CN210487973U - 一种太赫兹雷达测距装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例提供一种太赫兹雷达测距装置,涉及雷达检测领域。该装置包含信号调理模块、发射端倍频模块、接收端倍频模块、外部光路、信号处理模块，其中，信号调理模块主要用于产生线性调频信号，并作为本振输出至发射端倍频模块与接收端倍频模块，发射端倍频模块将本振信号经过N次倍频后产生太赫兹宽带信号由发射天线发出，再经过外部光路修正波阵面发出，接收倍频模块接收天线接收经外部光路由物体散射后的太赫兹信号，经过滤波、混频等操作后进入信号处理单元进行模数转换和数据处理，获得距离测量值。
Description
技术领域
本实用新型涉及雷达检测领域，特别涉及一种太赫兹雷达测距装置。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在100GHz～10THz范围的电磁波，它介于毫米波与红外之间，称为亚毫米波或者远红外光，处于从电子学向光子学的过渡区。相对于微波、毫米波，太赫兹波的波长较短，更易于实现极大信号带宽和极窄天线波束，从而获得精细的目标成像。太赫兹雷达探测系统空间分辨率和角分辨能力较好，并且具有良好的抗干扰能力，与红外雷达和激光雷达相比，太赫兹雷达具有良的穿透烟雾、沙尘的能力，可以实现全天候工作。
国际上领先的太赫兹芯片仍离不开分立的仪器设备等，因而使得整个成像系统体积大、成本高，另外还存在探测距离短、分辨率低、成像慢等缺点，针对上述技术难题目前尚无有效的解决方案。
实用新型内容
为了解决上述问题,本实用新型提出了一种太赫兹雷达测距装置。该太赫兹雷达测距装置包括信号调理模块、发射端倍频模块、接收端倍频模块、外部光路以及信号处理模块，其中，所述外部光路包括第一抛物面反射镜、第一可偏转反射镜、待测目标物、第二抛物面反射镜以及第二可偏转反射镜；
所述信号调理模块用于产生线性调频信号，作为本振输出至发射端倍频模块与接收端倍频模块；
所述发射端倍频模块用于将本振信号经过N次倍频后产生太赫兹宽带信号发出，太赫兹信号由第一抛物面反射镜汇聚，经过硅制透镜二次聚焦准直，由第一可偏转反射镜发射至目标物；
所述第一可偏转反射镜与第二抛物面反射镜连接在电机转轴两侧用于实现太赫兹雷达的多角度扫描；
所述待测目标物将太赫兹信号反射至第二抛物面发射镜汇聚并经过所述第二可偏转反射镜后发射至接收端倍频模块；
所述接收端倍频模块用于接收经外部光路由物体散射后的太赫兹信号，经过滤波、混频后进入信号处理单元进行模数转换和数据处理，获得距离测量值。
进一步地，所述信号调理模块包含至少一个扫频源、还包括多个混频单元和多个点频源，所述扫频源用于产生至少一路宽带信号，分别与对应的点频源输入混频单元，由混频单元输出本振信号。
进一步地，所述发射端倍频模块包含至少一个倍频器，用于对本振信号上变频后再进行多次倍频产生太赫兹信号；
所述外部光路包括两个抛物面反射镜、两个可偏转反射镜、目标物、硅制透镜，所述太赫兹信号经过抛物面反射镜聚焦和校准，通过可偏转反射镜多角度扫描发射到目标物上；所述硅制透镜用于得到在整个太赫兹带宽范围内均匀的波阵面。
进一步地，所述接收端倍频模块包括分谐波混频器和至少一个倍频器，用于接收目标散射的信号在接收端中的分谐波混频器中与倍频器N次倍频的信号调理模块发出的本振信号混频产生中频信号。
进一步地，所述信号处理模块包括A/D采集单元、运算单元、存储单元和通信单元；
所述A/D采集单元用于对零中频信号A/D采样得到数字I/Q信号，所述运算单元用于数据分析处理，所述运算单元包括FPGA、DSP和ARM处理器中的一种或多种的组合，所述存储单元用于保存实时测距信息，所述通信单元和电脑连接，用于传输测距信息和测距装置参数的设置。
本实用新型的有益效果在于运用信号调理模块合成相应带宽信号，通过外部光路以窄带发射、接收、处理，能达到高距离分辨率，从而降低了雷达发射机和接收机的实现难度和成本。因此把太赫兹作为频率信号的太赫兹雷达具有比微波波段更好的分辨率，可以进行超细分辨，分辨率已经达到了厘米量级。同时，进行了一维距离向目标探测。在室温环境下，最远探测距离可达35m以上。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种太赫兹雷达测距装置的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种太赫兹雷达测距装置的信号处理流程图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种太赫兹雷达测距装置的结构示意图。所述的信号调理模块(120)包含扫频源、多个混频单元和多个点频源，扫频源产生宽带信号，分别与一个及一个以上的点频源输入混频单元，由混频单元输出本振信号，一方面与发射端倍频模块(130)连接，发射端倍频模块对本振信号上变频后再进行多次倍频产生太赫兹宽光束，经由外部光路(150)，外部光路包括抛物面反射镜(160、200)、可偏转反射镜(170、180)和硅制透镜(190)，太赫兹光束经过抛物面发射镜聚焦和校准，通过可偏转反射镜发射到目标物(210)上，两块可偏转反射镜通过电机轴连接同步旋转，同步反射进行发射反射和接收反射。通过硅制透镜增加修正波阵面的光学镜片，得到在整个太赫兹带宽范围内极其均匀的波阵面；另一方面与信号调理模块连接的接收端倍频模块(140)接收目标散射的信号，在接收端中的分谐波混频器与倍频器多次倍频的信号调理模块发出的本振信号混频产生中频信号，中频信号与由信号调理模块中两个点频源混频倍频后的相干本振信号混频后得到零中频的基带信号，经过滤波、混频等操作后进入信号处理单元(110) 进行模数转换和数据处理，获得距离测量值。
图2为本发明实施例提供的一种太赫兹雷达测距装置的测距处理流程图，太赫兹雷达发射端发射信号经过目标散射之后，接收端接受，延迟时间τ＝2 R/c，其中R为目标到天线的距离，c为电磁波的传播速度。例如：在探测目标静止情况下，距离计算公式为：
式中T为太赫兹脉冲的周期，B为调频带宽。由上式可得中信号频率fb与距离R是线性关系，因此，测距系统的关键在于测量中频信号的频率。在带宽B和周期T一定的条件下，只要得到频率fb就可以计算距离R，所以频率测量的精度直接影响测距的精度。中频信号通常经过A/D采样之后利用FFT 计算得到N点的离散频谱，然后通过频谱峰值频率得到fb，由于离散频谱会存在频域采样间隔:
式中fs为采样频率，N为采样点数。经过FFT得到的离散频谱采样一般不能采集到信号频率峰值点，即频率间隔的整数倍与峰值点不重合，导致FFT 分析的结果与实际频率不一致，造成频率估计误差，所以，将信号处理单元 A/D采样值经过整周期采样调整和谱线梯度校正两部分来完成。整周期采样调整主要通过三个步骤实现:第一步进行中频信号频率的粗略估计。首先，根据系统的要求确定信号的第一次采样频率fs和采样点数N，保证采样点数是2 的幂次方，利于FFT计算。然后经过FFT，根据离散频谱峰值谱线粗略估计中频信号的频率f1；第二步进行采样参数调整值的计算。首先根据频率f1和采样频率fs计算采集信号的单位周期的采集点数a＝fs/f1；然后利用采样点数N 和单位周期采集数a计算采集的信号周期数b＝N/a；随后利用取整函数进行截尾取整得到整周期的信号周期数c＝[b]；保证采样点数N不变，计算新的单位周期内采样点数d＝N/c；最后得到新的采样频率fs＝df1。第三步是根据新的采样频率fs和采样点数N对中频信号进行重新采样，新采集到信号基本满足整周期采样的要求，然后通过频谱分析估计中频信号的频率。
信号处理单元采用整周期采样和谱线梯度校正相结合来测量中频信号频率，首先通过调整采样参数，使得采样序列满足整周期采样要求，减少截断误差对频率精度的影响，然后采用谱线梯度校正来减少离散频谱栅栏效应的影响，通过两步调整提高距离测量精度。
综上所述，本实用新型实施例提供了一种太赫兹雷达测距装置。
本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (5)
1.一种太赫兹雷达测距装置，包括信号调理模块、发射端倍频模块、接收端倍频模块、外部光路以及信号处理模块，其中，所述外部光路包括第一抛物面反射镜、第一可偏转反射镜、待测目标物、第二抛物面反射镜以及第二可偏转反射镜，其特征在于：
所述信号调理模块用于产生线性调频信号，作为本振输出至发射端倍频模块与接收端倍频模块；
所述发射端倍频模块用于将本振信号经过N次倍频后产生太赫兹宽带信号发出，太赫兹信号由第一抛物面反射镜汇聚，经过硅制透镜二次聚焦准直，由第一可偏转反射镜发射至目标物；
所述第一可偏转反射镜与第二抛物面反射镜连接在电机转轴两侧用于实现太赫兹雷达的多角度扫描；
所述待测目标物将太赫兹信号反射至第二抛物面发射镜汇聚并经过所述第二可偏转反射镜后发射至接收端倍频模块；
所述接收端倍频模块用于接收经外部光路由物体散射后的太赫兹信号，经过滤波、混频后进入信号处理单元进行模数转换和数据处理，获得距离测量值。
2.根据权利要求1所述的太赫兹雷达测距装置，其特征在于，所述信号调理模块包含至少一个扫频源、还包括多个混频单元和多个点频源，所述扫频源用于产生至少一路宽带信号，分别与对应的点频源输入混频单元，由混频单元输出本振信号。
3.根据权利要求1所述的太赫兹雷达测距装置，其特征在于，所述发射端倍频模块包含至少一个倍频器，用于对本振信号上变频后再进行多次倍频产生太赫兹信号；
所述外部光路包括两个抛物面反射镜、两个可偏转反射镜、目标物、硅制透镜，所述太赫兹信号经过抛物面反射镜聚焦和校准，通过可偏转反射镜多角度扫描发射到目标物上；所述硅制透镜用于得到在整个太赫兹带宽范围内均匀的波阵面。
4.根据权利要求1所述的太赫兹雷达测距装置，其特征在于，所述接收端倍频模块包括分谐波混频器和至少一个倍频器，用于接收目标散射的信号在接收端中的分谐波混频器中与倍频器N次倍频的信号调理模块发出的本振信号混频产生中频信号。
5.根据权利要求1所述的太赫兹雷达测距装置，其特征在于，所述信号处理模块包括A/D采集单元、运算单元、存储单元和通信单元；
所述A/D采集单元用于对零中频信号A/D采样得到数字I/Q信号，所述运算单元用于数据分析处理，所述运算单元包括FPGA、DSP和ARM处理器中的一种或多种的组合，所述存储单元用于保存实时测距信息，所述通信单元和电脑连接，用于传输测距信息和测距装置参数的设置。
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| CN201920827599.4U CN210487973U (zh) | 2019-06-03 | 2019-06-03 | 一种太赫兹雷达测距装置 |
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| CN (1) | CN210487973U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113438011A (zh) * | 2021-06-15 | 2021-09-24 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种基于星间太赫兹通信的卫星定姿调姿补充系统 |
| CN114216853A (zh) * | 2021-12-13 | 2022-03-22 | 清华大学 | 基于太赫兹漏波天线的实时探测系统以及方法 |
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2019
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| CN114216853A (zh) * | 2021-12-13 | 2022-03-22 | 清华大学 | 基于太赫兹漏波天线的实时探测系统以及方法 |
| CN114216853B (zh) * | 2021-12-13 | 2023-12-29 | 清华大学 | 基于太赫兹漏波天线的实时探测系统以及方法 |
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