TWI616669B - 正交自我注入鎖定雷達 - Google Patents

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Abstract

一種正交自我注入鎖定雷達藉由相位位移器的調整讓振盪訊號操作於兩個相位模態，再搭配頻率解調器的頻率解調及訊號處理器的訊號處理，可消除自我注入鎖定現象所造成的非線性失真，使該正交自我注入鎖定雷達可用於偵測任意大小的位移變化，令自我注入鎖定雷達之應用更加地廣泛。

Description

正交自我注入鎖定雷達
本發明是關於一種自我注入鎖定雷達，特別是關於一種正交自我注入鎖定雷達。
於先前技術中，自我注入鎖定雷達被用於偵測生物體重要的生理訊號，如呼吸、心跳等，其原理是藉由發射射頻訊號至一物體，該射頻訊號被該物體反射後再注入自我注入鎖定雷達，使自我注入鎖定雷達進入自我注入鎖定狀態(Self-injection-locked)而產生一自我注入鎖定訊號，由於射頻訊號的頻率會受到該物體位移的影響而產生都普勒效應，將使得該自我注入鎖定訊號中含有該物體位移造成的都普勒成分，因此，理論上對該自我注入鎖定雷達之該自我注入鎖定訊號分析後即可得到該物體的位移資訊。但由於自我注入鎖定的特性使然，當該物體的位移振幅超過1/10操作波長時，將會造成輸出波形的失真而無法準確判斷頻率資訊，因此，無論該物體的運動範圍或大或小，習知之自我注入鎖定雷達皆無法由波形中的變化得知該物體的位移資訊，使得傳統之自我注入鎖定雷達只能在該物體進小範圍運動時測得其振動頻率，而僅能適用於感測該物體呼吸、心跳等微弱振動之頻率，而若該物體進行大範圍運動時，更是連振動頻率都無法測得，導致自我注入鎖定雷達的應用範圍受限。
本發明的主要目的在於提供一正交自我注入鎖定雷達，藉由相位位移器使振盪訊號操作於兩種相位模態，在該正交自我注入鎖定雷達處於自我注入鎖定狀態時產生具有相位差的兩個自我注入鎖定訊號，而可透過頻率解調及訊號處理的方式消除波形的失真，使得自我注入鎖定雷達可用偵測物體的位移資訊。
本發明之一種正交自我注入鎖定雷達包含一自我注入鎖定路徑、一頻率解調器及一訊號處理器，該自我注入鎖定路徑具有一壓控振盪器、一相位位移器及一傳接天線，該壓控振盪器用以輸出一振盪訊號，該相位位移器用以調整該振盪訊號之相位，使該振盪訊號操作於兩種相位模態，該傳接天線用以將該振盪訊號發射至一物體，該傳接天線接收該物體反射之該振盪訊號並傳送至該壓控振盪器，使該壓控振盪器處在一自我注入鎖定狀態而產生一第一自我注入鎖定訊號及一第二自我注入鎖定訊號，該頻率解調器接收該第一自我注入鎖定訊號及該第二自我注入鎖定訊號，該頻率解調器對該第一自我注入鎖定訊號及該第二自我注入鎖定訊號進行頻率解調以得到一第一頻率解調訊號及一第二頻率解調訊號，該訊號處理器接收該第一頻率解調訊號及該第二頻率解調訊號並進行運算，以得到該物體的一位移訊號。
本發明藉由該相位位移器的相位位移，使該振盪訊號操作於兩個相位模態，而在自我注入鎖定中產生該第一自我注入鎖定訊號及該第二自我注入鎖定訊號，藉此可透過訊號處理的方式消除波型失真，使該正交自我注入鎖定雷達位移感測範圍更加廣泛。
請參閱第1圖，為本發明之第一實施例，一種正交自我注入鎖定雷達100的功能方塊圖，該正交自我注入鎖定雷達100包含一自我注入鎖定路徑L、一頻率解調器200及一訊號處理器300，該自我注入鎖定路徑L具有一壓控振盪器110、一相位位移器120及一傳接天線130。在本實施例中，該壓控振盪器110具有一訊號輸出埠111、一訊號注入埠112及一電壓控制埠113，該傳接天線130具有一傳送天線131及一接收天線132，其中該訊號輸出埠111電性連接頻率解調器200及該傳送天線131，該訊號注入埠112電性連接該相位位移器120，該電壓控制埠113電性連接該訊號處理器300，使該壓控振盪器110受該訊號處理器300的控制並由該訊號輸出埠111輸出一振盪訊號 S out ( t)，該振盪訊號 S out ( t)傳送至該傳送天線131，該傳送天線131將該振盪訊號 S out ( t)發射至一物體S，該物體S反射該振盪訊號 S out ( t)，該接收天線132接收該物體S反射之該振盪訊號 S out ( t)，且反射之該振盪訊號 S out ( t)經由該相位位移器120相位位移後注入該壓控振盪器110之該訊號注入埠112，使該壓控振盪器110處在該自我注入鎖定狀態(self-injection-locked state)。該相位位移器120受該訊號處理器300的控制而調整該振盪訊號 S out ( t)之相位，使該振盪訊號 S out ( t)操作於兩種相位模態，在本實施例中，該相位位移器120於一相位模態中將該振盪訊號 S out ( t)相位位移90度，於另一相位模態中將該振盪訊號 S out ( t)相位位移0度，使注入該壓控振盪器110之該振盪訊號 S out ( t)在兩個相位模態之間相差90度，而能在後續的訊號處理過程中消除波形的失真。
藉由上述之該自我注入鎖定路徑L可使該壓控振盪器110處在該自我注入鎖定狀態而產生一自我注入鎖定訊號，由於該物體S反射之該振盪訊號 S out ( t)中含有了該物體S位移造成的都普勒成分，對該自我注入鎖定訊號進行分析後即可得到該物體S的位移資訊。此外，由於該振盪訊號 S out ( t)被該相位位移器120相位調整在兩個相位模態，因此，本發明之該壓控振盪器110於該自我注入鎖定狀態中會產生一第一自我注入鎖定訊號 S IL 1及一第二自我注入鎖定訊號 S IL 2的相位成分。
請參閱第1圖，該頻率解調器200由該自我注入鎖定路徑L接收該第一自我注入鎖定訊號 S IL1 及該第二自我注入鎖定訊號 S IL2 ，且該頻率解調器200對該第一自我注入鎖定訊號 S IL 1及該第二自我注入鎖定訊號 S IL 2進行頻率解調以得到一第一頻率解調訊號 S BB ,0( t)及一第二頻率解調訊號 S BB ,90( t)。該訊號處理器300接收該第一頻率解調訊號 S BB ,0( t)及該第二頻率解調訊號 S BB ,90( t)並進行運算，即可得到該物體S的一位移訊號 。
在本實施例中，訊號處理器300對該第一頻率解調訊號 S BB ,0( t)及該第二頻率解調訊號 S BB ,90( t)進行一反正切解調(arctangent demodulation)而得到一解調訊號 ，該反正切解調的計算式為： 其中，S demod(t)為該解調訊號，S BB,0(t)為該第一頻率解調訊號，S BB,90(t)為該第二頻率解調訊號，α d (t)為該物體S之位移所造成的相位變化，c為光速，d 0為該物體與該傳接天線130間的初始距離，x(t)為該物體之位移振幅，ω osc 為振盪器的初始振盪頻率。
本發明在該自我注入鎖定路徑L中藉由該相位位移器120使該振盪訊號S out (t)操作於兩個具有相位差之相位模態，而能根本地解決自我注入鎖定現象(self-injection-locked phenomenon)所產生的非線性失真，從而消除了自我注入鎖定雷達僅可用於偵測微弱振動的限制，而可進行更廣泛地應用。
請參閱第2圖，為本發明之第一實施例的電路圖，其中該自我注入鎖定路徑L另具有一放大器140及一第一功率分配器150(power splitter)，在本實施例中，該放大器140電性連接該壓控振盪器110之該訊號輸出埠111，用以將該振盪訊號S out (t)放大。該第一功率分配器150電性連接該放大器140，以分別將訊號傳送至該頻率解調器200及該傳送天線131，可避免後端之該頻率解調器200影響該自我注入鎖定路徑L的振盪。
請參閱第2圖，在本實施例中，是使用非相干頻率鑑頻器(non-coherent frequency discriminator)進行頻率之解調，在其他實施例中，可使用其他的解調方式，本發明並不在此限。其中該頻率解調器200具有一延遲單元210、一正交功率分配器220、一第一混波器230、一第二混波器240、一第二功率分配器250及一第三功率分配器260，該第二功率分配器250電性連接該自我注入鎖定路徑L之該第一功率分配器150，以由該自我注入鎖定路徑L取出該第一自我注入鎖 定訊號S IL1及該第二自我注入鎖定訊號S IL2，該第二功率分配器250再將該第一自我注入鎖定訊號S IL1及該第二自我注入鎖定訊號S IL2分為兩個路徑，並經由兩個路徑傳送至該延遲單元210及該正交功率分配器220。
該延遲單元210經由該第二功率分配器250電性連接該自我注入鎖定路徑L，該延遲單元210用以將接收之該第一自我注入鎖定訊號S IL1及該第二自我注入鎖定訊號S IL2進行時間延遲，並傳送至該第三功率分配器260，該第三功率分配器260再將所接收之訊號分為兩個路徑傳送至該第一混波器230及該第二混波器240。
該正交功率分配器220經由該第二功率分配器250電性連接該自我注入鎖定路徑L，該正交功率分配器220用以將接收之該第一自我注入鎖定訊號S IL1及該第二自我注入鎖定訊號S IL2分配為兩個相位模態的訊號，其中該正交功率分配器220具有一0度輸出端221及一90度輸出端222，該第一混波器230電性連接該第三功率分配器260及該正交功率分配器220之該0度輸出端221，該第二混波器240電性連接該第三功率分配器260及該正交功率分配器220之該90度輸出端222。
該第一混波器230將來自該第三功率分配器260之訊號及來自該正交功率分配器220之該0度輸出端221的訊號進行混波，而輸出一第一混波訊號S I,0(t)、S I,90(t)，該第一混波訊號S I,0(t)、S I,90(t)具有兩個相位模態，相對地，該第二混波器240將來自該第三功率分配器260之訊號及來自該正交功率分配器220之該90度輸出端222的訊號進行混波，而輸出一第二混波訊號S Q,0(t)、S Q,90(t)，該第二混波訊號S Q,0(t)、S Q,90(t)具有兩個相位模態。該第一混波訊號S I,0(t)、S I,90(t)及該第二混波訊號S Q,0(t)、S Q,90(t)分別經由一第一低通濾波器270及一第二低通濾波器 280濾波後傳送至該訊號處理器300。
該訊號處理器300接收該第一混波訊號S I,0(t)、S I,90(t)及該第二混波訊號S Q,0(t)、S Q,90(t)後進行相位模態的分析，再將相同相位模態之該第一混波訊號S I,0(t)、S I,90(t)及該第二混波訊號S Q,0(t)、S Q,90(t)進行反正切解調(arctangent demodulation)以得到一第一反正切解調訊號S arc,0(t)及一第二反正切解調訊號S arc,90(t)： 最後，該訊號處理器300再將該第一反正切解調訊號S arc,0(t)及該第二反正切解調訊號S arc,90(t)進行一次反正切解調即可得到該物體S之位移所造成的相位變化α d (t)： 以進而透過公式求得該物體之位移資訊。
請參閱第3至6圖，為本實施例經實測所得之實驗結果，本實驗是感測以頻率0.1Hz及振幅5cm移動之金屬板的位移資訊，請參閱第3及4圖，為該第一混波訊號S I,0(t)、S I,90(t)及該第二混波訊號S Q,0(t)、S Q,90(t)的波型圖，可以看到該第一自我注入鎖定訊號S IL1及該第二自我注入鎖定訊號S IL2經由該頻率解調器200解調後所得之訊號有失真的現象。請再參閱第5圖，為該第一混波訊號S I,0(t)、S I,90(t)及該第二混波訊號S Q,0(t)、S Q,90(t)進行反正切解調後所得之該第一反正切解調訊號S arc,0(t)及該第二反正切解調訊號S arc,90(t)的波型圖。請參閱第6圖，為該第一反正切解調訊號S arc,0(t)及該第二反正切解調訊號S arc,90(t)進行反正切解調後所得之該物體S的位移訊號α d (t)，該位移訊號α d (t)已無波型失真，可得知本發明 確實能消除自我注入鎖定雷達的波型失真，使得本發明之該正交自我注入鎖定雷達100能適用於偵測大位移之該物體S的位移資訊。
請參閱第7圖，為本發明之一第二實施例的功能方塊圖，其與第一實施例的差異在於該相位位移器120的設置位置，在本實施例中，該壓控振盪器110之該訊號輸出埠111電性連接該頻率解調器200及該相位位移器120，該壓控振盪器110該訊號注入埠112電性連接該接收天線132，由於該壓控振盪器110輸出之該振盪訊號S out (t)經由該相位位移器120相位位移後傳送至該傳送天線131，因此本實施例亦可透過該相位位移器120將該振盪訊號S out (t)於一相位模態中相位位移90度，並於另一相位模態中相位位移0度，使該振盪訊號S out (t)操作於兩個相位模態，而能在後端之該訊號處理器300中消除波型的失真。
請參閱第8圖，為本發明之一第三實施例的功能方塊圖，與第一實施例的差異在於本實施例僅具有一個傳接天線130，該壓控振盪器110具有一訊號輸出埠111及一訊號輸出/注入埠114，該訊號輸出埠111電性連接該頻率解調器200，該訊號輸出/注入埠114電性連接該相位位移器120，其中該壓控振盪器110輸出之該振盪訊號S out (t)經由該相位位移器120相位位移後傳送至該傳接天線130，且該傳接天線130接收的反射之該振盪訊號S out (t)經由該相位位移器120相位位移後注入該壓控振盪器110之該訊號輸出/注入埠114，使該壓控振盪器110處在該自我注入鎖定狀態，由於該振盪訊號S out (t)在該自我注入鎖定路徑L中被該相位位移器120相位位移了兩次，因此，在本實施例中，該相位位移器120於一相位模態中將該振盪訊號S out (t)相位位移45度，於另一相位模態中將該振盪訊號S out (t)相位位移0度，即可使該振盪訊號S out (t)在兩個相位模態之間相差90度，而能在後端之該訊號處理器300中消除波型的失真。
本發明藉由該相位位移器120的相位位移，使該振盪訊號 S out ( t)操作於兩個相位模態，而在自我注入鎖定中產生該第一自我注入鎖定訊號 S IL 1及該第二自我注入鎖定訊號 S IL 2，藉此可透過訊號處理的方式消除波型失真，使該正交自我注入鎖定雷達100位移感測範圍更加廣泛。
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，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
100‧‧‧正交自我注入鎖定雷達
110‧‧‧壓控振盪器
111‧‧‧訊號輸出埠
112‧‧‧訊號注入埠
113‧‧‧電壓控制埠
114‧‧‧訊號輸出/注入埠
120‧‧‧相位位移器
130‧‧‧傳接天線
131‧‧‧傳送天線
132‧‧‧接收天線
140‧‧‧放大器
150‧‧‧第一功率分配器
200‧‧‧頻率解調器
210‧‧‧延遲單元
220‧‧‧正交功率分配器
221‧‧‧0度輸出端
222‧‧‧90度輸出端
230‧‧‧第一混波器
240‧‧‧第二混波器
250‧‧‧第二功率分配器
260‧‧‧第三功率分配器
270‧‧‧第一低通濾波器
280‧‧‧第二低通濾波器
300‧‧‧訊號處理器
Sout (t)‧‧‧振盪訊號
SBB ,0(t)‧‧‧第一頻率解調訊號
SBB ,90(t)‧‧‧第二頻率解調訊號
SIL 1‧‧‧第一自我注入鎖定訊號
SIL 2‧‧‧第二自我注入鎖定訊號
SI ,0(t)、SI ,90(t)‧‧‧第一混波訊號
SQ ,0(t)、 SQ ,90(t)‧‧‧第二混波訊號
S‧‧‧物體
Sarc ,0(t)‧‧‧第一反正切解調訊號
Sarc ,90(t)‧‧‧第二反正切解調訊號
‧‧‧物體與傳接天線間的初始距離
‧‧‧物體之位移振幅
第1圖：依據本發明之一第一實施例，一正交自我注入鎖定雷達的功能方塊圖。 第2圖：依據本發明之一第一實施例，該正交自我注入鎖定雷達的電路圖。 第3至6圖：本發明之一第一實施例的實測數據。 第7圖：依據本發明之一第二實施例，一正交自我注入鎖定雷達的功能方塊圖。 第8圖：依據本發明之一第三實施例，一正交自我注入鎖定雷達的功能方塊圖。

Claims (11)

  1. 一種正交自我注入鎖定雷達，其包含：一自我注入鎖定路徑，其具有一壓控振盪器、一相位位移器及一傳接天線，該壓控振盪器用以輸出一振盪訊號，該相位位移器用以調整該振盪訊號之相位，使該振盪訊號操作於兩種相位模態，該傳接天線用以將該振盪訊號發射至一物體，該傳接天線接收該物體反射之該振盪訊號並傳送至該壓控振盪器，使該壓控振盪器處在一自我注入鎖定狀態而產生一第一自我注入鎖定訊號及一第二自我注入鎖定訊號；一頻率解調器，接收該第一自我注入鎖定訊號及該第二自我注入鎖定訊號，該頻率解調器對該第一自我注入鎖定訊號及該第二自我注入鎖定訊號進行頻率解調以得到一第一頻率解調訊號及一第二頻率解調訊號；以及一訊號處理器，接收該第一頻率解調訊號及該第二頻率解調訊號並進行運算，以得到該物體的一位移訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之正交自我注入鎖定雷達，其中該壓控振盪器具有一訊號輸出埠及一訊號注入埠，該傳接天線具有一傳送天線及一接收天線，該訊號輸出埠電性連接該頻率解調器及該傳送天線，該訊號注入埠電性連接該相位位移器，該相位位移器電性連接該接收天線，其中該接收天線接收的反射之該振盪訊號經由該相位位移器相位位移後傳送至該壓控振盪器之該訊號注入埠，使該壓控振盪器處在該自我注入鎖定狀態。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之正交自我注入鎖定雷達，其中該壓控振盪器具有一訊號輸出埠及一訊號注入埠，該傳接天線具有一傳送天線及一接收天線，該訊號輸出埠電性連接該頻率解調器及該相位位移器，該訊號注入埠電 性連接該接收天線，其中該壓控振盪器輸出之該振盪訊號經由該相位位移器相位位移後傳送至該傳送天線。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述之正交自我注入鎖定雷達，其中該相位位移器於一相位模態中將該振盪訊號相位位移90度，於另一相位模態中將該振盪訊號相位位移0度，使該振盪訊號在兩個相位模態之間相差90度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之正交自我注入鎖定雷達，其中該壓控振盪器具有一訊號輸出埠及一訊號輸出/注入埠，該訊號輸出埠電性連接該頻率解調器，該訊號輸出/注入埠電性連接該相位位移器，其中該壓控振盪器輸出之該振盪訊號經由該相位位移器相位位移後傳送至該傳接天線，且該傳接天線接收的反射之該振盪訊號經由該相位位移器相位位移後傳送至該壓控振盪器之該訊號輸出/注入埠，使該壓控振盪器處在該自我注入鎖定狀態。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之正交自我注入鎖定雷達，其中該相位位移器於一相位模態中將該振盪訊號相位位移45度，於另一相位模態中將該振盪訊號相位位移0度，使該振盪訊號在兩個相位模態之間相差90度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之正交自我注入鎖定雷達，其中該頻率解調器具有一延遲單元、一正交功率分配器、一第一混波器及一第二混波器，該延遲單元及該正交功率分配器電性連接該自我注入鎖定路徑，該正交功率分配器具有一0度輸出端及一90度輸出端，該第一混波器電性連接該延遲單元及該正交功率分配器之該0度輸出端，該第二混波器電性連接該延遲單元及該正交功率分配器之該90度輸出端，該第一混波器輸出一第一混波訊號，該第二混波器輸出一第二混波訊號，該訊號處理器接收該第一混波訊號及該第二混波訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之正交自我注入鎖定雷達，其中該頻率解調器另具有一第一低通濾波器及一第二低通濾波器，該第一低通濾波器電性連接該第一混波器，該第二低通濾波器電性連接該第二混波器，該第一混波訊號經由該第一低通濾波器傳送至該訊號處理器，該第二混波訊號經由該第二低通濾波器傳送至該訊號處理器。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之正交自我注入鎖定雷達，其中該訊號處理器對該第一頻率解調訊號及該第二頻率解調訊號進行一反正切解調而得到一解調訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之正交自我注入鎖定雷達，其中該反正切解調的計算式為： 其中， 為該解調訊號， 為該第一頻率解調訊號， 為該第二頻率解調訊號， 為該物體之位移所造成的相位變化。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之正交自我注入鎖定雷達，其中該物體之位移振幅的計算式為： 其中 為光速， 為該物體與該傳接天線間的初始距離， 為該物體之位移振幅， 為振盪器的初始振盪頻率。
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