专利名称：脉冲回波测距系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种脉冲回波测距系统，其包括第一时钟产生器，用于以第一时钟频率产生第一时钟；第二时钟产生器，用于以稍微低于该第一时钟频率的第二时钟频率产生第二时钟；短脉冲串发生器，由第一时钟触发以用于以第一时钟频率产生短脉冲并且将待发送的短脉冲输送至目标；接收装置，由第二时钟触发以用于通过以第二时钟频率对从目标所反射的回波脉冲进行采样而产生中频信号(intermediate frequency)；以及信号处理装置，设计用于评估该中频信号以确定目标距离。本发明还涉及一种脉冲回波测距方法，其包括如下步骤以第一重复频率向目标发送一发送短脉冲，接收从该目标所反射的回波脉冲，通过以稍微低于第一重复频率的第二重复频率对收到的回波脉冲进行采样来产生中频信号，以及 对该中频信号进行评估以确定目标距离。这样的脉冲回波测距系统和方法是从US7，379，016B1、US7, 482，971B2、 US7, 633，434B2、US7, 710，314B2 以及 US2010/0201408A1 中的每一篇中所得知的。
背景技术：
脉冲回波测量系统诸如雷达、TDR(时域反射测量法)或激光测距系统基于对发送至目标的以及从目标所反射的微波脉冲或光脉冲的运行时间的直接测量来提供距离或高度(深度)测量，所述目标例如容器内的填充材料的表面。由于几米的距离的运行时间在纳秒范围内，所以需要特定的时间转变程序(time transformation procedure)来使得对这些短时周期进行测量成为可能。微波或光脉冲是以由发送时钟产生器所赋予的重复率或发送时钟频率而发送至目标的。对从目标所反射的收到的回波脉冲的采样是以稍微低于发送时钟频率的采样时钟频率而进行的。采样和随后的积分或低通滤波导致中频信号对应于收到的回波脉冲但相对于收到的回波脉冲时间扩展了 Τ1ΛΤ1-Τ2)，其中Tl是发送脉冲重复周期，而T2是采样周期。时间扩展允许采用标准技术对回波脉冲进行放大、数字化以及进一步的处理。但是发送时钟频率和采样时钟频率需要具有非常高的分辨率、高精确度、线性度和稳定性的时基控制，因为这些与测量误差有直接关系。具有稍微不同的频率的两种时钟信号产生器的数字时基产生器能够从对允许达到高精确度和低跳动(jitter)的晶体振荡器和PLL电路的使用中获益。然而，当振荡器启动时，时钟信号之间的相位差是无法预测的。如果使用了零相位延迟检波器，那么该零相位延迟检波器必须能够在皮秒(picoseconds)范围内运算。零相位检波器误差可以减少数字方案的优点，并且测量时间由于必须增加对零相位检波的等待时间而增加。正如从US7, 633，434B2中所得知的，可以通过将回波脉冲与以稍微低于发送时钟频率的采样时钟频率并且与具有与发送的短脉冲相同形状的采样脉冲互相关 (cross-correlation)而在信号混合器中对收到的回波脉冲进行采样。为此，提供了两个脉冲整形器用于对发送短脉冲和采样脉冲进行整形。因此，在发送和采样脉冲整形器中可能存在显著的测量漂移，这种测量漂移由传播延迟的温度上的不同变化所产生的。正如从US7，482，971B2或US7，710, 314B2所得知的，通过将发送脉冲转换成基准延迟能够对热漂移进行校正，但是这个方案是复杂的，并且另外的微波开关对测量信号造成影响。本发明的目的是克服现有技术的缺点以及对发送时刻和采样时刻之间的相位误差和热漂移进行校正。
发明内容
根据本发明的这个目的是通过具有上面所描述的类型的脉冲回波系统来实现的， 其中开关装置一方面布置在第一和第二时钟产生器之间，另一方面布置在短脉冲串发生器和接收装置之间，并且适用于周期性地、交替地将第一和第二时钟中的每一个时钟提供给短脉冲串发生器和接收装置中的每一个，以及信号处理装置设计用于将目标距离计算为出现在中频信号中的回波和由不同的时钟所产生的回波之间的距离的一半。就具有上面所描述的类型的脉冲回波方法而言，本发明的目的是通过下列步骤而实现的周期性地、交替地以第一和第二重复频率发送一发送短脉冲，同时以第二和第一重复频率对收到的回波脉冲进行采样，以及将目标距离确定为出现在中频信号中的回波和由不同的时钟所产生的回波之间的距离的一半。在现有技术中，第一时钟频率是发送时钟频率，而稍微低于第一时钟频率的第二时钟频率是采样时钟频率。因此，对回波脉冲的采样是前向时间方向(forward-in-time direction)进行的，这产生了具有相对于重合时刻(零延迟)的正的时间延迟的时间扩展回波。根据本发明，发送时钟频率和采样时钟频率是在第一时钟频率和稍微低于第一时钟频率的第二时钟频率之间周期性地切换的。因此，对回波脉冲的采样是前向时间方向 (forward-in-time direction)禾口沿时间向后的方向(backward-in-time direction)交替地进行的，这样产生相对于重合时刻具有正的时间延迟的时间扩展回波以及相对于重合时刻具有负的时间延迟的时间扩展回波。由于正的时间延迟与负的时间延迟是相等的，所以飞行时间或至目标的物理距离是正的延迟回波和负的延迟回波之间的距离的一半，使得没有必要进行重合(零相位)检波。此外，消除了时钟产生器与开关装置之间的信号通道中的时钟的延迟或漂移中的任何差异，因为漂移将既影响发送脉冲又影响采样脉冲。因此，正的延迟回波和负的延迟回波之间的距离将仍丨日保持不变。正如从上面所提及的US7，633，434B2中所得知的，对收到的回波脉冲的采样可以通过互相关而进行，出于这个原因，接收装置可以包含另一短脉冲串发生器，该另一短脉冲串发生器由第二时钟所触发，用于产生采样脉冲；以及信号混合器，该信号混合器用于通过使回波脉冲与采样脉冲混合来产生中频信号。原则上，可以通过第一和第二时钟直接触发短脉冲串发生器以产生矩形发送和采样脉冲。然而，由于通常希望得到更光滑的脉冲形状， 所以可以通过脉冲整形器向短脉冲串发生器提供矩形时钟。在这种情况下，根据本发明的优选实施例，脉冲整形器布置在各个时钟发生器和开关装置之间，使得消除了由脉冲整形器的延迟的变化所产生的任何热漂移。开关装置以开关频率工作，该开关频率在最简单的情况下可以是第一时钟频率的一半。可选地，第一和第二时钟信号可以每测量周期只切换一次，即，开关频率可以是第一时钟频率的一半除以时间扩展因子。
现在将通过示例并结合附图对本发明做出进一步的描述，其中图1示出了现有脉冲回波雷达测距系统，图2示出了图1中的系统中的发送脉冲和回波脉冲的时序图，图3示出了由图1中的系统中的时基发生器所产生的第一时钟和第二时钟的时序图，图4示出了根据本发明的脉冲回波雷达测距系统的框图，图5示出了由图4中的系统中的时基发生器所产生的第一时钟和第二时钟的时序图，图6示出了图4中的系统中的回波脉冲的时序图，以及图7示出了根据本发明的脉冲回波测距系统的更普遍的实施例的框图。在这些图中，相同的参考符号表示相同的或相似的元件或信号。
具体实施例方式首先参考图1，图1示意性地示出了现有脉冲回波雷达测距系统的基本元件。受微控制器2控制的时基控制电路1包含发送时钟产生器3，所述发送时钟产生器3用于以MHz 范围内的发送时钟频率产生发送时钟CLK115发送时钟CLK1对发送脉冲产生器4进行触发，发送脉冲产生器4包括脉冲整形器5和第一微波振荡器6，第一微波振荡器6用于以等于发送时钟频率的脉冲重复率产生微波发送脉冲TX。发送脉冲TX可以通过对微波振荡器6进行调制或对微波振荡器6的连续振荡进行选通(gating)而获得，并且发送脉冲TX 可以具有Ins的持续时间以及在GHz范围内的频率。发送脉冲TX是通过定向耦合器(混合)7和天线8向目标9而发送的，目标9例如是容器内的填充材料的表面。目标9将发送脉冲TX反射为由同一天线8或单独的天线(未示出)所收到的回波脉冲RX。收到的回波脉冲RX是通过定向耦合器7传递至信号混合器10。时基控制电路1还包含采样时钟产生器11，采样时钟产生器Ii用于以采样时钟频率f2产生采样时钟ακ2，采样时钟频率&稍微低(例如低几Hz或kHz)于发送时钟频率f”采样时钟(XK2对采样脉冲产生器12进行触发，采样脉冲产生器12包括脉冲整形器13和第二微波振荡器(本地振荡器)14，第二微波振荡器14用于以等于采样时钟频率f2的脉冲重复率产生具有与发送脉冲TX相同形状的采样脉冲S。信号混合器10通过使收到的回波脉冲RX乘以采样脉冲S而产生中频信号或下变频(down-converted)的信号IF。由于采样脉冲S的脉冲重复率稍微低于发送脉冲TX的脉冲重复率，所以采样脉冲S将以每测量周期的小增量扫描经过发送脉冲间隔或回波脉冲间隔，使得对收到的回波脉冲RX的采样是通过与采样脉冲S互相关(cross-correlation) 而进行的。互相关以及通过IF放大器15的随后的积分和放大产生信号SRX，该信号SRX是以对应于收到的回波脉冲RX的时间和形状进行扩展的。在微控制器2中进一步对该信号 SRX进行处理，用于确定发送脉冲TX至目标9的运行时间并且从而确定从天线8到目标9 的距离d。图2示出了针对两种不同的距离dl和d2的发送脉冲TX和回波脉冲RX(更精确地，下变频的信号IF)的时间图。下变频的信号IF只有当回波脉冲RX与采样脉冲S同时到达混合器10时才显示，S卩，信号S (或CLK2)相对于信号TX (或CLK1)的延迟等于TX至目标9及从目标返回的传播延迟。图3示出了具有稍微不同的频率和f2(f\ > f2)的第一时钟CXK1和第二时钟 CLK2。图3还示出了时钟CLK1和CLK2的上升沿之间的时间延迟的变化并且标出了零延迟 0、延迟的最小节距(增量、分辨率(resolution) Mt1 = 1/^-1/^以及在N个脉冲之后累积的延迟dtN = N · (Vf2-Vf1)。然而，当两个时钟发生器3、11启动时，时钟CLK1和时钟 CLK2之间的相位差是无法预测的。此外，容易理解的是，脉冲整形器5、13中的不同的延迟， 例如由于不同的温度漂移，导致发送脉冲TX与采样脉冲S之间的进一步的相移并且从而增加测量误差。图4示出了根据本发明的脉冲回波测距系统的示例。图4中的系统与图1中的系统的不同之处在于开关装置16布置在第一脉冲整形器5和第二脉冲整形器13之间以及第一振荡器6和第二振荡器14之间。开关装置16受到来自微控制器2的控制信号SW的控制，并且以开关频率fsw周期性地、交替地将第一脉冲整形器5和第二脉冲整形器13中的每一个整形器连接至第一振荡器6和第二振荡器14中的每一个振荡器。因此，图1中的发送时钟发生器3和采样时钟发生器11同时交替地扮演提供发送时钟频率和采样时钟频率的双重角色。在开关装置16的两个开关位置的第一个位置中，发送脉冲TX是以脉冲重复率产生的，而采样脉冲S是以脉冲重复率f2产生的。在第二开关位置中，发送脉冲TX是以脉冲重复率f2产生的，而采样脉冲S是以脉冲重复率产生的。图5示出了如图3的第一时钟CLK1和第二时钟CLK2。可见，当第一时钟CLK1 是发送时钟而第二时钟CLK2是采样时钟时，采样时钟CLK2的上升沿在前向时间方向 (forward-in-time direction)扫描(swe印)经过发送时钟CLK115因此，对收到的回波脉冲RX的采样是前向时间方向而进行的。相反，当第二时钟CLK2是发送时钟而第一时钟CLK1是采样时钟时，采样时钟CLK1 的上升沿在倒向时间方向(backward-in-time direction)扫描经过发送时钟CLK2。因此， 对收到的回波脉冲RX的采样是在倒向时间方向进行的。由于发送时钟频率和采样时钟频率在第一时钟频率CLK1和第二时钟频率CLK2之间周期性地切换，所以对回波脉冲RX的采样是以同样的采样宽度dt = Clt1朝正负方向而
6进行的。图6示出了目标9的两种不同的距离dl、d2的下变频(down-converted)的信号 IF。该信号包括针对每种距离(例如dl)的两个下变频的回波，例如RX(dl) +和RX(dl)-。 两个回波RX(dl) +和RX(dl)-以关于发射脉冲TX对称放置的形式出现，这表示重合时刻 0 (图幻。因此，不再需要发送脉冲TX或重合时刻0来确定距离dl，现在在微控制器2中将距离dl计算为两个回波脉冲RX(dl) +和RX(dl)-之间的距离的一半。如点线所示，发送脉冲整形器5和采样脉冲整形器13中的延迟或漂移中的任何差异将朝同样的方向影响两个回波脉冲RX(dl) +和RX(dl)-，因为每一个脉冲整形器5、13既是发送信道的部分又是采样信道的部分。如果“负的” dl减少，如果“正的”dl增加，那么回波脉冲RX(dl) +和RX (dl) -之间的距离仍旧保持不变。图7示出了根据本发明的脉冲回波测距系统的更普遍的实施例。时基控制电路1 受到微控制器2的控制，并且时基控制电路1包含第一时钟产生器3和第二时钟产生器11， 第一时钟产生器3用于以第一时钟频率产生第一时钟CLK1，第二时钟产生器11用于以第二频率f2产生第二时钟CLK2。第一时钟产生器3和第二时钟产生器11通过开关装置16连接至短脉冲串发生器17和接收装置18。当第一时钟CLK1或第二时钟CLK2中的任意一个时钟触发短脉冲串发生器17时，短脉冲串发生器17以各个时钟频率或f2产生短脉冲TX。 短脉冲TX是通过发送换能器(transducer) 19发送至目标9的。发送换能器19可以是用于微波辐射的天线，如图4所示，或诸如激光或LED的光学器件。每一个辐射脉冲TX包括预定数量的微波周期或光调制周期。回波脉冲RX是由接收换能器20从目标9收到的，接收换能器20可以是同样的(图4)或另一种天线或诸如光电探测器的光学元件。接收装置 18对收到的回波脉冲RX进行采样以产生中频信号IF。在图4中的特殊情况下，其中对收到的脉冲回波RX的采样是通过互相关而进行的，接收装置18是由信号混合器10和第二振荡器14构成的。
权利要求
1.一种脉冲回波测距系统，其包括第一时钟产生器(3)，用于以第一时钟频率(f\)产生第一时钟(CLK1)； 第二时钟产生器(11)，用于以稍微低于所述第一时钟频率(f\)的第二时钟频率(f2)产生第二时钟(CLK2)；短脉冲串发生器(17，6)，由所述第一时钟(CLK1)触发以用于以所述第一时钟频率(f\) 产生短脉冲(TX)并且将所述待发送的短脉冲(TX)输送至目标(9)；接收装置(18)，由所述第二时钟(CLK2)触发以用于通过以所述第二时钟频率(f2)对从所述目标(9)所反射的回波脉冲(RX)进行采样而产生中频信号(IF)；以及信号处理装置O)，设计用于评估所述中频信号(IF)以确定目标距离(例如dl)； 所述脉冲回波系统的特征在于开关装置(16) —方面布置在所述第一和第二时钟产生器(3，11)之间，另一方面布置在所述短脉冲串发生器(17，6)和接收装置(18)之间，并且所述开关装置(16)适用于周期性地、交替地将所述第一时钟( 和所述第二时钟(11)中的每一个时钟提供给所述短脉冲串发生器(6)和接收装置(18)中的每一个；以及所述信号处理装置( 设计用于将所述目标距离(dl)计算为出现在所述中频信号 (IF)中的和由不同的时钟(CLKijCLK2)所产生的回波(RX(dl) +和RX(dl)-)之间的距离的一半。
2.根据权利要求1所述的脉冲回波测距系统，其中所述接收装置(18)包括另一短脉冲串发生器(14)，所述短脉冲串发生器(14)由所述第二时钟(CLK2)触发以用于产生采样脉冲(S)，以及信号混合器(10)，用于通过使所述回波脉冲(RX)与所述采样脉冲( 进行混合来产生所述中频信号(IF)。
3.根据权利要求2所述的脉冲回波测距系统，还包括用于对发送短脉冲(TX)和采样脉冲( 进行整形的第一和第二脉冲整形器(5，13)，所述第一脉冲整形器( 布置在所述第一时钟产生器( 和所述开关装置(16)之间，所述第二脉冲整形器(1 布置在所述第二时钟产生器(11)和所述开关装置(16)之间。
4.一种脉冲回波测距方法，其包括如下步骤以第一重复频率(f\)向目标(9)发送一发送短脉冲(TX)， 接收从所述目标(9)所反射的回波脉冲(RX)，通过以稍微低于所述第一重复频率(f\)的第二重复频率(f2)对收到的回波脉冲(RX) 进行采样来产生中频信号(IF)，以及对所述中频信号(IF)进行评估以确定所述目标距离(例如dl)， 所述脉冲回波方法的特征在于周期性地、交替地以所述第一和第二重复频率(f” f2)发送一发送短脉冲(TX)而以所述第二和第一重复频率(f2，f)对所述收到的回波脉冲(RX)进行采样，以及将所述目标距离(dl)确定为出现在所述中频信号(IF)中的和由不同的时钟(CLK1, CLK2)所产生的回波(RX(dl) + *RX(dl)-)之间的距离的一半。
5.根据权利要求4所述的脉冲回波测距方法，其中对所述收到的回波脉冲(RX)的采样是通过使所述收到的回波脉冲(RX)与具有所述第二重复频率(f2)并具有与所述发送短脉冲(TX)相同形状的采样脉冲( 进行混合而进行的。
全文摘要
在脉冲回波测距系统和方法中，以第一重复频率(f1)将发送短脉冲(TX)发送至目标(9)，通过以稍微低于所述第一重复频率(f1)的第二重复频率(f2)对从所述目标(9)收到的回波脉冲(RX)进行采样而产生中频信号(IF)，并且对所述中频信号(IF)进行评估以确定目标距离。为了补偿可能在发送时刻和采样时刻产生时发生的相位误差和热漂移，以所述第一和第二重复频率(f1，f2)周期性地、交替地发送所述发送短脉冲(TX)而以所述第二和第一重复频率(f2，f1)对所述收到的回波脉冲(RX)进行采样，并且将目标距离(d1)确定为出现在所述中频信号(IF)中的和由不同的时钟(CLK1，CLK2)所产生的回波之间的距离的一半。
文档编号G01S13/08GK102455422SQ20111031910
公开日2012年5月16日 申请日期2011年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者乔治·布尔恰 申请人:西门子公司