TWI677700B - 具功率偵測器之都普勒雷達 - Google Patents

具功率偵測器之都普勒雷達 Download PDF

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TWI677700B
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莊惠如
Huey-Ru Chuang
周建彰
Chien-Chang Chou
賴文謙
Wen-Chian Lai
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昇雷科技股份有限公司
Sil Radar Technology Inc.
國立成功大學
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Abstract

一種具功率偵測器之都普勒雷達藉由一功率偵測器偵測一接收傳輸訊號的功率大小，再透過洩漏迴波消除單元根據該接收傳輸訊號的功率大小產生一消除訊號，使該消除訊號可抵消該接收傳輸訊號中的洩漏迴波，讓該接收傳輸訊號中包含之物體移動能夠被辨識。

Description

具功率偵測器之都普勒雷達
本發明是關於一種都普勒雷達，特別是關於一種具功率偵測器之都普勒雷達。
一般生理訊號之感測多以接觸式的方式量測而得，但量測儀器與皮膚長時間的接觸會造成使用者的不適，且與量測儀器連接之導線也容易造成使用者的行動不便，導致傳統之生理訊號感測器並不適合長時間的配戴，因此，目前生理訊號感測器多朝向非接觸式感測的方向發展。其中，都普勒雷達是藉由將無線電波訊號發射至物體時，物體之與都普勒雷達相對之位移對無線電波訊號產生都普勒效應(Doppler effect)，使得由物體反射之反射電波訊號中包含有物體之位移的相位調變，在都普勒雷達接收該反射電波訊號並對其解調後，得到物體的位移訊號。但由於都普勒雷達發射之無線電波訊號是以輻射發散，因此，除了物體會反射無線訊號至都普勒雷達外，環境中也會反射迴波(Clutter)至都普勒雷達，再加上都普勒雷達中之洩漏訊號，造成都普勒接收之反射電波訊號中所包含之物體移動訊號難以辨識。
本發明的主要目的在於藉由洩漏迴波消除單元發出之消除訊號，抵消由都普勒雷達之洩漏訊號及環境反射之迴波的功率總和，並透過功率偵測器偵測洩漏訊號及迴波的功率大小，以確保洩漏訊號及迴波被洩漏回波消除單元之消除訊號自動消除，而可準確地測得物體的移動訊號。
本發明之一種具功率偵測器之都普勒雷達包含一雷達單元、一功率偵測器及一洩漏迴波消除單元，該雷達單元用以發射一無線電波訊號至一物體，該物體反射一反射訊號，其中該物體所處之一環境反射一迴波，該雷達單元接收該反射訊號及該迴波，且該反射訊號、該迴波及該雷達單元之一洩漏訊號構成一接收傳輸訊號，該功率偵測器耦接該雷達單元，該功率偵測器用以偵測該接收傳輸訊號的一功率大小，且該功率偵測器根據該接收傳輸訊號之該功率大小輸出一偵測訊號，該洩漏迴波消除單元耦接該功率偵測器以接收該偵測訊號，該洩漏迴波消除單元根據該偵測訊號產生一消除訊號至該雷達單元，該消除訊號用以抵消該接收傳輸訊號之該洩漏訊號及該迴波。
本發明藉由該功率偵測器偵測該接收傳輸訊號的功率大小，並透過該洩漏迴波消除單元根據該功率偵測器所偵測之功率大小產生該消除訊號，而達成自動地消除該接收傳輸訊號中之該洩漏訊號及該迴波的功效，令該接收傳輸訊號中包含之位移訊號能被辨識。
請參閱第1圖，其為本發明之一實施例，一種具功率偵測器之都普勒雷達100的功能方塊圖，該具功率偵測器之都普勒雷達100包含一雷達單元110、一洩漏迴波消除單元120及一功率偵測器130，較佳的，該雷達單元110、該洩漏迴波消除單元120及該功率偵測器130整合於一積體電路中。
該雷達單元110可為單天線或多天線系統之連續波雷達或脈衝波雷達，本發明不在此限。在本實施例中，該雷達單元110為單天線之連續波雷達，因此能以較為簡易之結構進行位移之偵測，以縮小該具功率偵測器之都普勒雷達100的整體佈局面積。其中，該雷達單元110具有一訊號產生器111、一第一耦合器112、一循環器113、一天線114、一第二耦合器115、一第三耦合器116及一解調單元117，該訊號產生器111產生一振盪訊號So，該振盪訊號So的振盪頻率介於40-80 GHz之間，在本實施例中，該振盪訊號So的振盪頻率為60 GHz。該第一耦合器112電性連接該訊號產生器111，該第一耦合器112接收該振盪訊號So並將該振盪訊號So分為兩路，一第一放大器A1電性連接該第一耦合器112，該第一放大器A1用以放大其中之一路之該振盪訊號So，該循環器113電性連接該第一放大器A1，且該循環器113由該第一放大器A1接收放大後之該振盪訊號So。
其中，該循環器113具有一第一端113a、一第二端113b及一第三端113c，理想中，輸入該第一端113a之訊號僅會由該第二端113b輸出，輸入該第二端113b之訊號僅會由第三端113c輸出，輸入該第三端113c之訊號僅會由第一端113a輸出，但非理想之該循環器113在訊號輸入該第一端113a時，會有部份之洩漏訊號Sl洩漏至該第三端113c，導致該第三端113c輸出的訊號不僅僅是由該第二端113b輸入的訊號。
請參閱第1圖，在本實施例中，該第一放大器A1放大後之該振盪訊號So輸入該循環器113之該第一端113a，並由該循環器113之該第二端113b輸出，該第二端113b輸出的該振盪訊號So傳送至該天線114，該天線114將該振盪訊號So以一無線電波訊號Sw的形式發射至一物體O，該無線電波訊號Sw發射至該物體O後，該物體O反射一反射訊號Sr，且該物體O所處之一環境反射一迴波C，該雷達單元110之該天線114接收該反射訊號Sr及該迴波C，該反射訊號Sr及該迴波C構成一接收傳輸訊號St。其中，該物體O相對該天線114之位移對該無線電波訊號Sw會產生都普勒效應，使得該反射訊號Sr中包含有該物體O之位移的相位調變成份，該接收傳輸訊號St輸入該循環器113之該第二端113b，並由該循環器113之該第三端113c輸出，但由於放大後之該振盪訊號So傳送至該第一端113a時，會有部份之洩漏訊號Sl洩漏至該第三端113c，且洩漏至該第三端113c的該洩漏訊號Sl也混入該接收傳輸訊號St中，使得該接收傳輸訊號St中包含之該物體位移的相位調變成份無法直接辨識。
其中，該物體O相對該天線114之位移可為非生命體的移動或是生命體之生理徵象造成之細微振動，本實施例之該具功率偵測器之都普勒雷達100之偵測目標並非本案之限制。
請參閱第1圖，該洩漏迴波消除單元120電性連接該第一耦合器112，該洩漏迴波消除單元120接收另一路之該振盪訊號So，該洩漏迴波消除單元120具有一微處理控制器121、一可調相位位移器122及一可變增益放大器123。在本實施例中，該第一耦合器112傳送至洩漏迴波消除單元120之該振盪訊號So是依序傳送至該可調相位位移器122及該可變增益放大器123，而分別藉由該可調相位位移器122調整其相位及藉由該可變增益放大器123調整其振幅而形成一消除訊號Sc。該微處理控制器121電性連接該可調相位位移器122及該可變增益放大器123，該微處理控制器121分別輸出一相位位移器控制訊號PSc及一可變增益控制訊號VGAc至該可調相位位移器122及該可變增益放大器123，以控制該可調相位位移器122的相位位移量及該可變增益放大器123的增益大小。
請參閱第1圖，該第二耦合器115電性連接該循環器113之該第三端113c及該洩漏迴波消除單元120，該第二耦合器115接收該接收傳輸訊號St及該消除訊號Sc，該第二耦合器115用以耦合該接收傳輸訊號St及該消除訊號Sc，由於該消除訊號Sc是經由該可調相位位移器122及該可變增益放大器123調整其相位及振幅，使得該消除訊號Sc可抵消該接收傳輸訊號St中的該迴波C及該洩漏訊號Sl的干擾，讓該接收傳輸訊號St中包含的位移訊號能夠被辨識。
請參閱第1圖，一第二放大器A2電性連接該第二耦合器115，該第二放大器A2放大該第二耦合器115輸出之該接收傳輸訊號St，該第三耦合器116經由該第二放大器A2耦接該第二耦合器115，該第三耦合器116接收放大後之該接收傳輸訊號St，該第三耦合器116用以將該接收傳輸訊號St分為兩路，該功率偵測器130電性連接該第三耦合器116，以由該第三耦合器116接收其中一路之該接收傳輸訊號St。
請參閱第1圖，該功率偵測器130用以偵測該接收傳輸訊號St的一功率大小，且該功率偵測器130根據該接收傳輸訊號St之該功率大小輸出一偵測訊號Sd，該洩漏迴波消除單元120之該微處理控制器121電性連接該功率偵測器130以接收該偵測訊號Sd，該微處理控制器121根據該偵測訊號Sd分別輸出該相位位移器控制訊號PSc及該可變增益控制訊號VGAc至該可調相位位移器122及該可變增益放大器123，以控制該可調相位位移器122的相位位移量及該可變增益放大器123之增益大小。
在本實施例中，該微處理控制器121是分別提供整個控制範圍的該相位位移器控制訊號PSc及該可變增益控制訊號VGAc至該可調相位位移器122及該可變增益放大器123，並透過該偵測訊號Sd所顯示之該接收傳輸訊號St的該功率大小最佳化該相位位移器控制訊號PSc及該可變增益控制訊號VGAc。其中，由於該接收傳輸訊號St中包含之該迴波C及該洩漏訊號Sl會提高該接收傳輸訊號St的功率大小，而該微處理控制器121以不同之該相位位移器控制訊號PSc及該可變增益控制訊號VGAc調整該可調相位位移器122及該可變增益放大器123時，該洩漏迴波消除單元120所產生之該消除訊號Sc對該接收傳輸訊號St中的該迴波C及該洩漏訊號Sl的抵消程度亦不相同，因此，當該偵測訊號Sd所顯示之該接收傳輸訊號St的該功率大小為最小值時，則代表著該接收傳輸訊號St中的該迴波C及該洩漏訊號Sl已經被該消除訊號Sc作最大程度的抵消，也意味著該可調相位位移器122提供之相位位移及該可變增益放大器123提供之增益已經最佳化。
本實施例藉由該功率偵測器130的功率偵測及該洩漏迴波消除單元120根據該偵測訊號Sd產生的該消除訊號Sc，可自動消除該接收傳輸訊號St中該迴波C及該洩漏訊號Sl干擾，讓該接收傳輸訊號St中的位移訊號能在後續電路處理中被辨識。
請參閱第2圖，為該功率偵測器130的電路圖，該功率偵測器130為一連續檢測對數放大器(Successive detection logarithmic amplifier, SDLA)結構，但由於本實施例之該具功率偵測器之都普勒雷達100的一操作頻率介於40-80 GHz之間，較佳的，該功率偵測器130之增益級的放大器由限制放大器更改為共源極放大器，以避免該功率偵測器130因操作於高頻而產生的功率消耗。在本實施例中，該功率偵測器130具有複數個增益級131、複數個整流器132及一電壓加總單元133，各該增益級131由一個或多個共源極放大器構成，各該增益級131相互串接，且各該增益級131分別輸出一電壓，各該整流器132電性連接各該增益級131，以將各該增益級131之該電壓轉換為一輸出電壓，該電壓加總單元133電性連接各該整流器132以接收該些輸出電壓，且該電壓加總單元133用以將該些輸出電壓加總為一加總電壓，該加總電壓即為該偵測訊號Sd，該偵測訊號Sd的電位大小可表示該接收傳輸訊號St的功率大小。
請再參閱第1圖，該洩漏迴波消除單元120根據該偵測訊號Sd調整該消除訊號Sc的相位及振幅，而可藉由該消除訊號Sc抵消該接收傳輸訊號St中的該迴波C及該洩漏訊號Sl，使得該接收傳輸訊號St中的位移訊號可被辨識，其中，該雷達單元110之該解調單元117電性連接該訊號產生器111及該第三耦合器116，以接收該振盪訊號So及另一路之該接收傳輸訊號St並進行解調，而得到該物體O之該位移訊號Sx。
請參閱第1圖，在本實施例中，該解調單元117具有一除頻器117a、一第一功率分配器117b、一第二功率分配器117c、一第一次諧波混頻器117d及一第二次諧波混頻器117e，該除頻器117a電性連接該訊號產生器111並接收該振盪訊號So，該除頻器117a用以將該振盪訊號So的頻率除2並輸出一除頻訊號SD，該第一功率分配器117b電性連接該除頻器117a並接收該除頻訊號SD，該第一功率分配器117b將該除頻訊號SD分為兩個路徑，其中之一路徑之該除頻訊號SD傳送至該第一次諧波混頻器117d，另一路徑之該除頻訊號SD經由一傳輸線TL傳送至該第二次諧波混頻器117e，該第二功率分配器117c電性連接該第三耦合器116並接收該接收傳輸訊號St，該第二功率分配器117c將該接收傳輸訊號St分為兩個路徑，其中之一路徑之該接收傳輸訊號St傳送至該第一次諧波混頻器117d，另一路徑之該接收傳輸訊號St傳送至該第二次諧波混頻器117e，該第一次諧波混頻器117d將該除頻訊號SD及該接收傳輸訊號St混頻並輸出一第一混頻訊號M1，該第二次諧波混頻器117e將相移之該除頻訊號SD及該接收傳輸訊號St混頻並輸出一第二混頻訊號M2，該第一混頻訊號M1及該第二混頻訊號M2分別經由兩個放大器OPA放大、兩個低通濾波器LF濾波及一資料擷取裝置DAQ擷取資料後傳送至一計算裝置COM計算後即可得到該位移訊號Sx。
請參閱第3及4圖，為本發明之該具功率偵測器之都普勒雷達100實際偵測一受測者之位移訊號的數據圖，其中該受測者之位移是該受測者之生理徵象造成，因此所測得之該位移訊號即為該受測者之該生理徵象，在第3圖中，該受測者屏息，因此，在圖中僅可看到該受測者之心跳所造成的位移量，而在第4圖中，該受測者正常呼吸，而在圖中即可看到該受測者之心跳及呼吸所造成的位移量，可知本案之該具功率偵測器之都普勒雷達100可確實有效地消除環境之該迴波C及該循環器113之該洩漏訊號Sl的影響而準確地測得受測者的生理徵象。
本發明藉由該功率偵測器130偵測該接收傳輸訊號St的功率大小，並透過該洩漏迴波消除單元120根據該功率偵測器130所偵測之功率大小產生該消除訊號Sc，而達成自動地消除該接收傳輸訊號St中之該迴波C及該洩漏訊號Sl之功效，令該接收傳輸訊號St中包含之位移訊號能被辨識。
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‧‧‧具功率偵測器之都普勒雷達
110‧‧‧雷達單元
111‧‧‧訊號產生器
112‧‧‧第一耦合器
113‧‧‧循環器
113a‧‧‧第一端
113b‧‧‧第二端
113c‧‧‧第三端
114‧‧‧天線
115‧‧‧第二耦合器
116‧‧‧第三耦合器
117‧‧‧解調單元
117a‧‧‧除頻器
117b‧‧‧第一功率分配器
117c‧‧‧第二功率分配器
117d‧‧‧第一次諧波混頻器
117e‧‧‧第二次諧波混頻器
120‧‧‧洩漏迴波消除單元
121‧‧‧微處理控制器
122‧‧‧可調相位位移器
123‧‧‧可變增益放大器
130‧‧‧功率偵測器
131‧‧‧增益級
132‧‧‧整流器
133‧‧‧電壓加總單元
A1‧‧‧第一放大器
A2‧‧‧第二放大器
Sw‧‧‧無線電波訊號
Sr‧‧‧反射訊號
DAQ‧‧‧資料擷取裝置
C‧‧‧迴波
St‧‧‧接收傳輸訊號
Sc‧‧‧消除訊號
PSc‧‧‧相位位移器控制訊號
VGAc‧‧‧可變增益放大器控制訊號
So‧‧‧振盪訊號
Sx‧‧‧位移訊號
Sd‧‧‧偵測訊號
SD‧‧‧除頻訊號
O‧‧‧物體
TL‧‧‧傳輸線
M1‧‧‧第一混頻訊號
M2‧‧‧第二混頻訊號
OPA‧‧‧放大器
LF‧‧‧低通濾波器
COM‧‧‧計算裝置
Sl‧‧‧洩漏訊號
第1圖： 依據本發明之一實施例，一種具功率偵測器之都普勒雷達之功能方塊圖。 第2圖： 依據本發明之一實施例，一功率偵測器之電路圖。 第3圖： 依據本發明之一實施例，該具功率偵測器之都普勒雷達感測一屏息之受測者所得的位移訊號。 第4圖： 依據本發明之一實施例，該具功率偵測器之都普勒雷達感測一正常呼吸之受測者所得的位移訊號。

Claims (11)

  1. 一種具功率偵測器之都普勒雷達，其包含： 一雷達單元，用以發射一無線電波訊號至一物體，該物體反射一反射訊號，其中該物體所處之一環境反射一迴波，該雷達單元接收該反射訊號及該迴波，且該反射訊號、該迴波及該雷達單元之一洩漏訊號構成一接收傳輸訊號； 一功率偵測器，耦接該雷達單元，該功率偵測器用以偵測該接收傳輸訊號的一功率大小，且功率偵測器根據該接收傳輸訊號之該功率大小輸出一偵測訊號；以及 一洩漏迴波消除單元，耦接該功率偵測器以接收該偵測訊號，該洩漏迴波消除單元根據該偵測訊號產生一消除訊號至該雷達單元，該消除訊號用以抵消該接收傳輸訊號之該洩漏訊號及該迴波。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具功率偵測器之都普勒雷達，其中該洩漏迴波消除單元具有一微處理控制器、一可調相位位移器及一可變增益放大器，該微處理控制器電性連接該功率偵測器以接收該偵測訊號，該微處理控制器根據該偵測訊號分別輸出一相位位移器控制訊號及一可變增益控制訊號至該可調相位位移器及該可變增益放大器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之具功率偵測器之都普勒雷達，其中該雷達單元具有一訊號產生器、一第一耦合器、一循環器及一天線，該訊號產生器產生一振盪訊號，該第一耦合器接收該振盪訊號並將該振盪訊號分為兩路，該循環器電性連接該第一耦合器以接收其中一路之該振盪訊號，該循環器用以將該振盪訊號傳送至該天線，該天線用以將該振盪訊號以該無線電波訊號的形式發射至該物體，該洩漏迴波消除單元電性連接該第一耦合器以接收另一路之該振盪訊號，並調整該振盪訊號之一相位及一振幅而形成該消除訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之具功率偵測器之都普勒雷達，其中該雷達單元具有一第二耦合器，該第二耦合器電性連接該循環器及該洩漏迴波消除單元，以接受該接收傳輸訊號及該消除訊號，該第二耦合器用以耦合該接收傳輸訊號及該消除訊號。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之具功率偵測器之都普勒雷達，其中該雷達單元具有一第一放大器，該第一放大器電性連接該第一耦合器，以放大該振盪訊號，該循環器經由該第一放大器耦接該第一耦合器，以接收放大後之該振盪訊號。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之具功率偵測器之都普勒雷達，其中該雷達單元具有一第三耦合器，該第三耦合器電性連接該第二耦合器，以接收該接收傳輸訊號，該第三耦合器用以將該接收傳輸訊號分為兩路，該功率偵測器電性連接該第三耦合器，以由該第三耦合器接收其中一路之該接收傳輸訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之具功率偵測器之都普勒雷達，其中該雷達單元具有一第二放大器，該第二放大器電性連接該第二耦合器，以放大該接收傳輸訊號，該第三耦合器經由該第二放大器耦接該第二耦合器，以接收放大後之該接收傳輸訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具功率偵測器之都普勒雷達，其中該雷達單元具有一解調單元，該解調單元電性連接該訊號產生器及該第三耦合器，以接收該振盪訊號及另一路之該接收傳輸訊號並進行解調，以得到該物體之一位移訊號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之具功率偵測器之都普勒雷達，其中該功率偵測器具有複數個增益級、複數個整流器及一電壓加總單元，各該增益級相互串接，且各該增益級分別輸出一電壓，各該整流器電性連接各該增益級，以將各該增益級之該電壓轉換為一輸出電壓，該電壓加總單元電性連接各該整流器以接收該些輸出電壓，且該電壓加總單元用以將該些輸出電壓加總為一加總電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具功率偵測器之都普勒雷達，其中各該增益級由一個或多個共源極放大器構成。
  11. 如申請專利範圍第1至9項任一項所述之具功率偵測器之都普勒雷達，其中該具功率偵測器之都普勒雷達的一操作頻率介於40-80 GHz之間。
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