专利名称：雷达设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种雷达设备，更具体地说，本发明涉及一种用于机上(on-vehicle)应用、盲人和医学目的的短程雷达设备，采用了一种能够以高分辨率搜索周围环境的技术。
背景技术：
在现有技术中，一种脉冲雷达设备被用于搜索存在于用户周围的物体的位置(到达该物体的距离和方向)、尺寸和运动，作为被应用于机上应用、盲人和医学目的的短程雷达设备。
图9是表示常规脉冲雷达设备10的基本部分的配置的方框图。
具体地说，在脉冲雷达设备10中，触发脉冲发生器11周期性地生成预定宽度的触发脉冲Pt，并将其输出到发射机12。
发射机12通过发射天线12a向期望的搜索空间发射由触发脉冲Pt脉冲调制(pulse-modulated)的雷达波P。
接收机13通过接收天线13a接收从接收到雷达波P的物体1反射回来的波R。接收信号Rr被包括二极管检测电路的检测器14检测到，而检测信号D被输出到搜索控制单元15。
基于在从发射雷达波P的定时开始的一段预定长度的时间内从检测器14输出的检测信号D，搜索控制单元15检查在期望的搜索空间内是否存在物体，以及到达该物体的距离，并将结果以观察者能够领会的方式可视地或可听地输出。
在这种情况下，虽然没有示出，但是接收机13的增益通过把检测信号D反馈回接收机13来控制。
上述雷达设备使用以预定时间间隔T生成的触发脉冲Pt进行搜索，该设备在例如下面描述的非专利文献1中公开。
非专利文献1Merrill I.Skolnik，“雷达手册”第二版，1990年，1.2到1.6页。同时，一种用于医学目的的短程雷达设备在例如下面的非专利文献2中公开。
非专利文献2http//www.hrvcongress.org/second/first/placed_3/Standerini_Art_Eng.pdf。上述早已熟知的脉冲雷达设备10包含一种体积和输出很大的远程雷达设备，其能够搜索诸如位于遥远位置的飞机或船只的大型目标。
然而，近年来，提出了支持自动汽车的安全驾驶、保护在路上行走的视觉残障人士或帮助在夜间监护住院病人的用于个人应用的短程雷达设备。作为这种雷达设备的专用频率带宽，被称为UWB(Ultra Wide Band，超宽频带)的23～29GHz的宽频带(6～7GHz)的分配正在研究中。
个人短程雷达设备与其它雷达设备的干扰是基本上不可避免的。然而，对上述宽带宽(6～7GHz)的分配能够充分利用由于频率分离和窄脉冲(例如1纳秒或更窄)造成的发射定时的差异，这样，能够将干扰的影响减小到实际不会造成任何问题的水平。
然而，包括上述检测器14的二极管检测电路的反应速率最快约为100纳秒，并且不能正确地反映具有上述不超过1纳秒窄脉冲的反射波R的强度，由此产生一个问题，即不可能使用具有窄脉冲宽度的雷达波进行高分辨率的搜索。
雷达设备从物体1接收的反射波Rr的强度与到达该物体1的距离的4次方成反比。因此，在短程雷达设备的情况下，微小的距离变化会导致反射波Rr的输入电平产生急剧的大幅度变化。常规的反馈式增益控制方法跟不上这种急剧变化，并且有可能不能正确地识别反射波的电平。
发明内容
因此，本发明的一个目的是解决上述问题，并提供一种能够以高分辨率精确搜索周围环境的雷达设备。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种雷达设备，包括触发脉冲发生器(21)，用于以预定周期生成预定宽度的触发脉冲；发射机(22)，用于向期望的搜索空间中发射具有预定频率的、用来自触发脉冲发生器(21)的触发脉冲进行脉冲调制的雷达波；接收机(23)，用于接收由发射机(22)发射的雷达波的反射波，并且输出接收信号；
延迟单元(24)，用于将来自触发脉冲发生器(21)的触发脉冲延迟一段预定的延迟时间；本地脉冲发生器(25)，用于输出具有预定频率的、用被延迟单元(24)延迟了一段预定延迟时间的触发脉冲进行脉冲调制的本地脉冲信号延迟单元；相关值检测器(26)，用于确定在从接收机(23)输出的接收信号和从本地脉冲发生器(25)输出的本地脉冲信号之间的强度相关值；延迟时间改变单元(30)，用于在预定周期范围内顺序地改变延迟单元(24)的预定延迟时间，其中，该预定周期代表由触发脉冲发生器(21)生成的触发脉冲的生成周期；相关值存储单元(31)，用于存储对应由延迟时间改变单元(30)改变的每个延迟时间的、由相关值检测器(26)检测的强度相关值；频率分布生成器(32)，用于相对于延迟时间生成存储在相关值存储单元(31)内的强度相关值的频率分布；和搜索控制单元(35)，用于基于由频率分布生成器(32)生成的频率分布执行对期望的搜索空间的分析。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供一种根据上述第一方面的雷达设备，其中，接收机被设置成根据反射波改变接收增益，所述雷达设备还包括一个增益改变单元，用于根据被延迟时间改变单元改变的延迟时间对接收机的接收增益进行可变地(variably)控制，并且抑制由于延迟时间的差异造成的接收信号的输出电平的变化。
为了实现上述目的，根据本发明的第三方面，提出一种根据上述第一方面的雷达设备，其中，相关值检测器(26)包括乘法电路(27)，用于将从接收机输出的接收信号与从本地脉冲发生器输出的本地脉冲相乘；和积分电路(28)，用于对从乘法电路(27)输出的相乘结果进行积分。
为了实现上述目的，根据本发明的第四方面，提出一种根据上述第三方面的雷达设备，还包括模数(A/D)转换器(29)，用于将从积分电路(28)输出的积分结果从模拟信号转换成数字信号，
其中，相关值存储单元(31)，其存储由A/D转换器(29)转换的数字信号作为强度相关值。
为了实现上述目的，根据本发明的第五方面，提供一种根据上述第三方面的雷达设备，其中，积分电路(28)包括米勒(Miller)积分器。
为了实现上述目的，根据本发明的第六方面，提供一种根据上述第一方面的雷达设备，其中，相关值检测器(26)包括90°移相器(41)，用于将从本地脉冲发生器(25)输出的本地脉冲信号划分成彼此具有90°相位差的两个信号，0°分配器(42)，用于将从接收机(32)输出的接收信号划分成彼此同相的两个信号，第一和第二乘法电路(27A，27B)，它们分别将由90°移相器(41)划分成彼此具有90°相位差的两个信号的本地脉冲信号与由0°分配器(42)划分成彼此同相的两个信号的接收信号相乘，第一和第二积分电路(28A，28B)，它们分别对从第一和第二乘法电路(27A，27B)输出的乘法结果进行积分，第一和第二A/D转换器(29A，29B)，它们分别将从第一和第二积分电路(28A，28B)输出的积分结果从模拟信号转换成数字信号，第一和第二平方运算器(43A，43B)，它们分别对由第一和第二A/D转换器(29A，29B)转换的数字信号进行平方运算，加法器(44)，用于将来自第一和第二平方运算器(43A，43B)的平方运算结果相加，并将相加结果作为强度相关值输出，和相关值存储单元(31)，用于存储从加法器(44)输出的作为强度相关值的相加结果。
为了实现上述目的，根据本发明的第七方面，提出一种根据上述第六方面的雷达设备，其中，相关值检测器(26)还包括平方根运算器(45)，用于确定从加法器(44)输出的相加结果的平方根，并将该平方根作为强度相关值输出，和相关值存储单元(31)，用于将从平方根运算器(45)输出的平方根作为强度相关值进行存储。
为了实现上述目的，根据本发明的第八方面，提供一种根据上述第一方面的雷达设备，其中，触发脉冲发生器(21)以约为100纳秒的预定周期T生成具有约为1纳秒的预定宽度W的触发脉冲Pt，并将触发脉冲Pt输出到发射机(22)和延迟单元(24)。
为了实现上述目的，根据本发明的第九方面，提供一种根据上述第八方面的雷达设备，其中，发射机(22)在23-29GHz的频率范围内生成6～7GHz带宽的UWB(Ultra Wide Band，超宽带)雷达波，作为具有用触发脉冲进行脉冲调制的预定频率。
为了实现上述目的，根据本发明的第十方面，提出一种根据上述第一方面的雷达设备，其中，接收机(23)包括可变增益放大器(23b)，用于接收和放大来自物体(1)的反射波，其中，该物体(1)接收到由发射机(22)向期望的搜索空间发射的雷达波，和带通滤波器(BPF)(23c)，用于限制来自可变增益放大器(23b)放大输出的带宽，并将其作为接收信号输出到相关值检测器(26)。
为了实现上述目的，根据本发明的第十一方面，提出一种根据上述第一方面的雷达设备，其中，延迟单元(24)被配置成两个延迟装置的组合，即，能够根据延迟时间改变单元(30)的改变指令以大步长(large step)改变预定延迟时间的用于粗调的延迟装置，和能够在该大步长内对延迟时间进行细微改变的用于微调的延迟装置。
为了实现上述目的，根据本发明的第十二方面，提出一种根据上述第十一方面的雷达设备，其中，用于粗调的延迟装置以大约10纳秒的步长改变预定延迟时间，而用于微调的延迟装置以约为0.1纳秒的步长改变预定延迟时间。
为了实现上述目的，根据本发明的第十三方面，提出一种根据上述第一方面的雷达设备，它作为短程雷达设备用于机上应用。
为了实现上述目的，根据本发明的第十四方面，提出一种根据上述第一方面的雷达设备，它作为短程雷达设备用于盲人。
为了实现上述目的，根据本发明的第十五方面，提出一种根据上述第一方面的雷达设备，它作为短程雷达设备用于医学目的。
在根据本发明上述方面的雷达设备中，接收信号与用被延迟的触发脉冲进行脉冲调制的本地脉冲信号相乘，并且对其乘法输出积分，以检测两个信号的强度相关值。同时，触发脉冲的延迟时间被顺序地改变，以确定每个延迟时间的强度相关值，并且生成相对于延迟时间的强度相关值的频率分布。根据该强度分布，对期望的搜索空间进行分析。
更具体地说，与常规雷达设备不同，在根据本发明上述方面的雷达设备中，接收信号不是由二极管检测。因此，即使是使用窄脉冲宽度的雷达波的短程雷达设备，也能够从相对于延迟时间的强度相关值的频率分布精确地把握反射波的强度，从而使高分辨率搜索成为可能。
同时，在根据本发明上述方面的雷达设备中，接收机对于反射波的接收增益根据可变的延迟时间被可变地控制，以便抑制由于延迟时间的差异引起的接收信号的电平变化。
因此，根据本发明上述方面的雷达设备能够防止具有过高电平的信号被输入到相关值检测部分，从而能够在适当的工作范围内精确地检测相关值。
图1是示出了根据本发明的实施例的雷达设备的配置的方框图。
图2是示出了如图1所示的主要部件的配置的例子的方框图。
图3A是示出了由触发脉冲发生器生成的触发脉冲Pt的信号波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的操作。
图3B是示出了由发射机输出的雷达波P的信号波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的操作。
图3C是示出了被延迟单元延迟的触发脉冲Pt’的信号波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的操作。
图3D是示出了由本地脉冲发生器生成的本地脉冲信号L的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的操作。
图3E是示出了来自物体的反射波R的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的操作。
图3F是示出了来自接收机的接收信号Rr的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的操作。
图3G是示出了由相关值监测器输出的强度相关值H的图形，用以解释如图1所示的雷达设备的操作。
图4A是示出了由本地脉冲发生器生成的第k个本地脉冲信号L的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图4B是示出了与由本地脉冲发生器生成的第k个本地脉冲信号L相对应的来自接收机的接收信号Rr的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图4C是示出了与由本地脉冲发生器生成的第k个本地脉冲信号L相对应的由乘法电路输出的乘法信号B的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图4D是示出了与由本地脉冲发生器生成的第k个本地脉冲信号L相对应的基于积分电路的积分结果的强度相关值H的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图5A是示出了由本地脉冲生成器生成的第(k+a)个本地脉冲信号L的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图5B是示出了与由本地脉冲发生器生成的第(k+a)个本地脉冲信号L相对应的来自接收机的接收信号Rr的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图5C是示出了与由本地脉冲发生器生成的第(k+a)个本地脉冲信号L相对应的由乘法电路输出的乘法信号B的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图5D是示出了与本地脉冲发生器生成的第(k+a)个本地脉冲信号L相对应的基于积分电路的积分结果的强度相关值H的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图6A是示出了由本地脉冲发生器生成的第(k+b)个(b＞a)本地脉冲信号L的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图6B是示出了与由本地脉冲发生器生成第(k+b)个本地脉冲信号L相对应的来自接收机的接收信号Rr的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图6C是示出了与由本地脉冲发生器生成的第(k+b)个本地脉冲信号L相对应的由乘法电路输出的乘法信号B的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图6D是示出了与本地脉冲发生器生成的第(k+b)个本地脉冲信号L相对应的基于积分电路的积分结果的强度相关值H的波形图，用以解释如图1所示的雷达设备的相关值检测器的操作。
图7是示出了由频率分布生成器生成的频率分布的例子的图形，用以解释如图1所示的雷达设备的操作。
图8是示出了作为根据本发明的另一个实施例的雷达设备的主要部件的配置的相关值检测器的方框图。
图9是示出了常规雷达设备的配置的方框图。
图10是示出了用于解释如图1所示的雷达设备的相关值存储单元和频率分布生成器的特定例子的方框图。
具体实施例方式
下面，参考附图对本发明的实施例进行说明。
图1是示出了根据本发明的实施例的雷达设备20的配置的方框图，该雷达设备用作短程雷达设备，应用于机上应用、盲人和医学目的。
如图1所示，根据本发明的雷达设备的基本配置包括触发脉冲发生器21，用于以预定时间间隔生成具有预定宽度的触发脉冲；发射机22，用于向期望的搜索空间发射雷达波，该雷达波具有由来自触发脉冲生成单元21的触发脉冲的脉冲调制的预定的频率；接收机23，用于接收由发射机22发射的雷达波并被反射的反射波，并输出接收信号；延迟单元24，用于将来自触发脉冲发生器21的触发脉冲延迟一段预定的延迟时间；本地脉冲发生器25，用于输出本地脉冲信号，该信号具有用由延迟单元24延迟了预定延迟时间的触发脉冲进行脉冲调制的预定频率；相关值检测器26，用于确定在由接收机23输出的接收信号和由本地脉冲发生器25输出的本地脉冲信号之间的强度相关值；延迟时间改变单元30，用于在预定周期范围内顺序地改变延迟单元24的预定延迟时间，其中，该预定周期代表由触发脉冲发生器21生成触发脉冲的生成周期；相关值存储单元31，用于存储对于被延迟时间改变单元30改变的每个延迟时间，由相关值检测器26检测到的强度相关值；频率分布生成器32，用于相对于延迟时间生成存储在相关值存储单元31中的强度相关值的频率分布；和搜索控制单元35，用于根据由频率分布生成器32生成的频率分布，执行对期望的搜索空间的分析。
具体地说，在图1中，触发脉冲发生器21以预定的周期T(例如，100纳秒)生成具有预定的宽度W(例如1纳秒)的触发脉冲Pt，并将其输出到发射机22和延迟单元24。
发射机22生成搜索雷达波P，并将该搜索雷达波P通过发射天线22a发射到期望的搜索空间，其中，所述搜索雷达波P具有例如在23～29GHz的频率内的6～7GHz的宽带宽的UWB(Ultra Wide Band，超宽带)，作为由来自触发脉冲发生器21的触发脉冲Pt进行脉冲调制的预定频率(载波频率)。
接收机23通过接收天线23a接收来自物体1的反射波R，该物体1接收从发射机22发射到期望的搜索空间的雷达波P。
在接收机23中，反射波R被可变增益放大器23b放大，并且其放大的输出的被带宽BPF(带通滤波器)23c限制。以这种方式，消除了来自其它通信系统的干扰波，并且接收信号Rr被输出到稍后描述的相关值检测器26。
顺便提及，可替换地，具有可变衰减量的衰减器可以被用来改变接收机23中的增益。
同时，发射天线22a和接收天线23a可以公用。
另一方面，延迟单元24接收从触发脉冲发生器21输出的触发脉冲Pt。每个触发脉冲Pt在被延迟了可变地指定的预定延迟时间τ之后，被从稍后描述的延迟时间改变单元30输出到本地脉冲发生器25在下文说明的指定。
另一方面，延迟单元24接收从触发脉冲发生器21输出的触发脉冲Pt。每个触发脉冲在被延迟了指定的延迟时间τ之后，被从稍后描述的延迟时间改变单元30输出到本地脉冲发生器25。
延迟单元24可以配置成由以下两部分构成，即能够以大步长(例如，10纳秒)改变延迟时间的用于粗调的延迟装置24a，和能够在每个大步长内细微改变(例如，0.1纳秒)延迟时间的用于微调的延迟装置24b。
本地脉冲发生器25生成本地脉冲信号L，并将本地脉冲信号L输出到相关值检测器26，该本地脉冲信号具有用由延迟单元24延迟的触发脉冲Pt’进行脉冲调制的预定频率。
在本例中，假定本地脉冲信号L的预定频率(载波频率)与由发射机22发射的雷达波P的载波频率相等。
相关值检测器26用于确定在从接收机23输出的接收信号Rr和从本地脉冲发生器25输出的本地脉冲信号L之间的强度相关值H，并且如图1所示，相关值检测器26包括乘法电路27和积分电路28。
包括双平衡混合器(double-balanced mixer)的乘法电路27将接收信号Rr和本地脉冲信号L彼此相乘，并将得到的乘积信号B输出到积分电路28。
积分电路28在由延迟单元24输出触发脉冲Pt’的时间周期(例如，1纳秒)内对从乘法电路27输入的乘积信号B进行积分。
例如，如图2所示，该积分电路28包括米勒积分电路，该电路包括电阻器28a、电容器28b、反相放大器28c、充电开关28d、放电开关28e和用于将输出极性反转的反相放大器28f。
在具有这种配置的积分电路28中，只在触发脉冲Pt’从延迟单元24输入的时间周期内，充电开关28d才闭合，以便对乘积信号B进行积分。在触发脉冲的输入完成之后，充电开关28d被打开以保持积分结果，并且将被保持的值的极性反转后将其作为强度相关值H输出。
在输入下一个触发脉冲Pt’之前的任意定时内，积分电路28暂时闭合放电开关28e，从而对电容器28b放电，为下一个触发脉冲Pt’的积分做准备。
该积分电路28并不仅限于上述配置，而是通过忽略充电开关28d，举例来说，可以替换成这样的配置紧接着在触发脉冲Pt’的输入周期结束之前，立即通过在稍后描述的模数(A/D)转换器29中进行采样来保持积分结果。
在这个过程中，积分电路28的放电开关28e可以在触发脉冲Pt’输入之前保持闭合状态。
在放电之前，由相关值检测器26保持的强度相关值H被A/D转换器29转换成数字值，并与延迟时间τ相对应地存储在稍后描述的相关值存储单元31中。
另一方面，在生成触发脉冲Pt序列时，在周期T内每当生成一个触发脉冲，延迟时间改变单元30就顺序地改变延迟单元24的预定延迟时间τ。
这种延迟时间τ的改变模式由稍后描述的搜索控制单元35来指定。例如，在指定粗搜索模式的情况下，触发脉冲Pt的定时被延迟了该脉冲的宽度W，也就是说，τ＝W被设置为初始值，由此开始每当输出触发脉冲Pt时就将延迟时间τ增加Δτ。当用这种方法将延迟时间τ变为T-Δτ之后，延迟时间返回τ＝W。这一过程重复进行。
用于粗搜索模式的改变宽度Δτ被大约设置为一个不小于延迟单元24中延迟时间的最小改变步长的值，并且，能够在该时间内(例如0.4纳秒)能够确认期望的搜索空间内存在或不存在一个物体。
另一方面，如果搜索控制单元35在某一预定延迟时间范围内指定了微搜索模式，在这种情况下，在特定范围内以较小的改变宽度Δτ(例如0.1纳秒)改变延迟时间。
被A/D转换器29转换成数字值的强度相关值H与延迟时间τ相对应地存储在相关值存储单元31中，上述延迟时间τ与获得特定强度相关值H的时间相关联。
更具体地说，如图10所示，举例来说，以如下方式将强度相关值H存储在相关值存储单元31的存储器(RAM)100中假定存储器(RAM)100具有与延迟时间τ的可变宽度(例如，用8比特表示的延迟量)和被转换成数字值的强度相关值H(例如，用8比特表示的输入值)相对应的地址空间，在存储器(RAM)100中指定与延迟时间τ和数字强度相关值H相对应的地址，所以该强度相关值H存储在该特定地址。
频率分布生成器32根据存储在相关值存储单元31内的强度相关值H针对延迟时间τ生成强度相关值H的频率分布。
在本例中，如稍后描述的图10所示的具体例子中所示，频率分布生成器32和相关值存储单元31以彼此相互关联的方式被配置，并且，可以使用下列技术生成强度相关值H的频率分布，例如在专利文件1中公开的交换(cross-over)值分布测量技术、在专利文件2中公开的幅值(magnitude)概率分布测量技术、或在专利文件3中公开的时间宽度分布测量技术。
专利文件1No.2899879号日本专利专利文件2No.3156152号日本专利专利文件3No.2920828号日本专利本发明的发明者和其他技术人员发展了专利档案1到3中所公开的分布测量技术。
更具体地说，频率分布生成器32能够以下列方式根据存储在相关值存储单元31的存储器(RAM)100中的相关值H，针对延迟时间τ生成强度相关值H的频率分布，即例如，如图10所示的连接到相关值存储单元31的存储器(RAM)100+1加法器101将存储在存储器(RAM)100中的强度相关值H加1，并且将相加的结果再存储到存储器100中，同时通过增加1(upwardby unity)来更新强度相关值H。
顺便提及，在如稍后描述的通过根据延迟时间τ改变来可变地控制接收机23的增益的情况下，被相关值检测器26检测到的强度相关值H随接收机23的增益而变化。因此，针对检测到的强度相关值H的接收机23的增益变化被校正，以便确定与反射波R的强度相对应的强度相关值，从而生成频率分布。
同样，增益改变单元33通过相对于接收信号Rr改变接收机23的接收增益来进行控制，也就是根据被延迟时间改变单元30改变的延迟时间τ改变放大器23b的增益。
这种增益改变操作以下列方式被执行，即放大器23b的增益被减小得越多，延迟时间τ越小，从而稳定从接收机23输出的接收信号Rr的电平。
延迟时间τ与距离成比例，并且接收信号Rr的输入强度与距离的四次方成反比。举例来说，在延迟时间被减小到1/2的情况下，放大器23b的增益要提前减小到1/16。这样做可以积极地抑制接收信号Rr的急剧而大幅度的电平变化，并且可以防止具有超大电平的信号被输入到相关值检测器26。
根据由频率分布生成器32生成的频率分布，搜索控制单元35通过确定物体1是否存在或不存在于期望的搜索空间内、检测到达物体1的距离和物体1运动的方向、以及给出改变延迟时间改变单元30模式的指令，对期望的搜索空间进行分析，同时以可听到的方式公布由上述分析获得的信息。
下面，解释了具有上述配置的雷达设备20的操作。
在如图3A所示，在周期T从触发脉冲发生器21向发射机22和延迟单元24输出具有宽度W的触发脉冲Pt之后，如图3B所示，发射机22向期望的搜索空间发射用触发脉冲Pt进行脉冲调制的雷达波P。
同时，如图3C所示，从延迟单元24输出触发脉冲Pt’，每一个触发脉冲Pt’都被延迟了预定步长Δτ，也就是τ＝W，W+Δτ、W+2·Δτ、W+3·Δτ等等。
如图3D所示，已经接收到触发脉冲Pt’的本地脉冲发生器25输出上述具有用触发脉冲Pt’进行脉冲调制的预定频率本地脉冲信号L。
另一方面，由发射机22发射的雷达波P被期望的搜索空间内的物体1反射，并且，如图3E所示，它的一部分作为反射波R进入接收机23，同时，如图3F所示，输出与反射波R相对应的接收信号Rr。
在初始阶段，当延迟时间τ比较小时，接收机23的增益被设置成很低的值，因此从接收机23输出的接收信号Rr的电平很低。
接收信号Rr和本地脉冲信号L被输入到相关值检测器26，从而检测强度相关值H。在初始阶段，如果期望的搜索空间内的物体1位于相对较远的位置，如图3A到3G所示，输入信号Rr的输入周期与本地脉冲信号的输入周期不相同，因此乘积为0。所以，如图3G所示，强度相关值H(i，j)为0(在本例中，假定系统不受噪声等影响)。
顺便提及，强度相关值H(i，j)的后缀i指示以下述单位表示的执行搜索的次数，所述单位的每一次都代表延迟时间τ从初始值W到最终值(T-Δτ)的顺序地改变，而后缀j指示在一次搜索过程期间输出雷达波P的次数。
在延迟时间τ针对触发脉冲Pt增加，达到如图4B所示的程度的情况下，接收信号Rr的输入周期的前面部分与如图4A所示的第k个本地脉冲信号L的输入周期重叠，并且两个信号彼此同相，因此，从相关值检测器26的乘法电路27输出的乘积信号B呈现如图4C所示的正向全波整流波形。
如图4D所示，相关值检测器26的积分电路28的积分结果阶梯性地单调增加，直到重叠周期结束，并且重叠周期结束时的积分结果被保持。
上述被保持的值通过A/D转换器29，作为强度相关值H(1，k)，与延迟时间τ＝W+(k-1)Δτ相对应地存储在相关值存储单元31中。
在这种情况下，强度相关值H(1，k)与本地脉冲信号L和接收信号Rr之间输入周期的重叠比率成比例。
在延迟时间τ针对触发脉冲Pt继续增加，达到如图5B所示的程度的情况下，接收信号Rr的输入周期基本上完全与如图5A所示的第(k+a)个本地脉冲信号L的输入周期重叠，并且两个信号彼此同相，因此，从相关值检测器26的乘法电路27输出的乘积信号B呈现如图5C所示的正向全波整流波形。
如图5D所示，相关值检测器26的积分电路28的积分结果阶梯性地单调增加，直到重叠周期结束，并且该重叠周期结束时的积分结果被保持。
上述被保持的值与延迟时间τ＝W+(k+a-1)Δτ相对应地存储。
由于两个信号的重叠周期更长，因此强度相关值H(1，k+a)呈现出比前面提到的强度相关值H(1，k)更大的值(最大值)。
在延迟时间τ针对触发脉冲Pt继续增加，达到如图6所示的程度的情况下，接收信号Rr的输入周期的后面部分与如图6A所示的第(k+b)个(b＞a)本地脉冲信号L的输入周期重叠，并且两个信号彼此同相，因此，从相关值检测器26的乘法电路27输出的乘积信号B呈现如图6C所示的正向全波整流波形。
如图6D所示，相关值检测器26的积分电路28的积分结果阶梯性地单调增加，直到重叠周期结束，并且该重叠周期结束时的积分结果被保持。
上述被保持的值通过A/D转换器29被转换为强度相关值H(1，k+b)，并与延迟时间τ＝W+(k+b-1)Δτ(b＞a)相对应地存储在相关值存储单元31中。
由于两个信号的重叠时间变短，强度相关值H(1，k+b)呈现出比上述强度相关值H(1，k+a)小的值。
顺便提及，如图4B、5B和6B中的虚线所示，在接收信号Rr的相位与本地脉冲信号L的相位相反的情况下，相关值检测器26的乘法结果呈现如图4C、5C和6C中虚线所示的负向全波整流波形。
尽管重叠周期之间的关系和强度相关值H的绝对值在本地脉冲信号L和接收信号Rr彼此同相的情况下保持相同，但是，如图4D、5D和6D所示，上述相关值检测器26中的积分结果单调减小，直到重叠周期结束。
另一方面，在接收信号Rr与本地脉冲信号L的相位相差90°时，相乘的结果在0周围正弦振动，而且积分值交替地增大和减小。因此，强度相关值H(i，j)呈现非常小的值。
以这种方式，延迟时间τ从初始值W到最终值(T-Δτ)顺序地变化，从而获得对于每一个延迟时间的强度相关值H(1，1)、H(1，2)、...、H(1，M)。
之后，延迟改变单元30再次使延迟时间τ从初始值W到最终值(T-Δτ)顺序地变化，以进行第二个搜索过程，并且得到的强度相关值H(2，1)、H(2，2)、...、H(2，M)与延迟时间τ相对应地存储(其中，M是(T-τ)除以触发脉冲Pt的宽度W的商)。
随着携带雷达设备20的人或汽车与在期望的搜索空间内的物体之间的距离发生微小的变化，位于重叠周期期间的两个信号的相位关系也会发生相当的变化。因此，在第二次搜索过程中获得的强度相关值H(2，1)、H(2，2)、...、H(2，M)中，与第一次搜索过程得到的结果相比，在重叠周期期间或邻近的强度相关值H被反向成正值或负值，或者其绝对值发生相当的变化。
类似的操作被重复预定次数Q(例如，100次)，以获得M·Q个强度相关值H(1，M)、H(2，M)、...、H(Q，M)。然后，频率分布生成器32执行生成频率分布的过程。
在由频率分布生成器32执行频率分布生成的过程中，每个强度相关值H(i，j)都被分类，例如，分成一共11级，其中包含5个正级，5个负级和0。这样就如图7所示，针对每个延迟时间τ生成了指示每一级的出现频率的频率分布。
在如图7所示的频率分布中，在与被延迟的触发脉冲Pt’同相的本地脉冲信号L的输入周期和接收信号Rr的输入周期彼此重叠的时间区域期间及其邻近(j＝k+3的附近)时间区域内，从一级到另一级的出现频率都不同。可以随机地确定，当本地脉冲信号L的输入周期和接收信号Rr的输入周期基本完全彼此重叠时，这种差异的宽度达到最大。
搜索控制单元35根据上述频率分布检查在期望的搜索空间内是否存在或不存在物体以及该物体的距离，并公布检查的结果。同时，为了根据需求在搜索空间内更详细地搜索物体，延迟时间改变单元30对延迟时间τ的改变模式被切换到微搜索模式，并且进一步分析该搜索获得的频率分布。
例如，搜索控制单元35对每一个延迟时间的频率分布的正级值(positivestage value)及其出现的次数执行乘积和(sum-of-products)操作，并且根据乘积和操作的最大值的延迟时间τ’确定到达期望的搜索空间中的物体的距离。
更具体地说，设v为雷达波的速率，D为到达期望的搜索空间中物体的距离。距离D可以由下式决定D＝v·τ’/2同样，如上所述，根据延迟时间τ改变接收机22的增益，以便抑制由到达期望的搜索空间内物体的距离差异产生的接收信号的大幅度变化。因此，接收信号Rr的电平差异主要由期望的空间内物体1对雷达波P的反射率(材料、尺寸和形状)决定。
反射率不同造成的接收信号的电平变化以强度相关值H的变化量的方式来体现。因此，根据这个变化量，搜索控制单元35粗略地确定期望的搜索空间内的物体是由例如具有高反射率(危险程度高)的金属材料构成，还是例如人，动物或树的低反射率(危险程度低)物体。以这种方式，能够根据确定的结果改变报警的类型。
如上文所解释地，在根据本发明的上述实施例的雷达设备中，由被延迟单元24延迟的触发脉冲Pt’进行调制后的本地脉冲信号L，与通过接收反射波R获得的接收信号Rr相乘，并且相乘的结果被积分，以确定上述两个信号之间的强度相关值H。同时，通过顺序地改变延迟单元24的延迟时间，对于每一个延迟时间确定强度相关值。更进一步，确定对于延迟时间的强度相关值的频率分布，并根据该频率分布分析期望的搜索空间。
因此，根据本发明的实施例的雷达设备20能够检测具有狭窄宽度的反射雷达波的强度，而常规雷达设备的二极管检测电路检测不到的该反射波。所以，能够进行高分辨率的短程搜索，从而有可能实现用于机上应用或盲人的短程雷达设备。
同时，根据本发明的实施例的雷达设备20根据延迟时间提前控制接收机22的增益。因此，即使是在短距离的搜索范围内，由于可能发生的反射波急剧地大幅度变化引起的接收信号的电平变化也能够被积极地抑制，并且强度相关值能够在适当的工作范围内被精确检测。
根据上述实施例，相关值检测器26检测到的具有正极性和负极性的强度相关值的频率分布都被生成。然而，可替换地，也可以通过将积分结果转换为绝对值，并将转换后的绝对值确定为相关值来生成频率分布。
然而，在组成乘法电路27的混频器包含直流偏置的情况下，由于直流偏置的直接影响，上述转换成绝对值的简单过程不可能精确地检测相关值。
在直流偏置的影响成为问题的情况下，使用如图8所示的正交检测类型的相关值检测器26。
更具体地说，正交检测类型的相关值检测器包含90°移相器41，用于将由本地脉冲发生器25输出的本地脉冲信号划分成彼此具有90°相位差的两个信号；0°分配器42，用于将由接收机23输出的接收信号划分成两个同相的信号；第一和第二乘法电路27A、27B，分别用于将由90°移相器41划分成的彼此具有90°相位差的两个本地脉冲信号，与由0°分配器42划分成的彼此同相的两路接收信号相乘；第一和第二积分电路28A、28B，分别用于对从第一和第二乘法电路27A、27B输出的乘法结果进行积分；第一和第二A/D转换器29A、29B，分别用于将从第一和第二积分电路28A、28B输出的积分结果从模拟信号转换成数字信号(A/D转换)；第一和第二平方运算器43A、43B，分别用于对被第一和第二A/D转换器29A、29B转换成的数字信号进行平方运算；和加法器44，用于将第一和第二平方运算器43A、43B的平方运算结果相加，并将相加结果作为强度相关值输出。
在本例中，相关值存储单元31将从加法器44输出的相加结果作为强度相关值进行存储。
更具体地说，在如图8所示的相关值检测器26中，在90°移相器41将本地脉冲信号划分成彼此具有90°相位差的两个信号之后，在如图1所示的情况下，这两个信号被分别输入到乘法电路27A、27B，其中，每个乘法电路27A和27B都包括双平衡混频器。
同样，在被0°分配器42划分成两个同相信号之后，接收信号Rr也被分别输入到乘法电路27A、27B。
在如图1所示的情况下，积分电路28A对从乘法电路27A输出的乘法输出结果B1进行积分，并保持该积分结果。
接下来，在A/D转换器29A将被保持的值I转换成数字值之后，平方运算器43A对该值进行平方运算。
同样，积分电路28B对从乘法电路27B输出的乘法结果输出B2进行积分，并保持该积分结果。
接下来，在A/D转换器29B将被保持的值Q转换成数字值之后，平方运算器43B对该值进行平方运算。
加法器44将被保持的值I和Q的平方运算结果彼此相加之后，平方根运算器45确定上述总和的平方根，并将其作为强度相关值H输出。
正交检测类型的相关值检测器26确定具有作为正交分量的被保持的值I和Q的信号的有效功率，将其作为强度相关值H。这样，即使虽然没有详细描述运算操作，但是能够获得具有正极性的精确的强度相关值H，且消除了每个乘法电路的直流偏置。
顺便提及，如图8所示的相关值检测器26的平方根运算器45可以被省略，而加法器44的输出可以被用作强度相关值H。
虽然在上述实施例中说明触发脉冲Pt具有预定宽度W，但是可替换地，所述系统也可以以下列方式配置即，延迟时间τ越大，从触发脉冲发生器21输出的触发脉冲Pt的宽度W越大。这样做能够对来自远处的反射波获得大强度的相关值，并且能够实现高S/N(信噪比)的搜索。
在本例中，根据由延迟时间改变单元30指定的延迟时间τ，触发脉冲生成单元21连续地或阶梯性地改变触发脉冲Pt的宽度。考虑到脉冲宽度的变化，频率分布生成单元32对上述所获得的强度相关值进行修正。以这种方式，基于使用了具有相同宽度的脉冲的假设确定强度相关值，从而生成频率分布。
因此，根据本发明解决了现有技术的问题，并提供了一种能够以高分辨率精确搜索周围环境的雷达设备。
工业适用性根据本发明的雷达设备具有能够以高分辨率精确搜索周围环境的技术效果，能够发现用于机上应用、盲人和医学目的的多种应用。
权利要求
1.一种雷达设备，它包括触发脉冲发生器，用于以预定周期生成具有预定宽度的触发脉冲；发射机，用于向期望的搜索空间发射雷达波，该雷达波具有用来自所述触发脉冲发生器的触发脉冲进行脉冲调制的预定频率；接收机，用于接收从所述发射机发射的雷达波的反射波，并输出接收信号；延迟单元，用于将由所述触发脉冲发生器生成的触发脉冲延迟一段预定的延迟时间；本地脉冲发生器，用于输出本地脉冲信号，该信号具有用由所述延迟单元延迟了一段预定延迟时间的触发脉冲进行脉冲调制的预定频率；相关值检测器，用于确定在从所述接收机输出的接收信号和从所述本地脉冲发生器输出的本地脉冲信号之间的强度相关值；延迟时间改变单元，用于在预定周期范围内顺序地改变所述延迟单元地的预定延迟时间，其中，所述预定周期代表所述触发脉冲发生器生成触发脉冲的生成周期；相关值存储单元，用于存储对于由所述延迟时间改变单元改变的每个延迟时间、由所述相关值检测器检测到的强度相关值；频率分布生成器，用于对于延迟时间生成存储在所述相关值存储单元中的强度相关值的频率分布；和搜索控制单元，用于基于由所述频率分布生成器生成的频率分布执行对期望的搜索空间的分析。
2.如权利要求1所述的雷达设备，其中，所述接收机被配置成相对于反射波改变接收增益，所述雷达设备还包括增益改变单元，用于根据被所述延迟时间改变单元改变的延迟时间，对接收机的接收增益进行可变地控制，并且抑制由于延迟时间的差异造成的接收信号输出电平的变化。
3.如权利要求1所述的雷达设备，其中，所述相关值检测器包括乘法电路，用于将从所述接收机输出的接收信号和从所述本地脉冲发生器输出的本地脉冲相乘，和积分电路，用于对从所述乘法电路输出的相乘结果积分。
4.如权利要求3所述的雷达设备，还包括模数(A/D)转换器，用于将从所述积分电路输出的积分结果从模拟信号转换成数字信号，其中，所述相关值存储单元将被所述A/D转换器转换的数字信号作为强度相关值进行存储。
5.如权利要求3所述的雷达设备，其中，所述积分电路包括米勒积分器。
6.如权利要求1所述的雷达设备，其中，所述相关值检测器包括90°移相器，用于将从所述本地脉冲发生器输出的本地脉冲信号划分成两个彼此具有90°相位差的信号，0°分配器，用于将从接收机输出的接收信号划分成两个彼此同相的信号，第一和第二乘法电路，分别用于将由所述90°移相器划分成的两个彼此具有90°相位差的本地脉冲信号与由所述0°分配器划分成的两个彼此同相的接收信号相乘，第一和第二积分电路，分别用于对从所述第一和第二乘法电路输出的乘法结果进行积分，第一和第二A/D转换器，分别用于将从所述第一和第二积分电路输出的积分结果从模拟信号转换成数字信号，第一和第二平方运算器，分别用于对被所述第一和第二A/D转换器转换的数字信号进行平方运算，加法器，用于将所述第一和第二平方运算器的平方运算结果相加，并将相加结果作为强度相关值输出，和相关值存储单元，用于存储作为强度相关值的从所述加法器输出的相加结果。
7.如权利要求6所述的雷达设备，其中，所述相关值检测器还包括平方根运算器，用于确定从所述加法器输出的相加结果的平方根，并将该平方根作为强度相关值输出，和相关值存储单元，用于存储作为强度相关值的从所述平方根运算器输出的平方根。
8.如权利要求1所述的雷达设备，其中，所述触发脉冲发生器在约为100纳秒的预定周期T内生成具有约为1纳秒的预定宽度W的触发脉冲Pt，并将该触发脉冲Pt输出到所述发射机和所述延迟单元。
9.如权利要求8所述的雷达设备，其中，所述发射机在23～29GHz频率范围内生成6～7GHz的UWB(Ultra Wide Band，超宽带)雷达波，作为具有用触发脉冲进行脉冲调制的预定频率。
10.如权利要求1所述的雷达设备，其中，接收机包括可变增益放大器，用于接收和放大来自物体的反射波，其中，该物体接收到由所述发射机向期望的搜索空间发射的雷达波，和带通滤波器(BPF)，用于限制来自可变增益放大器的放大输出的带宽，并将其作为接收信号输出到所述相关值检测器。
11.如权利要求1所述的雷达设备，其中，所述延迟单元被配置成以下两个延迟装置的组合，即，能够基于所述延迟时间改变单元的改变指令以大步长改变预定延迟时间的用于粗调的延迟装置，和能够在该大步长内对延迟时间进行细微改变的用于微调的延迟装置。
12.如权利要求11所述的雷达设备，其中，所述用于粗调的延迟装置以约为10纳秒的步长改变预定延迟时间，而所述用于微调的延迟装置以约为0.1纳秒的步长改变预定延迟时间。
13.如权利要求1所述的雷达设备，作为短程雷达设备用于机上应用。
14.如权利要求1所述的雷达设备，作为短程雷达设备用于盲人。
15.如权利要求1所述的雷达设备，作为短程雷达设备用于医学目的。
全文摘要
发射机向期望的搜索空间发射具有用预定宽度的触发脉冲进行脉冲调制的预定频率的雷达波。接收机接收雷达波的反射波，并输出接收信号。本地脉冲发生器输出具有用延迟单元延迟的触发脉冲进行脉冲调制的预定频率的本地脉冲信号。相关值检测单元检测接收信号和本地脉冲信号之间的强度相关值。延迟时间改变单元在预定周期范围内顺序地改变延迟时间，该预定周期代表触发脉冲的生成周期。相关值存储单元，存储对于每个改变的延迟时间检测的强度相关值。频率分布生成器相对于延迟时间生成被存储的相关值的频率分布。搜索控制单元基于生成的频率分布执行对期望的搜索空间的分析。
文档编号G01S7/292GK1764850SQ200580000048
公开日2006年4月26日 申请日期2005年2月4日 优先权日2004年2月9日
发明者内野政治 申请人:安立股份有限公司, 松下电器产业株式会社