TWI515447B - 偵測裝置及偵測方法 - Google Patents

Description

偵測裝置及偵測方法

本發明係關於一種偵測裝置，特別係關於一種雷達偵測裝置。

傳統雷達系統可用於偵測一待測物，但若欲同時偵測待測物上之不同區域，則此雷達系統內必須配置多組天線和多個收發器，造成設計成本上升。另外，電磁波之多重路徑衰減(Multipath Fading)亦會影響雷達系統進行偵測時之準確度。有鑑於此，有必要設計一種全新的偵測裝置，以克服傳統雷達系統之缺點。

在較佳實施例中，本發明提供一種偵測裝置，適用於偵測一待測物，包括：一第一天線元件；一第二天線元件；一第一收發器，具有一第一發射埠和一第一接收埠；一第二收發器，具有一第二發射埠和一第二接收埠；一第一循環器，耦接至該第一接收埠、該第二發射埠，以及該第一天線元件；以及一第二循環器，耦接至該第一發射埠、該第二接收埠，以及該第二天線元件；其中該第一收發器先透過該第二循環器和該第二天線元件朝向該待測物發射一第一電磁信號，之後該第一收發器再透過該第一天線元件和該第一循環器由該待測物處 接收一第一反射信號；其中該第二收發器先透過該第一循環器和該第一天線元件朝向該待測物發射一第二電磁信號，之後該第二收發器再透過該第二天線元件和該第二循環器由該待測物處接收一第二反射信號。

在一些實施例中，該第一循環器和該第二循環器各自為一三埠元件，並用於執行一輸入輸出轉換程序。在一些實施例中，該三埠元件具有一第一埠、一第二埠，以及一第三埠，其中當執行該輸入輸出轉換程序時，輸入該第一埠之信號將由該第二埠輸出，輸入該第二埠之信號將由該第三埠輸出，而輸入該第三埠之信號將由該第一埠輸出。在一些實施例中，該第二天線元件係朝向該待測物上之一第一區域發射該第一電磁信號，而該第一天線元件係朝向該待測物上之一第二區域發射該第二電磁信號。在一些實施例中，該第二區域係異於該第一區域。在一些實施例中，該第一天線元件和該第二天線元件各自為一非等向性天線。在一些實施例中，該第二天線元件之主波束方向係指向該第一區域。在一些實施例中，該第二天線元件之零點方向係指向該第二區域。在一些實施例中，該第一天線元件之主波束方向係指向該第二區域。在一些實施例中，該第一天線元件之零點方向係指向該第一區域。

在較佳實施例中，本發明提供一種偵測方法，包括下列步驟：提供一第一天線元件、一第二天線元件、一第一收發器、一第二收發器、一第一循環器，以及一第二循環器，其中該第一循環器係耦接至該第一收發器之一第一接收埠、該第二收發器之一第二發射埠，以及該第一天線元件，而其中該 第二循環器係耦接至該第一收發器之一第一發射埠、該第二收發器之一第二接收埠，以及該第二天線元件；使用該第一收發器，透過該第二循環器和該第二天線元件朝向該待測物發射一第一電磁信號；使用該第一收發器，透過該第一天線元件和該第一循環器由該待測物處接收一第一反射信號；使用該第二收發器，透過該第一循環器和該第一天線元件朝向該待測物發射一第二電磁信號；以及使用該第二收發器，透過該第二天線元件和該第二循環器由該待測物處接收一第二反射信號。

100‧‧‧偵測裝置

110‧‧‧第一天線元件

120‧‧‧第二天線元件

130‧‧‧第一收發器

140‧‧‧第二收發器

150‧‧‧第一循環器

160‧‧‧第二循環器

170‧‧‧待測物

171‧‧‧第一區域

172‧‧‧第二區域

310‧‧‧第一天線輻射場型

320‧‧‧第二天線輻射場型

ST1‧‧‧第一電磁信號

SR1‧‧‧第一反射信號

ST2‧‧‧第二電磁信號

SR2‧‧‧第二反射信號

TX1‧‧‧第一發射埠

RX1‧‧‧第一接收埠

TX2‧‧‧第二發射埠

RX2‧‧‧第二接收埠

MG1‧‧‧第一主波束

MG2‧‧‧第二主波束

SG1‧‧‧第一次波束

SG2‧‧‧第二次波束

NG1‧‧‧第一零點

NG2‧‧‧第二零點

P1‧‧‧第一埠

P2‧‧‧第二埠

P3‧‧‧第三埠

S1、S2、S3‧‧‧信號

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之偵測裝置之示意 圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之第一循環器或第二循環器之示意圖；第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線場型和待測物之關係之示意圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之偵測方法之流程圖。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之偵測裝置100之示意圖。偵測裝置100可應用於雷達偵測領域及醫學領 域。舉例而言，偵測裝置100可偵測一待測物(Objection Under Detection，OUD)170之位置或微小幅度之位移。如第1圖所示，偵測裝置100至少包括：一第一天線元件110、一第二天線元件120、一第一收發器(Transceiver)130、一第二收發器140、一第一循環器(Circulator)150，以及一第二循環器160。第一天線元件110和第二天線元件120可以是任意種類之天線，例如：單極天線(Monopole Antenna)、偶極天線(Dipole Antenna)、迴圈天線(Loop Antenna)、圓極化天線(Circular Polarization Antenna)、橢圓極化天線(Elliptical Polarization Antenna)，或是螺旋天線(Helical Antenna)。第一收發器130同時有傳送和接收之功能，其具有一第一發射埠TX1和一第一接收埠RX1。第二收發器140亦同時有傳送和接收之功能，其具有一第二發射埠TX2和一第二接收埠RX2。第一循環器150係耦接至第一收發器130之第一接收埠RX1、第二收發器140之第二發射埠TX2，以及第一天線元件110。第二循環器160係耦接至第一收發器130之第一發射埠TX1、第二收發器140之第二接收埠RX2，以及第二天線元件120。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之第一循環器150或第二循環器160之示意圖。如第2圖所示，第一循環器150和第二循環器160係各自為一三埠元件(Three-port Component)，並用於執行一輸入輸出轉換程序。詳細而言，此種三埠元件具有一第一埠P1、一第二埠P2，以及一第三埠P3，其中當執行前述之輸入輸出轉換程序時，輸入第一埠P1之信號S1將由第二埠P2輸出，輸入第二埠P2之信號S2將由第三埠P3 輸出，而輸入第三埠P3之信號S3將由第一埠P1輸出。藉由使用此種三埠循環器，可以達到信號循環傳遞之效果。必須理解的是，雖然在第2圖之實施例中信號為順時針循環，但在其他實施例中亦可視不同需要而將之改為逆時針循環。

請再次參考第1圖。當偵測裝置100執行一偵測程序時，第一收發器130先透過第二循環器160和第二天線元件120朝向待測物170發射一第一電磁信號ST1，之後第一收發器130再透過第一天線元件110和第一循環器150由待測物170處接收一第一反射信號SR1。詳細而言，來自第一收發器130之第一發射埠TX1之第一電磁信號ST1可由第二循環器160傳遞至第二天線元件120以進行發射。在第一電磁信號ST1被待測物170反射並產生第一反射信號SR1後，由第一天線元件110所接收之第一反射信號SR1則可由第一循環器150傳遞至第一收發器130之第一接收埠RX1以進行進一步處理。另一方面，當偵測裝置100執行前述之偵測程序時，第二收發器140先透過第一循環器150和第一天線元件110朝向待測物170發射一第二電磁信號ST2，之後第二收發器140再透過第二天線元件120和第二循環器160由待測物170處接收一第二反射信號SR2。詳細而言，來自第二收發器140之第二發射埠TX2之第二電磁信號ST2可由第一循環器150傳遞至第一天線元件110以進行發射。在第二電磁信號ST2被待測物170反射並產生第二反射信號SR2後，由第二天線元件120所接收之第二反射信號SR2則可由第二循環器160傳遞至第二收發器140之第二接收埠RX2以進行進一步處理。在醫學領域中，待測物170可以是受測者之胸部與腹部， 藉由本發明可以精確量測出受測者胸腹部之微小幅度的上下位移。

在一些實施例中，第一電磁信號ST1具有一第一極化方向，而第一反射信號SR1具有一第二極化方向。第一極化方向可與第二極化方向恰好相反。在一些實施例中，第一極化方向和第二極化方向兩者為相反向之橢圓極化。舉例而言，若第一極化方向為左手橢圓極化，則第二極化方向為右手橢圓極化；而若第一極化方向為右手橢圓極化，則第二極化方向為左手橢圓極化。在一些實施例中，第二電磁信號ST2具有一第三極化方向，而第二反射信號SR2具有一第四極化方向。第三極化方向可與第四極化方向恰好相反。在一些實施例中，第三極化方向和第四極化方向兩者為相反向之橢圓極化。另一方面，第三極化方向可與第二極化方向恰好相反，而第四極化方向可與第一極化方向恰好相反，使得每一天線元件不會同時發射及接收相同極化方向之信號，以增加其隔離度。舉例而言，第二天線元件120可以發射左手橢圓極化之第一電磁信號ST1並接收右手橢圓極化之第二反射信號SR2，而第一天線元件110可以發射左手橢圓極化之第二電磁信號ST2並接收右手橢圓極化之第一反射信號SR1，但不僅限於此。

在一些實施例中，第二天線元件120係朝向待測物170上之一第一區域171發射第一電磁信號ST1，而第一天線元件110係朝向待測物170上之一第二區域172發射第二電磁信號ST2。根據一些量測結果，以同一天線元件作為發射天線和接收天線時，其發射場型和接收場型仍略有不同，故前述之第二 區域172可異於前述之第一區域171。換言之，本發明之偵測裝置100僅使用二支天線元件作信號發射及接收，即可對待測物170上之不同區域同時進行雷達偵測，其大幅減低了傳統多區域偵測裝置所需之成本。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之天線場型和待測物170之關係之示意圖。第3圖係進一步說明第1圖之偵測裝置100之運作方式。在偵測裝置100中，第一天線元件110和第二天線元件120可以各自為一非等向性(Anisotropic)天線。非等向性天線係指其輻射場型於各個方向上並不均勻，故此類天線之輻射場型可能包括主波束(Main Lobe)、次波束(Side Lobe)，以及零點(Null)等等，其中於主波束方向上之天線增益(Gain)為最大，而在零點方向上之天線增益為最小。舉例而言，第一天線元件110可具有不均勻之一第一天線輻射場型310，其包括一第一主波束MG1、一第一次波束SG1，以及一第一零點NG1；而第二天線元件120亦可有不均勻之一第二天線輻射場型320，其包括一第二主波束MG2、一第二次波束SG2，以及一第二零點NG2。

在第3圖之實施例中，第二天線元件120之主波束方向(MG2)係指向待測物170上之第一區域171，使得第一電磁信號ST1可沿著第二天線元件120之最大增益方向作發射。第一天線元件110之次波束方向(SG1)亦可對準第一反射信號SR1之反射方向，以增強信號接收品質。相似地，第一天線元件110之主波束方向(MG1)係指向待測物170上之第二區域172，使得第二電磁信號ST2可沿著第一天線元件110之最大增益方向作 發射。第二天線元件120之次波束方向(SG2)亦可對準第二反射信號SR2之反射方向，以增強信號接收品質。

在一些實施例中，第二天線元件120之零點方向(NG2)係指向待測物170上之第二區域172，而第一天線元件110之零點方向(NG1)則指向待測物170上之第一區域171。此種設計方式可進一步降低第一天線元件110和第二天線元件120向非目標區發射信號之強度，並可同時減少接收信號干擾。因此，本發明之偵測裝置100更可具有濾除不必要方向雜訊之功能。類似地，待測物170可以是受測者之胸部與腹部，藉由本發明可以精確量測出受測者胸腹部之微小幅度的上下位移。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之偵測方法之流程圖。此偵測方法可包括下列步驟。在步驟S410，提供一第一天線元件、一第二天線元件、一第一收發器、一第二收發器、一第一循環器，以及一第二循環器，其中第一循環器係耦接至第一收發器之一第一接收埠、第二收發器之一第二發射埠，以及第一天線元件，而其中第二循環器係耦接至第一收發器之一第一發射埠、第二收發器之一第二接收埠，以及第二天線元件。在步驟S420，使用第一收發器，透過第二循環器和第二天線元件朝向一待測物發射一第一電磁信號。在步驟S430，使用第一收發器，透過第一天線元件和第一循環器由待測物處接收一第一反射信號。在步驟S440，使用第二收發器，透過第一循環器和第一天線元件朝向待測物發射一第二電磁信號。在步驟S450，使用第二收發器，透過第二天線元件和第二循環器由待測物處接收一第二反射信號。必須注意的是，以上步驟無 須依次序執行，且第1-3圖之實施例之任何一或複數項特徵均可套用至第4圖之偵測方法當中。

本發明之偵測裝置藉由利用天線場型不均勻之特性，可聚焦於待測物之特定區域方向進行雷達偵測，並抑制其他不必要方向之雜訊，以提高整體偵測品質。有了二組循環器後，本發明更可利用原有二支天線元件，同時對待測物上之不同區域進行偵測，其能有效降低整體設計成本。在實際應用方面，舉例而言，本發明之偵測裝置可同時以雷達原理監控一受試者於呼吸時，其胸部(例如第一區域)及腹部(例如第二區域)所產生之上下位移，而偵測裝置所取得之資料經分析後，有助於可進一步了解受試者之健康狀況，例如針對睡眠呼吸中止症之患者，藉由本發明之設計，可更容易更精確地獲取受試者睡眠時之呼吸狀況與資料。相較於傳統之複雜且不便的眾多儀器，本發明確實具有醫學上之應用價值。

值得注意的是，以上所述之元件形狀、元件參數皆非為本發明之限制條件。天線設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之偵測裝置及偵測方法並不僅限於第1-4圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-4圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之偵測裝置及偵測方法當中。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧偵測裝置

110‧‧‧第一天線元件

120‧‧‧第二天線元件

130‧‧‧第一收發器

140‧‧‧第二收發器

150‧‧‧第一循環器

160‧‧‧第二循環器

170‧‧‧待測物

171‧‧‧第一區域

172‧‧‧第二區域

ST1‧‧‧第一電磁信號

SR1‧‧‧第一反射信號

ST2‧‧‧第二電磁信號

SR2‧‧‧第二反射信號

TX1‧‧‧第一發射埠

RX1‧‧‧第一接收埠

TX2‧‧‧第二發射埠

RX2‧‧‧第二接收埠

Claims (20)

1. 一種偵測裝置，適用於偵測一待測物，包括：一第一天線元件；一第二天線元件；一第一收發器，具有一第一發射埠和一第一接收埠；一第二收發器，具有一第二發射埠和一第二接收埠；一第一循環器，耦接至該第一接收埠、該第二發射埠，以及該第一天線元件；以及一第二循環器，耦接至該第一發射埠、該第二接收埠，以及該第二天線元件；其中該第一收發器先透過該第二循環器和該第二天線元件朝向該待測物發射一第一電磁信號，之後該第一收發器再透過該第一天線元件和該第一循環器由該待測物處接收一第一反射信號；其中該第二收發器先透過該第一循環器和該第一天線元件朝向該待測物發射一第二電磁信號，之後該第二收發器再透過該第二天線元件和該第二循環器由該待測物處接收一第二反射信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之偵測裝置，其中該第一循環器和該第二循環器各自為一三埠元件，並用於執行一輸入輸出轉換程序。
3. 如申請專利範圍第2項所述之偵測裝置，其中該三埠元件具有一第一埠、一第二埠，以及一第三埠，其中當執行該輸入輸出轉換程序時，輸入該第一埠之信號將由該第二埠輸 出，輸入該第二埠之信號將由該第三埠輸出，而輸入該第三埠之信號將由該第一埠輸出。
4. 如申請專利範圍第1項所述之偵測裝置，其中該第二天線元件係朝向該待測物上之一第一區域發射該第一電磁信號，而該第一天線元件係朝向該待測物上之一第二區域發射該第二電磁信號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之偵測裝置，其中該第二區域係異於該第一區域。
6. 如申請專利範圍第4項所述之偵測裝置，其中該第一天線元件和該第二天線元件各自為一非等向性天線。
7. 如申請專利範圍第6項所述之偵測裝置，其中該第二天線元件之主波束方向係指向該第一區域。
8. 如申請專利範圍第6項所述之偵測裝置，其中該第二天線元件之零點方向係指向該第二區域。
9. 如申請專利範圍第6項所述之偵測裝置，其中該第一天線元件之主波束方向係指向該第二區域。
10. 如申請專利範圍第6項所述之偵測裝置，其中該第一天線元件之零點方向係指向該第一區域。
11. 一種偵測方法，包括下列步驟：提供一第一天線元件、一第二天線元件、一第一收發器、一第二收發器、一第一循環器，以及一第二循環器，其中該第一循環器係耦接至該第一收發器之一第一接收埠、該第二收發器之一第二發射埠，以及該第一天線元件，而其中該第二循環器係耦接至該第一收發器之一第一發射埠、 該第二收發器之一第二接收埠，以及該第二天線元件；使用該第一收發器，透過該第二循環器和該第二天線元件朝向該待測物發射一第一電磁信號；使用該第一收發器，透過該第一天線元件和該第一循環器由該待測物處接收一第一反射信號；使用該第二收發器，透過該第一循環器和該第一天線元件朝向該待測物發射一第二電磁信號；以及使用該第二收發器，透過該第二天線元件和該第二循環器由該待測物處接收一第二反射信號。
12. 如申請專利範圍第11項所述之偵測方法，其中該第一循環器和該第二循環器各自為一三埠元件，並用於執行一輸入輸出轉換程序。
13. 如申請專利範圍第12項所述之偵測方法，其中該三埠元件具有一第一埠、一第二埠，以及一第三埠，其中當執行該輸入輸出轉換程序時，輸入該第一埠之信號將由該第二埠輸出，輸入該第二埠之信號將由該第三埠輸出，而輸入該第三埠之信號將由該第一埠輸出。
14. 如申請專利範圍第11項所述之偵測方法，其中該第二天線元件係朝向該待測物上之一第一區域發射該第一電磁信號，而該第一天線元件係朝向該待測物上之一第二區域發射該第二電磁信號。
15. 如申請專利範圍第14項所述之偵測方法，其中該第二區域係異於該第一區域。
16. 如申請專利範圍第14項所述之偵測方法，其中該第一天線 元件和該第二天線元件各自為一非等向性天線。
17. 如申請專利範圍第16項所述之偵測方法，其中該第二天線元件之主波束方向係指向該第一區域。
18. 如申請專利範圍第16項所述之偵測方法，其中該第二天線元件之零點方向係指向該第二區域。
19. 如申請專利範圍第16項所述之偵測方法，其中該第一天線元件之主波束方向係指向該第二區域。
20. 如申請專利範圍第16項所述之偵測方法，其中該第一天線元件之零點方向係指向該第一區域。