专利名称：距离选通全息雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种雷达，具体来说涉及一种干涉型全息雷达。本发明可以用于形成全息图、形成层叠全息图、检测选通区域内的运动和振动、并获得距离。
背景技术：
脉冲回波及FMCW高分辨率雷达通常在宽带至超宽带(UWB)发射。UWB脉冲雷达发射持续1/2至一个RF周期的短脉冲，对应的带宽从500MHz扩展至IOGHz或更大。宽带脉冲回波雷达发射RF正弦脉冲串；船舱液位感测雷达通常在一个脉冲串中发射10至20个 RF正弦，相应的带宽大于几百兆赫。类似的带宽也适用于高分辨率FMCW雷达。这些高带宽雷达的使用受到管理机构(如FCC)的严格限制。这种限制的示例包括(1)在美国，UWB 雷达仅能以极度受限的辐射功率等级工作在室外，并且仅能手持；( 宽带船舱液位感测雷达仅能工作在船舱内，并且不能用于感测例如河流液位；(3) ISM带宽非常受限，如50MHz 宽的10. 5GHz频带。在高带宽雷达受到严格的管制的同时，不受距离选通的操作也带来了其它的严格限制。应当注意到，使用距离选通一般意味着高带宽。距离选通通常要求高空间分辨率，这意味着较窄的采样窗口，和对较窄的高带宽的发射脉冲进行匹配。短距雷达以及一般雷达传感器经常要求很高分辨率的选通。Cff多普勒雷达通常用于感测运动。不过这些雷达不具有最大量程限制。任何距离上的不期望的移动物体(即杂波)都能产生响应。缺乏距离选通对于警用速度感测雷达来说可能是理想的，但对于安全报警来说则完全不合要求，在保护区域外部移动的人会错误触发不加选通的雷达。很多应用中明确需要距离选通。现有技术中存在众多距离选通的运动感测雷达，但它们一般都要求高带宽并且因此受到严格的管制。需要的是低带宽的距离选通雷达。在Collins 等人的题为“Real-Time Holographic Surveillance System”的美国专利5，455，590中公开了一种全息雷达。公开了一种通过沿着X轴和Y轴扫描天线来形成全息雷达图像的装置。不过这种雷达是CW雷达并且没有距离选通。这样，全息图像会受到来自图像平面外的回波的污染。这种方式仅适用于能够严密控制杂波景象的情况。此外，该装置仅对对于雷达来说不是半透明的物体起作用，例如难以(如果不是不可能)形成木制或塑料表面的全息图像。需要该雷达回波的时间选通(即距离选通)。该专利技术方案无法形成层叠全息图(即表示固体内部的多个表面或切片的全息图)，因为不存在发射 (downrange)方向上用来分辨回波的时间选通机制。现有技术缺乏(1)具有高空间分辨率距离选通的低带宽雷达；(2)能够工作在较窄ISM频带上的高分辨率雷达；(3)对干扰具有高免疫能力因而能够工作在拥挤的ISM频带上的高分辨率雷达；(4)能够排斥杂波的全息雷达；( 能够对半透明物体成像的全息雷达；(6)能够形成层叠全息图像的全息雷达；和(7)具有近程距离选通的窄带运动感测雷达。
发明内容
本发明是一种距离选通全息雷达，包括PRI发生器，用于产生PRI脉冲；中频IF 发生器，用于产生IF调制信号；交错调制器，其响应于时钟脉冲和IF调制信号而产生交错的PRI脉冲；第一脉冲发生器，其响应于交错PRI脉冲以生成发射脉冲，所述发射脉冲的持续时间大于最长的发射脉冲到期望回波的持续时间；RF振荡器，其响应于所述发射脉冲来生成发射RF脉冲串，并形成参考波；天线，其连接至RF振荡器，用于辐射所述发射RF脉冲串并用于接收来自脉冲串的回波；距离(range)延迟元件，其连接至PRI发生器，用于生成距离延迟脉冲；第二脉冲发生器，其响应于所述距离延迟脉冲脉来生成选通脉冲；RF幅值采样器，其连接至天线，响应于所述选通脉冲产生对参考波和回波之和的RF幅值采样；IF 滤波器，用于使具有IF调制的幅值采样通过；和IF检测器，其用于解调滤波后的幅值采样， 并产生干涉输出信号。本发明的雷达还包括选通RF峰值检测器，用于对一个或多个选通区间内的RF脉冲峰值进行检测和积分。RF幅值采样器还可以包括第二RF幅值采样器，每个采样器连接至在连接在RF振荡器和天线之间的传输线路上间隔开的接头，每个采样器用于产生发射RF 脉冲串和回波之和的RF幅值采样，并产生正交干涉输出信号。本发明的另一个实施例构成正交窄带RF幅值采样器，其包括第一二极管，用于提供第一导通元件；第二二极管，用于提供第二导通元件；第一 RF端口，其耦接至传输线路并耦接至第一二极管，用于将窄带RF信号耦接至第一二极管；第二 RF端口，其耦接至传输线路并耦接至第二二极管，用于将所述RF信号耦接至第二二极管，其中所述第二端口与所述第一端口沿着传输线路物理间隔开波长的一部分；选通端口，其耦接至第一二极管和第二二极管，用于将单极选通脉冲耦接至二极管，其中在选通脉冲持续期间所述选通脉冲驱动所述二极管导通，并且在至少两个RF信号周期的一部分期间在第一和第二二极管中产生导通脉冲；第一积分电容器，其耦接至第一二极管，用于对至少两个导通脉冲进行积分并产生同相采样；和第二积分电容器，其耦接至第二二极管，用于对至少两个导通脉冲进行积分并产生正交相位采样。该雷达还包括交错PRI调制器，其中利用交错时间偏移ΔΤ来调制中频。本发明是一种距离选通全息雷达传感器，其包括脉冲RF振荡器，用于提供RF脉冲串，其中每个脉冲串均受到△ T的交错PRI调制，并具有大于期望回波延迟的脉冲串持续时间；天线，用于发射RF脉冲串并接收RF脉冲串的回波；和时间选通RF采样器，其响应于通过Δ T调制产生的RF脉冲串与回波之和来产生干涉输出采样。本发明包括一种干涉型雷达的感测方法，包括生成RF脉冲串，其持续时间足够长以包括该脉冲串的期望回波；从天线将该RF脉冲串辐射至目标；利用天线接收该脉冲串的目标回波；对RF脉冲串和回波求和以产生干涉信号；以受控的定时对该干涉信号进行幅值采样以产生该回波的距离选通干涉采样。该方法还可以包括以受控的定时在传输线路上的两个点处对该干涉信号的幅值进行采样，以产生距离选通的正交干涉采样。该方法还可以包括生成具有交错PRI的RF脉冲串。该方法另外还可以包括响应于ΔΤ交错在中频进行幅值采样。本发明还包括一种干涉型雷达的运动感测方法，包括生成持续时间足够长的RF脉冲串以包括来自该脉冲串的期望回波；从天线将该RF脉冲串辐射至目标；利用天线接收该脉冲串的目标回波；对RF脉冲串和回波求和以产生干涉信号；以固定的定时对该干涉信号进行幅值采样以产生在固定距离处对目标回波的采样信号；以及检测采样信号中的变化以产生运动信号。另外，该方法还可以包括以受控的定时在传输线路上的两个点处对该干涉信号的幅值进行采样，以产生距离选通的正交干涉信号。 本发明的目标是(1)将距离选通加入全息雷达，以排除外来的回波；(2)将距离选通加入全息雷达，以允许形成层叠全息图；(3)提供结合了窄带发射和高空间分辨率的雷达；(4)提供具有窄带发射的高分辨率雷达以符合ISM频带规章；( 提供低噪声距离选通窄带运动传感器；和(6)提供窄带高分辨率扫频距离A-扫描雷达。
图1是本发明的雷达的框图2是该雷达的正交检测器的视图3a是RF和选通脉冲的波形图北是PRI交错的波形图3c是虚拟发射脉冲生成的波形图4示出了使用本发明的雷达形成层叠全息图5是本发明的直接基带处理雷达的框图6a示出了使用图1的雷达的运动感测响应；
图6b示出了使用图5的雷达的运动感测响应；
图7是本发明的采样器的框图8是该采样器的示意图9a是带有窄带RF信号的采样器的波形图9b是带有窄带干涉RF信号的采样器的波形图
图10是带有IF输出的采样器的框图11是该采样器的正交构造的框图。
具体实施例方式下面参照附图提供对本发明的详细说明。尽管图中给出了元件值和电路参数，但可以使用其它元件值和电路参数来构建其它实施例。总体说明本发明通过引入距离选通以限制对特定发射方向区域的响应，克服了现有技术全息雷达的局限性。由此能够得到对成像表面的更干净、更不受杂波影响的雷达全息图，特别是当穿透材料以对内部成像平面或切片进行成像时。距离选通还带来了层叠全息技术，其中可以在发射方向上层叠多个成像表面。固体物体的内部切片的全息图可以包括树木的切片、人体器官的内部切片、来自地面穿透全息雷达的深度切片(如埋藏墓碑的全息图像)。本发明是发射还用作参考波的宽RF脉冲串的距离选通全息雷达。宽脉冲具有相应的窄带宽。因此该雷达能够工作在国际ISM频带上。这对于测距仪和运动传感器应用来说是个主要突破，这些应用的操作受到严格的规章限制而被禁止操作于ISM频带。
宽RF脉冲的发射时间可以交错，即具有Δ T的PRI至PRI (脉冲重复间隔)间隔变化，其在中间交错频率IF处重复。宽RF脉冲串开始后进行的回波采样包含IF处的频谱分量。IF滤波采样仅响应于ΔΤ间隔。由于ΔΤ间隔形成在宽RF发射脉冲串的开始处，并且仅持续较短的持续时间ΔΤ，因此类似于发射了极短的超宽带虚拟脉冲。虚拟脉冲的时间位置起始于未交错的(或未延迟的)PRI的开始，并且在交错的PRI的开始处结束。由于不存在实际的短脉冲，因此称其为虚拟脉冲；通过从交错的宽脉冲中减去未交错的宽脉冲来形成所述虚拟脉冲，即通过多个PRI来形成。虚拟脉冲的回波与正在发射的宽脉冲结合形成虚拟干涉图案；这是存在于IF处的图案，并且涉及通过短虚拟脉冲产生的相位和幅值变动。显然，发射脉冲必须足够宽以持续到接收到期望的回波，否则将无法形成虚拟干涉图案。当在固定距离处采样虚拟干涉图案时，得到单个像素全息图。在X-Y平面上扫描天线将产生类似于照相底片上的全息图案的2D干涉图案。不过，距离选通特性将图案响应限制于通过距离选通的位置和宽度所定义的特定的发射方向区域。通过改变选通位置，能够得到其它距离处的全息图。利用特别设计的采样器来采样干涉图案，该干涉器响应于幅值而非相位；不存在选通脉冲定时对RF相位的依赖性。传统的混频器、相关器、和采样保持均产生随着选通脉冲相对于被采样的RF信号的定时而变化的响应。如果用在本发明中，则这些装置会产生相对于选通脉冲和RF干涉信号之间的相位和相位噪声很大的干扰响应。例如，在MGHz的RF 频率处，1/4波的持续时间是10ps，而选通脉冲可能需要延迟IOOns (距离上的15m)。显然， 0. Ips的选通定时抖动就会产生显著的噪声。相位敏感的检测器不适用于此应用。需要仅针对幅值的采样器。在本文以及本发明的发明人Thomas Ε. McEwan的共同待决美国专利申请“RF Magnitude Sampler for Holographic feidar”中公开了克服各种现有技术采样装置的局限的仅针对幅值的采样器。采用选通峰值检测器来产生RF信号的与相位无关的幅值采样。新的采样器通过使用时间选通峰值检测器进行RF信号峰值检测以及对峰值检测器输出进行积分以提供输出采样来进行操作。在一个实施例中，将RF信号与选通脉冲进行加和并施加至khottky 二极管，其中加和后的波形中的RF峰值驱动二极管导通，并且仅在选通脉冲持续期间产生二极管导通电流脉冲。二极管导通脉冲耦接至电容或低通滤波器并被积分。当选通脉冲跨越至少两个RF周期时，在选通脉冲的持续时间内将总是出现两个RF峰值。电容上的电压在两个RF周期内将充电至最大输出值，或者取决于设计参数在更多周期内充电至最大输出值。一旦充电达到最大，对于相同或更低幅值的连续RF输入信号，采样输出中将不会再出现变化。采样幅值不受RF信号的相位影响，只要在选通持续时间内出现两个峰值。短持续时间采样的一个显著特征是，当包括采样积分时，对RF干扰具有很好的免疫力。当进行N采样和积分时，传统经验建议根据N的平方根来减小采样噪声和干扰电压。 本发明的运动感测雷达可以积分N = 10，000个脉冲，并且通常可以预期通过积分将噪声和干扰降低100倍(fold)。不过，本发明构造为具有移动平均积分器，使得10，000个信号采样中的每一个将其最终值的1/10，000累加至积分电容器。这是一种带标记相干积分的形式， 其中需要相同极性和幅值的10，000个采样来将积分电容器累加至表示输入信号的电流值的最终值。当雷达PRI被随机化时，外部干扰信号的采样也被随机化，而回波的采样保持相干。该随机采样为带标记采样，某些为正某些为负。如果外部噪声的每个采样均为随机并且使积分电容电压增加或减小1/10，000，则可以看出随机极性采样序列的均值将为零，变化很小。这样，通过与N相关而不是与N的平方根相关的系数排除了噪声。基于同样的原因， 频谱分析仪对极短脉冲的响应也降敏为201ogBT，而不是根据通常考量预期的IOlogBT,其中B是频谱分析仪带宽，T是RF脉冲宽度。这是一般认为的UWB技术优点之一，本发明利用其积分采样器和可选的下游积分而保留了该优点。测试表明，本发明的雷达运动传感器能够在2. 4GHz ISM频带与附近的蓝牙、WiFi、GSM手机和其它设备一起工作，而没有明显的干扰。全息雷达中的图像形成需要正交格式的幅值和相位信息。对于其它应用如运动和振动感测也是如此。对干涉图案的正交采样能够提供必需的正交数据而不丧失仅对幅值采样的优点。本发明在使用仅对幅值采样的同时实现了全部四个象限的正交采样。当参考RF 脉冲串和回波RF信号沿着传输线路传播时，干涉图案形成为为沿着传输线路分布的图案。 本发明的两种幅值采样器可以位于传输线路上的接头处，其间具有对应于1/4波长的间隔以产生正交采样。由于干涉图案是通过参考信号和回波RF信号的累加和抵消组合而形成的，因此组合幅值相对于单独的参考脉冲会沿着线路增加或减小。输出采样会根据干涉图案增大或减小，即带标记幅值采样是通过仅用于幅值的采样器而产生的。带标记幅值采样和1/4波长间隔的组合会产生表示全部四个相位象限的采样。这样，通过使用本发明的仅用于幅值的采样器能够得到干涉图案的相位正交I和Q采样。采样选通的时间位置可以固定，以提供相对固定发射方向带的响应。这对于运动感测和振动感测是种优选模式。振动检测可以认为是运动感测的一种形式，其中运动幅值小于1/2波长。通过与虚拟发射脉冲ΔΤ的宽度相关(convolved)的采样窗口来设置发射方向带宽度。可以设置为两个RF周期那么短，在MGHz处为小于80ps。这对应于UWB雷达带宽，而本发明的RF脉冲宽度a可以大于1微秒，所占据的带宽(包含99%的发射功率) 可以小于IOMHz。可以对采样选通的时间位置进行扫频以提供适用于距离获得和成像的A-扫描响应。A-扫描是在发射方向上的ID图像。通过在一个物理维度上对A-扫描雷达天线进行扫频能够形成2D图像，通过在2D中进行扫频能够形成3D图像。本发明可以使用传统图像处理(如后传播)或使用全息处理，以在窄ISM频带上操作雷达的同时形成高空间分辨率图像。例如，地面穿透雷达GPR能够工作在^MHz宽的900MHzISM频带上，仅占据IOMHz的带宽，同时仅分辨两个RF周期即大约500MHz的有效带宽。实际上能够实现50 1的带宽降低。本发明还可以工作在非交错PRI模式下。在此模式下，RF脉冲串在距离选通之前的全部部分用于回波采样。距离信息会丢失。然而，通过距离选通的时间位置定义了最大的距离限制；在距离选通后不对回波进行采样。这种模式适用于需要最大距离限制的情况 (如简单的运动感测)，并且具有最大距离限制是对不具有距离限制的易受杂波影响的现有技术全息雷达的一个主要改进。具体描述现在查看附图，图1是一个示例性距离选通全息雷达的框图，总体由10表示。I3RI (脉冲重复间隔)发生器12输出在一定持续时间或间隔，例如每1毫秒之后重复出现的脉冲。PRI的倒数是PRF，即脉冲重复频率，如1MHz。噪声发生器13可以调制I3RI以扩展 RF发射频谱，并降低到达或来自其它频谱使用者的干扰。PRI发生器耦接至交错调制器14。交错调制器14针对每个其从PRI发生器接收的PRI脉冲输出一个脉冲。一些输出脉冲相比其它脉冲延迟或交错的更多。交错调制器14 响应于来自中频IF发生器22的输入。IF发生器能够输出方波，其带有例如小于PRF的频率，即介于PRF和雷达10在线路40上的最终检测信号频率之间的中间频率。响应于IF发生器信号，交错调制器14输出由相对其输入没有延迟的N个脉冲的脉冲串以及随后N个延迟了固定量的脉冲组成。这两个时点的总时间为2N冲RI，其倒数1Λ2Ν冲RI) = IF。N可以是任意整数，1、2、3……。当IF期望与PRF相关时(例如可以从数字计数器导出的整数因数)，线路23将PRI脉冲耦接至PRI发生器。或者，IF发生器22可以是独立的振荡器、伪随机脉冲发生器、或编码图案发生器。交错调制器14驱动第一脉冲发生器16，第一脉冲发生器16在线路17上输出脉冲。输出脉冲的持续时间大于或等于从天线20传播至期望目标并返回天线20的脉冲的脉冲-回波持续时间。标记为“TX宽度”的可选控制输入端口允许脉冲发生器16的输出宽度进行缩放，例如响应于目标距离估计或者用于运动检测带控制来缩放。RF振荡器18将RF脉冲输出至天线20，每个脉冲由两个或更多RF正弦脉冲串组成。图3a的示例波形62指示一个发射RF脉冲串。该脉冲串的持续时间足够长，直到期望的回波返回。由于在大多数雷达应用中会遇到实质上的脉冲-回波延迟，因此脉冲串持续时间较长并且相关的发射带宽较低(即窄带)。在未经许可的ISM频带中进行窄带RF发射是普遍被管理机构允许的。PRI发生器12还耦接至距离延迟对，其使得PRI发生器脉冲延迟等于期望的目标延迟的量。可选的标记为“距离”的输入能够以特定方式控制距离选通定时。例如，距离输入可以用于对距离延迟进行线性扫频，以在雷达10的输出处产生A-扫描响应。距离输入还可以用于设置2D扫描的全息雷达图像的深度。距离输入上的变化可以改变深度、发射方向、全息图的位置，于是可以产生在深度上层叠的全息图。距离控制还可以是可调节的(除了相对发射RF脉冲串是固定的)，以设置雷达10的运动感测实施例中的感测带位置。不过距离延迟元件可被控制，其中包含相对发射脉冲的发射时间的具体时间关系，即包含受控的定时。距离延迟M耦接至第二脉冲发生器洸，第二脉冲发生器洸在线路27上输出选通脉冲。输出脉冲的持续时间设置幅值采样器洲的时间采样窗口。该窗口必须跨越至少两个RF脉冲串正弦，例如针对IOGHz雷达为200ps。可选的标记为“选通宽度”的控制输入端口允许对脉冲发生器沈的输出宽度进行缩放，例如响应于雷达分辨率要求或响应于设置运动感测带维度而缩放。来自选通脉冲发生器沈的选通脉冲耦接至幅值采样器28，幅值采样器28采用选通峰值检测器来产生输入线路四上的RF信号的与相位无关的幅值采样。来自RF振荡器 18的发射RF脉冲串和从天线20接收的回波脉冲串在线路四上进行矢量加和，以在线路 29上产生干涉图案。采样器利用来自时间选通峰值检测器的峰值检测RF信号进行操作，并且通过对峰值检测器输出进行积分以在线路31上提供输出采样。当选通脉冲跨越至少两个RF周期时，则在选通脉冲的持续时间内总是存在两个RF峰值。由于采样器能够配置为最大响应于两个RF峰值，于是采样幅值不受RF信号相对选通脉冲的相位的影响。由于在线路四上的干涉图案中需要检测到相位的很小变化，因此需要相位独立性。线路四上的相位和幅值变化可能极小，因为来自远处目标的回波相对发射脉冲串信号来说极小。实际上，干涉图案的对比度可以很低。由于发射脉冲串和选通脉冲之间的相位噪声，相位采样器可能引入很大的相位噪声分量，使得雷达10基本上不起作用。幅值采样器28在线路31上将采样输出至IF滤波器30。对于每个PRI进行采样， 于是线路31上的采样可以以等于PRI的高速率出现。然而，交错调制器14会将中间频率调制分量引入IF滤波器30通过的线路31上的采样流中，同时排除PRF和低于IF的频率处的频谱分量，如干扰多普勒分量。滤波器30可以是带通滤波器。可选的IF放大器32放大IF信号。放大器30还可以位于滤波器30之前。IF检测器34将IF信号转换成线路35上的基带信号。IF检测器34可以由例如同步解调器或包络检测器实现。同步解调器可以是混频器或是由线路37上的IF发生器22 提供的IF本地振荡信号驱动的模拟开关。或者可以使用整流型包络检测器。其它的现有技术中已知的AM解调方法也可以使用。可以采用可选的基带滤波器36和基带放大器38来对检测到的雷达信号在从雷达 10输出到线路40上之前进行进一步的滤波和放大。雷达输出可以耦接至可选的现有技术中已知的处理器、报警器、显示器、或控制器。图2是幅值采样器观的正交版本的框图。传输线路52将发射RF脉冲串从端M 传输至端56，以通过天线20辐射。回波脉冲串从天线20返回线路端56。发射RF脉冲串是如图3a的脉冲串62所示的窄带RF脉冲，其具有足够的持续时间以扩展至超过期望回波的出现时间。回波与发射脉冲串进行矢量加和，以形成沿着线路52的干涉图案。幅值采样器28i和28q耦接至位置29i、29q处的接头。在此示例中，采样器通过施加在线路27上的公共选通脉冲来选通；针对各种用途可以施加带有单独定时参数的单独选通脉冲。传输线路52的示例可包括微条带、同轴电缆、波导管、或集总元件结构。可以采用正交网络或各种微波相位分离器。在线路52是波导管的情况下，接头可以是波导电流或电压探针、或者是波导管内侧的1/4波单极天线。如果接头即耦接点)间隔RF频率的1/8波长，则可以进行代表回波的同相I和正交相位Q分量的幅值采样。这类似于通过传统的相位敏感混频器进行间隔1/4 波长的采样。注意，1/8波长间隔是为了获得1/4波长采样，因为线路上存在两个方向上的传播。对干涉图案的幅值采样产生了带标记的幅值采样，这是因为回波可以具有从发射脉冲串加或减的相位。对于全息成像，发射脉冲串62是参考波。对于RF信号，发射脉冲串 62是本地振荡器信号。带标记幅值采样与1/8波长接头的组合在标记为I和Q的接收机 44i和44q输出端口处产生输出采样，该输出采样完全代表全部四个相位象限中的RF干涉图案。接收机44i和44q可以包括图1的接收机44中所示的元件。图3a是示例雷达10的波形图。在标记为RF的上部轨迹中示出了窄带RF脉冲串 62，代表一个示例发射RF脉冲串。在此示例中一个脉冲串由大约15个周期组成；通常也可以包括数百个周期。每个单独的RF周期都具有正负峰值。幅值采样器观检测这些峰值；作为设计选择，可以进行单极性或双极性检测。虚线锯齿线64表示轨迹的切除部分。添加线64是为了便于说明清楚；不使用线 64的话，连接脉冲串62至脉冲串66的线会很长。脉冲串66是脉冲串62的重复。从脉冲串62的开始到脉冲串66的开始之间的间隔是脉冲重复间隔或冊1。图3a中的下部波形是标记为“选通”的轨迹。其代表耦接至采样器观以使其对线路四上的干涉图案进行采样的示例选通脉冲40。通过选通脉冲68的宽度来设置采样器的窗口。对于每个选通脉冲，采样器可以输出采样，或者可以输出出现在PRI处的多个重复的移动平均或积分。图北示出了第一组的三个发射RF脉冲串72，每个RF脉冲串72起始于由虚线74 指示的基准时间。另外示出了第二组的发射RF脉冲串73，每个RF脉冲串73起始于基准时间74加上交错偏移ΔΤ，于是这些交错脉冲串73的实际起始时间由虚线定时基准线76指示。交错偏移可以定义为ΔΤ。交错周期是6倍冊1，相应的中间频率为PRF/6。图3c示出交错了 Δ T的发射RF脉冲串62和第二脉冲串66。图北的定时基准 74在此指示共同的定时基准，其可以参照PRI发生器脉冲。于是ΔΤ是从基准74的延迟或时间偏移。脉冲串62可以在第一时点期间重复出现，随后是第二时点期间的脉冲串66。 这些时点的重复速率跟随中频。如果图3a中选通68的时间位置设置为ΔΤ间隔，则会产生IF处的较强采样信号；在该ΔΤ间隔中，在时点1期间可能采样到最大信号，而在时点2 期间可能采样不到信号。该ΔΤ间隔中的采样信号会是在IF处重复的窄虚拟发射脉冲串 80。使用术语“虚拟”是因为脉冲串80并不物理存在；其是从具有交错定时关系的PRI交替组合成的差频(beat)图案。Δ T间隔可以很短，小至两个RF周期，以使用较长的窄带发射脉冲串来产生虚拟UWB发射脉冲。选通脉冲68的宽度可以设置为Δ Τ，以便最佳地匹配带宽采样。针对各种用途(包括定义较宽的运动感测带)，该宽度还可以设置为其它宽度。图4示出了使用雷达10来形成全息图像。如图中由扫描网格90所示意的，在X 和Y维度上扫描雷达10的天线20，以产生图像表面92的全息图。可以使用物理平移的单个天线或开关天线阵列进行扫描。通过发射RF脉冲串和来自发射方向R上特定距离处的表面92的回波脉冲串的矢量加和，来在图1的采样器观输入处产生线路四上的干涉图案。通过交错调制和后续的短虚拟发射脉冲串生成，距离选通采样器观能够输出限定于特定发射方向带的干涉数据。图4中示出了两个单独的发射方向带92和94。这样可以形成这些带中的全息图，同时排除了来自其它带的回波。每个区域限定的全息图能够代表例如某种材料或组织中特定深度处的图像表面。图像处理器42能够基于Χ、Υ、和R空间数据以及雷达10在线路40上输出的正交距离选通采样来产生图像。图5是构造为无需交错PRI即可操作的示例距离选通干涉型雷达的框图，总体由 100表示。PRI发生器12输出在一定持续时间或间隔之后重复出现的脉冲，例如每1毫秒。 噪声发生器13可以调制rai以扩展RF发射频谱，并降低到达或来自其它频谱使用者的干扰。PRI发生器12驱动第一脉冲发生器16，第一脉冲发生器16在线路17上输出脉冲。输出脉冲的持续时间大于或等于从天线20传播至期望目标并返回天线20的脉冲的脉冲-回波持续时间。标记为“TX宽度”的可选控制输入端口允许脉冲发生器16的输出宽度进行缩放，例如响应于目标距离估计或者用于运动检测带控制来缩放。
RF振荡器18将RF脉冲输出至天线20，每个脉冲由两个或更多RF正弦脉冲串组成。图3a的示例波形62指示一个发射RF脉冲串。该脉冲串的持续时间足够长，直到期望的回波返回。由于在大多数雷达应用中会遇到实质上的脉冲-回波延迟，因此脉冲串持续时间较长并且相关的发射带宽较低(即窄带)。PRI发生器12还耦接至距离延迟对，其使得PRI发生器脉冲延迟等于最大期望目标延迟的量。除了固定的之外，距离控制可以是可调节的，以设置雷达10的运动感测实施例中的感测带位置。距离延迟M耦接至脉冲发生器洸，脉冲发生器洸在线路27上输出选通脉冲。输出脉冲的持续时间设置幅值采样器观的时间采样窗口。该窗口必须跨越至少两个RF脉冲串正弦，例如针对IOGHz雷达为200ps。可选的标记为“选通宽度”的控制输入端口允许对脉冲发生器沈的输出宽度进行缩放，例如响应于雷达分辨率要求或响应于运动感测带维度而缩放。来自选通脉冲发生器沈的选通脉冲耦接至幅值采样器28，幅值采样器28采用选通峰值检测器来产生输入线路四上的RF信号的与相位无关的幅值采样。来自RF振荡器 18的发射RF脉冲串和从天线20接收的回波脉冲串在线路四上进行矢量加和，以在线路 29上产生干涉图案。采样器利用来自时间选通峰值检测器的峰值检测RF信号进行操作，并且通过对峰值检测器输出进行积分以在线路31上提供输出采样。当选通脉冲跨越至少两个RF周期时，则在选通脉冲的持续时间内总是存在两个RF峰值。由于采样器能够配置为最大响应于两个RF峰值，于是采样幅值不受RF信号相对选通脉冲的相位的影响。幅值采样器28将基带信号输出至可选的基带滤波器36，基带滤波器36可以是低通滤波器。可选的放大器38可以缩放基带信号。来自雷达100的基带信号在线路40上输出至可选的处理器、报警器、显示器、或控制器42。图6a示出针对雷达10的运动传感器实现的响应曲线图。通过图1中的元件对产生的距离选通延迟被设置为固定距离，接收机44中的参数被设置为允许通过由目标运动导致的线路四上的干涉图案变化所产生的运动信号。相对移动目标距离绘出了响应曲线，可以看出在“近端选通”和“远端选通”之间的响应恒定。通过图3a中脉冲62和68的起始之间的时间除以2 (用于双向传输)来设置近端选通距离。通过将脉冲68的结束时间除以2(用于双向传输)来设置远端选通。所绘制的曲线平坦度是理性化的；实际响应会受到环境脉冲波动、带有发射脉冲串和实际非理想性的采样卷积的影响。远端选通之外的响应绝对为零，不存在遗漏。图6b示出了雷达100的运动传感器实现的响应曲线图。这里没有PRI交错和短虚拟发射脉冲串。通过图1中的元件对产生的距离选通延迟被设置为固定距离，接收机44 中的参数被设置为允许通过由目标运动导致的线路四上的干涉图案变化所产生的运动信号。相对移动目标距离绘出了响应曲线，可以看出在远端选通之后的响应绝对为零，不存在遗漏。与图6a的曲线图不同，不存在近端选通，并且电压响应随着1/(距离平方)而变化， 随着目标距离接近零而快速上升。这在运动传感器中是不合要求的，因为会导致对于局部振动、天线附近的昆虫、开关如晶体管等能够在局部雷达反射上产生变化的器件等生成的电子噪声过于敏感。不过，雷达100的简单性加重了某些应用中的缺陷。发射脉冲串62在选通68之前的全部部分贡献于图6b中的响应。这在某些需要“填充体”感测的应用中具有优点。相反，图6a的曲线图形成了未被完全填充的环形感测带。幅值采样器观可以是用于雷达10或雷达100的正交采样器50。正交采样能够分辨运动的发射方向。还能够消除在每个四分之一波长中重复的周期性发射方向振动感测空值。图7是针对窄带信号的示例性高分辨率采样器的框图，总体用200表示。选通峰值检测器212具有RF端口(标记为端口 1)、选通端口(标记为端口 2)、和峰值检测器输出线路214。线路214连接至低通滤波器216。积分器在端口 3处产生采样输出信号。低通滤波器216还可以是积分器。由波形240图示的选通脉冲施加至选通端口并对峰值检测器加偏置，使得峰值检测器在例如选通波形MO的负值部分期间对选通脉冲的持续时间进行峰值检测。选通波形240可以从雷达距离选通发生器导出。选通脉冲不需要相对施加至端口 1的RF信号具有任何特定的相位。不过，选通脉冲必须足够宽以包括至少两个RF输入周期，这能够固有地包括具有两个相关峰值的两个半波。峰值检测器充电至一个峰值电压， 该电压部分地通过端口 1处的RF信号确定。选通脉冲240可以是例如Ins宽的数量级，其跨越例如10个IOGHz RF信号周期。从时钟信号或脉冲PRI振荡器导出选通脉冲对0。选通脉冲通常是在时钟波形的边缘触发的结果，该时钟可以是具有固定或可调延迟或者二者之间的扫频延迟的发射或接收定时时钟。在雷达接收机应用中，选通脉冲不需要如同频闪、或下变频、采样型雷达中一样， 紧密锁相至端口 1处的RF相位。这种独立于RF相位的特性是由于峰值检测器212能够理想地检测两个RF周期中RF信号的峰值幅值，而与RF周期相对于选通脉冲的相位无关。仅须使选通脉冲跨越至少两个RF周期，以确保峰值检测器确定该选通脉冲持续时间内的最大值。选通脉冲240可以跨越多个RF周期，例如窄带RF包或脉冲串中共计10个或更多个周期，并且峰值检测器212能够累加充电至总计峰值，其中每个累加值对应于一个RF峰值。由此在峰值检测处理期间执行积分，并且峰值检测器的硬件带宽需要被最小化。为了在某些应用中进一步增强性能，峰值检测器212能够在一个或多个脉冲重复间隔(PRI)期间以很小的电压降保持其峰值，以允许跨越多个PRI进行积分。峰值检测器212与低通滤波器16相结合，能够跨越多个PRI进行积分，以降低噪声和干扰电平。图8是示例采样器的示意图，总体由200指示。二极管220执行峰值检测功能，其具有阳极和阴极，电流(常规电流)主要从一个方向，即从阳极到阴极流过。在很多应用中，该二极管是^^0 1^ 二极管。其还可以是通过晶体管节或通过现有技术已知的其它二极管形成的二极管。电容器2M连接在二极管和选通端口 2之间。电容器2M用作峰值保持电容器。电阻226以应用所确定的速率释放峰值保持电压，并且其必须以能够跟随RF信号调制的速率释放电荷。电阻2 与电容器230相结合形成了低通滤波器或积分器。低通滤波器在二极管220和输出端口 3之间提供RF阻断；其阻止RF信号和选通脉冲耦接至输出端口 3。电阻2 和电容器230的积形成时间常数，如果设置为足够大，其可以是积分时间常数。或者，如果时间常数较小，则电阻2 和电容器230的功能主要是阻止微波频率和纳秒级速率选通脉冲出现在端口 3处。在端口 3下游可以出现其它的积分(即时间移动平均)或低通滤波。输入至端口 1的RF信号和输入至端口 2的选通脉冲有效地叠加至穿过二极管220的净电压。当净电压超过二极管220的固有阈值电压(一般约为0. 4V)时，二极管220被驱动进入正向导通状态。选通脉冲240可以具有3V的电压峰摆动，而RF输入信号通常处在I-IOOmV的数量级上。选通脉冲240的上部电平被设置为将二极管220保持在偏置截止状态，而不考虑RF信号幅值。当选通脉冲摆动较低时，在RF信号的正半波期间，组合的RF 和选通电压使二极管220偏置导通。当二极管偏置导通时，二极管导通电流脉冲从二极管的阳极流向阴极。二极管导通脉冲流入电容器224并将其充电至对应于RF正向半波峰值和选通脉冲之和的最大电压。由于二极管阈值和选通脉冲电压，会存在基本为直流的偏压。 当不存在RF时，电容器224由于重复的选通脉冲而充电至静态电压。RF信号从电容器224 上的静态电压产生累进变化。一般来说，直流偏压的影响不大，因为端口 3处的采样输出一般会被交流耦合的放大器或带通滤波器放大。二极管220的位置可以与电容器2M和电阻 226互换，原则上不改变其操作。二极管220可以反向，相应地选通脉冲240也要反向。图9a是示例采样器的波形图。在上部轨迹中示出了窄带RF脉冲串M2。在此示例中一个脉冲串由15个周期组成；通常其可以由数百个周期组成。每个单独的RF周期都具有正负峰值。本发明检测这些峰值，通常只检测一个极性。通过使二极管的极性以及第二检测器中的选通脉冲反向，可以构造平衡的双极性检测器。虚线锯齿线244表示轨迹的切除部分。添加线244是为了便于说明清楚；不使用线244的话，连接脉冲串242至脉冲串246的线会很长。脉冲串246是脉冲串242的重复。 从脉冲串242的开始到脉冲串246的开始之间的间隔是脉冲重复间隔或PRI。PRI可以被交错调制或以其它方式调制。图9a的下部波形示出了标记为“阴极”的实线轨迹和标记为“输出”的虚线轨迹。 阴极轨迹表示二极管220的阴极处的电压。该电压由耦接至阴极的选通脉冲M0、通过二极管导通从阳极耦接至阴极的脉冲串242和246的正向RF信号峰值252与256叠加而成。 如输出轨迹所示，导通发生在选通脉冲持续时间内的RF周期的至少一部分。虚线轨迹是在峰值保持电容器2M两端测量得到的电压。这是个差值电压，即电容器两个平板之间的差值。选通脉冲240均等地出现在两个平板上，并且不影响该示例性差值轨迹。二极管导通电流脉冲对电容器2M充电。累加充电电压Δ Vl和AV2表示由峰值电压252、256的相关峰值导通脉冲所导致的电容器电压上的较小累加值。电容器2 上的电压通过低通滤波器(例如电阻2 和电容器230)耦接至输出端口 3。该滤波器阻止脉冲252和256出现在输出端口处。电阻2 允许RF和选通脉冲电压在阴极处摆动，而不通过电容器230或端口 3处的负载引入分流效应。输出端口处出现的电压可以是Δν 和AV2平滑后的结果。电容器2 和230之一或二者均可以足够大， 以便对跨越两个或更多个PRI的单个脉冲252、256进行积分。积分量是设计选项。图9b示出了进一步包括的回波脉冲沈2、沈6。取决于回波的具体相位，它们可从 RF脉冲串242、246中添加或减去。如图所示，此示例中的回波进行添加而形成脉冲串272、 276。脉冲串272、276是干涉RF信号。出于例示的目的，示出的回波266大于回波沈2。 两个回波可以来自相同的目标，但是发射幅值可以出于产生调制检测电压的目的而进行调制，如图9b中AVl和AV2幅值之差。图10示出了额外包括带通滤波器282的采样器200。雷达发射机能够利用每个连续PRI或PRI组对发射RF脉冲进行调幅，以产生检测电压AVl和AV2的幅度调制。调制频率可以低于PRI的倒数，即低于雷达PRF。该频率可以是中间频率指定IF。因此，带通滤波器282可以是IF滤波器并具有放大功能。来自滤波器观2的IF输出可以通过线路284 耦接至混频器观6。元件286还可以是模拟开关或门，并可以在开关或混频时与IF本地振荡器信号(IF L0)构成同步调制。元件286还可以是简单的二极管-电容器，无需IF LO 即可简单地对线路284上的IF信号进行包络检测。可以包括低通滤波器观8，以去除IF分量并使来自元件观6的检测到的基带信号通过，并且在端口 3处提供采样输出信号。所示的虚线和另一个端口 3表示能够针对各种雷达用途同时输出IF以及“直接输出”信号的采样器200。图11示出了示例性正交采样器200。传输线路322将发射雷达脉冲从端3 传输至端326，以便通过天线或TDR线路发射。回波返回至线路端326。该发射脉冲是诸如图9a 的脉冲串对2、246的窄带RF脉冲串，并且具有足够的持续时间以便延伸超过回波出现的时间。回波与发射脉冲串进行矢量加和以形成沿着线路322的干涉图案，类似于图9b的脉冲 272、276。两个采样器200耦接至位置328、330处的接头。在此示例中，通过施加至端口 2 的公共选通脉冲来选通采样器；针对各种用途可以施加单独的选通脉冲。传输线路322的示例包括微条带、同轴电缆、波导管、或集总元件结构。可以采用正交网络或各种微波相位分离器。在线路322是波导管的情况下，接头可以是波导电流或电压探针、或者是波导管内侧的1/4波单极天线。如果接头328、330(即耦接点)间隔RF频率的1/8波长，则可以进行代表回波的同相I和正交相位Q分量的幅值采样。这类似于通过传统的相位敏感混频器进行间隔1/4 波长的采样。注意，1/8波长间隔是为了获得1/4波长采样，因为线路上存在两个方向上的传播。对干涉图案的幅值采样产生了带标记的幅值采样，这是因为回波沈2、266可以具有从发射脉冲串242、246加或减的相位。对于全息成像，脉冲串242、246是参考波。带标记幅值采样与1/8波长接头的组合在标记为I和Q的端口处产生输出采样，该输出采样完全代表全部四个相位象限中的RF干涉图案。RF信号可以认为包括一个或多个周期，每个周期具有正负半波，每个半波具有峰值。文中使用的术语“窄带”是指具有可以适用于指定规范频带的带宽的RF信号，如适用于 ISM频带和其它通常认为是窄频谱区间的频带。此外，术语“窄带”还可以是指在一个脉冲串中具有N个RF周期的调幅ON-OFF RF脉冲，其中N = 2，通常为10或更多。由于超宽带信号具有大于500MHz的带宽，因此窄带可以定义为具有小于500MHz带宽。窄带雷达RF信号的一个示例是IMHz方波调制的10. 525GHz RF载波。测量表明，这种载波占用小于40MHz 的带宽(包含总功率的99%)。本发明提出的脉冲全息雷达能够提供通常具有100倍以上带宽的雷达才具有的空间分辨率。在不偏离本发明的范围的前提下能够对前述具体描述的实施例进行各种变动和修改，本发明的范围仅由所附权利要求的范围限定。
权利要求
1.一种距离选通全息雷达，包括 PRI发生器，用于产生PRI脉冲；中频IF发生器，用于产生IF调制信号；交错调制器，其响应于PRI脉冲和IF调制信号而产生交错PRI脉冲； 第一脉冲发生器，其响应于交错PRI脉冲以生成发射脉冲，所述发射脉冲的持续时间大于最长的发射脉冲到期望回波的持续时间；RF振荡器，其响应于所述发射脉冲来生成发射RF脉冲串，并形成参考波；天线，其连接至RF振荡器，用于辐射所述发射RF脉冲串并用于接收所述脉冲串的回波；距离延迟元件，其连接至PRI发生器，用于生成距离延迟脉冲； 第二脉冲发生器，其响应于所述距离延迟脉冲脉来生成选通脉冲； RF幅值采样器，其连接至天线，响应于所述选通脉冲来产生对参考波和回波之和的RF 幅值采样；IF带通滤波器，用于使IF调制的幅值采样通过；和IF检测器，其用于解调滤波后的幅值采样，并产生干涉输出信号。
2.权利要求1的雷达，其中所述RF幅值采样器还包括选通RF峰值检测器，用于对一个或多个选通区间内的RF脉冲峰值进行检测和积分。
3.权利要求1的雷达，其中所述RF幅值采样器还包括第二RF幅值采样器，每个采样器连接至在连接在RF振荡器和天线之间的传输线路上间隔开的接头，每个采样器用于产生对参考波和回波之和的RF幅值采样，并产生正交干涉输出信号。
4.一种距离选通全息雷达传感器，包括脉冲RF振荡器，用于提供RF脉冲串，其中每个脉冲串均受到ΔΤ的交错PRI调制，并具有大于期望回波延迟的脉冲串持续时间；天线，用于发射RF脉冲串并接收RF脉冲串的回波；和时间选通RF采样器，其响应于通过Δ T调制产生的RF脉冲串与回波之和来产生距离选通的干涉输出采样。
5.权利要求4的雷达，其中所述交错PRI调制是利用△T的交错定时偏差进行的中频调制。
6.一种干涉型雷达感测的方法，包括生成RF脉冲串，其持续时间足够长以包括所述RF脉冲串的期望回波； 通过天线将所述RF脉冲串辐射至目标； 利用天线接收所述脉冲串的目标回波； 对RF脉冲串和回波求和以产生干涉信号；和以受控的定时对所述干涉信号进行幅值采样，以产生所述回波的距离选通干涉采样。
7.权利要求6的方法，还包括以受控的定时在传输线路上的两个点处采样所述干涉信号的幅值，以产生距离选通的正交干涉采样。
8.权利要求6的方法，还包括生成具有交错PRI的RF脉冲串。
9.权利要求8的方法，还包括响应于ΔT交错在中频进行幅值采样。
10.一种干涉型雷达运动感测的方法，包括生成RF脉冲串，其持续时间足够长以包括来自所述脉冲串的期望回波； 通过天线将所述RF脉冲串辐射至目标； 利用天线接收所述脉冲串的目标回波； 对RF脉冲串和回波求和以产生干涉信号；以相对发射脉冲串固定的定时对所述干涉信号进行幅值采样，以产生在固定距离处对目标回波的采样信号；以及检测采样信号中的变化以产生运动信号。
11.权利要求10的方法，还包括以受控的定时在传输线路上的两个点处采样所述干涉信号的幅值，以产生距离选通的正交干涉信号。
全文摘要
通过差分的长持续时间、交错脉冲重复间隔(PRI)发射脉冲而合成窄虚拟发射脉冲。PRI在中频IF处交错。虚拟脉冲的回波与参考波形成IF调制干涉图案。对干涉图案的采样进行IF滤波以产生高空间分辨率全息数据。PRI交错可以很小，如1ns，以根据较长的交错发射脉冲产生1ns的虚拟脉冲。由于全息所需的长RF脉冲，因此所占带宽(OBW)可以小于10MHz，同时由于较短的虚拟脉冲，所以可以实现对应于超宽带(UWB)操作的较高空间分辨率。X-Y天线扫描能够从正交数据产生距离选通的表面全息图。多重距离选通能够产生距离层叠的全息图。通过距离选通带内的干涉图案中的变化能够检测出运动和振动。
文档编号G01S13/22GK102317809SQ201080008087
公开日2012年1月11日 申请日期2010年2月22日 优先权日2009年2月26日
发明者托马斯·爱德华·麦克万 申请人:麦克万技术有限公司