專利名稱：微波測(cè)距儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種距離測(cè)量裝置，尤其是涉及一種主要適用于工業(yè)生產(chǎn)工程中容器或儲(chǔ)倉(cāng) 的料位和液位等，采用微波方法的高精度非接觸式距離測(cè)量裝置。
技術(shù)背景雷達(dá)測(cè)距是一種非接觸式的能夠準(zhǔn)確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的相對(duì)距離的方法，它經(jīng)由天線發(fā)射 微波，遇到待測(cè)目標(biāo)后，微波被反射并由接收天線接收，然后通過一定的信號(hào)處理方法進(jìn)行 求解，得出待測(cè)距離。這種測(cè)量技術(shù)在測(cè)量距離上可以從幾個(gè)毫米到上千米；測(cè)距精度有的 己經(jīng)達(dá)到毫米量級(jí)；而測(cè)量的速度有的可以達(dá)到微秒量級(jí)。由于具有上述各種優(yōu)點(diǎn)，使得雷 達(dá)測(cè)距技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到很廣泛的應(yīng)用，例如地圖的繪制、儲(chǔ)存罐儲(chǔ)存量的監(jiān)測(cè)、 行駛車輛之間的距離等等。常用的測(cè)量方法按發(fā)射的微波信號(hào)可以分為兩種脈沖式和連續(xù)波調(diào)制式。采用連續(xù)波 調(diào)制式的主要有相位差檢測(cè)法(1、紀(jì)增爵； 一種精密測(cè)量短程距離的無線電微波測(cè)距儀.測(cè)繪通報(bào)，1958， 1; 2、 Maskell, D丄.；Woods, G.S,; A frequency modulated envelope delay FSCW radar for multiple-target applications. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on， Vol 49, Issue 4， Aug. 2000 Page(s):710 — 715; 3、 Maskell, D丄.;Woods, GS.; A multiple-target ranging system using an FM modulated FSCW radar. Microwave Conference, 1999 Asia Pacific, Vol 3, 30 Nov.-3 Dec. 1999 Page(s):888 - 891 )、線性調(diào)頻頻率差檢測(cè)法(4、 Zhu Jun; He Peikun; Shi Caicheng; Huang Changzhen; A novel design of radar vehicle detector based on DSP. Computational Electromagnetics and Its Applications, 2004. Proceedings. ICCEA 2004. 2004 3rd International Conference on， 1-4 Nov. 2004 Page(s):380-383)、功率i普檢測(cè)法(5、 Fujimori, S.; Uebo T; Iritani, T.; Measurement of distance and velocity of a moving target by short-range high-resolution radar utilizing standing wave. Circuits and Systems, 2004. MWSCAS '04. The 2004 47th Midwest Symposium on， Volume 1， 25-28 July 2004 Page(s):I - 361-4)和偽隨機(jī)碼相關(guān)性 檢領(lǐng)條(6、 Noda, S.; Inomata, K.; Watanabe, M.; Fukae, T.; Tobioka, M.; A millimeter-wave radar for train application. Vehicle Electronics Conference, 1999. (IVEC '99) Proceedings of the IEEE International, 6-9 Sept. 1999 Page(s):153 - 158 vol.1; 7、 Watanabe, M.; Okazaki, K.; Fukae, T.; Kato， A.; Sato, K.; Fujise， M.; A 60.5 GHz millimeter wave spread spectrum radar and the test data in several situations. Intelligent Vehicle Symposium, 2002. IEEE, Volume 1, 17-21 June 2002 Page(s):87-91)等。這些方法在結(jié)構(gòu)算法精度上各有優(yōu)缺點(diǎn)。測(cè)量距離遠(yuǎn)的，其測(cè)量精度低(1、紀(jì)增爵； 一種精密測(cè)量短程距離的無線電微波測(cè)距儀.測(cè)繪通報(bào)，1958年01期；2、 Maskell, D丄.；Woods， G.S.; A frequency modulated envelope delay FSCW radar for multiple-target applications. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on， Vol 49， Issue 4， Aug. 2000 Page(s):710 — 715; 3、 Maskell, D丄.；Woods, G.S.; A multiple-target ranging system using an FM modulated FSCW radar. Microwave Conference, 1999 Asia Pacific, Vol 3, 30 Nov.-3 Dec. 1999 Page(s):888 — 891; 6、 Noda， S.; Inomata, K.; Watanabe， M.; Fukae, T.; Tobioka, M.; A millimeter-wave radar for train application. Vehicle Electronics Conference, 1999. (IVEC '99) Proceedings of the IEEE International, 6-9 Sept. 1999 Page(s):153 - 158 vol.1; 7、 Watanabe， M.; Okazaki, K.; Fukae, T.; Kato, A.; Sato, K.; Fujise, M.; A 60.5 GHz millimeter wave spread spectrum radar and the test data in several situations. Intelligent Vehicle Symposium, 2002. IEEE, Volume 1, 17-21 June 2002 Page(s):87-91);而測(cè)量精度高的，其測(cè)量距離短(8、 Stelzer， A.; Diskus, C.G.; Lubke， K.; Thim， H.W.; A microwave position sensor with submillimeter accuracy. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Volume 47, Issue 12, Dec. 1999 Page(s):2621 — 2624; 9、 Weiss, M.; Knochel, R.; A sub-millimeter accurate microwave multilevel gauging system for liquids in tanks. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on， Volume 49， Issue 2, Feb. 2001 Page(s):381 - 384)。其中，連續(xù)波調(diào)制式雷達(dá)物距測(cè)量?jī)x有一 個(gè)共同的缺點(diǎn)，即在工作時(shí)持續(xù)發(fā)射微波信號(hào)，因此功耗較大。而脈沖式雷達(dá)物距測(cè)量?jī)x是 一段時(shí)間間隔周期性發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)，其功耗相對(duì)于連續(xù)波調(diào)制式可以減小很多。傳統(tǒng)的脈沖式雷達(dá)物距測(cè)量?jī)x不僅在功耗方面具有優(yōu)勢(shì)，而且采用直接測(cè)量脈沖信號(hào)的 傳播時(shí)間來計(jì)算待測(cè)距離，用簡(jiǎn)單的算法就可以很容易地得到測(cè)量距離(10、王德純，丁家 會(huì)，程望東等。精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)技術(shù)。電子工業(yè)出版社，2006年3月第一版)，測(cè)量的速 度也是十分快速的。但是，由于傳統(tǒng)的脈沖式雷達(dá)物距測(cè)量?jī)x是采用直接的時(shí)間差來計(jì)算的， 其測(cè)距精度比較低。雖然目前已有用前、后波門的方法來提高精度，但也只能達(dá)到中等精度 的測(cè)量。要實(shí)現(xiàn)高精度的距離測(cè)量，即要求其測(cè)量的時(shí)間誤差小(如要求最小測(cè)量誤差為 lmm,則其時(shí)間誤差為3.3ps)，就得需要發(fā)明新的方法來避免直接的時(shí)間差測(cè)量。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的旨在提供一種采用現(xiàn)有的電子元器件即可實(shí)現(xiàn)高分辨率的距離測(cè)量的微波
測(cè)距儀。本發(fā)明包括發(fā)射裝置、接收裝置和信號(hào)處理裝置。發(fā)射裝置設(shè)有第1時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、 第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、本地振蕩器、開關(guān)、功率放大器、環(huán)形耦合器和天線。 脈沖發(fā)生器的輸入端接第1時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的輸出端，開關(guān)的輸入信號(hào)端分別接用于產(chǎn)生微 波頻率信號(hào)的本地振蕩器的輸出端和脈沖發(fā)生器的輸出端，開關(guān)的輸出信號(hào)端一路接功率放大器輸入端，另一路接收/發(fā)開關(guān)單元。環(huán)形耦合器的輸入端接功率放大器輸出端，環(huán)形耦合 器輸出端接天線。接收裝置設(shè)有天線、環(huán)形耦合器和低噪聲放大器。低噪聲放大器的輸入端接環(huán)形耦合器 輸出端。信號(hào)處理裝置設(shè)有收/發(fā)開關(guān)單元、濾波器、第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、抽樣平 滑電路、峰值檢測(cè)電路、微處理器和顯示器。收/發(fā)開關(guān)單元的輸入端分別接發(fā)射裝置的開關(guān) 輸出端和接收裝置的低噪聲放大器輸出端，濾波器的輸入端接收/發(fā)開關(guān)單元的輸出端，第2 時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的輸出端接脈沖發(fā)生器輸入端，抽樣平滑電路輸入端與濾波器輸出端和脈沖 發(fā)生器輸出端連接，峰值檢測(cè)電路的輸入端分別與抽樣平滑電路輸出端連接，微處理器分別 與第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器輸出端、收/發(fā)開關(guān)單元、峰值檢測(cè)電路和顯示器連接。發(fā)射裝置的環(huán)形耦合器與接收裝置的環(huán)形耦合器共用，發(fā)射裝置的天線與接收裝置的天 線共用。本發(fā)明提出一種采用脈沖雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)非直接的時(shí)間差測(cè)量的方法來進(jìn)行高精度物距測(cè)量，能夠保證采用現(xiàn)有的電子元器件來實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量的高分辨率。本發(fā)明具有以下突出的特 點(diǎn)1) 發(fā)射的信號(hào)為單脈沖信號(hào)調(diào)制的微波信號(hào)，而不是連續(xù)波信號(hào)。發(fā)射的周期由一個(gè)時(shí) 鐘信號(hào)來控制。2) 對(duì)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的處理并不是直接采用時(shí)鐘計(jì)數(shù)的方法來測(cè)量信號(hào)在空間中的 傳播時(shí)間，而是采用兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之間的頻率差來進(jìn)行抽樣檢測(cè)。由于兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之間的頻率差是由要求測(cè)量的距離精度決定的，因此精度越高，則頻率差就越小；反之則越大。3) 微波信號(hào)的發(fā)射間隔周期由其中的一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)決定，抽樣接收的時(shí)間間隔則是由另一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)決定。兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之間存在很小的頻率差，要求抽樣時(shí)鐘的頻率要低于發(fā)射 控制時(shí)鐘的頻率。4) 抽樣時(shí)鐘不僅可以對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)間域上的擴(kuò)展(即擴(kuò)時(shí)測(cè)量法)，而且可以看作是對(duì)發(fā)射信號(hào)的一個(gè)時(shí)間周期上的一個(gè)掃描檢測(cè)。掃描檢測(cè)對(duì)應(yīng)于發(fā)射信號(hào)一個(gè)周期上的遞
推時(shí)間為兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期之差。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的組成原理圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的脈沖發(fā)生器的組成原理圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的抽樣平滑電路的組成原理圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的峰值檢測(cè)電路的組成原理圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例的周期信號(hào)抽樣平滑擴(kuò)時(shí)結(jié)果。圖7為本發(fā)明實(shí)施例發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)抽樣平滑并進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。
具體實(shí)施方式
參見圖1，本發(fā)明包括發(fā)射裝置、接收裝置和信號(hào)處理裝置。發(fā)射裝置設(shè)有第1時(shí)鐘信 號(hào)發(fā)生器l、第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器11、脈沖發(fā)生器2、本地振蕩器3、開關(guān)4、功率放大器5、 環(huán)形耦合器6和天線7。脈沖發(fā)生器2的輸入端接第1吋鐘信號(hào)發(fā)生器的輸出端，開關(guān)的輸 入信號(hào)端分別接用于產(chǎn)生微波頻率信號(hào)的本地振蕩器的輸出端和脈沖發(fā)生器2的輸出端，開 關(guān)4的輸出信號(hào)端一路接功率放大器5輸入端，另一路接收/發(fā)開關(guān)單元9。環(huán)形耦合器6的 輸入端接功率放大器輸出端，環(huán)形耦合器6輸出端接天線7。本地振蕩器3用于產(chǎn)生微波頻 率的信號(hào)，為后續(xù)脈沖調(diào)制功能提供微波載波信號(hào)。第1時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器1用于控制脈沖發(fā) 生器2產(chǎn)生的脈沖信號(hào)周期。脈沖信號(hào)的脈寬則由脈沖發(fā)生器2決定，脈沖信號(hào)通過射頻微 波開關(guān)4來對(duì)本地振蕩器3的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使其周期性地發(fā)送微波脈沖調(diào)制信號(hào)，發(fā) 送周期則由第l時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器l決定。由開關(guān)4輸出的信號(hào)分成兩路信號(hào)主路信號(hào)經(jīng)功 率放大器5進(jìn)行信號(hào)放大，然后經(jīng)環(huán)形耦合器6送到天線7上，最后由天線7發(fā)射出去；而 分路信號(hào)則進(jìn)入收/發(fā)開關(guān)單元9。發(fā)射的微波信號(hào)遇到待測(cè)物體后反射回來，經(jīng)由天線7接 收到反射信號(hào)。接收裝置設(shè)有天線7、環(huán)形耦合器6和低噪聲放大器8。低噪聲放大器8的輸入端接環(huán)形 耦合器6輸出端。天線7接收到待測(cè)物體反射回來的信號(hào)后，經(jīng)環(huán)形耦合器6送入低噪聲放 大器8進(jìn)行前置放大。發(fā)射裝置和接收裝置共用同一個(gè)天線7。環(huán)形耦合器6具有優(yōu)異的輸 入/輸出隔離性能，可以將輸出端耦合到輸入端的信號(hào)抑制到極低的程度。由于空間中的傳播 損耗及待測(cè)物體表面的反射損耗等，使得接收到的微波信號(hào)能量減弱，因此需要用低噪聲放 大器8對(duì)其進(jìn)行弱信號(hào)放大。發(fā)射裝置的環(huán)形耦合器6與接收裝置的環(huán)形耦合器6共用。信號(hào)處理裝置設(shè)有收/發(fā)開關(guān)單元9、濾波器10、第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器11、脈沖發(fā)生器 12、抽樣平滑電路13、峰值檢測(cè)電路14、微處理器15和顯示器16。收/發(fā)開關(guān)單元9的輸入 端分別接發(fā)射裝置的開關(guān)4輸出端和接收裝置的低噪聲放大器8輸出端，濾波器10的輸入端 接收/發(fā)開關(guān)單元9的輸出端，第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器11的輸出端接脈沖發(fā)生器12輸入端，抽 樣平滑電路13輸入端與濾波器10輸出端和脈沖發(fā)生器12輸出端連接，峰值檢測(cè)電路14的 輸入端分別與抽樣平滑電路13輸出端連接，微處理器15分別與第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器11輸出 端、收/發(fā)開關(guān)單元9、峰值檢測(cè)電路14和顯示器16連接。發(fā)射信號(hào)的分路信號(hào)和接收放大信號(hào)進(jìn)入到收/發(fā)開關(guān)單元9進(jìn)行通路選擇。收/發(fā)開關(guān)單 元9的控制信號(hào)由微處理器15給定。在初始時(shí)刻，收/發(fā)開關(guān)單元9選擇發(fā)射信號(hào)分路輸出 給后續(xù)處理模塊。開始距離測(cè)量時(shí)刻，收/發(fā)開關(guān)單元9切換到接收信號(hào)輸出給后續(xù)處理模塊。 由收/發(fā)開關(guān)單元9輸出的信號(hào)輸入到濾波器10，濾除雜波信號(hào)，再進(jìn)入到抽樣平滑電路13， 抽樣的周期(頻率)由第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器11決定，該時(shí)鐘信號(hào)分別輸出給脈沖發(fā)生器12 和微處理器15。脈沖發(fā)生器12產(chǎn)生窄方形抽樣脈沖信號(hào)。經(jīng)過抽樣平滑電路13進(jìn)行時(shí)間譜 放大后的信號(hào)再送入峰值檢測(cè)電路14,進(jìn)行信號(hào)判斷。當(dāng)峰值檢測(cè)電路14檢測(cè)到輸入信號(hào) 到達(dá)峰值時(shí)，輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，輸入到微處理器15中，作為微處理器中時(shí)鐘計(jì)數(shù)開始與結(jié) 束的控制信號(hào)。當(dāng)發(fā)射信號(hào)分路檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，峰值檢測(cè)電路14輸出一個(gè)控制信號(hào)給微處理 器15，此時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)清零并開始工作，對(duì)第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器11進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)微處理器 15輸出控制信號(hào)給收/發(fā)開關(guān)單元9，將其切換到接收通路。當(dāng)接收裝置檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，峰值 檢測(cè)電路14再輸出一個(gè)控制信號(hào)給計(jì)數(shù)器，讓其停止計(jì)數(shù)工作，并由微處理器15進(jìn)行待測(cè) 距離的計(jì)算并輸出，同時(shí)微處理器15輸出控制信號(hào)給收/發(fā)開關(guān)單元9，將其切換到發(fā)射通路。除了天線以外的其他部件都可以組裝到一個(gè)金屬殼體內(nèi)。天線7可以采用喇叭天線或者 介質(zhì)棒天線等(例如可采用型號(hào)為AT4010的喇叭天線)，以波束集中類型的天線為主。由于 本發(fā)明中的兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)頻率差別小，故要求這兩個(gè)頻率的穩(wěn)定性要高，可采用石英晶體振 蕩器電路。在開始測(cè)量前，必須己知兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)確頻率，并將其輸入到微處理器15中 以待后續(xù)計(jì)算使用。濾波器10是帶通濾波器，用來濾除雜波信號(hào)，避免峰值檢測(cè)的誤觸發(fā)操 作。第1時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器1控制脈沖發(fā)生器2產(chǎn)生脈沖信號(hào)的周期，送至射頻微波開關(guān)4， 射頻微波開關(guān)4的輸出分成兩路信號(hào)， 一部分送至功率放大器5并由天線7發(fā)射，為主路信 號(hào)；而另一部分經(jīng)收/發(fā)開關(guān)單元9送入信號(hào)處理裝置，為分路信號(hào)。發(fā)射信號(hào)在空間中傳播， 遇到待測(cè)物體后反射，由同一個(gè)天線7接收，經(jīng)過環(huán)形耦合器6后進(jìn)入到低噪聲放大器8中。 然后再經(jīng)收/發(fā)開關(guān)單元9送入信號(hào)處理裝置。進(jìn)入收/發(fā)開關(guān)單元9的兩路信號(hào)通過微處理器 15的控制，選擇其中一路信號(hào)輸出到濾波器10。然后送入抽樣平滑電路13和信號(hào)峰值檢測(cè)
電路14中進(jìn)行處理。其結(jié)果輸出到微處理器15中作為時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)工作的控制信號(hào)。對(duì)第 2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器11進(jìn)行計(jì)數(shù)操作，并在微處理器15中進(jìn)行最終的結(jié)果計(jì)算。這里可以是 對(duì)第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器11進(jìn)行計(jì)數(shù)操作，也可以是對(duì)第1時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器1進(jìn)行計(jì)數(shù)操作， 只是最后在微處理器15中預(yù)先儲(chǔ)存的計(jì)算頻率參數(shù)不同而已。本地振蕩器3可采用型號(hào)為MAX2750的振蕩器，開關(guān)4可采用CMOS傳輸門開關(guān)，功 率放大器5可采用型號(hào)為MAX2242的功率放大器，低噪聲放大器8可采用型號(hào)為MAX2641 的低噪聲放大器，收/發(fā)開關(guān)單元9可采用CMOS傳輸門開關(guān)，濾波器10可采用型號(hào)為國(guó)巨 2012平衡帶通濾波器，微處理器15可采用8051單片機(jī)。圖1中的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的組成原理圖參見圖2，時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器主要由兩個(gè)反相器F1 與F2、石英晶體X1和可調(diào)電容器C1組成。石英晶體X1作為串聯(lián)選頻器件，提供穩(wěn)定的頻 率信號(hào)?？烧{(diào)電容器Cl則作為頻率微調(diào)作用，以便得到兩個(gè)頻率相差甚小的時(shí)鐘信號(hào)。最 后一級(jí)反相器F3輸出提供整形功能，并且可以隔離后面電路對(duì)前面振蕩器的干擾。信號(hào)輸出 為Sl。反相器Fl、 F2和F3可采用型號(hào)為7404的反相器。石英晶體XI的參考頻率可為 3.579545MHz;可調(diào)電容器為0 20pF。脈沖發(fā)生器的組成原理圖參見圖3，它是一種簡(jiǎn)單的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在圖3中， 反相器F4、 F6、 F7采用CMOS反相器(參考工藝0.18|im)，反相器F5采用CMOS與非門 (參考工藝0.18nm)，其輸出脈沖寬度與電路中的電阻R1 (參考值100Q)和電容C2 (參考 值17pF)的充放電時(shí)間常數(shù)有關(guān)?？梢愿鶕?jù)需要的脈寬來進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于需要的脈沖很窄(幾 個(gè)ns)，因此電路采用CMOS0.18pm工藝來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)輸入端為S1，信號(hào)輸出端為S2。抽樣平滑電路的結(jié)構(gòu)組成原理圖參見圖4，由濾波器輸出的脈沖調(diào)制信號(hào)輸入到抽樣開 關(guān)門F9，開關(guān)的控制信號(hào)是由第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖輸出信號(hào)。通過開關(guān)門F9的 通/斷對(duì)電容C3進(jìn)行充電/保持。電容C3保持的電壓通過一個(gè)由運(yùn)算放大器Al構(gòu)成的電壓跟 隨器輸出到下一級(jí)放大器。MOS管運(yùn)算放大器對(duì)于電流的消耗極小，因此電容的電壓基本可 以保持一段較長(zhǎng)的時(shí)間不會(huì)變化。第二個(gè)運(yùn)算放大器A2可以通過調(diào)節(jié)反饋電阻R3來控制放 大倍數(shù)，以便提供足夠的電壓范圍給后續(xù)模塊。第二個(gè)運(yùn)算放大器A2的輸出再接上一個(gè)低 通濾波器(由電阻R2和電容C4組成)，以濾除射頻/微波信號(hào)，保留抽樣擴(kuò)時(shí)后的較低頻率 信號(hào)。該電路的工作在GHz頻率范圍，同樣采用CMOS 0.18pm工藝來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在圖4中， Ctrl為輸入控制信號(hào)端，S3為濾波器輸入信號(hào)端，S4為輸出信號(hào)端，反相器F8為CMOS反 相器(參考工藝0.18iam)，反相器F9為CMOS傳輸門(參考工藝0.18pm)，運(yùn)算放大器A1、 A2為差分放大器，電容C3的參考值為3pF，電容C4的參考值為20pF，電阻R2的參考值為50 Q ，電阻R3的參考值為4k Q ，電阻R4的參考值為2k Q 。峰值檢測(cè)電路的組成原理參見圖5。由抽樣平滑電路輸出的信號(hào)S4的頻率雖然已經(jīng)被抽 樣降頻，但是仍然是由脈沖信號(hào)調(diào)制的帶載波信號(hào)。在進(jìn)行普通的峰值檢測(cè)時(shí)，會(huì)檢測(cè)出每 個(gè)載波的峰值。因此需要先進(jìn)行包絡(luò)檢波處理。由二極管D1、電容C5和電阻R5構(gòu)成包絡(luò) 檢波器，對(duì)輸入進(jìn)行包絡(luò)檢波。并且在其后再加一個(gè)低通濾波器(由電阻R6和電容C6組成) 以平滑包絡(luò)信號(hào)，這樣就可以用后續(xù)的電路檢測(cè)出包絡(luò)峰值。峰值檢測(cè)方法是由兩部分信號(hào) 比較得到的。上部分和下部分電路的區(qū)別僅在于上部分的電容和放電開關(guān)與下部分的電阻不 同。上部分結(jié)構(gòu)用來保持輸入信號(hào)的最大值電平，下部分結(jié)構(gòu)與上部分結(jié)構(gòu)對(duì)稱。三極管Q1 的作用是作為一個(gè)開關(guān)管對(duì)電容C7進(jìn)行放電清零，以便下一次的峰值保存。其開關(guān)信號(hào)由 微處理器來控制。當(dāng)輸入信號(hào)由低變高時(shí)，電壓比較器A7輸出為0;當(dāng)輸入信號(hào)由高變低時(shí)， 電壓比較器A7輸出為1。其后接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U1以便在電壓比較器A7輸出由0變1時(shí)， 可以輸出一個(gè)脈沖信號(hào)給后續(xù)模塊。在圖5中，Ctrl2為輸入控制信號(hào)端，S4為輸入信號(hào)端， S5為輸出信號(hào)端。以下給出圖5中的主要元器件的參考型號(hào)和參考值。二極管D1、 D2、 D3: 2N2222型；電容C5、 C6: lnF， C7: 200pF;電阻R5、 R6: 5kQ， R7: 1MQ;運(yùn)算放大器A3、 A4、 A5、 A6: AD811型；電壓比較器A7: EL2252C型；單穩(wěn) 態(tài)觸發(fā)器U1: 74HC123型；NPN型三極管Q1: 9018型。在分信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理裝置時(shí)，發(fā)射的信號(hào)還需要經(jīng)過環(huán)形耦合器和天線部分才能發(fā)送 到待測(cè)空間中，因此存在一定的延時(shí)。而這部分延時(shí)將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果上的錯(cuò)誤。所以在最后 的計(jì)算結(jié)果上，還需要考慮進(jìn)去?？梢圆捎枚?biāo)的方法來消除該錯(cuò)誤。即預(yù)先設(shè)定一個(gè)零距 離點(diǎn)，由該點(diǎn)到待測(cè)物體的距離為所關(guān)心的最終結(jié)果。發(fā)送信號(hào)到該零點(diǎn)的延時(shí)可以如同前 面說的方法求得。將其儲(chǔ)存在微處理器中，當(dāng)進(jìn)行實(shí)際物位測(cè)量時(shí)，只需在測(cè)量結(jié)果上減去 這個(gè)延時(shí)值就可以得到最終的結(jié)果。圖6給出本發(fā)明實(shí)施例的周期信號(hào)抽樣平滑擴(kuò)時(shí)結(jié)果。擴(kuò)時(shí)測(cè)距技術(shù)原理中最重要的組 成實(shí)現(xiàn)部分就是抽樣平滑單元。該技術(shù)的基本原理是利用兩個(gè)頻率相差很小的時(shí)鐘信號(hào)來進(jìn) 行抽樣和擴(kuò)時(shí)操作。其抽樣平滑過程中的輸入/輸出信號(hào)波形如圖6所示。第一個(gè)波形為進(jìn)入 抽樣平滑單元的待處理輸入周期信號(hào)，其周期為T1，即第1時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的頻率的倒數(shù)。 而第二個(gè)波形為抽樣平滑單元的輸入采樣信號(hào)，周期為T2，即第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的頻率的 倒數(shù)。兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)需要滿足條件T2>T1。當(dāng)使用第二個(gè)波形對(duì)第一個(gè)周期信號(hào)進(jìn)行抽樣 平滑時(shí)，由于第二個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)第一個(gè)周期信號(hào)在每次抽樣時(shí)，對(duì)第一個(gè)波形上的抽樣位置 存在一個(gè)延遲 頁jy = r2-n ............ (i)即可以看作是對(duì)第一個(gè)波形一個(gè)周期T1內(nèi)，每隔Td時(shí)間的點(diǎn)進(jìn)行的抽樣。并且通過平 滑保持電路將這些抽樣的的信號(hào)進(jìn)行平滑保持處理。這樣就可以得到如圖6所示的第二個(gè)波 形。該波形就是抽樣平滑單元的輸出信號(hào)。抽樣平滑單元的作用就是將輸入待處理的微波周 期信號(hào)在時(shí)間譜上進(jìn)行擴(kuò)展放大，降低其周期信號(hào)的頻率，以便后續(xù)電路的處理。采樣n次，即將Tl進(jìn)行n等分，每一等分的時(shí)間為Td，因此，71 n o、 w = — =- ............ (2)經(jīng)過n個(gè)采樣脈沖后(總時(shí)間丁=11*丁2)，可完成第1個(gè)波形中一個(gè)周期信號(hào)的完整采樣， 亦即得到第三個(gè)波形的一個(gè)周期。而此時(shí)第一個(gè)波形傳播了 n+1個(gè)周期。即第三個(gè)波形一個(gè) 周期為r = .r2 = (" + i).:n ............ (3)將式(2)代入式(3)，得到第三個(gè)波形的周期為所以該擴(kuò)時(shí)方法的放大倍數(shù)為:r= ............ (4)r2—n/ =丄=="+ i ............ (5)圖7給出本發(fā)明實(shí)施例發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)抽樣平滑并進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)曲線。在圖7中， 第一個(gè)周期信號(hào)波形為發(fā)射信號(hào)，即圖1中通過射頻微波開關(guān)單元輸出并進(jìn)入收/發(fā)開關(guān)單元 的分路信號(hào)；第二個(gè)周期信號(hào)波形為天線接收到的反射信號(hào)，即經(jīng)過低噪聲放大器后進(jìn)入收/ 發(fā)開關(guān)單元的輸入信號(hào)。由于待測(cè)物體的距離產(chǎn)生微波信號(hào)傳播過程中的延時(shí)結(jié)果，因此， 兩個(gè)周期信號(hào)之間存在一個(gè)延時(shí)t=2d/c。其中d為待測(cè)的物距，c為光速。如果測(cè)得延遲的 時(shí)間t，那么待測(cè)距離也就知道了。但是直接對(duì)這個(gè)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量的精度卻不高。因此，將這 兩個(gè)周期信號(hào)輸入到抽樣平滑單元進(jìn)行時(shí)間譜上的擴(kuò)展放大，以提高測(cè)量的精度。圖7中第 3個(gè)波形為周期脈沖抽樣信號(hào)。其對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行抽樣平滑后，輸出給信號(hào)峰值檢測(cè)單元。 當(dāng)信號(hào)峰值檢測(cè)單元檢測(cè)到發(fā)射分路信號(hào)后，就發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)(如圖7中第4個(gè)信號(hào)波 形所示)給微處理器單元，使得微處理器單元開始計(jì)數(shù)。然后該周期脈沖抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)為對(duì)接 收到的信號(hào)進(jìn)行抽樣平滑，輸出給信號(hào)峰值檢測(cè)單元。當(dāng)檢測(cè)到接收信號(hào)時(shí)，該信號(hào)檢測(cè)單 元將同樣發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)(如圖7中第5個(gè)信號(hào)波形所示)給微處理器單元，使其停止計(jì) 數(shù)工作。此時(shí)，計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)結(jié)果為 <formula>formula see original document page 11</formula> ........... (6)待測(cè)的距離為-<formula>formula see original document page 11</formula> ............(7)2可見，通過這種擴(kuò)時(shí)的測(cè)量方法可以將原本細(xì)微的差別放大，以提高精度。如電子元器件對(duì)于時(shí)間的測(cè)量誤差假設(shè)為A"那么直接的時(shí)間測(cè)量結(jié)果就是n±A"而采用這種擴(kuò)時(shí)的測(cè)量方法，對(duì)擴(kuò)展后的時(shí)間的測(cè)量誤差仍然是電子元器件引起的誤差A(yù)"即其擴(kuò)展后測(cè)得 的時(shí)間為r±A,。最后將該擴(kuò)展時(shí)間壓縮n+l倍還原為原來的待測(cè)時(shí)間，可得<formula>formula see original document page 11</formula> ............ (8)與前面直接測(cè)量的結(jié)果相比，很明顯誤差也減小了n+l倍。理論上該方法有望獲得任意小的誤差，但實(shí)際上仍然受到硬件設(shè)備的一定限制。同時(shí)這種方法是以增加測(cè)量時(shí)間為代價(jià)的。誤差縮小了n+l倍，則其測(cè)量的時(shí)間放大了 n+l倍。
權(quán)利要求
1.微波測(cè)距儀，其特征在于包括發(fā)射裝置、接收裝置和信號(hào)處理裝置；發(fā)射裝置設(shè)有第1時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、本地振蕩器、開關(guān)、功率放大器、環(huán)形耦合器和天線，脈沖發(fā)生器的輸入端接第1時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的輸出端，開關(guān)的輸入信號(hào)端分別接用于產(chǎn)生微波頻率信號(hào)的本地振蕩器的輸出端和脈沖發(fā)生器的輸出端，開關(guān)的輸出信號(hào)端一路接功率放大器輸入端，另一路接收/發(fā)開關(guān)單元，環(huán)形耦合器的輸入端接功率放大器輸出端，環(huán)形耦合器輸出端接天線；接收裝置設(shè)有天線、環(huán)形耦合器和低噪聲放大器，低噪聲放大器的輸入端接環(huán)形耦合器輸出端；信號(hào)處理裝置設(shè)有收/發(fā)開關(guān)單元、濾波器、第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、抽樣平滑電路、峰值檢測(cè)電路、微處理器和顯示器，收/發(fā)開關(guān)單元的輸入端分別接發(fā)射裝置的開關(guān)輸出端和接收裝置的低噪聲放大器輸出端，濾波器的輸入端接收/發(fā)開關(guān)單元的輸出端，第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的輸出端接脈沖發(fā)生器輸入端，抽樣平滑電路輸入端與濾波器輸出端和脈沖發(fā)生器輸出端連接，峰值檢測(cè)電路的輸入端分別與抽樣平滑電路輸出端連接，微處理器分別與第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器輸出端、收/發(fā)開關(guān)單元、峰值檢測(cè)電路和顯示器連接。
全文摘要
微波測(cè)距儀，涉及一種距離測(cè)量裝置，尤其是涉及一種主要適用于工業(yè)生產(chǎn)工程中容器或儲(chǔ)倉(cāng)的料位和液位等，采用微波方法的高精度非接觸式距離測(cè)量裝置。提供一種采用現(xiàn)有的電子元器件即可實(shí)現(xiàn)高分辨率的距離測(cè)量的微波測(cè)距儀。包括發(fā)射裝置、接收裝置和信號(hào)處理裝置。發(fā)射裝置設(shè)有第1時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、本地振蕩器、開關(guān)、功率放大器、環(huán)形耦合器和天線。接收裝置設(shè)有天線、環(huán)形耦合器和低噪聲放大器，低噪聲放大器的輸入端接環(huán)形耦合器輸出端。信號(hào)處理裝置設(shè)有收/發(fā)開關(guān)單元、濾波器、第2時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、抽樣平滑電路、峰值檢測(cè)電路、微處理器和顯示器。
文檔編號(hào)G01S13/00GK101162268SQ20071000986
公開日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者郭東輝, 陳華君 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)