专利名称：电子助视器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子助视器，它通过使用雷达来探测位于与观察者相隔一段距离处的目标而进行工作。
雷达系统因其探测和跟踪静止和移动目标的能力被熟知，并且在如飞机和轮船等运载工具的导航系统中已获得广泛应用。但是，这种系统的尺寸，复杂性和费用阻碍了个人观察者对这种系统的小尺寸的应用。尽管已经开发了较小尺寸的雷达系统应用于在汽车交通控制中的速度检测仪和汽车接近度检测仪，还没有这种较小尺寸的雷达系统，特别是从这种雷达系统的电源要求来看，能够声称可以由一个人轻易携带。
在此需要有小尺寸的便携雷达系统，它能够被用于，例如，帮助盲人或部分视力者，通过给他们提供能够探测和跟踪在他们直接附近范围内的静止和移动物体的装置，围绕其所处环境，充分和方便地引导他们。
根据本发明的电子助视器包括适合于被个人佩戴的小型、便携式个人雷达系统，它的雷达系统包括一个以毫米波长的电磁辐射工作的小型雷达前端组件，一个电源，信号处理装置和一个感知输出装置。
雷达前端组件最好适合佩戴于使用者，即使用个人雷达系统的人的头部，因为这样可以通过使用者头部上下左右移动为雷达前端组件提供简单的扫描机制。这样雷达前端组件被安装到两自由度的自然平台上，而且不需要将任何形式的动力扫描机械安装到组件中以保证设备完全运行。在本发明的最佳实施例中，雷达前端组件制成一副眼镜的形式，其中雷达系统的发射天线与接收天线安装于眼镜的各自镜片单元上且发射器电路和接收器电路的模拟部分安装于眼镜的各边侧支撑框架上。
根据本发明的电子助视器经设计借助于电磁辐射工作，其波长位于毫米区，频率位于35至220千兆赫(GHz)。本发明的最佳实施例采用的工作频率为94GHz。
电源和信号处理装置均安装于经设计可以被使用者作带式组件，胸部组件，或背部组件佩戴的方便部件内。
来自信号处理装置的输出信号通过合适的电缆设备馈入感知输出装置，感知输出装置将此输出信号转换成易于被使用者探测和理解的感知信号。
这样的传感信号可被五种人的感觉，即视觉、声觉、嗅觉、触觉或味觉之一探测到。在特别设计用来帮助盲人和部分视力者的本发明的最佳实施例中，感知输出装置是声音输出装置，直接将声音信号传送到使用者佩戴的耳机之中。
在本发明的电子助视器中所用的雷达系统，通过选择所用工作辐射的小波长和在系统制造时应用小型技术已经减小了体积。因此，微带技术被用于生产各种传输线和在系统的射频(RF)和中频(IF)级所要求的无源电子元件，且厚膜复合技术被应用于生产这种系统的低频元件。在系统中没有采用昂贵加工的元件，如波导。在本发明的最佳实施例中，所用雷达系统为连续波调频类型，它比其它类型的可用雷达系统如，单脉冲类型的雷达系统的价格低。
本发明的电子助视器的特性是通过应用毫米波长的工作辐射和微带制造技术，可以制造平面相控阵列天线，它具有极窄的波束宽度特性，例如，在94GHz为2度。这样，电子助视器的使用者能够扫描特定体积的空间并迅速确定其中任何物体的实体存在和大小，只要这些物体在雷达系统的天线中所对的角不小于2度。这意味着在实际应用中，使用者能够探测到在一米距离处小到2.5cm的物体。
此外，本发明的电子助视器中所用的毫米波长工作辐射在低可视率的环境中，如雾，灰尘或烟中，发生相对低程度的衰减。因此，例如，94GHz辐射在大雾中的单程衰减大约为3dB/cm，对于红外辐射，此衰减大约为100dB/km。使用94GHz辐射对雾和烟的穿透力明显优于红外辐射的穿透力。因此，便于携带和适合被使用者佩戴的，本发明的电子助视器，可以被消防人员在浓烟和火焰中工作时使用，用以探测被上述浓烟或火焰防碍观察的物体或障碍物的存在。
图1为根据本发明电子助视器的雷达系统最佳实施例的原理电路图；图2为一副眼镜的前视图，它形成图1所示雷达系统的前端组件；图3为图2所示眼镜的左边框架图；图4为图2所示眼镜的右边框架图；图5为图2、3和4所示用户所戴眼镜的立体图；图6为用于图1中所示雷达系统的电路中的微带传输线部分的部分立体图。
图7为图2所示眼镜中平面相控阵列的设计图；图8为图7中所示平面相控阵列7部分的设计图，说明了对于阵列的微带供给模式；图9为图1所示雷达系统的本地振荡元件的微带电路简图。
图10为图1所示雷达系统的谐波混合元件的微带电路简图。
图11a为图1所示雷达系统的线性鉴频器设备的微带电路简图；图11b为产生于图11a所示微带电路的信号的图形表示，图11c为产生于图11a所示微带电路的输出信号的图形表示；图12a为图1中所示雷达系统压控振荡元件的设计图；图12b为图1中所示雷达系统的压控振荡元件的横截面图；图13a为图1中所示雷达系统的射频复合环路混合器元件的微带电路简图；图14为图1中所示雷达系统的低通滤波器元件的微带电路简图15为显示在图1所示雷达系统运行时产生的发送、接收波长和拍频简图；图16为在图7中所示平面相控阵列中产生的辐射模式的图形表示；图17为根据本发明的电子助视器的雷达系统第二实施例的简要框图；以及图18为一副眼镜的前视图，它形成图17所示雷达系统的前端组件。
根据本发明的电子助视器的最佳实施例在图1至14中给予说明，其中电子助视器的雷达前端组件由置于眼镜中的天线，接收器和发射器系统22(下文称为SMART系统22)构成。参考图1，此图绘出电子助视器最佳实施例的SMART系统22及可安装带式信号处理和电源组单元24组成部分简图。SMART系统22包括发射天线30和接收天线32。发射天线30通过微带传输线33连至发射器闭环电路的输出，发射器闭环电路包括电控振荡器34，耦合器36，谐波混合器38，本地振荡器40，放大器42，线性鉴频器44和加法放大器46。
在闭环电路的工作中，本地振荡器40产生一个稳定本地振荡器(Lo)频率信号，此信号经过微带传输线39馈入谐波混合器38的一个输入。少量射频(RF)能量通过耦合器36取自于传输线33，并通过微带传输线37馈入谐波混合器38的第二输入。谐波混合器38混合来自于耦合器36的射频信号和来自于本地振荡器的本地振荡器频率信号以获得拍频称为中频(IF)，此拍频经微带传输线41馈入中频放大器42的输入。元件36、38、40和42形成SMART系统22的部分。
来自于IF放大器42的输出信号经输出线43进入位于带式组件单元24内的线性鉴频器44。鉴频器44产生一个输出电压信号，它经过输出线45进入加法放大器46的一个输入中。加法放大器45与线性斜波发生器48也位于带式组件单元24内。线性斜波发生器48产生锯齿状电压信号，它经输出线47进入加法放大器46的第二输入中。来自于加法放大器的输出信号经输出线35进入到压控振荡器34的输入中。压控振荡器34与压控耿氏(Gunn)二极管共同工作，将在下文参考图12a和图12b详细说明。来自于加法放大器46的输出信号的波形从压控振荡器34产生一个调频的输出信号，且此调频输出信号经微带传输线30进入发射天线30以形成闭环。
闭环发射器电路应用鉴频器44以提供用来稳定可调压控振荡器34的反馈信号。压控振荡器34有效地锁定于鉴频器44的调谐特性上，如下文根据图11b和11c用图形示出。因为调谐特性为线性的，压控振荡器34将线性调谐。
本发明电子助视器的这一最佳实施例的使用者将在他或她的头部以一种简单方式佩戴SMART系统22如同佩戴一副眼镜。在电子助视器工作时，从发射天线发射出的雷达信号在位于使用者前方的物体上，通过使用者头部适当的移动能够被扫描到，并且任何一个这样被扫描到的物体将分散一部分发射信号返回到SMART系统22的接收天线32中。由接收天线32接收的返回信号通过微带传输线49进入射频复合环路混合器52的一个输入。与位于发射器输出线33邻近的耦合器50，通过取出一小部分发射器信号并将其通过微带传输线51馈至复合环路混合器52的第二输入中，作为本地振荡器。复合环路混合器52将在下文参考图13给以详细说明。复合环路混合器52产生一个中频(IF)信号，它是一个拍频，即进入到复合环路混合器52两个输入的频率之差。
来自于复合环路混合器52的IF信号经过微带传输线53进入低通滤波器54的输入，设计此低通滤波器仅允许IF信号通过，经微带传输线55到达IF放大器56的输入。IF放大器56产生放大的IF输出信号，它经过输出线57进入模数转器(ADC)58的输入中。通过ADC58放大的IF信号由模拟信号转换成数字信号，并且来自于ADC58的数字输出信号经过输出线59被送至信号处理单元60的输入中。ADC58和信号处理单元60均位于带式组件单元24中。
信号处理单元60计算由使用者检测到的物体的范围和速度，并且，在这里可能，识别所述物体。信号处理单元60包括物体识别算法以帮助被检测物体的识别，并产生体现所述物体所有检测到的特征的音频输出信号，此音频信号进入连于使用者佩戴的立体声耳机的输出声频电缆102中(见图5)。
现转至图2、3和4，这些图说明了本发明最佳实施例的SMART系统22的要求结构。图2显示了SMART系统22的前视图，从图中可以看到它包括由具有位于上部、水平横杆80的框架76支撑的镜片式单元75。镜片式单元75由合适的绝缘基片如石英构成，横杆80是一位于金属底板上合适的绝缘基片(例如铝)的长方形条。右侧单元75，如图2中所示，装有平面相控阵列78，它形成图1的发射天线30，且右侧单元75，如图2中所示，装有相同的平面相控阵列90，它形成图1的接收天线32。横杆80上装有图1所示雷达系统发射电路的压控振荡器34，耦合器36和微带传输线33、35和37，以及图1所示雷达系统接收器电路的耦合器50和微带传输线49。
图3为SMART系统22的侧视图，显示了用于框架76的左侧框架支撑82，此框架支撑82由合适的绝缘材料基片，如铝，构成，置于金属底板之上。框架支撑82上装有图1中所示雷达系统的发射电路的本地振荡器40，放大器42和微带传输线35、37、39、41和43。
图4为SMART系统22的侧视图，显示了用于框架76的右侧框架支撑84，此框架支撑84由合适的绝缘材料基片，如铝，构成，置于金属底板之上。支撑框架84上装有图1中所示雷达系统的接收器电路的复合环路混合器52，低通滤波器54，IF放大器56以及微带传输线49、51、53、55和57。
图5显示被使用者佩戴时的SMART系统22，和立体声耳机98的左侧部分，从带式组件(未示出)延伸出的音频输出电缆100的一部分，以及电源电缆102的一部分，它从装于带式组件内的电池组(未示出)给SMART系统22提供直流电源。
图6为SMART系统中用作传输线的部分微带传输线的立体横截面视图。由图6中可以看到，传输线包括金属条状导体62，它被设置于由绝缘材料制成的绝缘板状元件64的上表面上，板状元件的下表面装有金属导电层66。
图7和8显示了如图2中所示在SMART系统22中用作发射阵列78和接收阵列90的平面相控阵列的细节。每一平面相控阵列在一个沉积于石英基片69的表面上的16×16阵列中包括64个金属微带单元68，石英基片69为阵列形成SMART系统22的各自镜片式单元75。每一金属微带单元68为长方形，其长为0.752毫米，宽为0.188毫米。石英基片69的厚度为0.13厘米。如图7中所示，相邻微带单元68之间的水平距离dx是1.063毫米，以及相邻微带单元68之间的垂直距离dy是0.3114毫米。
图8显示图7的平面相控系统的6×6阵列部分，用以说明直接反馈单元68的最佳网络排列，其中单元68通过一系列交叉高阻线72连接在一起。在SMART系统22工作期间馈入或来自于阵列的辐射进入来自于公共馈入点74的高阻线72形成的网络，公共馈入点经石英基片69延伸到一个置于其上的小型共轴连接器(未示出)。给例如发射阵列78的单元68供给信号功率的另一方法是经基片69将每一单元68连到一个并行输入网上，以此输出发射功率经过基片69送至每一单元68。这样的并行输入网络不如图8中所示交叉输入阵列经济有效。
图9显示SMART系统22发射闭环电路的本地振荡器40的电路细节。本地振荡器40的电路元件安装在一铝基片上，它具有的相对绝缘系为9.6，厚度为0.38毫米。电路元件包括绝缘谐振器104，耿氏/雪崩二极管108，和一个低通滤波器109。绝缘谐振器104为圆柱体、其半径为1.3345毫米、高度为1.01098毫米，由绝缘系数为36.5的四钛化钡制成。圆柱体谐振器104的谐振频率是23.25GHz。绝缘谐振器104经50欧姆微带传输线106与耿氏/雪崩二极管108相连，绝缘谐振器104与二极管108之间距离为5.0毫米。在SMART系统22工作期间，由于绝缘谐振器在固定频率23.25千兆赫上振荡，二极管108是频率稳定的。低通滤波器109位于二极管108和本地振荡器40的射频输出线124之间，直流电源从电源电缆102经50欧姆输出线120进入本地振荡器40。低通滤波器109包括微带单元110、112、114、116和118的阵列，单元110、114和118是电容元件，其容值分别为0.0976皮法，0.0891皮法和0.0868皮法，单元112和116为电感元件，其值分别为0.4724毫微亨和0.2956毫微亨。连至绝缘谐振器104的微带传输线122耦合到一个虚员载上。
现转至图10，此图显示SMART系统22的发射器闭环电路的谐波混合器38的微带电路。谐波混合器的电路元件包括一个射频带通滤波器126，两个以反并联结构排列的梁式引线二极管128，一个低通滤波器130和一个中频滤波器132，全部元件如图示以串联形式连接在一起。滤波器126具有输入口134，滤波器132具有输出口138，且在滤波器130和132的连接处具有输入口136。在SMART系统22的工作期间，来自于耦合器36(见图1)的输出进入口134，来自于本地振荡器40的输出进入口136，和在谐波混合器38中产生的中频输出信号从口138中输出。在工作时，RF带通滤波器126用于抑制所有在混合器38中产生的高阶频率，和用于排除地振荡器频率信号和中频信号的消息。RF带通滤波器126由0.2574毫米长的四分之一波长线构成，它能够有效地在工作中排除本地振荡器信号和中频信号。低能滤波器30在工作中用来通过本地振荡器频率信号，同时防止射频信号到达本地振荡器输入口136。低通滤波器130的截频为25千兆赫。中频滤波器132具有与用在本地振荡器40中的低通滤波器109相同的结构与元件。它在SMART系统22的工作中，被用来取出在混合器38中产生的中频信号，同时防止本地振荡器信号和任何其它不需要的剩余频率到达输出口138。IF滤波器132的截频为22千兆赫。混合器38被设计工作在本地振荡器信号的第四谐波上。因此，由于本地振荡器信号为23.25千兆赫，其第四谐波为93千兆赫，因为射频信号的频率是94千兆赫。从混合器38出来的中频信号的频率是1千兆赫。
图11a显示SMART系统22的发射器闭环电路的线性鉴频器44的微带电路。线性鉴频器44的电路元件包括一个具有输入口141的分频器140，一个功率分离器142，用于各自谐振器148和150的匹配网络144和146，用于各自二极管156和158的匹配网络152和154，和一个输出口160。因为LFD44位于装在带式组件内的雷达系统的数字部分中，将电路元件连接在一起的传输线可以不是微带结构，但可以通过印制电路板技术或电线制成。在SMART系统22的工作中，分频器140将在输入口141接收到的中频信号分频到适合于数字式工作的区域，例如兆赫兹频率，并将此分频信号送至完成信号的3dB功率分离的功率分离器142中。如此产生的分离信号分别进入用于各自谐振器148和150的匹配网络144和146中。在图11a中所示的谐振器144和146是石英谐振器，但是如果需要，它们可以是调谐无源电路，调谐放大器或空腔谐振器，并且因为LFD44位于装在带式组件中的雷达系统的数字部分内，它们也可以是数字阶式滤波器。网络144、146、152和154可以是无源或有源匹配网络。一对匹配二极管156和158以反并联结构排列，用在输出口160产生输出信号，现将参照图11b和11c中的图形给以说明。
首先参考图11b，此图显示在输入口141的RF信号在频率区域扫描到时，匹配网络152和154的输出204的图形显示。由图可见，输出204的曲线中包括两个最小值，分别用参考数字210和212表示。最小值210与谐振器148的谐振频率一致，最小值212与谐振器150的谐振频率一致。当输出信号204进入一对二极管156和158时，通过此二极管对与输出信号204结合，在输出口160产生鉴频器输出信号，此鉴频器输出信号208在图11c中绘出。由图11c可知，输出信号208的曲线包括一个最小值214，它与图11b中所示谐振最小值210一致，和一个峰值216，它与图11b所示谐振最小值212一致。
如图1可见，来自于LFD44的输出信号进入加法放大器46的负输入口，在此与来自干线性斜波发生器48、进入加法放大器46的正输入的锯齿电压信号结合，产生进入压控振荡器34的输入的输出信号。
图12a和12b显示了压控振荡器34的结构细节。VCO34的主电路元件包括变容二极管162，旁路电容164和耿氏二极管166，全部元件安装在金属底座168上。由图126中可见，耿氏二极管166具有螺纹底，它能够被安到金属底座168上的螺纹孔内，变容二极管162用导线170与耿氏二极管166连接，以及金带172将耿氏二极管连到两端转换器174上，它在VCO34中用作阻抗匹配。由图12a中可见，耿氏偏置线176用来连至SMART系统22的电源供电缆102，变容二极管偏置线178用来连至加法放大器46(见图1)的输出线35。VCO34包括一铝制绝缘基片材料。
现转至SMART系统22的接收部分，图13更详细地显示了复合环路混合器52的电路配置。环路混合器52是一具有直流偏置的微带混合环路(ratrace)，设置在厚度为0.38毫米和绝缘系数为9.6的铝基片上。环路混合器52的主要电路元件包括阻抗为70欧姆的环路180，它具有西格马口182和西格马口184，一个低通滤波器186和一个偏置网络188。在SMART系统22的工作中，由环路混合器52经线路49(见图1)接收到的射频信号经西格马口182进入环路180，在此过程中要经过低频部件190，代尔塔口184接收线路51(见图1)上的本地振荡器信号，且此信号通过低频部件192进入环路180。低频部件190和192用于防止经过口182和184在环路中缺少中频或直流偏置。环路180包括导体棒194和196，每一导体棒的阻抗为50欧姆。偏置网络188与导体棒194相连，并且包括二极管198，电容200，电感202，和电容203。直流偏置经过此偏置网络188提供给环路180。导体棒196经二极管206接地。
在环路混合器52中产生的中频信号通过低通滤波器186离开混合器，此滤波器的电路结构在图14中给与详细说明。由图14可见，中频信号经50欧姆输入线218进入低通滤波器186，经过后进入一个包括电容元件220，电感元件222，电容元件224，和电感元件228的电路设计中，然后通过50欧姆输出线230离开。电容元件220，224和228各自容值分别为0.0829PF，0.073PF和0.0734PF，电感元件222和226各自的容值分别为0.416nH和0.2604nH，环路混合器52的输出线也包括中频旁路电容232和输口234(见图13)。
本发明的最佳实施例的雷达系统的工作将参考附图15和16在此详细说明。
在雷达系统工作中产生的发射频率，接收频率和中频在图15中以图形示出。在图15中，载波频率为f0，时间为t，最大频偏为F，调制周期为T，发射信号到达物体并返回天线的环路往返时间示为τ。信号用来经过距离R到达被测物体并返回所用的环路往返时间τ是2R/C，在此C为光速。
在图15上部以实线所示的发射信号(Tx)是VCO34通过将来自于线性斜波发生器的锯齿电压信号送入加法放大器(见图1)的输入而产生的调制频率输出。在图15上部以虚线表示的接收信号(Rx)是通过环路往返时间τ从发射信号中分离出来的。在图15中部示出的拍频(B)曲线是图1所示复合环路混合器52的中频输出。
标为m的发射信号的斜率，在系统的工作中是关键的参数。如果考虑斜波发射信号的增加部分，曲线的斜率m可由下述表达式给出m＝B/Tx与Rx之间位移，但是τ＝Tx与Rx之间位移，因此m＝B/τ(1)斜率m可也由下述表达式给出m＝F/(T/2)＝2F/T(2)使两式斜率值相等且求解τ，得到τ＝TB/2F(3)将τ＝2R/C代入方程(3)并求解R，得到R＝TBC/4F(4)此方程表明，若参数T与F已知，则拍频B的测定将使被测物全的范围R可知。
影响被测定的拍频的两种情况需要被考虑，第一种情况(情况1)是测定静止的物体，第二种情况(情况2)是测定移动的物体。
现在考虑情况1，如果物体静止，则它在接收信号中不产生多普勒漂移。因此，拍频能够仅从SMART系统的使用者与被测物体的距离，即Tx与Rx之间的延迟中得到。这样，这些信号上升部分的拍频相等并且与这些信号下降部分相反。这种情况在图15中以图形示出，在情况1中测定的拍频将在下文称为Br。
情况2需要考虑因为被测物体移动而产生的多普勒频率Fd。如果被测物体向SMART系统使用者移动，则通过多普勒频率Fd被测拍频将减小。如果在信号上升部分测量的拍频称为Bup，那么Bup＝Br-Fd(5)如果在信号下降部分测量的拍频称为Bdown，那么这个频率将由于多卜勒频率Fd而增加，因此Bdown＝Br+Fd(6)来自SMART用户的被测物体的范围信息，现在可以通过在周期内平均拍频来获得，即
Br＝(Bup+Bdown)/2(7)与SMART系统使用者有关的被测物体速度的信息可以通过从信号下降部分的频差中减去信号上升部分的频差来获得，即Fd＝(Bdown-Bup)/2(8)在ADC58中将模拟信号转换成数字信号后，应用数字技术可以获得不同的测量结果，然后在信号处理设备60(见图1)中处理数字信号，所用信号处理设备60可以是任何一种市场上可以买到的信号处理设备，它能够从ADC58的输出中的数字信号获得所需信息。因此，在此不需要给出数字信号处理设备60的特定电路结构。
用以计算拍频的步骤，以及因此SMART系统使用者测定物体的范围和速用度将给予描述。如图15中所示，拍频信号被定为矩形波形状。当拍频斜率为正时，为零速率被测量，即每个调制周期T过零速率被计数一次。另一种方法是在拍频斜率为正时和拍频斜率为负时计数过零速率，即在半个调制周期计数两次。这意味着范围测量的最大误差E是拍频信号波长的一半，即E＝C/4F(9)如果最大频差取作300MHz，那么最大误差E是25cm。此误差是频率计数中固有的，被称为阶跃误差，它可通过增加F来减小。
多普勒频率Fd是一个载波频率f0的波长λ和与SMART系统使用者有关的被测物体速度的方程，如下Fd＝2V/λ(10)在方程(4)中以Br替换B，得到R＝TBrC/4F(11)例如，当被测物体位于距SMART系统使用者2米的范围内时，当T＝0.004秒，F＝300MHz且C＝3×1010cm/sec时，拍频Br可以直接由方程(11)得到，其值为2KHz。从等式λ0＝C/f0中，载波信号的波长λ0为3.19mm。如果被测物体相对于SMART系统使用者的速度V是1米/秒，那么这些数值代到等式(10)中得到多普勒频率Fd的值为2KHz。当中频信号在信号处理单元60混合获得音频输出，Br和Fd均位于SMART系统使用者可检测到的音频区域的较低部分。
现参考图16，它显示图7中所示平面相控阵列产生的辐射图形。参考数字284指示辐射图形的半功率或3dB点，显示用于发射天线30和接天线32的平面相控阵列的波束宽度为1.43度，与细光束的宽度相似，用来帮助本发明SMART系统使用者，在发射天线30发出的辐射模式用于扫描使用者面前的环境时，快速将一个物体从其它物体中区别出来。
为使等式(3)有效，发射信号的斜率m必须是常数。这就是说，对于恒定斜率m等式(1)等于等式(2)。可调变容二极管耿氏振荡器在可调斜率中有所变化，它可达到40％到50％。因此，本发明SMART系统中可调振荡器34为从来自系统的信息中获得正确的范围和速度，必须为稳定的。这通过在图1中所示包括电路元件34，36，38和40，42，44和46的反馈回路中应用反馈和线性鉴频器44来完成。
现参考图11c，尤其是出现在最小值214和峰值216之间的输出信号曲线的线性部分，此图所具有的刻度是，频率为10MHz/刻度和输出信号电压为5mv/刻度。因此，位于最小值214和峰值216之间的曲线的线性部分具有的斜率为0.5mv/MHz，表示线性鉴频器44的灵敏度。如果每一匹配网络144、146，152和154增益为5，那么从分功率器经谐振器148或谐振器150到达信号输出160具有的全部增益为25。这样给鉴频器44产生灵敏度为12.5mv/MHz。匹配网络144，146，152和154可以由具有必要增益的FETS(场效应晶体管)构成。
在图10中所示的副复合混合器38的转换损耗为20dB。在图1中的放大器42的增益为43dB，得到全部环路增益为200，或23dB。加入闭环增益200的12.5mv/MHz鉴频器灵敏度在线性度产生0.5％的变化，它足以用来保证恒定斜率m。偏离线性的变化可以接受的值为1％。
用于本发明最佳实施例的SMART系统参数如下所示发射功率火灾SMART系统-1-5毫瓦，盲人或部分视力使用者-1微瓦，载波频率94GHz。调制频率250Hz。最大调制频率偏差300MHz。闭环本地振荡器频率 23.25GHz。副谐波(N＝4)混合器转换损耗 20dB。闭环中频1GHz。闭环放大器增益 43dB。线性鉴频器灵敏度12.5mv/MHz。天线增益16.8dB。天线波束宽(度) 1.428。接收器复合环路混合器转换损耗6dB。接收器IF放大器增益 30dB。接收器IF放大器带宽 250MHz。
根据本发明最佳实施例，具有这些参数的SMART系统能够在发射器功率为1微瓦时探测到在87米距离内，雷达横截面为0.1m2的物体。当发射器功率为1毫瓦时，同样的SMART系统能够在495米距离内探测到上述物体。
毫米波辐射在大雾中的衰减大约为3dB/km，但是在根据本发明设计由消防人员使用的电子助视器，由于在救火环境中，由烟和/或灰尘的存在产生附加衰减，最好使用1毫瓦的发射器功率。根据本发明发射器功率为1毫瓦的电子助视器，能够不经过功率变换直接被消防人员，使用，以及通过在SMART系统的发射器和天线之间插入衰减器被盲人或部分可视者使用。具有3dB衰减的衰减器的插入能够使SMART系统天线接收到的功率减至1微瓦。
本发明最佳实施例的SMART系统发出的发射信号的窄波束宽度意味着，SMART系统使用者能够在1米范围内探测到仅为2.5cm宽的物体。因此，SMART系统使用者，通过其头部水平和垂直移动，以此在两个方向扫描周围环境，能够探测到使用者附近的不同物体。
图17和18披露了根据本发明的电子视力设备的另一实施例，其中所用雷达系统为相位比较单脉冲系统。图17显示了自由度为1的相位比较单脉冲系统的电路结构，图18显示SMART系统的前部视图，此系统具有形成图17中所示相位比较单脉冲系统的天线的四个平面相控阵列300，302，304和306。
现参考图17，参考数字308指示用于发射和接收天线的天线辐射图形。天线转换开关(Tx/Rx开关)326耦合至天线，并接收来自于发射器324的发射器信号。天线转换开关326的输出进入混合器322的一个输入，混合器322也接收一个来自于本地振荡器316的输入信号。混合器322的输出进入中频放大器320，中频放大器320产生输出信号，它被送入封闭检测器318。从被测物体反射回的信号由天线接收进入混合器310的一个输入，混合器310也接收一个来自于本地振荡器的输入信号。混合器310的输出进入中频放大器312，中频放大器312产生输出信号，它进入相位检测器314的一个输入。来自于放大器320的输出信号也进入相位检测器314的第二输入。
相位检测器314的输出信号提供关于被测物体的角度误差信息，同时封闭检测器318的输出信号提供关于距SMART系统使用者被测物体的范围信息。
根据本发明第二实施例的电子助视器能够提供自由度为2的被测物体的角度误差信息，将要求包括进一步的相位检测器电路，此电路反过来与附图1至16所示本发明最佳实施例相比将增加助视器的整体价格。
在本发明的最佳实施例中，雷达系统被分成两部分，一部分处理模拟信号，另一部分处理数字信号。处理模拟信号的部分包括SMART系统22，其全部模拟电路设备安装在眼镜内，同时处理数字信号的部分，信号处理单元24，位于带式组件之中。在数字处理单元24中应用的数字电路，由于具有快速上升与下降时间波形的产生，将在其工作中产生漏辐射。因此，雷达系统分成模拟和数字部分的物理分离必须给两部分提供相互的射频分离，这是本发明的这种最佳实施例的重要的电磁兼容特性。
本发明最佳实施例的SMART系统构造包括用以支撑系统的天线，电子元件，和传输线的各种绝缘基片的使用。任何具有足够高绝缘系数和足够的绝缘强度的绝缘基片可为完成此目的而被应用。例如，合适的电绝缘基片可由聚四氟乙烯(绝缘系数为2.45)，石英(绝缘系数为4.5)，铝(绝缘系数为9.6)，RT/硬铝6010(绝缘系数为10.3)，GaAs(绝缘系数为12.5)，溶融石英(绝缘系数为3.6)，氟化铍(绝缘系数为6.5)，及蓝宝石(绝缘系数为9.3)制成。用在SMART系统中的平面相控阵列最好由铜制成，但是任何高电导的金属或金属合金都可以使用，如金或银。
根据本发明的电子助视器提供一种重量轻、小型化的雷达系统，它能够被个人佩戴，当此人的视觉显著低于正常情况或完成丧失时，它用以使此人探测到其直接附近范围内物体的存在。此雷达系统借助工作频率位于35至220GHz的毫米波长辐射工作，此辐射的衰减在大雾中仅约为3dB/km，在没有过度衰减时，它也能够穿过烟，灰尘和火焰。因此，根据本发明的电子助视器可以被消防人员作为在充满烟雾、燃烧的建筑中进入，搜索和移动的有用工具使用。
本发明电子助视器最好是一个雷达系统，它包括能够做为眼镜(根据上文的SMART系统)佩戴或能够安装于戴在使用者头部的头盔上的模拟部分，和包括能够被使用者佩戴于带式组件，胸式组件或背式组件内的信号处理设备，音频接口和电源的数字部分。
本发明的最佳实施例，应用上了上述SMART系统，主要设计用于盲人和部分可视者的使用，它允许这些人能够快速探测和跟踪静止与移动的物体，因此，这些人将不需要来自于任何其它有视觉的人，在视觉的动物，或探测棒或相似设备的帮助，以在室内或室外行走而不与任何在他们直接环境中的静止或移动和体相撞，或被其阻挡。
用在本发明最佳实施例中的SMART系统使用使用者的头部作为扫描机械，这样使得系统使用窄辐射波束，它对于被系统产生正确的物体的检测和识别是需要的特性。SMART系统通过采用形成发射天线和扫收天线的平面相控阵列产生窄的辐射波束，此辐射波束宽度由阵列中存在的元件数目决定。
本发明最佳实施例的SMART系统，通过在形成用于设备射频与中频部分的传输线和无源元件应用微带制造技术，在形成设备的低频元件应用厚膜复合技术，实现了完全便携雷达系统所要求的必须的重量轻和体积小。在这里与常规雷达系统一样，在SMART系统中不必包括任何形式的波导。
在本发明最佳实施例的SMART系统中，发射器与闭合频率环路的电子元件位于眼镜的前面上部支架上，包括通过绝缘基片稳定的本地振荡器位于一个边支架上，接收器的电子元件在另一边支架上。这种排列在系统的全部有源设备之间提供射频分离。为防止外部的射频干扰，也需要给此系统的电路提供金属外壳。
根据本发明的电子助视器，通过使用相移雷达系统，它能够用于计算发射信号与接收信号之间的相位变化的频率，或用于测量发射信号与接收信号之间实际的相位变化，检测到静止或移动物体。在本发明的最佳实施例中，在发射信号和接收信号之间相位变化的频率能够被测得，这种实现方法相对较便宜，且具有低功率消耗要求，这两个因素在本发明电子助视器的全部经济的设计中是重要因素。
在本申请要求优先权的英国专利申请No.9412772.7中，和在附于申请的摘要中的披露通过参考包括在此。
权利要求
1.包括适合于被个人佩戴的小型的、便携式个人雷达系统(22、24)的电子助视器，此雷达系统包括以毫米波长电磁辐射工作的微型雷达前端组件(22)，一个电源，一个信号处理装置(24)和一个感知输出装置(98)。
2.根据权利要求1的电子助视器，其中，该雷达前端组件(22)适于佩戴在使用者的头部。
3.根据权利要求1的电子助视器，其中，雷达前端组件(22)制成一副眼镜的形式，其中，该雷达系统的发射天线(30)和接收天线(32)安装于该眼镜的各个镜片单元(75)上，发射器电路和接收器电路的模拟部分(38、40、42、52、54、56)安装于眼镜的各个边侧支撑框架(82、84)上。
4.根据权利要求1或3的电子助视器，其中，电子助视器设计的工作电磁辐射频率位于35和220千兆赫(GHz)之间。
5.根据权利要求4的电子助视器，其中，电磁辐射的频率为94GHz。
6.根据前述任一权利要求的电子助视器，其中，电源和信号处理装置(24)均被安装于设计用来由所述个人佩戴的带式组件，胸部组件或背部组件的方便部件中。
7.根据上述任一权利要求的电子助视器，其中，感知输出装置是音频输出装置，并将音频信号直接送入被所述个人佩戴的耳机(98)中。
8.根据上述任一权利要求的电子助视器，其中，雷达系统(22、24)是调频连续波类型。
9.根据上述任一权利要求的电子助视器，其中，雷达系统(22、24)包括具有非常窄的波束宽度特性的平面相控阵列天线(30，32)。
10.根据权利要求9的电子助视器，其中，雷达系统(22，24)包括具有在94GHz的2度波束宽度特性的平面相控阵列天线(30，32)。
全文摘要
根据本发明的电子助视器包括适合于个人佩戴的一个小尺寸的便携个人雷达系统，它的雷达系统包括一个工作在毫米波长的电磁辐射的微型雷达前端组件(22)，一个电源，信号处理装置和一个感知输出装置。在本发明的最佳实施例中，雷达前端组件(22)制作成一副眼镜(76)的形状，其中，雷达系统的发射天线(78)和接收天线(90)装载在眼镜的各自镜片单元(75)上，发射器电路和接收器电路的模拟部分装载在眼镜(76)的各自侧的支撑框架上；以及传感输出设备是一个包括立体声耳机(98)的间频输出装置。
文档编号H03B7/00GK1153557SQ9519428
公开日1997年7月2日 申请日期1995年4月5日 优先权日1995年4月5日
发明者罗斯克·查尔斯·威廉斯 申请人:罗斯克·C·威廉斯有限公司