專利名稱：一種采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖波雷達無線測距的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是一種采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微波有較好的反射特性和良好的定向輻射特性，因而廣泛地應(yīng)用在雷達測距系統(tǒng)中。通過測量回波時延來測量目標距離是雷達測距的一種基本方法，但近距離測量時，回波時延可到皮秒或納秒量級，傳統(tǒng)的時間測量儀很難做到這樣高的時間分辨率。目前的微波計數(shù)器，頻率已達50GHz，精度可達到皮秒量級的時間測量，但價格昂貴，幾萬到幾十萬一臺。測量時延也可以通過相位估計法間接實現(xiàn)，時間分辨力可達10ps，但需要高精度的相位計，而微波波段要實現(xiàn)相位的精確測量，對相位計的要求很高，工程實現(xiàn)會比較困難。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述存在的問題，提供一種采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)，該測距系統(tǒng)可以解決現(xiàn)有測距方法中近距離測量時超短時間難于分辨、 測量精度以及系統(tǒng)成本問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案
一種采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)，由脈沖信號發(fā)生器、發(fā)射機、接收機、時間-電壓轉(zhuǎn)換電路和信號處理部分組成，所述時間-電壓轉(zhuǎn)換電路包括時序變換電路、積分運算電路和A/D轉(zhuǎn)換，其中積分運算電路由積分電路、跟隨電路和運算電路構(gòu)成，積分電路中設(shè)有實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的充電電容、電阻和集成運放，脈沖信號發(fā)生器、發(fā)射機、接收機、時序變換電路、積分運算電路、A/D轉(zhuǎn)換和信號處理部分通過導線連接。
所述脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生脈寬為納秒級的微波信號。
所述時序變換電路由兩個或非門組成的SR觸發(fā)器構(gòu)成。
所述積分電路中的集成運放采用寬帶放大器。
所述信號處理部分為PC機并將時間信息轉(zhuǎn)換為距離信息。
一種所述采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)的測距方法，步驟如下
1)由脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生脈寬為納秒級的微波信號經(jīng)發(fā)射機發(fā)射，微波信號的脈沖周期要大于最大測量距離2倍所對應(yīng)的時延，發(fā)射信號遇到目標后被反射，回波信號被接收機接收；
2)通過時序變換電路將發(fā)射信號和接收信號轉(zhuǎn)換成脈沖寬度等于目標回波時延的單脈沖周期信號；
3)通過Multisim軟件模擬，得到回波時延與電容兩端電壓的瞬態(tài)關(guān)系曲線；1 ^e
4)測量積分電路中充電電容兩端的電壓U。，通過計算公式^ =T^ |λ ·力，計算得待測目標的回波時延,=4 =」d，計算公式中=C1為充電電容，R1為電阻，ts為電容U1充電的起始時刻，、為電容充電的終止時刻，Ui為輸入信號幅值；
5)根據(jù)測距公式L = ct/2,即可得出待測目標與發(fā)射機之間的距離L，式中c為無線電波傳播速度3X108m/s，t為回波時延。
本發(fā)明的技術(shù)原理
本發(fā)明通過積分法時間-電壓轉(zhuǎn)換電路將時間的測量轉(zhuǎn)換為電壓的測量，解決了近距離測量時，納秒級或皮秒級時間難以分辨的問題，因此要實現(xiàn)精確的時間測量，其關(guān)鍵之一就是實現(xiàn)電壓的準確測量。脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖經(jīng)發(fā)射機發(fā)射，接收機接收由待測目標表面反射回來的脈沖，A/D轉(zhuǎn)換將時間信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，通過信號處理部分的PC機將時間信息轉(zhuǎn)換為距離信息。
本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果
該測距方法裝置簡單、方便實施、系統(tǒng)成本低；采用超短沖擊脈沖信號，無需載波， 大大降低了發(fā)射機和接收機的復雜性，從而降低了整個測距系統(tǒng)的成本；利用時間-電壓轉(zhuǎn)換電路將時間的測量轉(zhuǎn)換為電壓的測量，解決了超短時間難于分辨的問題；采用14位A/ D轉(zhuǎn)換，時間分辨率為6. lps，可以測量的最小距離單元為1.83mm。A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)越多，時間分辨率和測距精度就越高，采用16位A/D轉(zhuǎn)換時，時間分辨率為1.5ps，可以測量的最小距離單元為0. 45mm,因此該方法可以用于一些需要精確測量時間的場合。


圖1為積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖。
圖2為時序變換電路圖。
圖3為積分運算電路圖。
圖4為脈寬為回波時延的脈沖信號形成示意圖。
圖5為回波時延與電容兩端電壓的瞬態(tài)關(guān)系曲線。
具體實施方式
實施例
一種采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)，如圖1所示，由脈沖信號發(fā)生器、發(fā)射機、接收機、時間-電壓轉(zhuǎn)換電路和信號處理部分組成，所述時間-電壓轉(zhuǎn)換電路包括時序變換電路、積分運算電路和A/D轉(zhuǎn)換，其中時序變換電路，如圖2所示，由兩個或非門組成的SR觸發(fā)器構(gòu)成，積分運算電路由積分電路、跟隨電路和運算電路構(gòu)成，如圖3所示，積分電路中設(shè)有實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的充電電容、電阻和集成運放，其中積分電路中的集成運放采用寬帶放大器，信號處理部分為PC機并將時間信息轉(zhuǎn)換為距離信息，脈沖信號發(fā)生器、發(fā)射機、接收機、時序變換電路、積分運算電路、A/D轉(zhuǎn)換和信號處理部分通過導線連接。
時序變換電路中，設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為Q = 0，S1為S端輸入信號，S2為R端輸入信號，根據(jù)SR觸發(fā)器的工作原理SR = 0的條件下，若S = 0,R = 0，則Q維持原態(tài)；若S =1，R = 0，則Q = 1 ；若S = 0，R = 1，則Q = 0 ；則發(fā)射信號和接收到的回波信號經(jīng)時序變換電路后，即可得到脈沖為回波時延的單脈沖周期信號。
積分運算電路為實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換電路的核心部分，由積分電路、跟隨電路和運算電路構(gòu)成，如圖3所示，積分電路是時間-電壓轉(zhuǎn)換的主要部分，包括寬帶放大器、充電電容和電阻。在實施過程中，積分電路中電容、電阻以及集成運放的合適選取很重要。由于近距離測量時，需要測量的時間數(shù)量級為皮秒級，因此積分運算電路中的集成運放采用寬帶放大器；為了減小測距誤差，充電電容采用性能穩(wěn)定的聚苯乙烯電容；電阻選擇精密電阻。跟隨電路是為了穩(wěn)定電壓，運算電路是為了得到輸入電壓和電容兩端電壓的關(guān)系。本實施例中采用四路信號對電壓進行測量，如圖3所示，四路信號采用相同型號的集成運放， 電阻及電容的參數(shù)選取不同，見后面的表2，每一路對應(yīng)不同的時間延時。
該實施例中，主要元器件型號及生產(chǎn)廠家為脈沖信號發(fā)生器采用深圳漢潤電子有限公司提供的Agilent E4437B RF ；發(fā)射機采用南京翠登科技有限公司提供的ZFP-402E ； 接收機采用西安安特瑪微波技術(shù)有限公司提供的Agilent 8530A ；或非門采用深圳市鑫科源電子有限公司提供的74HC02D ；寬帶放大器采用深圳市新亞洲電子市場日昇電子商行提供的MAX4101ESA ；A/D采用深圳市華迅光捷科技有限公司提供的ADS6445 ；為了減小測距誤差，采用深圳市硅晶電子科技有限公司提供的精密電阻和聚苯乙烯電容。
一種所述采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)的測距方法，由脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生的微波信號經(jīng)發(fā)射機發(fā)射，接收機接收由待測目標表面反射回來的脈沖，A/ D轉(zhuǎn)換將時間信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，通過信號處理部分的PC機將時間信息轉(zhuǎn)換為距離信息，具體步驟如下
1)由脈沖信號發(fā)生器發(fā)射脈寬為納秒級的脈沖信號，經(jīng)發(fā)射機發(fā)射，如圖4中Sl 所示，該實施例中設(shè)脈沖寬度為15ns，脈沖周期為490ns，接收機接收到的回波信號如圖4 中s2所示，時延設(shè)為IOOns ；
2)通過時序變換電路將發(fā)射信號和接收信號轉(zhuǎn)換成脈沖寬度等于目標回波時延的單脈沖周期信號，如圖4中out所示，圖中脈沖寬度為100ns，周期為490ns，經(jīng)步驟1)和 2)后，即形成了脈寬為回波時延的脈沖信號；
3)該實施例中，積分運算電路中各器件參數(shù)設(shè)為=R1 = 100 Ω , R2 = 100 Ω，R3 = IOOkiC1= lnF，R4 = & = I 6 = R7 = lk，Ui = IV，集成運放為雙電源供電士 5V，通過 Multisim 軟件仿真，仿真時間設(shè)為一個周期490ns，得到回波時延與電容兩端電壓的瞬態(tài)關(guān)系曲線， 如圖5所示，圖中O-IOOns期間，脈沖信號為高電平，電容處于充電狀態(tài)，在IOOns處充電電壓為最大值IV ； 100-490ns期間，脈沖信號為低電平，電容兩端電壓保持IV不變；1 ^e
4)測量電容兩端的電壓通過公式^=777 (λ·力，由于^，禮，化已知，U。可以測UcClRl得，即可計算出目標的回波時延即〃(弋曲于R1, C1不變，則對其中一路信號進行分析，電容兩端電壓Uc與回波時延t = te-ts的關(guān)系見表1 :
5)根據(jù)測距公式L = ct/2, c為無線電波傳播速度3 X 108m/s，即可得出待測目標的距離L?；夭〞r延t與距離L的關(guān)系見表1
表1電容電壓及回波時延與距離的關(guān)系
權(quán)利要求
1.ー種采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)，其特征在于由脈沖信號發(fā) 生器、發(fā)射機、接收機、時間-電壓轉(zhuǎn)換電路和信號處理部分組成，所述時間-電壓轉(zhuǎn)換電路 包括時序變換電路、積分運算電路和A/D轉(zhuǎn)換，其中積分運算電路由積分電路、跟隨電路和 運算電路構(gòu)成，積分電路中設(shè)有實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的充電電容、電阻和集成運放，脈沖信 號發(fā)生器、發(fā)射機、接收機、時序變換電路、積分運算電路、A/D轉(zhuǎn)換和信號處理部分通過導 線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)，其特征在于 所述脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生脈寬為納秒級的微波信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)，其特征在于 所述時序變換電路由兩個或非門組成的SR觸發(fā)器構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)，其特征在于 所述積分電路中的集成運放采用寬帶放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)，其特征在于 所述信號處理部分為PC機并將時間信息轉(zhuǎn)換為距離信息。
6.一種如權(quán)利要求1所述采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)的測距方 法，步驟如下1)由脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生脈寬為納秒級的微波信號經(jīng)發(fā)射機發(fā)射，微波信號的脈沖周 期要大于最大測量距離2倍所對應(yīng)的時延，發(fā)射信號遇到目標后被反射，回波信號被接收 機接收；2)通過時序變換電路將發(fā)射信號和接收信號轉(zhuǎn)換成脈沖寬度等于目標回波時延的單 脈沖周期信號；3)通過Multisim軟件模擬，得到回波時延與電容兩端電壓的瞬態(tài)關(guān)系曲線；j te4)測量積分電路中充電電容兩端的電壓U。，通過計算公式ひe=;計算得待M1 tsUcQR測目標的回波時延Z =ら-も=^^，計算公式中=C1為充電電容，隊為電阻，ts為電容充電U1的起始時刻，、為電容充電的終止時刻，Ui為輸入信號幅值；5)根據(jù)測距公式L= ct/2，即可得出待測目標與發(fā)射機之間的距離L，式中c為無線 電波傳播速度3X 108m/s，t為回波時延。
全文摘要
一種采用積分法實現(xiàn)時間-電壓轉(zhuǎn)換的雷達測距系統(tǒng)，由脈沖信號發(fā)生器、發(fā)射機、接收機、時序變換電路、積分運算電路、A/D轉(zhuǎn)換和信號處理部分組成，其中時序變換電路、積分運算電路和A/D轉(zhuǎn)換為時間-電壓轉(zhuǎn)換電路；該系統(tǒng)的測距方法是由脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生的微波信號經(jīng)發(fā)射機發(fā)射，接收機接收由待測目標表面反射回來的脈沖，A/D轉(zhuǎn)換將時間信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，通過信號處理部分的PC機將時間信息轉(zhuǎn)換為距離信息。本發(fā)明的優(yōu)點該測距系統(tǒng)裝置簡單、方便實施、成本低；利用時間-電壓轉(zhuǎn)換電路將時間的測量轉(zhuǎn)換為電壓的測量，解決了超短時間難于分辨的問題，因此該方法還可用于一些需要精確測量時間的場合。
文檔編號G01S13/10GK102508235SQ201110299289
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月8日
發(fā)明者曹曄, 楊秀峰, 童崢嶸, 范立潔, 袁其平 申請人:天津理工大學