专利名称：利用雷达探测器的监视装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带雷达探测器的监视装置。
例如从DE-A1-3210985中，可知道一种能够对卫生设备电枢进行无触点电控制的方法，它利用多普勒效应用雷达波进行工作，从而能够应用方向识别的方法监视人的运动。当对冲洗设备和卫生设备电枢的可靠性操作提出较高要求时，这些雷达探测器常常不能令人满意，因为当在相应的卫生设备电枢出现一个使用者时，它们不能发出一个明确的信号。另外它们的不足还在于，有时在技术要求方式上需要对其进行改动，以适合于相应卫生设备电枢的传输与发射特性。在许多情况下，这样作超出了负责对之安装的卫生设备技工的专业知识与技能。
例如从US-5,268,692中，可知道一种用于交通工具监视目的的短范围距离计。它使用一个FM/CW雷达。这种雷达系统的缺点常常在于用它们工作时需要相当大的频率变化量，在某些情况下可能会超出雷达发射的允许带宽范围。
因此，本发明的任务是提供一种利用雷达探测器的监视装置，而不会超出雷达发射的允许带宽。
根据本发明，带有雷达探测器的监视设备，对于物体的出现非常敏感，其中，雷达探测器包括一个控制单元和一个支路单元，他们插入在振荡器电路与发射机级之间，另外雷达探测器还包括一个叠加电路，来自雷达发射机的一个信号与接收机收到的回波信号在该叠加电路中相互叠加级其特征在于把雷达探测器作为一个干涉雷达，而且在支路单元和叠加电路之间的发射机到接收机的路径上插入一延迟电路，以增大雷达信号相对支路信号的传播时间。
根据本发明的监视装置已证明，它不仅在考虑允许带宽时有利，而且与FM/CW雷达系统相比具有更好的性能价格比。
根据本发明的监视装置的另外一个优点在于实际应用中，例如当它用在卫生设备中时，会确保该冲洗设备更高级，同时它不必作任何改动即可使用于所有商用的卫生设备电枢。
下面将利用附图，以示例的方式更加详尽地介绍本发明，其中
图1所示为根据本发明的一种利用雷达探测器的监视装置的方框图。
图2所示为向量图，用来解释根据本发明监视装置的一种优选实施方式的功能。
图3所示图形，用来解释根据本发明的另外一种实施方式的功能，该方式能够进行背景抑制。
图4所示图形，用来代表干涉信号的某个预定振幅重复出现的频率。
图1中画出的雷达探测器包括一个振荡器电路1，它的输出端一方面经由发射机级2连接到发射机天线3上，另一方面经由一个支路元件4连接到叠加电路5的第一输入端上。雷达探测器的接收机部分包括一个接收机级6，它的输出端接到叠加电路5的第二输入端，输入端则与接收机天线7连接。
另外监视装置还包括一个控制单元8和一个处理电路9，后者作用与专利CH-03784/94-3中的描述类似。电路5的输出端和控制单元8的输入端之间插入一个解调电路10。控制单元8经由信号总线11与电路1连接。
电路1包括一个压控振荡器12，它发出的信号Sc可由频率合成器13调谐到某个步进的或累接的可变频率fm上。解调电路10优选地包括一个解调器14和它后面的放大器15。优选情况下，在解调器14和放大器15之间插入一个高通滤波器16，例如可用一个耦合电容构成该滤波器。控制单元8中装有一个微处理器17，它与处理电路9和信号总线11连接。
在本发明的第一种优选实施方式中，控制单元8另外还包括一个同步检波器18，该检波器的两个输入端一个接到解调电路10的输出端，另一个接到低频振荡器19的输出端。同步检波器18的输出端经由比较器20接到微处理器17的一个输入端。
在第二种优选实施方式中，控制单元8包括接到微处理器17上的一个数模转换器21，和插入在同步检波器18和比较器20之间的一个减法单元22。可以预见这些部分是用于对背景信号进行抑制。对于某些应用，特别是没有背景信号抑制的那些应用，可以把同步检波器18的输出端和比较器20的输入端简单地连接起来。
发射机级2优选地包括一个放大器23，该放大器也可是一个隔离器，还包括位于放大器之后的辅助调制器24，该调制器同时可具有简单的转换开关功能，从而能够支持沿发射路径传输，或将信号传导到一个虚荷载。例如，可用一个PIN二极管调制器构成辅助调制器24。低频振荡器19的信号也可以通过一个开关接通或断开放大器23的供电，因此它能够替代辅助调制器24的作用。接收机级6中，例如可包括顺序连接的一个延迟电路25和一个放大器26。延迟电路主要位于发射机到接收机的连接路径上；根据具体情况，它可以位于调制器24之前或之后，或者一部分位于发射机级2中，一部分位于接收机级6中。
根据图1，雷达探测器工作如下雷达发射机发出一个信号Sc＝a·sin(w·t)接收机信号Sr在延时Td+2r/c后达叠加电路5，这里Td是由延迟电路25产生的延迟时间，2r是到达目标并从目标返回的距离，c代表光速，因此对于信号Sr成立Sr＝b·sin(w·(t-Td-2r/c))因为叠加电路5两个输入端的正弦信号Sc和Sr具有相同的频率，它们的叠加随后也产生一个正弦函数，此时在时间上取平均，两个信号的幅度在某些区域相加，在某些区域相互抵消，导致一般会在叠加信号中出现一个无关的直流分量。
因此在解调器14的输出端得到的幅值按一定顺序排列。可以用幅值的周期Δfm表示目标距离r的测量值。干涉信号的周期Δfm，即给定幅值重复出现的周期可由下式获得Δw·t-2·π·n＝Δw·(t-Td-2r/c)n是一个整数，考虑到Δw＝2π·Δfm从该公式可得n＝1时的雷达公式，如下r＝c·(1-Δfm·Td)/(2·Δfm)或者，对Td＝10ns有r〔cm〕＝150·((100/Δfm〔MHz〕)-1)该公式在用于近距离雷达时值得注意的是，测量距离与绝对雷达频率无关，唯一重要的是载波频率的改变量Δfm。给定的雷达带宽可以利用延迟时间Td的改变适用于要求的目标距离范围。举例来说，延迟时间Td为10ns，测得的干涉幅值周期Δfm＝66.66MHz，从雷达公式可得距离为r＝75cm。
根据本发明监视装置的一个优点在于，当目标距离较短时，相应于干涉信号幅度周期的频率改变量的取值不会大到导致干扰雷达发射的允许带宽。换句话说，如果距离确定为r，对于某个给定的Td值，要求频率改变量为Δfm，对Td＝0时，要求频率改变量为Δfm’，二者的关系是Δfm＝Δfm’/(1+Δfm·Td)或Δfm＝Δfm’/2，当Δfm’·Td＝1成立时。这意味着如果使用延迟电路，所需的带宽可减至一半。
根据本发明的第一实施方式中，没有24，16，18，19，21和22这些部件，放大器15的输出端直接连到比较器20。
在所有实施方式中，微处理器都是用于确定频差Δfm，即给定幅度重复出现的周期。为了实现该目的，与雷达发射机1连接的微处理器17按以下方式编程，即把载波频率fm从给定的初始值fm1(图4)步进地或累接地改变至值fm2，该点所得的干涉信号相对初始值fm1的相移至少为近似2·π。在该点有Δfm＝fm2-fm1成立，并可用雷达公式确定距离r。由于常量c和确定的参数Td已知，这样做是可能的。微处理器17自动控制上述步骤，无论何种情况它都向频率合成器13提供一个适当的编码信号，从而可用希望的频率fm1等控制振荡器12。关于此点举例，可用石英晶体精确地为500kHz步长的扫描控制，这样可节省其它方法所必需的一个频率测量单元。
为实现该目的，进行每一步之后，微处理器都会收到关于相应振幅值是否大于或小于给定参考信号幅值的信息。该信息由比较器20提供。最后，处理电路9将从微处理器17收到有关雷达探测器和目标之间距离的信息。
因为基于近距离雷达的干涉作用于纯静态方式，所以它的技术实现方法相对简单。利用微处理器17的软件，频率合成器可在很大范围内编程，并且能够优选地具备下列技术数据雷达频率约1-40GHz带宽10MHz-3GHz步宽10·nKHz
举例，可以取240步，n＝50(频率分辨率为+/-1cm)。在实际应用中必须注意，工作频率只允许采用正式许可频率(2.4GHz；5.8GHz；9.6GHz；10.5GHz；13.7GHz；24.1GHz和34.7GHz)之一。
根据本发明，累接法利用频率合成器，为确定干涉信号的周期宽度提供了很大的灵活性，尤其是当利用线性扫描控制所有的240步超出或低于整个带宽时更是如此。为了对合成器进行编程和对经过辅助调制器24调制的干涉信号进行测量，要求总时间最大为1ms/步，因此一个全扫描周期最大为240ms。
因为用合成器能够达到240个可调频率中的任何一个频率，所需时间用石英精度测量最大为1ms，因此可用简单且快捷的确定方法来决定干涉信号的周期宽度。
根据本发明的第二实施方式中，含有部件19，18，16和24，同步检波器18的输出端直接连到比较器20的输入端。这种实施方式考虑了上面提到的直流分量，因此能够提高测量精度。
原装置出现的问题是要处理一个很小的雷达信号，它与相对很大的参考信号相叠加。根据实际应用中的经验，它在处理时存在许多困难，但利用根据本发明的第二种实施方式可以巧妙地对之加以回避。
按照第二种实施方式，低频振荡器19发出某频率比如10KHz的调制信号，雷达无论采用何种频率，都可在同步检波器18中简便地对干涉信号幅度进行检波。用这种方式不会干扰信号的周期，因为此时检波值也会随频率Δfm周期地变化。
根据图2的相量图，矢量A代表未经调制器24调制的参考信号S’c，矢量B代表已经调制器24调制的接收机信号Sr，它还指示出目标距离相对矢量A的相位角为φ。叠加产生的矢量C作为干涉信号。接通和断开转换开关24相当于对矢量B进行接近100％的平方律调制，此时矢量C会在点b和a之间来回跳动，跳动的节奏与低频振荡器19的调制频率相一致，长度则在矢量C的长度与矢量A的长度之间变化。在某个相位角φ＝r时，矢量A与C’的长度相等，开关调制消失。如果相位角φ小于或大于r，干涉矢量的调制就会重新出现，不过在零点时，调制相位会改变2π。信号处理中，同步检波器18在调制电压的零点附近将信号相位改变180°。根据本发明利用这一点，可通过相位同步检波确定干涉信号的周期宽度。
因此，由雷达信号和参考信号的叠加获得的干涉信号，除了包括参考信号产生的直流分量外，还包括雷达回波产生的平方律调制交流分量。利用包含在解调电路中的简单高通滤波器16，可将调制雷达回波与直流分量分离，以进行下一步处理。相位同步检波之后，比较器20确定出干涉信号的零点(图4)。
根据第二种实施方式，具有大动态范围特征的雷达信号，与由发射机信号分流的常量参考信号S’c叠加并进行检波，从而产生干涉信号Si。在整个测量范围内，需要处理的干涉信号的振幅为一条叠加在某个恒定振幅值上的近似正弦曲线。该恒定振幅值相当于参考信号S’c的振幅值，它可以方便地作为精确决定干涉信号周期宽度的基线，因为干涉信号与该基线的交角是尽可能最大的。此时，比较器可以是所谓的零检测器。
可以预见，根据本发明的第三种方式能够对背景信号进行抑制，该功能利用数/模转换器21和减法单元22实现。
与目标回波相叠加的背景回波，是由雷达检测范围内长期存在的物体的反射产生的，尤其包括由卫生设备电枢本身造成的反射。因为干涉雷达法不能同时对几个目标进行处理，该背景回波会导致不能容许的测量错误。
为避免产生这些测量错误，可采用根据本发明的抑制背景法无目标回波情况下利用基准测量，确定整个测量频率范围上的背景回波，并将其储存在微处理器17中。在每次测量目标距离时，会用相应该测量频率的背景回波的储存值加以补偿。不过，这种方法具有先决条件，即背景回波和目标回波都要比参考信号S’c小得多。
用于相位同步检波的调制方法对抑制背景信号也很有利。如上所释，该调制方法的要点是，雷达发射机1中的压控振荡器12的输出信号在被发射机天线发射前，先用提到过的调制信号进行100％的幅度调制，例如可用10KHz的调制信号加以调制，而参考信号的路径上并不进行幅度调制。因此可以简单地将背景回波补偿部分集成在相位同步检波器的电路中。这种补偿相当于利用比较器20，该比较器的逻辑输出信号向微处理器17提供，给定测量频率的目标回波是否已因干涉而被衰减或放大的直接信息。以后所有的目标距离测量值中，相应测量频率的存储背景回波已经加以补偿。
在观察区域中没有外来物体时，可进行背景回波的记录。插入在相位同步检波器18的输出端与微处理器17的一个输入端之间的模数转换器27正是用于记录的目的。近距离雷达捕获到背景回波后把它当作一个目标回波进行处理，微处理器17确定出干涉幅值，图3中虚线所示即为该幅值。图3中实线所示为如果另外有人出现时获得的干涉幅值。图4所示为应用根据本发明的背景抑制法后产生的振幅。
两个信号频率fm1和fm2的差Δfm＝fm1-fm2，表示两个连续零点后的区域中的增加斜率，它提供干涉信号所要求的周期Δfm，即为了确定距离r而必须在雷达公式中插入的数值。
在另一种不包括部件21和22的派生方法中，可插入一个A/D转换器来代替比较器20，该情况时，从有人的干涉幅值中减去背景回波的相应值的步骤被编程在微处理器中执行。
如果观察区域内的人和雷达探测器之间的瞬时距离值r小于预定的基准值dr，处理电路9或另一种情况下的微处理器17能够提供至少一个指示信号Sk；监视装置还可另外包括一个控制单元，从而能够根据该指示信号产生一个实用信号。
该控制单元还可以进一步被作成能够根据指示信号Sk，把雷达探测器从使用第一个重复频率fw1的消极监视状态转换为使用第二个重复频率fw2的积极监视状态，后者频率高于前者，或者让雷达探测器连续处于接通状态，第一个重复频率fw1优选地位于0.1Hz到100Hz的范围，第二个重复频率fw2优选地位于10Hz以上，最高可到雷达探测器进行连续操作。优选情况下，控制单元与监视装置间用电线互联，控制单元控制监视装置的方式如下，后者仅可在小于重复频率fw1，fw2周期的时间间隔内被供电，比如可以控制用电池供电。
也可以将监视装置制作成可处理不止一个指示信号，其中可以包含有关位于不同距离的几个目标的信息，与/或出现的径向目标速度的信息，与/或被捕获径向目标速度的运动方向的信息。
天线3、7可以是喇叭型天线或部署在印制电路板上的平面型天线。
根据本发明的该装置不仅可以出色地用于卫生设备电枢，同样可以用于开门装置或其他的依靠对生物进行近距离检测的设备。
权利要求
1.带有雷达探测器的监视设备，对于物体的出现非常敏感，其中，雷达探测器包括一个控制单元(8)和一个支路单元(4)，他们插入在振荡器电路(1)与发射机级(2)之间，另外雷达探测器还包括一个叠加电路(5)，来自雷达发射机的一个信号与接收机收到的回波信号在该叠加电路中相互叠加级(6)其特征在于把雷达探测器作为一个干涉雷达，而且在支路单元(4)和叠加电路(5)之间的发射机到接收机的路径上插入一延迟电路(25)，以增大雷达信号相对支路信号的传播时间。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于延迟电路具有2-40ns的延迟时间。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于携带雷达干涉信号(Si)的叠加电路(5)的输出端通过一个解调电路(10)与控制单元(8)连接，从而控制振荡器电路(1)。
4.根据权利要求1到3任一项的设备，其特征在于将延迟电路(25)集成在接收机级(6)内，接收机级插入在接收机天线(7)和叠加电路(5)之间。
5.根据权利要求3或4的设备，其特征在于在控制单元(8)中包括一个检波器(18)，该检波器的输入端与解调电路(10)的输出端连接，输出端经由一个比较器(20)与微处理器(17)连接从而控制振荡器电路(1)。
6.根据权利要求5的设备，其特征在于在解调电路(10)中包括一个解调器(14)和它之后的一个高通滤波器(16)，而控制单元(8)中包括一个低频振荡器(19)，该低频振荡器的输出端一方面连接到检波器(18)的一个输入端，另一方面连接到包括一个辅助调制器的发射机级(2)的一个输入端上。
7.根据权利要求5或6的设备，其特征在于为实现抑制背景信号的目的，在控制单元(8)中包含了一个减法单元(22)，该减法单元插入在检波器(18)和比较器(20)之间，它的第二输入端经由一个数/模转换器(21)连接到微处理器(17)上。
8.根据权利要求7的设备，其特征在于为存储背景信号，在检波器(18)的输出端与微处理器(17)的另一个输入端之间插入一个模/数转换器(27)。
9.根据权利要求1到8任一项的设备，其特征在于在振荡器电路(1)中包括一个频率合成器(13)，它可以由控制单元(8)调谐到某个变化的频率(fm)上，它的输出端与一个压控振荡器(12)相连接。
10.根据权利要求9的设备，其特征在于频率合成器(13)工作在某一个公开允许的频率上，它的带宽为120MHz，步宽为50·nkHz，其中n是4到20之间的一个整数。
全文摘要
装备有一个雷达探测器的监视装置，被制作来用以检测人的出现。该雷达探测器包括一个控制单元(8)和一个支路单元(4)，后者插入在振荡器电路(1)和发射机级(2)之间，另外雷达探测器还包括一个叠加电路(5)，来自雷达发射机的信号与接收机收到的回波信号在其中相互叠加。雷达探测器被作为一个干涉雷达进行工作，为增大雷达信号相对于支路信号的传播时间，在支路单元(4)和叠加电路(5)之间的发射机到接收机的路径上插入延迟电路(25)。
文档编号G01S13/56GK1167922SQ9612178
公开日1997年12月17日 申请日期1996年11月29日 优先权日1995年12月6日
发明者亚考布·海尔利, 阿勒克思·莫霍福 申请人:格布瑞特技术股份公司