CN110515067B - 一种提升动态范围的调频连续波雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种提升动态范围的调频连续波雷达装置，属于调频连续波雷达短距离无线测距技术领域，包括调频连续波雷达发射端中的四相三角波/方波生成模块、环形压控振荡器Ring VCO、象限判断模块、四选一模块以及调频连续波雷达接收端中的低噪声放大器LNA、FM解调及时间数字转换电路TDC。其中，四相三角波/方波生成模块分别与环形压控振荡器Ring VCO、象限判断模块以及四选一模块相连，环形压控振荡器Ring VCO与功率放大器PA相连；低噪声放大器LNA与FM解调相连，FM解调与时间数字转换电路TDC相连，时间数字转换电路TDC与四选一模块输出相连。所述装置采用中频时差测距方法，在确保测距精度的同时能够将调频连续波雷达动态范围提升四倍。

Description

一种提升动态范围的调频连续波雷达装置
技术领域
本发明具体涉及一种提升动态范围的调频连续波雷达装置，属于调频连续波雷达短距离无线测距技术领域。
背景技术
调频连续波雷达利用发射端天线向外发射一系列调频连续波，并通过接收端天线接收来自目标的反射信号，又称为接收信号。发射信号与接收信号进行相干混频，得到包含目标距离信息的中频信号，然后对中频信号进行检测，采用快速傅里叶变换求出中频信号中所蕴含的物体距离信息，获得测距目标距离。其中，发射信号与接收信号频率、形状相同，只是在延迟了一定的时间τ。
Figure GDA0002874126860000011
其中，D为目标距离，c为光速。
传统调频连续波雷达采用频差测距方法，雷达与目标距离计算公式为
Figure GDA0002874126860000012
由于差拍信号f最小为
Figure GDA0002874126860000013
故调频连续波雷达的分辨率为
Figure GDA0002874126860000014
其中，TS为发射信号周期的一半，BW为扫频带宽。由上述式子可知，传统调频连续波雷达测距的分辨率受到调制带宽的影响。
一般情况下，调频连续波雷达测距越远，调频连续波雷达接收端接收到的反射信号强度就越弱。因此调频连续波雷达动态范围在实际应用中存在下限，默认以调频连续波雷达所能接收的最小信号电平为准。常用的提升调频连续波雷达动态范围的方法有杂波增益控制又称为程序增益控制、基于动态压缩技术的灵敏度时间控制等，这些方法在提升调频连续波雷达接收端动态范围时，需要牺牲部分测距精度。
发明内容
本发明的目的在于解决上述调频连续波雷达动态范围与测距精度的矛盾，提出了一种提升动态范围的调频连续波雷达装置。
为实现上述目的，本发明的技术实现方案如下：
所述一种提升动态范围的调频连续波雷达装置包括调频连续波雷达发射端及调频连续波雷达接收端；
其中，调频连续波雷达发射端包括四相三角波/方波生成模块、环形压控振荡器Ring VCO、功率放大器PA以及象限判断模块；
其中，四相三角波/方波生成模块采用交叉耦合形式的共模比较器，利用开关管控制两级级联的恒流电容充放电模块，通过闭环的结构形式获得四相三角波/方波输出；
其中，环形压控振荡器Ring VCO采用三级级联形式；
其中，功率放大器PA采用单级推挽结构功率放大器，且其输出端通过阻抗匹配网络与输出天线进行匹配；
调频连续波雷达接收端包括低噪声放大器LNA、FM解调、时间数字转换器TDC以及四选一模块；
其中，低噪声放大器LNA采用电流复用型三级堆叠式低噪声放大器；
其中，电流复用型三级堆叠低噪声放大器LNA是一个内置巴伦Balun的宽带低噪声放大器，采用三级堆叠结构，对在空间中传播而迅速衰减的传播信号实现接收并放大；
其中，FM解调包括带通滤波器BPF、包络检波器、中频放大器以及减法器；
其中，带通滤波器BPF为中心频率对称失谐的带通滤波器；
其中，减法器为基于跨导运算放大器OTA的减法器；
其中，带通滤波器BPF、包络检波器以及中频放大器的数量均为2个；减法器的数量为1个；
时间数字转换电路TDC包括边沿对准器、时间数字转换电路核心模块以及译码器；
其中，边沿对准器采用逻辑门实现；
其中，时间数字转换电路核心模块采用差分反相器延时链形式，通过控制反相器延时链中每一反相器单位延时实现所需调频连续波雷达接收端测距精度；
其中，译码器电路采用数字逻辑电路实现；
其中，四选一模块采用数字逻辑电路实现；
调频连续波雷达发射端中各模块的连接关系为：
四相三角波/方波生成模块分别与环形压控振荡器Ring VCO、象限判断模块以及四选一模块相连，环形压控振荡器Ring VCO与功率放大器PA相连；
调频连续波雷达接收端中各模块的连接关系为：
低噪声放大器LNA与FM解调相连，FM解调与时间数字转换电路TDC相连，时间数字转换电路TDC与四选一模块输出相连；
所述提升动态范围的调频连续波雷达装置中各模块的功能如下：
四相三角波/方波生成模块的功能是利用CMOS电路生成频率相同，相位差异的四相方波/三角波信号，分别输出至环形压控振荡器Ring VCO及象限选择模块中；
环形压控振荡器Ring VCO的功能是将四相三角波/方波生成模块生成的三角波信号通过电压转电流跨导模块转换为三角波电流，注入电流源中，驱动环形振荡器Ring VCO产生射频载波；
功率放大器PA的功能是将环形压控振荡器Ring VCO生成的射频载波进行功率放大，获得足够的射频功率馈送至发射天线上辐射出去；
象限判断模块的功能是利用四相三角波/方波生成模块产生的信号，根据内在逻辑电路判断，选择不同相位的四相方波输送至时间数字转换电路TDC中；
低噪声放大器LNA作为射频接收前端放大器，具备良好的噪声特性以及较高的增益，其目的是对反射信号进行功率放大，输送至下一级FM解调中进行信号恢复；
FM解调的功能是将经处理后的反射信号进行解调，恢复成为与四相三角波/方波生成模块产生的同频信号，输入至时间数字转换电路TDC中进行信号比对分析；
时间数字转换电路TDC的功能是将四相三角波/方波生成模块产生的方波信号经过四选一模块选择后，利用不同相位的方波与经处理后的反射信号进行对比分析，解析出方波中蕴含的目标物体距离信息；
四选一模块的功能是选通不同相位的方波输入至时间数字转换电路TDC中，同经过解调后反射信号进行对比，四次不同相位的数据比对可获得四次目标距离信息，经过数学叠加处理后，获得更宽的测量动态范围。
所述提升动态范围的调频连续波雷达装置的工作过程，包括如下步骤：
步骤一、调频连续波雷达发射端发射测距信号，具体包括如下子步骤：
步骤1.1四相三角波/方波生成模块依托自身环路控制，在输入电压的作用下生成频率相同，相位不同的四相三角波/方波信号，并输入至环形压控振荡器Ring VCO中；
其中，载波的范围为0.95MHz到1.05MHz之间；
步骤1.2环形压控振荡器Ring VCO将四相三角波/方波生成模块生成的四相三角波/方波信号通过电压转电流跨导模块转换为三角波电流，并注入电流源中，驱动环形振荡器产生对低频载波进行调制，生成射频载波；
其中，射频载波的频率为3.5GHz到4.5GHz；
步骤1.3环形压控振荡器Ring VCO生成的射频载波输入至功率放大器PA中，在功率放大器PA的作用下，对射频载波功率进行功率放大，再经途径阻抗匹配网络辐射在空气中，即发射测距信号；
其中，功率放大器PA是可选择A类或B类功率放大器中的一种；
步骤二、调频连续波雷达接收端接收测距信号，具体包括如下子步骤：
步骤2.1发射测距信号遇到目标物体后生成反射信号，反射信号在空气中进行传播并被接收天线捕获，捕获接收而来的反射信号即接收射频载波，输入至低噪声放大器LNA中；
其中，接收的射频载波的频率范围为3.5GHz到4.5GHz；
步骤2.2低噪声放大器LNA将捕获而来的空气中传播衰减的反射信号进行预处理，对其进行功率放大，并将功率放大处理后的反射信号输送至下一级FM解调中；
其中，接收的射频载波频率为3.5GHz到4.5GHz；
步骤2.3功率放大处理后的反射信号经过FM解调，恢复发射信号中的三角波，该三角波并在经FM解调内嵌的中频放大器处理下，产生方波信号输入至时间数字转换电路TDC中；
步骤三、调频连续波雷达接收端获取目标物体距离信息，具体包括如下子步骤：
步骤3.1四相三角波/方波生成模块将四相三角波/方波输入至四选一模块及象限判断模块中；
步骤3.2步骤3.1输出的四相三角波/方波在象限判断模块中进行逻辑运算，四选一模块在输出控制字M[0]、M[1]的作用下根据不同的相位信息进行选通，将选通不同相位的四相三角波/方波输入至时间数字转换电路TDC中；
其中，象限判断模块控制字M[0]、M[1]组合对四选一模块进行导通；
步骤3.3接收射频载波反射信号恢复而来的方波信号与四选一模块选通不同相位的四相三角波/的方波信号在时间数字转换电路TDC中依次进行判决，根据对0°、90°、180°、270°相位共进行四次判决，得到温度计码计数值，并将温度计码计数值输入至译码器中，译码器将温度计码计数值转换得到T位二进制输出；
其中，T的范围为4到32位；
步骤3.4步骤3.3转换得到的所得的T位二进制输出与时间数字转换核心电路中反相器延时链的单位延时进行数学处理分析，利用公式D＝ct/2获得目标物体距离信息；
其中，D为测距距离，c为光速，t为发射信号与反射信号之间的延时，也即经反相器延时链记录的延时；
其中，时间数字转换核心电路中反相器延时链的可取128位到1024位，反相器的单位延时的可取值范围为取0.15ns到0.3ns之间。
有益效果
本发明提出一种提升动态范围的调频连续波雷达装置，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.采用时间数字转换电路TDC进行测距操作，中频时差测距精度仅受制于时间数字转换电路TDC本身精度，解决了传统调频连续波雷达中频频差测距受制于调频带宽的问题，并将传统中频频差测距的分米级精度将提升至亚厘米级；
2.在相同的时间数字转换器TDC精度与位数下，采用四相三角波/方波中频时差测距方法，经处理后可获得发射信号与接收信号之间的四次延时信息。相比对单相三角波/方波中频时差测距，前者能够将调频连续波雷达的动态范围提升四倍。
附图说明
图1是本发明一种提升动态范围的调频连续波雷达装置的详细框图；
图2是传统调频连续波雷达结构框图；
图3是本发明一种提升动态范围的调频连续波雷达装置中四相三角波/方波生成模块电路及其时序图；
图4是本发明一种提升动态范围的调频连续波雷达装置中的低噪声放大器LNA的组成示意图；
图5是本发明一种提升动态范围的调频连续波雷达装置中的FM解调电路的组成示意图；
图6是本发明一种提升动态范围的调频连续波雷达装置中时间数字转换电路TDC的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明所述的一种提升调频连续波雷达接收端动态范围的方法进行详细阐述。
实施例1
所述一种提升动态范围的调频连续波雷达装置的工作过程如下：
所述提升动态范围的调频连续波雷达装置的工作过程，包括如下步骤：
步骤A、调频连续波雷达发射端发射测距信号，具体包括如下子步骤：
步骤A.1四相三角波/方波生成模块依托自身环路控制，在输入电压的作用下生成频率相同，相位不同的四相三角波/方波信号，并输入至环形压控振荡器Ring VCO中；
其中，载波的频率为1MHz；
步骤A.2环形压控振荡器Ring VCO将四相三角波/方波生成模块生成的四相三角波/方波信号通过电压转电流跨导模块转换为三角波电流，并注入电流源中，驱动环形振荡器产生对低频载波进行调制，生成射频载波；
其中，射频载波的频率为4GHz；
步骤A.3环形压控振荡器Ring VCO生成的射频载波信号输入至功率放大器PA中，在功率放大器PA的作用下，对射频载波功率进行功率放大，再经途径阻抗匹配网络辐射在空气中，即发射测距信号；
其中，功率放大器采用AB类功率放大器；
步骤B、调频连续波雷达接收端接收测距信号，具体包括如下子步骤：
步骤B.1发射测距信号遇到目标物体后生成反射信号，反射信号在空气中进行传播并被接收天线捕获，捕获接收而来的反射信号即接收射频载波，输入至低噪声放大器LNA中；
其中，接收的射频载波的频率为4GHz；
步骤B.2低噪声放大器LNA将捕获而来的空气中传播衰减的反射信号进行预处理，对其进行功率放大，并将功率放大处理后的反射信号输送至下一级FM解调中；
其中，接收的射频载波频率为4GHz；
步骤B.3功率放大处理后的反射信号经过FM解调，恢复发射信号中的三角波，该三角波并在经FM解调内嵌的中频放大器处理下，产生方波信号输入至时间数字转换电路TDC中；
步骤C、调频连续波雷达接收端获取目标物体距离信息，具体包括如下子步骤：
步骤C.1四相三角波/方波生成模块输出将四相三角波/方波输入至四选一模块及象限判断模块中；
步骤C.2步骤C.1输出的四相三角波/方波在象限判断模块中进行逻辑运算，输出控制字M[0]、M[1]作用下，四选一模块在输出控制字M[0]、M[1]的作用下根据不同的相位信息进行选通，将选通不同相位的四相三角波/方波输入至时间数字转换电路TDC中；
其中，象限判断模块控制字M[0]、M[1]组合2’b00、2’b00、2’b00、2’b00分别对应0°、90°、180°、270°相位的四相方波/三角波信号；
步骤C.3接收射频载波反射信号恢复而来的方波信号与四选一模块选通不同相位的四相三角波/的方波信号在时间数字转换电路TDC中依次进行判决，根据对0°、90°、180°、270°相位共进行四次判决，得到温度计码计数值，并将温度计码计数值输入至译码器中，译码器将温度计码计数值转换得到T位二进制输出；
其中，T采用8位二进制输出；
步骤C.4步骤C.3转换得到的所得的T位二进制输出与时间数字转换核心电路中反相器延时链的单位延时进行数学处理分析，利用公式D＝ct/2获得目标物体距离信息；
其中，D为测距距离，c为光速，t为发射信号与反射信号之间的延时，也即经反相器延时链记录的延时；
其中，时间数字转换核心电路中反相器延时链的取255位，反相器的单位延时的取值为取0.17ns。
实施例2
所述提升动态范围的调频连续波雷达装置依托于图1所示的收发机框图实现。
相较于图1，图2中采用中频频差测距方法进行测距的传统调频连续波雷达结构，其测距范围有限且测距精度受限于调制带宽，存在一定的局限性。
图1中一种提升动态范围的调频连续波雷达装置包括调频连续波雷达发射端及调频连续波雷达接收端。其中，调频连续波雷达发射端包括四相三角波/方波生成模块、环形压控振荡器Ring VCO、功率放大器PA以及象限判断模块组成。调频连续波雷达接收端包括低噪声放大器LNA、FM解调、时间数字转换电路TDC以及四选一模块。调频连续波雷达接收端经过接收天线从空气中接收发射信号，通过低噪声放大器LNA处理后，输出差分信号至FM解调进行信号恢复。两个带通滤波器对两路差分信号分别进行滤波，而后输出至包络信号检波器中。随后，信号再经过两路中频放大器实现信号的功率放大，利用减法器恢复所需的中频信号。恢复而来的中频信号输入至时间数字转换电路TDC中。四相三角波/方波生成的发射信号输送至象限判断模块，在象限判断模块控制信号M[0]、M[1]的作用下，不同相位的方波发射信号在与处理后的反射信号在时间数字转换电路中进行分析处理，解析所蕴含的延时信息，经过计算获得目标物体距离。
图3是四相三角波/方波生成模块电路及其时序图。电流镜M7～M10在开关管M1～M4的控制下，对电容C1和C2进行充放电。共模电平VCM由M5和M6管组成的half-replica偏置提供，交叉连接的比较器提供的序列开关确保相位噪声正交。该模块生成四相1MHz的三角波/方波信号，在此基础下，生成的三角波信号经过功率放大器处理后，通过天线发射至空气中。
图4是调频连续波雷达接收端中低噪声放大器LNA电路图，该电路采用堆叠结构和电流复用技术。晶体管M1、电感Ls、Lg、电容Cg一起完成阻抗和噪声匹配，组成第一增益级；晶体管M3-4构成有源巴伦Balun，即第二增益级，实现单端至差分的转换；而第三增益级由晶体管M5-6构成。LNA中两个对称失谐的LC谐振腔可以等效为一个平坦的宽带带通网络，可以满足500MHz频率带宽的要求。
图5所示调频连续波雷达接收端中FM解调模块，包含有带通滤波器BPF、包络检波器和减法器。两个共源共栅放大器和对称失谐的LC谐振腔组成双带通滤波器如ωc1＝3.7GHz，ωc2＝4.3GHz，后续用以实现包络检波的半波整流器由M5-6和CA-B构成。解调出的差分包络信息被M7-8和RA-B构成的增益级放大，并被送入两路60dB增益的中频放大器中。基于跨导放大器OTA的减法器增益为在本实例中为30dB，可恢复出发射的三角波信号，并有良好的电压失调抑制。整个FM解调器的灵敏度为-70dBm，其中双带通滤波器BPF增益为12dB，包络检波器增益10dB，中频放大器和减法器共有90dB的增益。
图6是调频连续波雷达接收端中时钟数字转换电路TDC，它由时钟边沿对准电路、时钟数字转换核心电路、译码器组成。经过FM解调器恢复而出的中频信号与经过时钟边沿对准电路，输出差分信号CKN及CKP，而后差分信号CKN和CKP接至时钟数字转换核心电路，经过延时判决后输入到译码器。译码器将发射信号与接收信号之间的延时信息转换为8位二进制输出，后续经过处理计算获得目标物体的距离。
调频连续波雷达接收端时钟数字转换核心电路一共包括510个反相器及255个差分输入D触发器。在两条延时链中，差分信号经过反相器延时链不断交替传播，如边沿对准器生成的CKN、CKP差分信号率先接至反相器1和2的输入端，而反相器1和2输出信号则分别接至下一差分输入D触发器的两端CKP、CKN。如此交替循环连接，用以保证两条反相器延时链的延时效果大致相同。其中，本实施例中各个延时单元的单位延迟为0.17ns，测距范围为104m，测距精度为2.5cm。此外，时钟数字转换核心电路的比特位及延迟单元个数可用来调节调频连续波雷达测距的精度与范围。若想更进一步提升调频连续波雷达的测距精度，可进一步减小反向器的单位延时或采用初始延时不同的多路差分延时链结构实现亚门级测距精度。
以上所述为本发明的所描述的特定实施例而已，本发明具有一般实用性，不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种提升动态范围的调频连续波雷达装置，其特征在于：包括四相三角波/方波生成模块、环形压控振荡器Ring VCO、象限判断模块、四选一模块、低噪声放大器LNA、FM解调及时间数字转换电路TDC；
所述一种提升动态范围的调频连续波雷达装置中各模块的连接关系如下：
调频连续波雷达发射端中，四相三角波/方波生成模块分别与环形压控振荡器RingVCO、象限判断模块以及四选一模块相连，环形压控振荡器Ring VCO与功率放大器PA相连；
调频连续波雷达接收端中，低噪声放大器LNA与FM解调相连，FM解调与时间数字转换电路TDC相连，时间数字转换电路TDC与四选一模块输出相连；
所述提升动态范围的调频连续波雷达装置的工作过程，包括如下步骤：
步骤一、调频连续波雷达发射端发射测距信号，具体包括如下子步骤：
步骤1.1四相三角波/方波生成模块依托自身环路控制，在输入电压的作用下生成频率相同，相位不同的四相三角波/方波信号，并输入至环形压控振荡器Ring VCO中；
其中，载波的范围为0.95MHz到1.05MHz之间；
步骤1.2环形压控振荡器Ring VCO将四相三角波/方波生成模块生成的四相三角波/方波信号通过电压转电流跨导模块转换为三角波电流，并注入电流源中，驱动环形振荡器产生对低频载波进行调制，生成射频载波；
其中，射频载波的频率为3.5GHz到4.5GHz；
步骤1.3环形压控振荡器Ring VCO生成的射频载波输入至功率放大器PA中，在功率放大器PA的作用下，对射频载波功率进行功率放大，再经途径阻抗匹配网络辐射在空气中，即发射测距信号；
其中，功率放大器PA是可选择A类或B类功率放大器中的一种；
步骤二、调频连续波雷达接收端接收测距信号，具体包括如下子步骤：
步骤2.1发射测距信号遇到目标物体后生成反射信号，反射信号在空气中进行传播并被接收天线捕获，捕获接收而来的反射信号即接收射频载波，输入至低噪声放大器LNA中；
其中，接收的射频载波的频率范围为3.5GHz到4.5GHz；
步骤2.2低噪声放大器LNA将捕获而来的空气中传播衰减的反射信号进行预处理，对其进行功率放大，并将功率放大处理后的反射信号输送至下一级FM解调中；
其中，接收的射频载波频率为3.5GHz到4.5GHz；
步骤2.3功率放大处理后的反射信号经过FM解调，恢复发射信号中的三角波，该三角波并在经FM解调内嵌的中频放大器处理下，产生方波信号输入至时间数字转换电路TDC中；
步骤三、调频连续波雷达接收端获取目标物体距离信息，具体包括如下子步骤：
步骤3.1四相三角波/方波生成模块将四相三角波/方波输入至四选一模块及象限判断模块中；
步骤3.2步骤3.1输出的四相三角波/方波在象限判断模块中进行逻辑运算，四选一模块在输出控制字M[0]、M[1]的作用下根据不同的相位信息进行选通，将选通不同相位的四相三角波/方波输入至时间数字转换电路TDC中；
其中，象限判断模块控制字M[0]、M[1]组合对四选一模块进行导通；
步骤3.3接收射频载波反射信号恢复而来的方波信号与四选一模块选通不同相位的四相三角波/的方波信号在时间数字转换电路TDC中依次进行判决，根据对0°、90°、180°、270°相位共进行四次判决，得到温度计码计数值，并将温度计码计数值输入至译码器中，译码器将温度计码计数值转换得到T位二进制输出；
其中，T的范围为4到32位；
步骤3.4步骤3.3转换得到的所得的T位二进制输出与时间数字转换核心电路中反相器延时链的单位延时进行数学处理分析，利用公式D＝ct/2获得目标物体距离信息；
其中，D为测距距离，c为光速，t为发射信号与反射信号之间的延时，也即经反相器延时链记录的延时；
其中，时间数字转换核心电路中反相器延时链的可取128位到1024位，反相器的单位延时的可取值范围为取0.15ns到0.3ns之间。
2.根据权利要求1所述的一种提升动态范围的调频连续波雷达装置，其特征在于：四相三角波/方波生成模块采用交叉耦合形式的共模比较器，利用开关管控制两级级联的恒流电容充放电模块，通过闭环的结构形式获得四相三角波/方波输出。
3.根据权利要求1所述的一种提升动态范围的调频连续波雷达装置，其特征在于：环形压控振荡器Ring VCO采用三级级联形式。
4.根据权利要求1所述的一种提升动态范围的调频连续波雷达装置，其特征在于：功率放大器PA采用单级推挽结构功率放大器，且其输出端通过阻抗匹配网络与输出天线进行匹配。
5.根据权利要求1所述的一种提升动态范围的调频连续波雷达装置，其特征在于：低噪声放大器LNA采用内置巴伦Balun电流复用型三级堆叠式低噪声放大器，对在空间中传播而迅速衰减的传播信号实现接收并放大。
6.根据权利要求1所述的一种提升动态范围的调频连续波雷达装置，其特征在于：FM解调包括带通滤波器BPF为中心频率对称失谐的带通滤波器、基于跨导运算放大器OTA的减法器。
7.根据权利要求1所述的一种提升动态范围的调频连续波雷达装置，其特征在于：时间数字转换电路TDC包括边沿对准器、时间数字转换电路核心模块以及译码器，时间数字转换电路核心模块采用差分反相器延时链形式，单位延时为0.15ns到0.3ns之间。
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