本发明是关于一种自我注入锁定雷达，特别是关于一种正交自我注入锁定雷达。
先前技术
在先前技术中，自我注入锁定雷达被用于侦测生物体重要的生理讯号，如呼吸、心跳等，其原理是通过发射射频讯号至物体，该射频讯号被该物体反射后再注入自我注入锁定雷达，使自我注入锁定雷达进入自我注入锁定状态(self-injection-locked)而产生自我注入锁定讯号，由于射频讯号的频率会受到该物体位移的影响而产生都普勒效应，将使得该自我注入锁定讯号中含有该物体位移造成的都普勒成分，因此，理论上对该自我注入锁定雷达的该自我注入锁定讯号分析后即可得到该物体的位移信息。但由于自我注入锁定的特性使然，当该物体的位移振幅超过1/10操作波长时，将会造成输出波形的失真而无法准确判断频率信息，因此，无论该物体的运动范围或大或小，已知的自我注入锁定雷达皆无法由波形中的变化得知该物体的位移信息，使得传统的自我注入锁定雷达只能在该物体进小范围运动时测得其振动频率，而仅能适用于感测该物体呼吸、心跳等微弱振动的频率，而若该物体进行大范围运动时，更是连振动频率都无法测得，导致自我注入锁定雷达的应用范围受限。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供正交自我注入锁定雷达，通过相位位移器使振荡讯号操作于两种相位模态，在该正交自我注入锁定雷达处于自我注入锁定状态时产生具有相位差的两个自我注入锁定讯号，而可通过频率解调及讯号处理的方式消除波形的失真，使得自我注入锁定雷达可用侦测物体的位移信息。
本发明的一种正交自我注入锁定雷达包含自我注入锁定路径、频率解调器及讯号处理器，该自我注入锁定路径具有压控振荡器、相位位移器及传接天线，该压控振荡器用以输出振荡讯号，该相位位移器用以调整该振荡讯号的相位，使该振荡讯号操作于两种相位模态，该传接天线用以将该振荡讯号发射至物体，该传接天线接收该物体反射的该振荡讯号并传送至该压控振荡器，使该压控振荡器处在自我注入锁定状态而产生第一自我注入锁定讯号及第二自我注入锁定讯号，该频率解调器接收该第一自我注入锁定讯号及该第二自我注入锁定讯号，该频率解调器对该第一自我注入锁定讯号及该第二自我注入锁定讯号进行频率解调以得到第一频率解调讯号及第二频率解调讯号，该讯号处理器接收该第一频率解调讯号及该第二频率解调讯号并进行运算，以得到该物体的位移讯号。
本发明通过该相位位移器的相位位移，使该振荡讯号操作于两个相位模态，而在自我注入锁定中产生该第一自我注入锁定讯号及该第二自我注入锁定讯号，由此可通过讯号处理的方式消除波型失真，使该正交自我注入锁定雷达位移感测范围更加广泛。
附图简单说明
图1：依据本发明的第一实施例，正交自我注入锁定雷达的功能方块图。
图2：依据本发明的第一实施例，该正交自我注入锁定雷达的电路图。
图3至6：本发明的第一实施例的实测数据。
图7：依据本发明的第二实施例，正交自我注入锁定雷达的功能方块图。
图8：依据本发明的第三实施例，正交自我注入锁定雷达的功能方块图。
实施方式
请参阅图1，为本发明的第一实施例，一种正交自我注入锁定雷达100的功能方块图，该正交自我注入锁定雷达100包含自我注入锁定路径l、频率解调器200及讯号处理器300，该自我注入锁定路径l具有压控振荡器110、相位位移器120及传接天线130。在本实施例中，该压控振荡器110具有讯号输出端口111、讯号注入端口112及电压控制端口113，该传接天线130具有传送天线131及接收天线132，其中该讯号输出端口111电性连接频率解调器200及该传送天线131，该讯号注入端口112电性连接该相位位移器120，该电压控制端口113电性连接该讯号处理器300，使该压控振荡器110受该讯号处理器300的控制并由该讯号输出端口111输出振荡讯号sout(t)，该振荡讯号sout(t)传送至该传送天线131，该传送天线131将该振荡讯号sout(t)发射至物体s，该物体s反射该振荡讯号sout(t)，该接收天线132接收该物体s反射的该振荡讯号sout(t)，且反射的该振荡讯号sout(t)经由该相位位移器120相位位移后注入该压控振荡器110的该讯号注入端口112，使该压控振荡器110处在该自我注入锁定状态(self-injection-lockedstate)。该相位位移器120受该讯号处理器300的控制而调整该振荡讯号sout(t)的相位，使该振荡讯号sout(t)操作于两种相位模态，在本实施例中，该相位位移器120于一相位模态中将该振荡讯号sout(t)相位位移90度，于另一相位模态中将该振荡讯号sout(t)相位位移0度，使注入该压控振荡器110的该振荡讯号sout(t)在两个相位模态之间相差90度，而能在后续的讯号处理过程中消除波形的失真。
通过上述的该自我注入锁定路径l可使该压控振荡器110处在该自我注入锁定状态而产生自我注入锁定讯号，由于该物体s反射的该振荡讯号sout(t)中含有了该物体s位移造成的都普勒成分，对该自我注入锁定讯号进行分析后即可得到该物体s的位移信息。此外，由于该振荡讯号sout(t)被该相位位移器120相位调整在两个相位模态，因此，本发明的该压控振荡器110于该自我注入锁定状态中会产生第一自我注入锁定讯号sil1及第二自我注入锁定讯号sil2的相位成分。
请参阅图1，该频率解调器200由该自我注入锁定路径l接收该第一自我注入锁定讯号sil1及该第二自我注入锁定讯号sil2，且该频率解调器200对该第一自我注入锁定讯号sil1及该第二自我注入锁定讯号sil2进行频率解调以得到第一频率解调讯号sbb,0(t)及第二频率解调讯号sbb,90(t)。该讯号处理器300接收该第一频率解调讯号sbb,0(t)及该第二频率解调讯号sbb,90(t)并进行运算，即可得到该物体s的位移讯号αd(t)。
在本实施例中，讯号处理器300对该第一频率解调讯号sbb,0(t)及该第二频率解调讯号sbb,90(t)进行反正切解调(arctangentdemodulation)而得到解调讯号sdemod(t)，该反正切解调的计算式为：
其中，sdemod(t)为该解调讯号，sbb，0(t)为该第一频率解调讯号，sbb，90(t)为该第二频率解调讯号，αd(t)为该物体s的位移所造成的相位变化，c为光速，d0为该物体与该传接天线130间的初始距离，x(t)为该物体的位移振幅，ωosc为振荡器的初始振荡频率。
本发明在该自我注入锁定路径l中通过该相位位移器120使该振荡讯号sout(t)操作于两个具有相位差的相位模态，而能根本地解决自我注入锁定现象(self-injection-lockedphenomenon)所产生的非线性失真，从而消除了自我注入锁定雷达仅可用于侦测微弱振动的限制，而可进行更广泛地应用。
请参阅图2，为本发明的第一实施例的电路图，其中该自我注入锁定路径l另具有放大器140及第一功率分配器150(powersplitter)，在本实施例中，该放大器140电性连接该压控振荡器110的该讯号输出端口111，用以将该振荡讯号sout(t)放大。该第一功率分配器150电性连接该放大器140，以分别将讯号传送至该频率解调器200及该传送天线131，可避免后端的该频率解调器200影响该自我注入锁定路径l的振荡。
请参阅图2，在本实施例中，是使用非相干频率鉴频器(non-coherentfrequencydiscriminator)进行频率的解调，在其他实施例中，可使用其他的解调方式，本发明并不在此限。其中该频率解调器200具有延迟单元210、正交功率分配器220、第一混波器230、第二混波器240、第二功率分配器250及第三功率分配器260，该第二功率分配器250电性连接该自我注入锁定路径l的该第一功率分配器150，以由该自我注入锁定路径l取出该第一自我注入锁定讯号sil1及该第二自我注入锁定讯号sil2，该第二功率分配器250再将该第一自我注入锁定讯号sil1及该第二自我注入锁定讯号sil2分为两个路径，并经由两个路径传送至该延迟单元210及该正交功率分配器220。
该延迟单元210经由该第二功率分配器250电性连接该自我注入锁定路径l，该延迟单元210用以将接收的该第一自我注入锁定讯号sil1及该第二自我注入锁定讯号sil2进行时间延迟，并传送至该第三功率分配器260，该第三功率分配器260再将所接收的讯号分为两个路径传送至该第一混波器230及该第二混波器240。
该正交功率分配器220经由该第二功率分配器250电性连接该自我注入锁定路径l，该正交功率分配器220用以将接收的该第一自我注入锁定讯号sil1及该第二自我注入锁定讯号sil2分配为两个相位模态的讯号，其中该正交功率分配器220具有0度输出端221及90度输出端222，该第一混波器230电性连接该第三功率分配器260及该正交功率分配器220的该0度输出端221，该第二混波器240电性连接该第三功率分配器260及该正交功率分配器220的该90度输出端222。
该第一混波器230将来自该第三功率分配器260的讯号及来自该正交功率分配器220的该0度输出端221的讯号进行混波，而输出第一混波讯号si,0(t)、si,90(t)，该第一混波讯号si,0(t)、si,90(t)具有两个相位模态，相对地，该第二混波器240将来自该第三功率分配器260的讯号及来自该正交功率分配器220的该90度输出端222的讯号进行混波，而输出第二混波讯号sq,0(t)、sq,90(t)，该第二混波讯号sq,0(t)、sq,90(t)具有两个相位模态。该第一混波讯号si,0(t)、si,90(t)及该第二混波讯号sq,0(t)、sq,90(t)分别经由第一低通滤波器270及第二低通滤波器280滤波后传送至该讯号处理器300。
该讯号处理器300接收该第一混波讯号si,0(t)、si,90(t)及该第二混波讯号sq,0(t)、sq,90(t)后进行相位模态的分析，再将相同相位模态的该第一混波讯号si,0(t)、si,90(t)及该第二混波讯号sq,0(t)、sq,90(t)进行反正切解调(arctangentdemodulation)以得到第一反正切解调讯号sarc,0(t)及第二反正切解调讯号sarc,90(t)：
最后，该讯号处理器300再将该第一反正切解调讯号sarc,0(t)及该第二反正切解调讯号sarc,90(t)进行一次反正切解调即可得到该物体s的位移所造成的相位变化αd(t)：
以进而通过公式
请参阅图3至6，为本实施例经实测所得的实验结果，本实验是感测以频率0.1hz及振幅5cm移动的金属板的位移信息，请参阅图3及图4，为该第一混波讯号si,0(t)、si,90(t)及该第二混波讯号sq,0(t)、sq,90(t)的波型图，可以看到该第一自我注入锁定讯号sil1及该第二自我注入锁定讯号sil2经由该频率解调器200解调后所得的讯号有失真的现象。请再参阅图5，为该第一混波讯号si,0(t)、si,90(t)及该第二混波讯号sq,0(t)、sq,90(t)进行反正切解调后所得的该第一反正切解调讯号sarc,0(t)及该第二反正切解调讯号sarc,90(t)的波型图。请参阅图6，为该第一反正切解调讯号sarc,0(t)及该第二反正切解调讯号sarc,90(t)进行反正切解调后所得的该物体s的位移讯号αd(t)，该位移讯号αd(t)已无波型失真，可得知本发明确实能消除自我注入锁定雷达的波型失真，使得本发明的该正交自我注入锁定雷达100能适用于侦测大位移的该物体s的位移信息。
请参阅图7，为本发明的第二实施例的功能方块图，其与第一实施例的差异在于该相位位移器120的设置位置，在本实施例中，该压控振荡器110的该讯号输出端口111电性连接该频率解调器200及该相位位移器120，该压控振荡器110该讯号注入端口112电性连接该接收天线132，由于该压控振荡器110输出的该振荡讯号sout(t)经由该相位位移器120相位位移后传送至该传送天线131，因此本实施例也可通过该相位位移器120将该振荡讯号sout(t)于一相位模态中相位位移90度，并于另一相位模态中相位位移0度，使该振荡讯号sout(t)操作于两个相位模态，而能在后端的该讯号处理器300中消除波型的失真。
请参阅图8，为本发明的第三实施例的功能方块图，与第一实施例的差异在于本实施例仅具有个传接天线130，该压控振荡器110具有讯号输出端口111及讯号输出/注入端口114，该讯号输出端口111电性连接该频率解调器200，该讯号输出/注入端口114电性连接该相位位移器120，其中该压控振荡器110输出的该振荡讯号sout(t)经由该相位位移器120相位位移后传送至该传接天线130，且该传接天线130接收的反射的该振荡讯号sout(t)经由该相位位移器120相位位移后注入该压控振荡器110的该讯号输出/注入端口114，使该压控振荡器110处在该自我注入锁定状态，由于该振荡讯号sout(t)在该自我注入锁定路径l中被该相位位移器120相位位移了两次，因此，在本实施例中，该相位位移器120于一相位模态中将该振荡讯号sout(t)相位位移45度，于另一相位模态中将该振荡讯号sout(t)相位位移0度，即可使该振荡讯号sout(t)在两个相位模态之间相差90度，而能在后端的该讯号处理器300中消除波型的失真。
本发明通过该相位位移器120的相位位移，使该振荡讯号sout(t)操作于两个相位模态，而在自我注入锁定中产生该第一自我注入锁定讯号sil1及该第二自我注入锁定讯号sil2，由此可通过讯号处理的方式消除波型失真，使该正交自我注入锁定雷达100位移感测范围更加广泛。
本发明的保护范围应当以权利要求所界定的范围为准，任何熟知此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内所作的任何变化与修改，均属于本发明的保护范围。
符号说明
100正交自我注入锁定雷达110压控振荡器
111讯号输出端口112讯号注入端口
113电压控制端口114讯号输出/注入端口
120相位位移器130传接天线
131传送天线132接收天线
140放大器150第一功率分配器
200频率解调器210延迟单元
220正交功率分配器2210度输出端
22290度输出端230第一混波器
240第二混波器250第二功率分配器
260第三功率分配器270第一低通滤波器
280第二低通滤波器300讯号处理器
sout(t)振荡讯号sbb,0(t)第一频率解调讯号
sbb,90(t)第二频率解调讯号sil1第一自我注入锁定讯号
sil2第二自我注入锁定讯号si,0(t)、si,90(t)第一混波讯号
sq,0(t)、sq,90(t)第二混波讯号s物体
sarc,0(t)第一反正切解调讯号sarc,90(t)第二反正切解调讯号
d0物体与传接天线间的初始距离x(t)物体的位移振幅