TWI585430B - 雷達裝置與安全監控系統 - Google Patents

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TWI585430B
TWI585430B TW104121979A TW104121979A TWI585430B TW I585430 B TWI585430 B TW I585430B TW 104121979 A TW104121979 A TW 104121979A TW 104121979 A TW104121979 A TW 104121979A TW I585430 B TWI585430 B TW I585430B
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Description

雷達裝置與安全監控系統
本發明係關於一種雷達裝置，特別係關於可保護使用者之雷達裝置和安全監控系統。
傳統雷達為避免偵測零點之問題，通常於其中設計I/Q(In-phase/Quadrature)二路正交信號路徑來解決之。然而，使用I/Q正交信號路徑來傳遞信號，則必須搭配至少二個混頻器(Mixer)來作設計，此將佔用額外之基板面積並增加整體製造成本。因此，有必要設計出一種全新之雷達裝置，以克服先前技術之缺陷。
在較佳實施例中，本發明提供一種雷達裝置，用於偵測一待測物，並包括：一信號源，產生一入射信號；一第一天線，傳送該入射信號至該待測物；一第二天線，接收來自該待測物之一反射信號；一混頻器，根據該入射信號和該反射信號，產生一基頻信號；以及一90度耦合器，其中該第二天線係經由該90度耦合器耦接至該混頻器，或是該信號源係經由該90度耦合器耦接至該第一天線。
在一些實施例中，該雷達裝置為一都卜勒雷達，而該基頻信號包括該待測物之一速度資訊。
在一些實施例中，該90度耦合器具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端，以及一第二輸出端，其中由該第一輸入端或該第二輸入端進入之信號將分割為二路並分別從該第一輸出端和該第二輸出端出來，而該第一輸出端和該第二輸出端之間之一信號相位差恰為90度。
在一些實施例中，該90度耦合器之該第一輸入端係耦接至該第二天線，該90度耦合器之該第二輸入端係經由一匹配電阻器耦接至一接地電位，而該90度耦合器之該第一輸出端和該第二輸出端皆耦接至該混頻器。
在一些實施例中，該90度耦合器之該第一輸入端和該第二輸入端皆耦接至該第二天線，而該90度耦合器之該第一輸出端和該第二輸出端皆耦接至該混頻器。
在一些實施例中，該90度耦合器之該第一輸入端係耦接至該信號源，該90度耦合器之該第二輸入端係經由一匹配電阻器耦接至一接地電位，而該90度耦合器之該第一輸出端和該第二輸出端皆耦接至該第一天線。
在一些實施例中，該90度耦合器之該第一輸入端和該第二輸入端皆耦接至該信號源，而該90度耦合器之該第一輸出端和該第二輸出端皆耦接至該第一天線。
在較佳實施例中，本發明提供一種雷達裝置，用於偵測一待測物，並包括：一信號源，產生一入射信號；一第一天線，傳送該入射信號至該待測物；一第二天線，接收來自該待測物之一反射信號；以及一混頻器，根據該入射信號和該反射信號，產生一基頻信號；其中該第一天線為一圓極化天線 且該第二天線為一線性極化天線，或是該第一天線為一線性極化天線且該第二天線為一圓極化天線。
在一些實施例中，該圓極化天線所接收或傳送之信號具有正交極化方向以及恰為90度之相位差。
在一些實施例中，該線性極化天線所接收或傳送之信號具有正交極化方向以及恰為0度之相位差。
在較佳實施例中，本發明提供一種安全監控系統，用於保護一使用者，並包括：一雷達裝置，用於偵測該使用者之一狀態，並產生一基頻信號；一信號處理器，解析該基頻信號，並產生一控制信號；一反應元件；以及一控制器，根據該控制信號來操作該反應元件，以維護該使用者之安全。
在一些實施例中，該反應元件為一車輪馬達。
在一些實施例中，當偵測到該使用者之一移動速度下降時，該控制器即調降該車輪馬達之一轉動速度，而當偵測到該使用者之該移動速度上升時，該控制器即調升該車輪馬達之該轉動速度。
在一些實施例中，該反應元件為一充氣氣墊。
在一些實施例中，當偵測到該使用者發生一跌倒事件時，該控制器即控制該充氣氣墊立刻充飽氣體，以支撐住該使用者。
在一些實施例中，該反應元件為一警示器。
在一些實施例中，當偵測到該使用者發生一跌倒事件時，該控制器即控制該警示器發出閃光和聲音。
在一些實施例中，該雷達裝置包括：一信號源， 產生一入射信號；一第一天線，傳送該入射信號至該使用者；一第二天線，接收來自該使用者之一反射信號；一混頻器，根據該入射信號和該反射信號，產生一基頻信號；以及一90度耦合器，其中該第二天線係經由該90度耦合器耦接至該混頻器，或是該信號源係經由該90度耦合器耦接至該第一天線。
在一些實施例中，該雷達裝置包括：一信號源，產生一入射信號；一第一天線，傳送該入射信號至該使用者；一第二天線，接收來自該使用者之一反射信號；以及一混頻器，根據該入射信號和該反射信號，產生一基頻信號；其中該第一天線為一圓極化天線且該第二天線為一線性極化天線，或是該第一天線為一線性極化天線且該第二天線為一圓極化天線。
101、102、103、104、201、202、310‧‧‧雷達裝置
110‧‧‧信號源
121、221‧‧‧第一天線
122、222‧‧‧第二天線
130‧‧‧混頻器
140‧‧‧90度耦合器
141‧‧‧90度耦合器之第一輸入端
142‧‧‧90度耦合器之第二輸入端
143‧‧‧90度耦合器之第一輸出端
144‧‧‧90度耦合器之第二輸出端
150‧‧‧匹配電阻器
180‧‧‧待測物
300、401、402、403‧‧‧安全監控系統
320‧‧‧信號處理器
330‧‧‧控制器
340、441、442、443‧‧‧反應元件
380‧‧‧使用者
450、480‧‧‧行走輔具
460‧‧‧車輪
S1‧‧‧入射信號
S2‧‧‧反射信號
SB‧‧‧基頻信號
SC‧‧‧控制信號
VSS‧‧‧接地電位
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置之示意圖；第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置之示意圖；第1C圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置之示意圖；第1D圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置之示意圖；第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置之示意圖；第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置之示意 圖；第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之安全監控系統之示意圖；第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之安全監控系統之應用之示意圖；第4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之安全監控系統之應用之示意圖；第4C圖係顯示根據本發明一實施例所述之安全監控系統之應用之示意圖。
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1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置101之示意圖。雷達裝置101可偵測一待測物(Objection Under Detection，OUD)180之一狀態，例如：一位移、一速度，或是一加速度。如第1A圖所示，雷達裝置101包括：一信號源110、一第一天線121、一第二天線122、一混頻器(Mixer)130，以及一90度耦合器(90-degree Coupler)140。信號源110可以是一弦波振盪器(Sinusoidal Oscillator)。第一天線121和第二天線122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)。混頻 器130係用於將輸入之信號於時域上執行相乘積後輸出。90度耦合器140具有一第一輸入端141、一第二輸入端142、一第一輸出端143，以及一第二輸出端144，其中由第一輸入端141或第二輸入端142進入之信號將分割為二路並分別從第一輸出端143和第二輸出端144出來，而第一輸出端143和第二輸出端144之間之一信號相位差(Phase Difference)恰為90度。
以下第1A-1D圖之實施例係用於說明本發明之雷達裝置之不同組態，其主要係利用90度耦合器140來取代傳統需要至少二混頻器之I/Q信號路徑。必須理解的是，這些實施例僅為舉例，並非用於限制本發明。
在第1A圖之實施例中，信號源110係用於產生一入射信號S1。第一天線121係用於傳送入射信號S1至待測物180。第二天線122係用於接收來自待測物180之一反射信號S2。第二天線122係經由90度耦合器140耦接至混頻器130，而90度耦合器140可用於分割反射信號S2並且調整反射信號S2之相位。混頻器130再根據入射信號S1和反射信號S2，產生一基頻信號SB。雷達裝置101可以是一都卜勒雷達(Doppler Radar)，而基頻信號SB可以包括待測物180之一速度資訊。詳細而言，90度耦合器140之第一輸入端141係耦接至第二天線122，90度耦合器140之第二輸入端142係經由一匹配電阻器150耦接至一接地電位VSS，而90度耦合器140之第一輸出端143和第二輸出端144皆耦接至混頻器130。在此設計下，混頻器130將接收到來自90度耦合器140之二路已分割之反射信號S2，其間具有90度之信號相位差，此即近似於傳統I/Q二路正交信號。因此，第1A圖之雷 達裝置101可以沒有第二混頻器之情況下，實現出二路正交信號傳遞路徑。相較於先前技術，本發明至少具有簡化設計、降低成本等優點，其適合應用於各種雷達偵測之技術領域當中。
第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置102之示意圖。第1B圖和第1A圖相似。在第1B圖之實施例中，信號源110係用於產生入射信號S1。第一天線121係用於傳送入射信號S1至待測物180。第二天線122係用於接收來自待測物180之反射信號S2。第二天線122係經由90度耦合器140耦接至混頻器130，而90度耦合器140可用於分割反射信號S2並且調整反射信號S2之相位。混頻器130再根據入射信號S1和反射信號S2，產生基頻信號SB。詳細而言，90度耦合器140之第一輸入端141和第二輸入端142皆耦接至第二天線122，而90度耦合器140之第一輸出端143和第二輸出端144皆耦接至混頻器130。在此設計下，混頻器130將接收到來自90度耦合器140之二路已分割之反射信號S2，其間具有90度之信號相位差，此即近似於傳統I/Q二路正交信號。第1B圖之雷達裝置102之其餘特徵皆與第1A圖之雷達裝置101相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第1C圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置103之示意圖。第1C圖和第1A圖相似。在第1C圖之實施例中，信號源110係用於產生入射信號S1。信號源110係經由90度耦合器140耦接至第一天線121，而90度耦合器140可用於分割入射信號S1並且調整入射信號S1之相位。第一天線121係用於傳送入射信號S1至待測物180。第二天線122係用於接收來自待測物 180之反射信號S2。混頻器130再根據入射信號S1和反射信號S2，產生基頻信號SB。詳細而言，90度耦合器140之第一輸入端141係耦接至信號源110，90度耦合器140之第二輸入端142係經由一匹配電阻器150耦接至一接地電位VSS，而90度耦合器140之第一輸出端143和第二輸出端144皆耦接至第一天線121。在此設計下，第一天線121將傳送出來自90度耦合器140之二路已分割之入射信號S1，其間具有90度之信號相位差，此即近似於傳統I/Q二路正交信號。第1C圖之雷達裝置103之其餘特徵皆與第1A圖之雷達裝置101相似，故此二實施例均可達成相似之操作效果。
第1D圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置104之示意圖。第1D圖和第1A圖相似。在第1D圖之實施例中，信號源110係用於產生入射信號S1。信號源110係經由90度耦合器140耦接至第一天線121，而90度耦合器140可用於分割入射信號S1並且調整入射信號S1之相位。第一天線121係用於傳送入射信號S1至待測物180。第二天線122係用於接收來自待測物180之反射信號S2。混頻器130再根據入射信號S1和反射信號S2，產生基頻信號SB。詳細而言，90度耦合器140之第一輸入端141和第二輸入端142皆耦接至信號源110，而90度耦合器140之第一輸出端143和第二輸出端144皆耦接至第一天線121。在此設計下，第一天線121將傳送出來自90度耦合器140之二路已分割之入射信號S1，其間具有90度之信號相位差，此即近似於傳統I/Q二路正交信號。第1D圖之雷達裝置104之其餘特徵皆與第1A圖之雷達裝置101相似，故此二實施例均可達成相似之操作效 果。
第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置201之示意圖。雷達裝置201可偵測一待測物180之一狀態，例如：一位移、一速度，或是一加速度。如第2A圖所示，雷達裝置201包括：一信號源110、一第一天線221、一第二天線222，以及一混頻器130。信號源110可以是一弦波振盪器。第一天線221和第二天線222其中一者為一圓極化天線(Circular Polarization Antenna)，而另外一者為一線性極化天線(Linear Polarization Antenna)。混頻器130係用於將輸入之信號於時域上執行相乘積後輸出。
以下第2A-2B圖之實施例係用於說明本發明之雷達裝置之不同組態，其主要係利用圓極化天線和線性極化天線來取代傳統需要至少二混頻器之I/Q信號路徑。必須理解的是，這些實施例僅為舉例，並非用於限制本發明。
在第2A圖之實施例中，第一天線221為一圓極化天線且第二天線222為一線性極化天線。信號源110係用於產生一入射信號S1。第一天線221係用於傳送入射信號S1至待測物180。第二天線222係用於接收來自待測物180之一反射信號S2。第二天線222可以是一雙埠正交線性極化天線，或是包括互相垂直之二單埠線性極化天線。混頻器130再根據入射信號S1和反射信號S2，產生一基頻信號SB。雷達裝置201可以是一都卜勒雷達，而基頻信號SB可以包括待測物180之一速度資訊。詳細而言，第一天線221(圓極化天線)所傳送之信號具有正交極化方向以及恰為90度之相位差(例如：第一天線221可傳送X方向極化 信號和Y方向極化信號，兩者之信號相位差可為90度)，而第二天線222(線性極化天線)所接收之信號具有正交極化方向以及恰為0度之相位差(例如：第二天線222可接收X方向極化信號和Y方向極化信號，兩者之信號相位差可為0度)，此即近似於傳統I/Q二路正交信號。因此，第2A圖之雷達裝置201可以沒有第二混頻器之情況下，實現出二路正交信號傳遞路徑。相較於先前技術，本發明至少具有簡化設計、降低成本等優點，其適合應用於各種雷達偵測之技術領域當中。
第2B圖係顯示根據本發明一實施例所述之雷達裝置202之示意圖。第2B圖和第2A圖相似。在第2B圖之實施例中，第一天線221為一線性極化天線且第二天線222為一圓極化天線。信號源110係用於產生入射信號S1。第一天線221係用於傳送入射信號S1至待測物180。第二天線222係用於接收來自待測物180之反射信號S2。第一天線221可以是一雙埠正交線性極化天線，或是包括互相垂直之二單埠線性極化天線。混頻器130再根據入射信號S1和反射信號S2，產生基頻信號SB。詳細而言，第一天線221(線性極化天線)所傳送之信號具有正交極化方向以及恰為0度之相位差(例如：第一天線221可傳送X方向極化信號和Y方向極化信號，兩者之信號相位差可為0度)，而第二天線222(圓極化天線)所接收之信號具有正交極化方向以及恰為90度之相位差(例如：第二天線222可接收X方向極化信號和Y方向極化信號，兩者之信號相位差可為90度)，此即近似於傳統I/Q二路正交信號。第2B圖之雷達裝置202之其餘特徵皆與第2A圖之雷達裝置201相似，故此二實施例均可達成相似之操作 效果。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之安全監控系統300之示意圖。安全監控系統300可用於保護一使用者380。如第3圖所示，安全監控系統300包括：一雷達裝置310、一信號處理器320、一控制器330，以及一反應元件340。雷達裝置310係用於偵測使用者380之一狀態(例如：一位移、一速度，或是一加速度)，並產生一基頻信號SB。信號處理器32()係用於解析基頻信號SB，並產生一控制信號SC。控制器330係根據控制信號SC來操作反應元件340，以維護使用者380之安全。
以下第4A-4C圖之實施例係用於說明本發明之安全監控系統之不同組態。必須理解的是，這些實施例僅為舉例，並非用於限制本發明。
第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之安全監控系統401之應用之示意圖。在第4A圖之實施例中，安全監控系統401係設置於一行走輔具450上，其中行走輔具450具有複數個車輪460，並可用於協助一使用者380進行移動。安全監控系統401之一反應元件441為一車輪馬達，其可用於控制行走輔具450之車輪460之轉動狀態。例如，當安全監控系統401偵測到使用者380之一移動速度下降時，其控制器可調降反應元件441(車輪馬達)之一轉動速度；反之，當安全監控系統401偵測到使用者380之移動速度上升時，其控制器可調升反應元件441(車輪馬達)之轉動速度。換言之，安全監控系統401可自動控制行走輔具450之車輪460之轉動速度，以配合使用者380之 移動速度，此設計可預防使用者380因行走輔具450之速度不當而發生一跌倒事件。
第4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之安全監控系統402之應用之示意圖。在第4B圖之實施例中，安全監控系統402係設置於一行走輔具480上，其中行走輔具480可以是一無輪式輔具，或是如第4A圖般之一有輪式輔具，並可用於協助一使用者380進行移動。安全監控系統402之一反應元件442為一充氣氣墊，其原本處於未充氣狀態。當安全監控系統402偵測到使用者380發生一跌倒事件時(例如：使用者380之移動速度突然提高)，其控制器可控制反應元件(充氣氣墊)442立刻充飽氣體，以支撐住使用者380。此設計可避免使用者380因跌倒事件而發生嚴重傷害。在一些實施例中，安全監控系統402之雷達裝置可為一光感測雷達。此光感測雷達平常發射光線至使用者380並接收其反射光，而當光感測雷達偵測到使用者380之反射光之強度變弱時，代表使用者380可能跌倒，此時安全監控裝置402可立即將反應元件(充氣氣墊)442充飽氣體。
第4C圖係顯示根據本發明一實施例所述之安全監控系統403之應用之示意圖。在第4C圖之實施例中，安全監控系統403係設置於一行走輔具480上。安全監控系統403之一反應元件443為一警示器，其原本處於不亮且無聲狀態。當安全監控系統403偵測到使用者380發生一跌倒事件時，其控制器可控制反應元件(警示器)443發出閃光和聲音。此設計可立即通知附近人員針對已跌倒之使用者380進行施救。
必須注意的是，第1A-1D圖、第2A-2B圖之實施例 所述之雷達裝置，均可應用於第3、4A-4C圖之實施例之安全監控系統當中，以監控使用者(等同待測物)之狀態。本發明之安全監控系統可與傳統行走輔具作結合，並應用於老人看護等領域，可保護老人或身障者之生命安全。
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。
101‧‧‧雷達裝置
110‧‧‧信號源
121‧‧‧第一天線
122‧‧‧第二天線
130‧‧‧混頻器
140‧‧‧90度耦合器
141‧‧‧90度耦合器之第一輸入端
142‧‧‧90度耦合器之第二輸入端
143‧‧‧90度耦合器之第一輸出端
144‧‧‧90度耦合器之第二輸出端
150‧‧‧匹配電阻器
180‧‧‧待測物
S1‧‧‧入射信號
S2‧‧‧反射信號
SB‧‧‧基頻信號
VSS‧‧‧接地電位

Claims (6)

  1. 一種雷達裝置，用於偵測一待測物，包括：一信號源，產生一入射信號；一第一天線，傳送該入射信號至該待測物；一第二天線，接收來自該待測物之一反射信號；一混頻器，根據該入射信號和該反射信號，產生一基頻信號；以及一90度耦合器，其中該第二天線係經由該90度耦合器耦接至該混頻器，或是該信號源係經由該90度耦合器耦接至該第一天線；其中該90度耦合器具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端，以及一第二輸出端，其中由該第一輸入端或該第二輸入端進入之信號將分割為二路，並分別從該第一輸出端和該第二輸出端出來，而該混頻器係用以接收來自該90度耦合器之二路已分割之該信號；其中該第一輸出端和該第二輸出端之間之一信號相位差恰為90度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷達裝置，其中該雷達裝置為一都卜勒雷達，而該基頻信號包括該待測物之一速度資訊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雷達裝置，其中該90度耦合器之該第一輸入端係耦接至該第二天線，該90度耦合器之該第二輸入端係經由一匹配電阻器耦接至一接地電位，而該90度耦合器之該第一輸出端和該第二輸出端皆耦接至該混 頻器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雷達裝置，其中該90度耦合器之該第一輸入端和該第二輸入端皆耦接至該第二天線，而該90度耦合器之該第一輸出端和該第二輸出端皆耦接至該混頻器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之雷達裝置，其中該90度耦合器之該第一輸入端係耦接至該信號源，該90度耦合器之該第二輸入端係經由一匹配電阻器耦接至一接地電位，而該90度耦合器之該第一輸出端和該第二輸出端皆耦接至該第一天線。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之雷達裝置，其中該90度耦合器之該第一輸入端和該第二輸入端皆耦接至該信號源，而該90度耦合器之該第一輸出端和該第二輸出端皆耦接至該第一天線。
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