TWI481892B - 脈波雷達測距裝置及其測距演算法 - Google Patents

Description

脈波雷達測距裝置及其測距演算法

本揭露是有關於一種測距裝置以及其測距演算法，且特別是有關於一種脈波雷達測距裝置以及其測距演算法。

隨著勞資上漲與自動化技術的進步，台灣產業開始採用自動化系統進行製造組裝，以期提高人力產值與產品品質。以目前來看，智慧自動化系統的生產流程，是以運作快速為主要考量。常見的自動化系統中的裝置，有線性滑軌(linear guide way)、機器手臂或承載台等，系統設計者需透過振動信號的量測，以進行運動平衡的評估，進而使線性滑軌、機器手臂或承載台等裝置具有即時控制及反應功能。因此，精確地量測機器手臂(或承載台)振動量，以達成自動化系統精密控制的功能，為當前開發智慧自動化系統所需面對的重要課題。

目前常用於量測振動信號之裝置，有加速規(accelerometer)、雷射干涉儀(laser interferometer)等。未來的線性滑軌、機器手臂或承載台之設計，是以輕荷重為主要考量。然而，加速規是屬於嵌入式感測元件，故在未來智慧自動化工廠之應用上，會有較多限制。就雷射干涉儀而言，由於雷射干涉儀是以光學原理，進行距離量測，以得知物體的振動量。此量測方式易受到工廠高溫高濕環境及光源干擾，而影響到距離量測結果。

本揭露在多個實施範例中，提供一種脈波雷達測距裝置，其採用脈波雷達相關硬體架構，並利用電壓信號時域波形之特徵擷取及數據分析等訊號處理方法，偵測出目標物以及脈波雷達測距裝置之間的距離，也可偵測出目標物的微小振動幅度。

本揭露在多個實施範例中，提供一種測距演算法，適用於脈波雷達測距裝置，測距演算法利用脈波雷達測距裝置所取得的訊號進行處理分析，以精確地偵測出目標物與脈波雷達測距裝置之間的距離。

本揭露在多個實施範例中，提出一種脈波雷達測距裝置，其包括射頻脈波產生器、射頻濾波器、射頻開關以及收發天線。射頻脈波產生器用以產生脈波訊號。射頻濾波器耦接射頻脈波產生器，以接收脈波訊號並產生高通濾波訊號，其中高通濾波訊號包括射頻脈波參考訊號。射頻開關耦接射頻濾波器，以控制射頻脈波參考訊號的輸出。收發天線耦接射頻開關，由第一數位信號控制收發天線發射射頻脈波參考訊號。射頻脈波參考訊號接觸目標物並產生回波信號，且收發天線接收回波信號。

本揭露在多個實施範例中，提出一種測距演算法，其適用於脈波雷達測距裝置，測距演算法包括以下步驟。建立資料庫，資料庫包括脈波雷達與目標物之間的距離、混波器之輸出電壓等參數，以及量測這些參數時的時間。擷取資料庫之參數，計算多次實驗之平均數據，並去除受干 擾之電壓信號值。透過多項式內插法計算脈波雷達測距裝置與目標物之間的距離。

基於上述，本發明提出一種應用脈波雷達之距離感測裝置及其測距演算法，可精確地偵測出目標物與脈波雷達測距裝置之間的距離，也可偵測出目標物的微小振動幅度。

為讓本揭露之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本揭露的內容提出一種應用脈波雷達之距離感測裝置及其測距演算法，可精確地偵測出目標物與脈波雷達測距裝置之間的距離，也可偵測出目標物的微小振動幅度。底下將以多個實施範例進行說明，但並非以此為限制。

圖1為本揭露之一實施例之脈波雷達測距裝置的硬體架構圖。圖2為圖1之脈波雷達測距裝置的實驗示意圖。

請參考圖1，在本實施例中，脈波雷達測距裝置100包括射頻脈波產生器110、射頻濾波器120、射頻開關130以及收發天線140。射頻脈波產生器110用以產生脈波訊號110’。射頻濾波器120耦接射頻脈波產生器110，用以接收脈波訊號110’，並產生高通濾波訊號110a’，其中高通濾波訊號110a’包括射頻脈波參考訊號110a”。射頻開關130耦接射頻濾波器120，以控制射頻脈波參考訊號110a”的輸出。收發天線140耦接射頻開關130，由第一數位信號140a控制收發天線140發射射頻脈波參考訊號110a”。 射頻脈波參考訊號110a”接觸目標物10並產生回波信號10’，且收發天線140接收回波信號10’。

一般而言，脈波雷達測距裝置100例如是極高頻率的無線電儀器，能發射定向間斷性的射頻脈波。在本實施例中，脈波雷達測距裝置100可裝設於機械手臂上，用以即時定位或測距，而達到自動化系統精密控制的功能。

在本實施例中，射頻產生器110產生具有週期性的脈波訊號110’，且脈波訊號110’被傳送至射頻濾波器120。

另外，射頻濾波器主要可分為高通濾波器以及低通濾波器，在本實施例中，射頻率波器120例如是高通濾波器，可容許高頻的脈波訊號110’通過，並減弱或減少頻率低於截止頻率的脈波訊號110’通過。因此，射頻濾波器120可輸出高通濾波訊號110a’，其中高通濾波訊號110a’可視為射頻脈波參考訊號110a”。

接著，在本實施例中，射頻開關130例如是有線之信號開關，用於有線傳輸射頻信號的通過或切換控制。射頻開關130包括第一射頻開關132以及第二射頻開關134，其中第一射頻開關132具有端點N1、N2，而第二射頻開關具有端點N3、N4。

承上述，在本實施例中，當第一射頻開關132之電路耦接至端點N1，且第二射頻開關134之電路耦接至端點N3時，射頻濾波器120所產生的射頻脈波參考訊號110a”，可分別經由第一射頻開關132、第二射頻開關134而傳送至收發天線140。由第一數位信號140a控制收發天 線140，以發射射頻脈波參考訊號110a”。

請同時參考圖1以及圖2，在本實施例中，脈波雷達測距裝置100例如是可移動之裝置，而目標物10則固定不動。因此，脈波雷達測距裝置100與目標物10之間的距離d _i ，可因應需求不同而有所調整。反之，脈波雷達測距裝置100也可以是固定不動的裝置，藉由移動目標物10而調整目標物10與脈波雷達測距裝置100之間的距離d _i 。因此，當收發天線140發射頻脈波參考訊號110a”，且射頻脈波參考訊號110a”接觸到目標物時10，將產生回波信號10’。反射之回波信號10’將由收發天線140所接收。

請繼續參考圖1，進一步而言，在本實施例中，脈波雷達測距裝置100更包括射頻放大器150、低雜訊放大器160、射頻信號處理單元170、計數單元180、混波器190以及信號處理裝置200。當第一射頻開關132之電路耦接至端點N2時，射頻濾波器120耦接射頻放大器150。因此，射頻脈波參考訊號110a”將會被傳送至射頻放大器150，放大射頻脈波參考訊號110a”之強度並產生第一訊號150a。另外，當第二射頻開關134之電路耦接至連接點N4時，收發天線140藉由二射頻開關134耦接低雜訊放大器160。接觸到目標物10後反射且為收發天線所接收的回波信號10’，可經由第二射頻開關134而傳送至低雜訊放大器160，放大回波信號10’的強度並產生第二訊號160a。

圖3為圖1之脈波雷達測距裝置之射頻信號處理單元實施例之一的硬體架構示意圖。圖4為圖1之脈波雷達測 距裝置之計數單元實施例之一的硬體架構示意圖。

請參考圖3並同時參考圖1，在本實施例中，射頻信號處理單元170包括檢測器(detector)172、比較器(comparator)174以及放大器(amplifier)176。低雜訊放大器160所產生之第二訊號160a，依序經由檢測器172、放大器176以及比較器174而轉換成第二數位信號160a’。此外，該第二訊號160a以及第一訊號150a可藉由混波器(mixer)190進行轉換，以產生具有相變化的振動訊號M1。

另一方面，請參考圖4並同時參考圖1，在本實施例中，計數單元180包括正反器(flip-flop)182、暫存器(register)184以及緩衝器(buffer)186，其中正反器182計數外部時脈C1輸入至計數單元180的脈波數目。射頻信號處理單元170所產生的第二數位信號160a’，以及控制收發天線140發射之射頻脈波參考訊號110a”的第一數位信號140a，將會分別輸入至計數單元180，依序經由正反器182以及暫存器184、緩衝器186，而偵測得時間差訊號Tt。

請繼續參考圖1，在本實施例，時間差訊號Tt及振動訊號M1分別輸入至信號處理裝置200，利用測距演算法將時間差訊號Tt及振動訊號M1進行訊號處理分析，以偵測出目標物10與射頻脈波雷達裝置100之間的距離。

圖5為本揭露多個實施例其中之一的測距演算法的步驟流程圖。圖6為圖5之步驟S400之電壓信號擷取之數 據圖。

請參考圖5，在本實施例中，測距演算法包括以下步驟。首先在步驟S400中，建立資料庫，資料庫包括脈波測距雷達與目標物之間的距離、混波器之輸出電壓等參數，以及量測這些參數時的時間。接著在步驟S410中，擷取資料庫之參數，計算多次實驗之平均數據，並去除受干擾之電壓信號值。最後在步驟S420中，透過多項式內插法計算脈波雷達測距裝置與目標物之間的距離。

請參考圖5並同時參考圖1以及圖2’在步驟S400中，脈波雷達測距裝置100與目標物10進行此數為M 次的距離量測實驗。假設已知射頻脈波測距雷達100與目標物10之間的距離為d _i ，並且在時間t _i 時，量測得到混波器190的輸出電壓V _i 。進行M 次的距離量測實驗之後，量測得到混波器190之輸出電壓為V _m m =1,2,....M (如圖6所繪示)。依據M 次實驗的電壓量測結果，可得知在時間t _i ，且當脈波雷達測距裝置100與目標物10為距離d _i 時，此時所輸出電壓V _i 的公式如下所示：

在步驟S410中，當距離d 改變時，可量測到對應之輸出電壓V 。藉此，可得到距離d 相對於輸出電壓V 之變化趨勢。依據所量測到的電壓波形的變化趨勢，可將此電壓波形切割成L 區段。各區段的波形變化趨勢，可由波形曲線之斜率s ₁ 得知，以決定該輸出電壓與該距離的變化趨勢，斜率s ₁ 的公式如下所示：

採用最小平方法(least-square method)，可取得各波形區段的線性迴歸(linear regression)方程式，其公式如下所示：V' =A ₁ d +B ₁ l =1,.....,L 公式(3)

假設在區段l' 中，其數據樣本Ω={(d _i ,V _i )|i =1,...,P }。由於信號受到周遭環境之干擾、雜訊影響...等因素，在此樣本中，有N 組(d _i ,V _i )資料，其V _i =V _o (N <<P )。這時根據此N 組資料，利用公式(3)所列之線性迴歸方程式，求出其所對應之 n =1,...,N 。接著，藉由公式(4)所列之條件，選出誤差值最小的以及與其相關之(d _i ,V _i )，其中公式(4)如下所示：

在步驟S420中，可利用計數單元180量測混波器190之輸出電壓V 對應之時間t ，依此決定時間t 所對應之電壓波形。利用混波器190的輸出電壓V ，以及步驟S400及步驟S410所得知數據樣本={(,)|i =1,...,P -N -1}，透過多項式內插法例如是片斷三次方Hermite內插多項式(piecewise cubic Hermite interpolation polynomial)，以估算得量測時間t 所對應之距離d 。

為求具體表示本揭露之脈波雷達測距裝置100，圖7根據上述實施例(圖1、圖3以及圖4)進一步繪示本揭露 之脈波雷達測距裝置100的電路圖，用以針對其電路配置作更詳盡的表示，而非用以限制本揭露。在此必須說明的是，相同或相似的元件標號代表相同或相似的元件，相同元件的描述將不再重述。

首先，請同時參考圖1及圖7，射頻脈波產生器110例如是震盪器，用以產生脈波訊號110’。射頻濾波器120包括脈波輸入端、脈波輸出端。脈波輸入端適於接收脈波訊號110’，藉由射頻濾波器120將頻率較低的部分脈波訊號110’濾除，而自脈波輸出端輸出高通濾波訊號110a’，其中高通濾波訊號110a’包括射頻脈波參考訊號110a”。接著，射頻脈波參考訊號110a”被傳送至第一射頻開關132。藉由射頻開關130的切換控制，射頻脈波參考訊號110a”可分別傳送至第二射頻開關134以及射頻放大器150，其中傳送至第二射頻開關134的射頻脈波參考訊號110a”，將透過第二射頻開關134的切換控制而傳送至如圖1所繪示的收發天線140。收發天線140係藉由第一數位信號140a來控制射頻脈波參考訊號110a”的發射，當射頻脈波參考訊號110a”接觸到如圖2所繪示的目標物10時，將產生回波信號10’且由收發天線140所接收。

此外，射頻放大器150所接收到的射頻脈波參考訊號110a”，將被放大訊號的強度而產生第一訊號150a，並且傳送至混波器150。另一方面，回波訊號10’則藉由第二射頻開關134的切換控制，而被傳送至低雜訊放大器160，其中回波信號10’的信號強度將被放大而產生第二訊號 160a。第二訊號160a將分別傳送至射頻信號處理單元170以及混波器190，其中在射頻信號處理單元170內，第二訊號160a將依序經由檢測器172、放大器176以及比較器174的訊號處理而轉換成第二數位信號160a’。第二訊號160a以及第一訊號150a可藉由混波器(mixer)190進行轉換，以產生具有相變化的振動訊號M1。

承接上述，第二數位信號160a’將被傳送至計數單元180，其中計數單元180包括如圖1所繪示的正反器182、暫存器184以及緩衝器186，正反器182計數外部時脈C1輸入至計數單元180的脈波數目。另一方面，控制收發天線140發射射頻脈波參考訊號110a”的第一數位信號140a亦將輸入至計數單元180。第二數位信號160a’以及第一數位信號140a再依序經由圖1所繪示的正反器182、暫存器184以及緩衝器186，而偵測得時間差訊號Tt。

綜上所述，時間差訊號Tt及振動訊號M1將分別輸入至如圖1所繪示的信號處理裝置200，並利用本揭露提出之測距演算法將時間差訊號Tt及振動訊號M1進行訊號處理分析，以精確地偵測出目標物10與射頻脈波雷達裝置100之間的距離。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧目標物

10’‧‧‧回波信號

100‧‧‧脈波雷達測距裝置

110‧‧‧射頻脈波產生器

110’‧‧‧脈波訊號

110a’‧‧‧高通濾波訊號

110a”‧‧‧射頻脈波參考訊號

120‧‧‧射頻濾波器

130‧‧‧射頻開關

132‧‧‧第一射頻開關

134‧‧‧第二射頻開關

140‧‧‧收發天線

140a‧‧‧第一數位信號

150‧‧‧射頻放大器

150a‧‧‧第一訊號

160‧‧‧低雜訊放大器

160a‧‧‧第二訊號

160a’‧‧‧第二數位信號

170‧‧‧射頻信號處理單元

172‧‧‧檢測器

174‧‧‧比較器

176‧‧‧放大器

180‧‧‧計數單元

182‧‧‧正反器

184‧‧‧暫存器

186‧‧‧緩衝器

190‧‧‧混波器

200‧‧‧信號處理裝置

C1‧‧‧外部時脈

M1‧‧‧振動訊號

N1、N2、N2、N4‧‧‧端點

S400、S410、S420‧‧‧步驟

Tt‧‧‧時間差訊號

圖1為本揭露之一實施例之脈波雷達測距裝置的硬體架構示意圖。

圖2為圖1之脈波雷達測距裝置實施例之一的實驗示意圖。

圖3為圖1之脈波雷達測距裝置之射頻信號處理單元實施例之一的硬體架構示意圖。

圖4為圖1之脈波雷達測距裝置之計數單元實施例之一的硬體架構示意圖。

圖5為本揭露所提出多個實施例之一的測距演算法的步驟流程示意圖。

圖6為圖5之步驟S400之電壓信號擷取之數據示意圖。

圖7為本揭露之脈波雷達測距裝置之電路圖。

10’‧‧‧回波信號

100‧‧‧脈波雷達測距裝置

110‧‧‧射頻脈波產生器

110’‧‧‧脈波訊號

110a’‧‧‧高通濾波訊號

110a”‧‧‧射頻脈波參考訊號

120‧‧‧射頻濾波器

130‧‧‧射頻開關

132‧‧‧第一射頻開關

134‧‧‧第二射頻開關

140‧‧‧收發天線

140a‧‧‧第一數位信號

150‧‧‧射頻放大器

150a‧‧‧第一訊號

160‧‧‧低雜訊放大器

160a‧‧‧第二訊號

160a’‧‧‧第二數位信號

170‧‧‧射頻信號處理單元

180‧‧‧計數單元

190‧‧‧混波器

200‧‧‧信號處理裝置

M1‧‧‧振動訊號

N1、N2、N2、N4‧‧‧端點

Tt‧‧‧時間差訊號

Claims (11)

1. 一種脈波雷達測距裝置，包括：一射頻脈波產生器，用以產生一脈波訊號；一射頻濾波器，耦接該射頻脈波產生器，以接收該脈波訊號並產生一高通濾波訊號，其中該高通濾波訊號包括一射頻脈波參考訊號；一射頻開關，耦接該射頻濾波器，以控制該射頻脈波參考訊號的輸出；一收發天線，耦接該射頻開關，由一第一數位信號控制收發天線發射該射頻脈波參考訊號，該收發天線並接收一回波信號；一混波器，接收該射頻脈波參考訊號與該回波信號；以及一信號處理裝置，耦接該混波器，其中該信號處理裝置執行一測距演算法，包括：建立一資料庫，包括多個參數，其中該些參數至少包括該脈波測距雷達裝置與一目標物之間的一距離、該混波器之一輸出電壓、以及量測的時間；擷取該資料庫之該些參數，計算多次取得的一平均數據，並去除受干擾之電壓信號值；以及計算該脈波雷達測距裝置與該目標物之間的該距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之脈波雷達測距裝置，其中該射頻開關包括一第一射頻開關以及一第二射頻開關，其中該第一射頻開關耦接該射頻濾波器，且該第二 射頻開關耦接該收發天線。
3. 如申請專利範圍第1項所述之脈波雷達測距裝置，更包括：一射頻放大器，耦接該第一射頻開關，以放大該射頻脈波參考訊號並產生一第一訊號；一低雜訊放大器，耦接該第二射頻開關，以放大該回波訊號並產生一第二訊號；一射頻信號處理單元，耦接該低雜訊放大器，其中該射頻信號處理單元包括一檢測器、一放大器以及一比較器；一計數單元，分別耦接該射頻信號處理單元以及該第二射頻開關，其中該計數單元包括一正反器、一暫存器以及一緩衝器，其中該混波器分別耦接該射頻放大器以及該低雜訊放大器，以接收該第一訊號以及該第二訊號，轉換成具有相變化的一振動訊號，且該信號處理裝置耦接該混波器以及該計數單元。
4. 如申請專利範圍第3項所述之脈波雷達測距裝置，其中該射頻信號處理單元將該第二訊號轉換成一第二數位信號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之脈波雷達測距裝置，其中該第二數位信號及該第一數位信號分別輸入至該計數單元，以透過該計數單元偵測一時間差，並輸出一時間差訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之脈波雷達測距裝 置，其中該正反器用以計數輸入至該計數單元的脈波數。
7. 如申請專利範圍第5項所述之脈波雷達測距裝置，其中該時間差訊號及該振動訊號適於分別輸入至該信號處理裝置，利用該測距演算法將該時間差訊號及該振動訊號進行訊號處理分析。
8. 如申請專利範圍第1項所述之脈波雷達測距裝置，其中該測距演算法係透過多項式內插法計算該脈波雷達測距裝置與該目標物之間的該距離。
9. 如申請專利範圍第1項所述之脈波雷達測距裝置，其中該擷取該資料庫之該些參數的步驟包括：藉由一電壓波形的變化，以決定該輸出電壓與該距離的變化趨勢；採用最小平方法，以取得一波形區段的一線性迴歸方程式；以及利用該線性迴歸方程式，以去除受到外界干擾或雜訊影響之該電壓。
10. 如申請專利範圍第8項所述之脈波雷達測距裝置，其中該透過多項式內插法計算該脈波雷達測距裝置與該目標物之間的距離的步驟包括：利用計數單元量測該輸出電壓所對應之該量測時間；以及利用該輸出電壓以及該資料擷取步驟後而取得的一信號樣本，透過該多項式內插法以估算得該量測時間所對應之該距離。
11. 如申請專利範圍第1項所述之脈波雷達測距裝置，其中該射頻脈波參考訊號接觸該目標物並產生該回波信號。