器，开关和其它设备可以使用FETS或其它设备实现。例如，参照1985年由IEEE出版社出版，Robert A.Pucel编辑的名称为“单块微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuits)”的文章。还可参照由IEEE出版社(2001)出版的Robert J.Weber所著名称为“微波电路介绍(Introduction to Microwave Circuits)”的文章。两个文章都给出了在振荡器，放大器，发送/接收模块和包含低噪声放大器或其它设备的电路中的电路应用。本领域技术人员将理解并认识到有许多的电路配置可被使用。当然也可以理解，附图4实质上为集成电路的放大表示且该电路例如在毫米范围内极其小。
而且附图4还示出了处理器模块87，用于控制多个驱动器或开关的切换或驱动以改变定时关系或进一步确保切换发生在期望的间隔。对于本领域技术人员如何选择间隔是显而易见，正如很清楚相关于脉冲长度和脉冲数量提供的碎片为雷达距离的函数。又如附图4所示，接收器信道或路径基本上被限定于芯片的底部，且发送器信道或路径被限定在芯片的顶部。应理解可以实现两个单独的芯片，以及上述的单个芯片。两个芯片可以使用例如不同的技术被构造在不同晶片上。例如某些元件可以被构造为用于更高功率发送碎片的镓砷成分，而硅构造可以被提供给低功率模块。
附图5是示出由传感器所发送的脉冲长度如何作为距离的函数增长的例子的图表。由附图5中可以看出，被叠加在脉冲上的相位码也可以被改变。因此在附图5中，距离被作为X轴以米显示，而脉冲宽度以及码长度，在Y轴上显示。
因此用于高分辨率雷达系统的发送器包括用于在输出端以预定频率提供连续波信号的微波振荡器，和具有被耦合到振荡器输出的输入的脉冲形成器和第一及第二可切换输出，由此振荡器信号可以根据施加在脉冲形成器控制端上的控制信号被施加在任一输出上。具有被耦合到脉冲形成器控制端的输出的开关驱动器、可操作以选择性地切换在第一和第二输出之间的脉冲形成器的输出、以在第一输出端提供包含数个表示期望的脉冲-脉冲间隔的振荡周期并且根据距离选通时延选择的脉冲。双相调制器具有被耦合到脉冲形成器第一输出的输入以在输出端提供双相调制信号。被耦合到双相调制器的输出的天线根据所选目标距离发送双相调制信号。
进一步地，用于具有发送相位编码脉冲压缩信号的发送器的这种类型的高分辨率雷达的接收器包括接收天线，该接收天线能够接收来自被放置得阻碍发送信号并拦截到达接收器天线的信号的一部分的目标的反射信号以在输出端提供信号。每一第一和第二倍压器具有本地振荡器输入端口和接收信号输入端口且每一个具有输出端口，其中接收天线输出被耦合到第一和第二倍压器的接收器输入端口。与发送器信号同步的微波振荡器在输出端以预定频率提供连续波。脉冲形成器具有耦合到振荡器输出的输入和第一及第二可切换输出，由此振荡器信号可以根据施加在脉冲形成器控制端上的控制信号被施加在任一输出上。开关驱动器具有被耦合到脉冲形成器控制端的输出并且可操作以在第一和第二输出之间可选择地切换脉冲形成器的输出、以在第一输出端提供包含数个表示期望的脉冲-脉冲间隔的振荡周期并且根据距离选通时延被选择的脉冲。双相调制器具有被耦合到脉冲形成器的第一输出以在输出端提供双相调制信号的输入，和具有被耦合到双相调制器的输出的输入以在输出端提供移相信号的移相器，该移相器的输出被耦合到第一倍压器的本地振荡器输入端口。双相调制器的输出被直接耦合到第二倍压器的本地振荡器输入端口，并且第一调制器的输出端口提供在正交输出(Q)信号及第二倍压器的输出端口提供同相(I)输出信号。响应于来自倍压器的I和Q信号的自相关器处理用于提供表示目标的存在以及距离的检测信号的信号。
更进一步的是，基于雷达的传感器检测系统包括操作用于在输出端提供连续波的微波源。脉冲形成器被耦合到该源的输出且操作用于在输出端提供根据目标检测的距离增加雷达系统的发送能量的可变长度脉冲。调制器被耦合到脉冲形成器的输出以提供调制脉冲信号。被耦合到调制器输出的发送接收开关在第一发送位置和第二接收位置之间有选择地被操作。当开关被操作在发送位置时，被耦合到发送接收开关的发送信道发送脉冲信号。当开关被操作在接收位置时，被耦合到发送接收开关的接收信道接收调制器信号。每一第一和第二倍压器具有用于在接收位置接收调制器信号的本地振荡器输入，且每一个具有输入信号端口以及输出端口。接收器信道由输出接收被反射的发射信号且将被接收信号施加到倍压器的接收信号输入端口。被耦合到倍压器输出端口的自相关器将接收信号自相关以生成表示目标的检测和位置的输出信号。
因此，提供可变长度脉冲的雷达系统在更长的射程上增加了传感器发送部分的发送能量。在扩展发送脉冲上叠加有短间隔相位编码，其被用于在更长的脉冲间隔的情况下保持期望的传感器距离分辨率。相位编码也被用于增加传感器对来自其它源的干扰的抗干扰性。施加在发送脉冲上的相位编码可以作为射程或距离的函数被改变以提供进一步的抗扰性且允许比通常p.r.f更高的雷达的p.r.f同时保持适当的无模糊距离。其它补充和增强该处理的电路功能包括改变发送序列的脉冲重复频率，添加频率调制到传感器内的本地振荡器和可变增益放大器以控制和改变由传感器在任何情况下所发送的能量的总量。传感器的接收器部分使用两步预检测合成处理以确保由传感器所捕获的反射能量在给定的瞬间尽可能地大以最大化正确检测判断的可能性。着手于增加传感器的功能同时考虑到低成本制造和简单操作的问题。因此，可以将某些功能合并至单个收发器集成电路(IC)或包含单独的发送器和接收器的双IC芯片组中。集成电路工序的高集成能力允许几个电路功能紧密接近地位于单一芯片上。
虽然已经参考上述实施例描述了在前的发明，然而在不脱离发明精神的情况下可以做出各种修正和变化。相应地，所有的这种修正和变化被认为在权利要求书的范围之内。

Claims (20)

1、一种用于高分辨率雷达系统的发送器，包括
微波振荡器，用于在输出端提供预定频率的连续波信号；
脉冲形成器，具有被耦合到所述振荡器的所述输出的输入和第一及第二可切换输出，由此所述振荡器信号根据被施加到所述脉冲形成器的控制端的控制信号可以被施加到任一输出，
开关驱动器，具有被耦合到所述脉冲形成器的所述控制端的输出，并且操作用于可选择地在所述第一和第二输出之间切换所述脉冲形成器的输出、以在所述第一输出端提供包含表示期望的脉冲至脉冲间隔的数个所述振荡器周期并且根据距离选通时延被选择的脉冲，
双相调制器，具有被耦合到所述脉冲形成器的所述第一输出的输入以在输出端提供双相调制信号，和
天线，被耦合至所述双相调制器的所述输出以根据所选择的目标距离发送所述双相调制信号。
2、如权利要求1的发送器，进一步包括：
放大器，具有被耦合至所述相位调制器的输出的输入和被耦合到所述天线的输出、所述放大器具有增益控制输入，
可变增益控制电路，被耦合到所述放大器的所述增益控制输入，用于改变所述放大器的增益及由此改变被发送信号的幅度。
3、如权利要求2的发送器，进一步包括：
调制驱动器，被耦合到所述调制器，用于控制所述调制器的反相数量作为所述被选择目标距离的函数。
4、如权利要求1的发送器，进一步包括：
耗能负载，被耦合到所述脉冲形成器的所述第二可切换输出，用于当所述脉冲形成器被切换至所述第二输出时耗散所述振荡器信号。
5、如权利要求1的发送器，进一步包括：
FM调制电路，被耦合到所述振荡器，用于沿补偿温度的变化或电源改变的方向改变所述振荡器信号的频率。
6、如权利要求1的发送器，其中所述振荡器，脉冲形成器，开关驱动器，双相调制器和天线被构造在公共基片上以提供发送器集成电路(IC)。
7、一种用于具有发送相位编码脉冲压缩信号的发送器的类型的高分辨率雷达的接收器，包括：
接收天线，能够接收来自被放置得阻碍所述发送信号并拦截到达所述接收器天线的所述信号的一部分的目标的反射信号、以在输出端提供信号；
第一和第二倍压器，每一个具有本地振荡器输入端口和接收信号输入端口且每一个具有输出端口；
所述接收天线输出，被耦合到所述第一和第二倍压器的所述接收器输入端口；
微波振荡器，与所述发送器信号同步、以在输出端提供预定频率的连续波信号；
脉冲形成器，具有被耦合到所述振荡器的所述输出的输入和第一及第二可切换输出，由此所述振荡器信号可以根据被施加到所述脉冲形成器的控制端的控制信号被施加到任一输出；
开关驱动器，具有被耦合到所述脉冲形成器的所述控制端的输出，并且操作用于可选择地在所述第一和第二输出之间切换所述脉冲形成器的输出、以在所述第一输出端提供包含表示期望的脉冲至脉冲间隔的数个所述振荡器周期并且根据距离选通时延被选择的脉冲；
双相调制器，具有被耦合到所述脉冲形成器的所述第一输出的输入以在输出端提供双相调制信号；
移相器，具有被耦合到所述双相调制器的所述输出的输入以在输出端提供移相信号，该移相器的所述输出被耦合到所述第一倍压器的本地振荡器输入端口，所述双相调制器的所述输出被直接耦合到所述第二倍压器的所述本地振荡器输入端口，所述第一调制器的所述输出端口提供正交输出(Q)信号及所述第二倍压器的所述输出端口提供同相(I)输出信号；
自相关器，响应于来自所述倍压器的I和Q信号处理所述信号、用于提供表示所述目标的存在以及距离的检测信号。
8、如权利要求7的接收器，进一步包括：
第一和第二积分器，每一个具有输入端和输出端，所述第一积分器的输入端被耦合到所述第一倍压器的输出端，所述第二积分器的输入端被耦合到所述第二倍压器的输出端，
第一和第二多普勒滤波器，每一个具有输入端和输出端，且所述第一滤波器的输入端被耦合到所述第一积分器的输出端以及所述第二滤波器的输入端被耦合到所述第二积分器的输出端，
所述多普勒滤波器的输出端被耦合到切换电路的输入端，该切换电路以脉冲重复速率切换以提供表示与所述目标有关的信息的输出信号。
9、一种基于雷达的传感器检测系统，包括：
微波源，操作用于在输出端提供连续波信号，
脉冲形成器，被耦合到所述源的所述输出端且操作用于在输出端提供根据目标检测的距离增加所述雷达系统的发送能量的可变长度脉冲，
调制器，被耦合到所述脉冲形成器的所述输出端，用于在输出端提供调制脉冲信号，
发送接收开关，被耦合到所述调制器的输出端，且可选择地操作于第一发送位置和第二接收位置之间，
发送信道，被耦合到所述发送接收开关，用于当所述开关操作在所述发送位置时，发送所述脉冲信号，
接收信道，被耦合到所述发送接收开关，用于当所述开关操作在所述接收位置时，接收所述调制器信号，
第一和第二倍压器，每一个具有本地振荡器输入端用于接收在所述接收位置处的所述调制器信号，并且每一个具有输入信号端口和输出端口，
接收器信道，用于从输出端接收被反射的发送信号且将所述接收信号施加到所述倍压器的所述接收信号输入端口上，
自相关器，被耦合到所述倍压器的所述输出端口以用于相关所述接收信号以生成表示所述目标的检测和位置的输出信号。
10、如权利要求9的系统，其中所述调制器为双相调制器，用于提供一个相位反转序列作为表示所述目标检测距离的所要求脉冲长度的函数。
11、如权利要求9的系统，其中所述脉冲形成器包括操作用于选通所述被施加的振荡器信号的开关驱动器。
12、如权利要求9的系统，进一步包括单个天线，被耦合到所述天线的开关且操作于发送位置和接收位置之间，其中所述发送位置被耦合到所述发送信道且所述接收位置被耦合到所述接收信道，所述开关操作于所述位置之间以将所述单个天线不仅用于发送而且用于接收操作。
13、如权利要求9的系统，其中所述可变长度脉冲包括碎片，该碎片包括用于近范围距离目标的单个子脉冲并随着范围距离的增加，包括7、11或13个子脉冲的长度增加的碎片。
14、如权利要求12的系统，进一步包括开关驱动器，被耦合到所述发送接收开关，用于根据作为目标的范围距离的函数的时延控制所述接收和发送位置之间的切换。
15、如权利要求9的系统，其中所述接收信道提供响应于所述接收信号的匹配滤波器。
16、如权利要求15的系统，其中所述匹配滤波器响应具有为接收信号的复共轭表示的频域内的脉冲响应。
17、如权利要求9的系统，其中所述发送信道包括具有被耦合到所述发送接收器开关的发送位置的输入端和被耦合到发送天线的输出端的输出放大器，所述放大器具有用于控制发送脉冲信号幅度的可变增益控制。
18、如权利要求9的系统，其中所述脉冲形成器包括一操作于第一位置和第二位置之间的开关，该第一位置将所述微波源输出端耦合到所述调制器，并且该第二位置将所述微波源输出端耦合到耗能负载以将在所述第二位置的所述微波信号导向所述负载，
调制器驱动器，被耦合到所述开关，操作用于在所述第一和第二位置之间控制所述开关。
19、如权利要求10的系统，其中来自所述脉冲形成器的脉冲长度在所述调制器驱动器的控制下并根据期望的目标距离而变化。
20、如权利要求9的系统，其中所述微波源、所述脉冲形成器、所述调制器、所述发送-接收开关、所述发送和接收信道、所述第一和第二倍压器和所述自相关器被构造在公共基片上以提供基于雷达的传感器集成电路(IC)。
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