TWI480836B - 微波動作偵測器 - Google Patents

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Description

微波動作偵測器
本揭露是有關於一種微波動作偵測器。
動作偵測器常用於保全監視或人員在場辨識應用。一般，以紅外線技術實現動作偵測器。但紅外線技術容易因環境溫度影響而誤判，甚至無法偵測。
微波式動作偵測器利用都普勒原理，比較發射信號與接收信號之間的相位差。若相位差產生變化，則代表環境中有擾動源。
不過，傳統微波式動作偵測器雖然架構簡單，但需解決感測零點問題。現請參考第1圖，其顯示傳統微波式動作偵測器的感測靈敏度變化曲線圖。在第1圖中，橫軸是距離，縱軸則是感測靈敏度。由偵測器100所發出的發射信號在遇到待測物110之後，會被反射成為接收信號。由第1圖可看出，在感測零點(亦即感測靈敏度為0)的地方，無法感測(亦即，如果待測物110位於感測零點之處，則偵測器100無法感測到待測物110)。感測零點現象是單頻都普勒架構之通病，在這些位置處無法偵測，並且以每四分之一電磁波波長之週期重複出現。相反地，在感測靈敏度為最大值的地方，則是最佳感測點。
此外，微波式動作偵測器採用同頻同時之連續波方式進行偵測。在量測過程中，利用混波器進行降頻，故會產生直流位準偏移(dc offset)問題，造成接收機被強大直流信號灌入，造成飽和而使信號無法被偵測。如果能加以解 決則比較容易達到穩定偵測的效果。
根據本揭露之一示範性實施例，提出一種微波動作偵測器，包括：一發射裝置，發射一微波信號至一待測空間；一接收裝置，接收由該待測空間所反射回之一反射微波信號；一信號處理裝置，處理該接收裝置所接收之該反射微波信號，以判斷該待測空間中是否有擾動，該信號處理裝置產生該微波信號；以及一路徑切換裝置，耦接至該信號處理裝置與該發射裝置，該路徑切換裝置使該微波信號所經過之複數發射路徑具有不同之相位移。
根據本揭露之另一示範性實施例，提出一種微波動作偵測器，包括：一發射裝置，發射一微波信號至一待測空間；一接收裝置，接收由該待測空間所反射回之一反射微波信號；一路徑切換裝置，耦接於該接收裝置，該路徑切換裝置使該反射微波信號所經過之複數接收路徑具有不同之相位移；以及一信號處理裝置，處理該接收裝置所接收之該反射微波信號，以判斷該待測空間中是否有擾動，該信號處理裝置產生該微波信號。
根據本揭露之更一示範性實施例，提出一種微波動作偵測器，包括：一收發裝置，發射一微波信號至一待測空間，並接收由該待測空間所反射回之一反射微波信號；一信號處理裝置，處理該收發裝置所接收之該反射微波信號，以判斷該待測空間中是否有擾動，該信號處理裝置產生該微波信號；以及一路徑切換裝置，耦接至該信號處理裝置與該收發裝置，該路徑切換裝置使該微波信號與該反 射微波信號所經過之複數路徑具有不同之相位移。
為了對本案之上述及其他內容有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本揭露實施例提出一微波式動作偵測器架構，其運用都普勒原理。在本揭露實施例，高靈敏度之自我注入鎖定壓控振盪器在接收由待測物反射回來之都普勒相位調制信號時，會產生相對應之輸出相位或頻率擾動。利用鎖相迴路鎖定此注入鎖定壓控振盪器之輸出頻率，可使外界(待測物)擾動資訊反映至注入鎖定壓控振盪器之控制端電壓，並固定輸出頻率以降低頻寬需求與電磁干擾。
本揭露實施例切換具不同相位移之傳輸/接收路徑，使這些傳輸/接收路徑之感測零點位置不重疊(甚至是使這些傳輸/接收路徑之感測零點位置交錯)，以消除單頻都普勒雷達之感測零點現象。這些傳輸/接收路徑之感測靈敏度具互補效益，亦即若當其中一路徑處於感測零點時，其他路徑不會處於感測零點，因此可將待測物之擾動穩定的偵測出來。
本揭露實施例在偵測低頻動作/擾動信號時，可在非取樣點時段關閉發射信號路徑，原則上降低平均微波發射功率。
本揭露實施例利用雙端控制壓控振盪器來調整直流位準，以消除直流位準偏移。其物理原理在於加入另一個電壓控制埠與另一個壓變電容器。改變振盪器共振腔的共振頻率，讓鎖相式自我注入鎖定雙端控制壓控振盪器之輸 出信號的直流位準調回原始設定值。
第2圖顯示根據本揭露一實施例之微波動作偵測器之功能方塊圖。如第2圖所示，微波動作偵測器200包括：至少一傳送天線210、延遲路徑切換單元220、鎖相迴路225與至少一接收天線270。鎖相迴路225包括：相位/頻率偵測單元(Phase Frequency Detector,PFD)230、電荷泵(Charge Pump,CP)240、低通濾波器(Low Pass Filter,LPF)250與雙端控制壓控振盪器260。在本案實施例中，鎖相迴路又可稱為信號處理裝置。微波動作偵測器200更可選擇性包括路徑切換控制器280。
傳送天線210用以傳送出微波信號，而接收天線270則接收由待測物所反射回之微波信號。
延遲路徑切換單元220用以切換不同延遲路徑，以使多條路徑具有不同相位移(亦即，多條路徑彼此間存在相位差)。如此，可以選擇不同的延遲路徑來當成信號傳輸路徑。在底下，以切換兩條不同延遲路徑為例做說明，但當知本案並不受限於此。本案亦可形成多條具不同延遲的路徑，並在這些不同延遲路徑之間切換。
現請參考第3A圖，其顯示根據本揭露實施例之延遲路徑切換單元220之示範性實例。如第3A圖所示，延遲路徑切換單元220包括：延遲單元D、開關SW1與SW2。開關SW1與SW2比如但不受限於為單刀雙擲(SPDT,Single Pole Double Throw)開關。延遲單元D比如為將信號的相位延遲例如為90度。亦即，路徑P1與P2之間的相位差例如為90度。
現請參考第3B圖，其顯示根據本揭露實施例之感測靈敏度變化示意圖，其橫軸是距離，縱軸則是感測靈敏度。由第3B圖可看出，由於有兩條不同延遲路徑，這兩條路徑之感測零點位置彼此不同。故而，習知技術因為感測零點而導致偵測器感測不到待測物的缺點，在本揭露實施例中可被解決。詳細地說，如果待測物310位於偵測器300之其中一條路徑上之感測零點的話，則此待測物310將不會位於另一條路徑上之感測零點。
現請回到第2圖。鎖相迴路225控制雙端控制壓控振盪器260。鎖相迴路225亦可稱為信號處理裝置。鎖相迴路225之細節如下。相位/頻率偵測單元230用以偵測雙端控制壓控振盪器260之輸出信號與參考信號REF之輸的相位差(或頻率差)。
電荷泵240根據相位/頻率偵測單元230之偵測結果而輸出電壓信號。電荷泵240之輸出電壓信號經過低通濾波器250之濾波而成為第一控制電壓VCO_CN1。此第一控制電壓VCO_CN1用以控制雙端控制壓控振盪器260之輸出信號的頻率。
雙端控制壓控振盪器260乃是注入鎖定壓控振盪器架構。雙端控制壓控振盪器260可同時輸出信號與注入(亦即接收)信號。在其他可能實施例中，雙端控制壓控振盪器260之輸出信號可經過功率分配器(未示出)而連接至延遲路徑切換單元220之輸入端與鎖相迴路225之輸入端。雙端控制壓控振盪器260之輸出微波信號通過延遲路徑切換單元220之後，由發射天線210發射至待測物/待測空間。
若待測空間中有擾動信號(此擾動比如是人體心跳、人體呼吸、窗子振盪等)，發射信號被反射時，由於都普勒效應，使反射信號的相位或頻率會有變化(相對於發射信號)。該反射信號經由接收天線270接收，並可經過放大後(放大器未示出)注入至雙端控制壓控振盪器260。雙端控制壓控振盪器260由於反射信號影響而使其輸出信號之相位或頻率變動。雙端控制壓控振盪器260之輸出信號之相位或頻率改變量進入鎖相迴路225後，鎖相迴路225會針對此相位或頻率變化產生相對應之第一控制電壓VCO_CN1以修正雙端控制壓控振盪器260之輸出頻率回參考頻率。觀察此第一控制電壓VCO_CN1即可得知外界擾動資訊。
另外，在本實施例中，雙端控制壓控振盪器260之第二控制電壓VCO_CN2可用以消除其直流位準偏移。雙端控制壓控振盪器260之震盪頻率由兩個控制電壓VCO_CN1與VCO_CN2決定。若雙端控制壓控振盪器260受到外界擾動信號影響而造成主要的第一控制電壓VCO_CN1產生直流位準偏移時，依照物理原理可列出下列方程式(1)計算出所需變化的第二控制電壓VCO_CN2，來消除第一控制電壓VCO_CN1的直流位準偏移。其中Kv1,Kv2均為系統常數，是設計者可自行決定。
Kv1*△VCO_CN1+Kv2*△VCO_CN2=0 (1)
其中，△VCO_CN1與△VCO_CN2分別代表第一與第二控制電壓VCO_CN1與VCO_CN2的電壓變化量。
由上式(1)可推出：
若偵測到主要第一控制電壓VCO_CN1之直流平均值有變化時，可依上列方程式(1)與(2)得到所需的第二控制電壓VCO_CN2變化量。舉例但不受限於，常數Kv1為2 MHz/V而Kv2為20MHz/V。倘若系統偵測到主要第一控制電壓VCO_CN1之直流平均值變化為1V時，可依上列方程式(1)與(2)得到第二控制電壓VCO_CN2變化量為-0.1V。亦即，將第二控制電壓VCO_CN2調降0.1V即可將第一控制電壓VCO_CN1的直流位準偏移消除。亦即此第一控制電壓VCO_CN1代表之外界擾動資訊之直流位準偏移已被消除。
在實作上，雙端控制壓控振盪器260之實現方式可為於傳統VCO加入一個電壓控制埠與一個壓變電容器(varactor)。改變共振腔的共振頻率讓用以控制鎖相式自我注入鎖定振盪器(雙端控制壓控振盪器260)之第一控制電壓的直流位準調回原始設定值。故而，不需額外加入複雜的控制迴路與射頻元件。應用此方法可有效解決傳統雷達接收機的動態範圍飽和的問題(由於直流位準偏移所造成)，使微波偵測器之偵測效果更加穩定，不易因外在環境的變化而造成接收不良無法判讀的結果。
現請參考第4A圖與第4B圖，其顯示根據本實施例之路徑切換控制時序圖。於第4A圖中，切換路徑P1與 P2，如此可分時接收/傳送兩路徑P1與P2之感測信號，以避免受到因路徑之感測零點問題。
此外，如果所偵測對象的擾動屬於慢速低頻信號(比如，人類心跳/呼吸約為72下/分鐘，其約為1.2Hz)，則本揭露實施例更可降低發射功率。如第4B圖所示，譬如但不受限於，路徑P1與P2之發射時間約為1ms。無傳輸時段(在無傳輸時段內，不發射出微波信號)約為48ms的話，則平均頻率為20Hz，其遠高於待測物體的擾動頻率。由此可知，在本實施例中，在兩路徑各自取樣時間之外可關閉發射路徑，以減少平均發射功率但仍不減損偵測靈敏度。第4A圖與第4B圖之切換時序可由路徑切換控制器(如第2圖所示)來控制。此路徑切換控制器可發出多個開關控制信號，來控制延遲路徑切換單元中的多個開關。
第5A圖與第5B圖分別顯示根據本揭露其他實施例之微波動作偵測器之功能方塊示意圖。比較第5A圖與第2圖可得知，在第5A圖之微波動作偵測器500A中，延遲路徑切換單元520A乃是用以在接收路徑上切換不同延遲路徑。比較第5B圖與第2圖可得知，在第5B圖之微波動作偵測器500B中，其單一天線510同時用於接收與傳送微波信號，不過不同於第2圖，第5B圖中的延遲路徑切換單元520B之切換路徑相位移例如為45度。
另外，習知此技者當可得知，本案之上述實施例可任意組合，其皆在本案精神範圍內。比如，在本案又另一可能實施例中，可在發射路徑與接收路徑上皆設置延遲路徑切換單元，以分別切換發射路徑與接收路徑，其細節可由 上述討論得知，於此不重述。
本揭露實施例可適用於偵測，譬如但不受限於，人類呼吸、人類心跳、擾動、振動(比如窗子振動)等。
此外，雖然本揭露實施例提出切換路徑延遲方式以搭配自我注入鎖定式都普勒雷達，但本揭露實施例之切換路徑延遲方式也可應用於其他單頻都普勒雷達架構。
由上述可知，本揭露上述多個實施例至少具有下述優點：在本揭露實施例中，為解決感測零點問題(亦即，在某些位置無法感測到外界擾動)，利用切換具不同相位移之傳輸/接收路徑，使這些傳輸/接收路徑之感測零點位置不重疊(甚至是使這些傳輸/接收路徑之感測零點位置交錯)。如此一來，受測物體在幾乎每個位置均處於良好之感測靈敏度，以消除感測零點現象。也就是說，這些傳輸/接收路徑之感測靈敏度可互補。
此外，如果偵測低頻動作/擾動信號的話，本揭露實施例可利用較低之取樣頻率仍足以可偵測擾動。甚至，在非取樣點時段可不需對外發射電波，可更進一步有效降低平均發射功率，更可在實際使用上，減少微波對人體安全造成損害之顧慮。
本揭露實施例利用雙端控制壓控振盪器來調整直流位準，以消除直流位準偏移，且不需額外加入複雜的控制迴路與射頻元件。本揭露實施例之微波偵測器之偵測效果更加穩定，不易因外在環境的變化而造成接收不良無法判讀的結果。本揭露實施例可有效解決傳統雷達接收機的動 態範圍飽和的問題。
綜上所述，雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、300‧‧‧偵測器
110、310‧‧‧待測物
200、500A、500B‧‧‧微波動作偵測器
210‧‧‧傳送天線
220、520A、520B‧‧‧延遲路徑切換單元
225‧‧‧鎖相迴路(信號處理裝置)
230‧‧‧相位/頻率偵測單元
240‧‧‧電荷泵
250‧‧‧低通濾波器
260‧‧‧雙端控制壓控振盪器
270‧‧‧接收天線
280‧‧‧路徑切換控制器
P1、P2‧‧‧路徑
510‧‧‧天線
第1圖顯示傳統微波式動作偵測器的感測靈敏度變化曲線圖。
第2圖顯示根據本揭露一實施例之微波動作偵測器之功能方塊圖。
第3A圖顯示根據本揭露實施例之延遲路徑切換單元之示範性實例。
第3B圖顯示根據本揭露實施例之感測靈敏度變化示意圖。
第4A圖與第4B圖顯示根據本實施例之路徑切換控制時序圖。
第5A圖與第5B圖分別顯示根據本揭露其他實施例之微波動作偵測器之功能方塊示意圖。
200‧‧‧微波動作偵測器
210‧‧‧傳送天線
220‧‧‧延遲路徑切換單元
225‧‧‧鎖相迴路
230‧‧‧相位/頻率偵測單元
240‧‧‧電荷泵
250‧‧‧低通濾波器
260‧‧‧雙端控制壓控振盪器
270‧‧‧接收天線
280‧‧‧路徑切換控制器

Claims (14)

  1. 一種微波動作偵測器，包括：一發射裝置，發射一微波信號至一待測空間；一接收裝置，接收由該待測空間所反射回之一反射微波信號；一信號處理裝置，處理該接收裝置所接收之該反射微波信號，以判斷該待測空間中是否有擾動，該信號處理裝置產生該微波信號；以及一路徑切換裝置，耦接至該信號處理裝置與該發射裝置，該路徑切換裝置使該微波信號所經過之複數發射路徑具有不同之相位移。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微波動作偵測器，其中，該些發射路徑之複數感測零點彼此不重疊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微波動作偵測器，更包括一路徑切換控制器，耦接至該路徑切換裝置，以選擇該些發射路徑之一。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之微波動作偵測器，其中，該路徑切換控制器在部份時間關閉該些發射路徑。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之微波動作偵測器，其中，該信號處理裝置至少包括一雙端控制壓控振盪器，產生該微波信號；該信號處理裝置比較該微波信號與一參考信號以得到一第一控制電壓，該第一控制電壓反映該待測空間的一外界擾動資訊； 該雙端控制壓控振盪器之一震盪頻率由該第一控制電壓與一第二控制電壓所決定；以及若該雙端控制壓控振盪器受到該外界擾動資訊影響使得該第一控制電壓產生一直流位準偏移，該信號處理裝置根據該第一控制電壓的一第一電壓變化量產生該第二控制電壓的一第二電壓變化量，來消除該第一控制電壓的一直流位準偏移。
  6. 一種微波動作偵測器，包括：一發射裝置，發射一微波信號至一待測空間；一接收裝置，接收由該待測空間所反射回之一反射微波信號；一路徑切換裝置，耦接於該接收裝置，該路徑切換裝置使該反射微波信號所經過之複數接收路徑具有不同之相位移；以及一信號處理裝置，處理該接收裝置所接收之該反射微波信號，以判斷該待測空間中是否有擾動，該信號處理裝置產生該微波信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之微波動作偵測器，其中，該些接收路徑之複數感測零點彼此不重疊。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之微波動作偵測器，更包括一路徑切換控制器，耦接至該路徑切換裝置，以選擇該些接收路徑之一。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之微波動作偵測器；其中，該信號處理裝置至少包括一雙端控制壓控振盪器，產 生該微波信號；該信號處理裝置比較該微波信號與一參考信號以得到一第一控制電壓，該第一控制電壓反映該待測空間的一外界擾動資訊；該雙端控制壓控振盪器之一震盪頻率由該第一控制電壓與一第二控制電壓所決定；以及若該雙端控制壓控振盪器受到該外界擾動資訊影響使得該第一控制電壓產生一直流位準偏移，該信號處理裝置根據該第一控制電壓的一第一電壓變化量產生該第二控制電壓的一第二電壓變化量，來消除該第一控制電壓的一直流位準偏移。
  10. 一種微波動作偵測器，包括：一收發裝置，發射一微波信號至一待測空間，並接收由該待測空間所反射回之一反射微波信號；一信號處理裝置，處理該收發裝置所接收之該反射微波信號，以判斷該待測空間中是否有擾動，該信號處理裝置產生該微波信號；以及一路徑切換裝置，耦接至該信號處理裝置與該收發裝置，該路徑切換裝置使該微波信號與該反射微波信號所經過之複數路徑具有不同之相位移。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之微波動作偵測器，其中，該些路徑之複數感測零點彼此不重疊。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之微波動作偵測器，更包括一路徑切換控制器，耦接至該路徑切換裝置，以選擇該些路徑之一。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之微波動作偵測器，其中，該路徑切換控制器在部份時間關閉該些路徑。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之微波動作偵測器，其中，該信號處理裝置至少包括一雙端控制壓控振盪器，產生該微波信號；該信號處理裝置比較該微波信號與一參考信號以得到一第一控制電壓，該第一控制電壓反映該待測空間的一外界擾動資訊；該雙端控制壓控振盪器之一震盪頻率由該第一控制電壓與一第二控制電壓所決定；以及若該雙端控制壓控振盪器受到該外界擾動資訊影響使得該第一控制電壓產生一直流位準偏移，該信號處理裝置根據該第一控制電壓的一第一電壓變化量產生該第二控制電壓的一第二電壓變化量，來消除該第一控制電壓的一直流位準偏移。
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