專利名稱：利用超寬帶探測信號檢測移動(dòng)目標(biāo)的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線電工程領(lǐng)域，可以用于檢測被本發(fā)明的傳感器監(jiān)視的 區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)，例如人。
背景技術(shù)：
移動(dòng)檢測器的主要類型有紅外傳感器、超聲檢測器、目標(biāo)移動(dòng)電容 傳感器、移動(dòng)無線電檢測器和組合檢測器。
移動(dòng)無線電檢測器工作于微波頻帶。發(fā)射和接收是用一個(gè)或兩個(gè)天線
進(jìn)行的。無線電報(bào)警器(radio annunciator)因?yàn)槟芰糠磸?fù)反射而形成三維 檢測區(qū)域。報(bào)警器的敏感區(qū)域?qū)嶋H上沒有留下入侵者無法被檢測到的任何 空間(如果安裝在封閉設(shè)施內(nèi))。這種檢測器的工作建立在多普勒效應(yīng)或厘 米波無線電波干涉的基礎(chǔ)之上。
與本發(fā)明最接近的技術(shù)方案是利用超寬帶信號檢測移動(dòng)目標(biāo)的 -種傳 感器，這是授予McEwan (US 5361070)的一項(xiàng)專利。這一傳感器是用于監(jiān)
視人的一種超寬帶雷達(dá)。這種雷達(dá)包括驅(qū)動(dòng)振蕩器、隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器、基 準(zhǔn)單元和已調(diào)整延遲、兩個(gè)天線、超寬帶(UWB)信號發(fā)生器、傳感信號 檢測器。為了檢測和監(jiān)視人，發(fā)射天線發(fā)射UWB脈沖信號，接收天線檢測 從人反射回來的信號?；鶞?zhǔn)和已調(diào)整延遲被用于根據(jù)記錄反射信號的距離 來選擇某個(gè)區(qū)域。
這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)有
-探測信號的頻譜很寬，這樣就能夠使用低發(fā)射電平； -因?yàn)椴捎妹}沖發(fā)射方式并且脈沖持續(xù)時(shí)間長而帶來的低功耗； -使用較低頻帶，在這樣的頻帶上，天氣和季節(jié)因素對信號傳播狀況的 影響很小。
但是，這種己知技術(shù)方案具有某些缺點(diǎn)。射頻帶寬使用率高，并且在HF頻帶和UHF頻帶存在很強(qiáng)的電磁干擾。 已知的傳感器對外場具有很高靈敏度，會(huì)收到所有外部干擾信號，這會(huì)頻 繁地導(dǎo)致虛假響應(yīng)，無法在各種氣候條件下在真實(shí)工作狀況中有效地使用 它。此外，已知傳感器發(fā)射寬帶電磁脈沖，這種脈沖對于其它電子設(shè)備而 言可能是一種干擾源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種傳感器，它具有改進(jìn)的抗干擾性能、簡化的 設(shè)計(jì)，并且對周圍電子設(shè)備沒有任何干擾，由此能夠提高其性能特性，確 保在近距離——大約1到5米——上能夠工作。
為了以上目的和技術(shù)效果，本發(fā)明第一實(shí)施例中利用超寬帶探測信號 檢測移動(dòng)目標(biāo)的傳感器，包括第一天線和第二天線；脈沖發(fā)生器，具有兩 個(gè)輸出端，第一輸出端連接到第一天線的輸入端/輸出端，第二輸出端連接 到第二天線的輸入端/輸出端；輸入電路，包括兩個(gè)檢測器，第一檢測器的 輸入端連接到第一天線的輸入端/輸出端，第二檢測器的輸入端連接到第二 天線的輸入端/輸出端；差分放大器；反饋裝置；低頻濾波器；比較器；其 中第一檢測器的輸出端連接到所述差分放大器的第一輸入端，第二檢測器 的輸出端連接到所述差分放大器的第二輸入端，所述差分放大器的輸出端 連接到所述低頻濾波器的輸入端并連接到所述反饋裝置的輸入端，該反饋 裝置用于抑制所述傳感器的外部噪聲，其輸出端連接到所述差分放大器輸 入端之一，所述低頻濾波器的輸出端連接到所述比較器的輸入端，給所述 比較器的其它控制輸入端提供傳感器工作門限電壓，所述比較器的輸出端 用于生成傳感器告警信號。
本發(fā)明還有另一個(gè)實(shí)施例，其中反饋裝置包括運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放 大器反饋電路的時(shí)間常數(shù)Toc被選擇成滿足Toc > S/Vmin，其中S是移動(dòng) 目標(biāo)在檢測區(qū)域內(nèi)通過的距離，Vmin是該目標(biāo)的最小可記錄移動(dòng)速度。
為了以上目的和技術(shù)效果，本發(fā)明中利用超寬帶探測信號檢測移動(dòng)目 標(biāo)的傳感器，包括第一天線和第二天線；脈沖發(fā)生器，具有兩個(gè)輸出端; 輸入電路，包括兩個(gè)檢測器，每個(gè)有兩個(gè)輸入端；其中脈沖發(fā)生器的第一 輸出端連接到第一天線的輸入端/輸出端并連接到第一檢測器的第二輸入
6端，第一天線的輸入端/輸出端與第一檢測器的第一輸入端連接，第二天線 的輸出端連接到第二檢測器的第一輸入端，脈沖發(fā)生器的第二輸出端通過 延遲電路連接到第二檢測器的第二輸入端；差分放大器；反饋裝置；低頻 濾波器；比較器；其中第一檢測器的輸出端連接到差分放大器的第一輸入 端，第二檢測器的輸出端連接到差分放大器的第二輸入端，差分放大器的 輸出端連接到低頻濾波器的輸入端并連接到反饋裝置的輸入端，該反饋裝 置用于抑制傳感器外部干擾，其輸出端連接到差分放大器的一個(gè)輸入端， 低頻濾波器的輸出端連接到比較器的輸入端，給比較器的其它輸入端提供 傳感器工作門限電壓，比較器的輸出端用于生成傳感器告警信號。 本發(fā)明還有另一個(gè)實(shí)施例，其中.-
輸入電路中的每個(gè)檢測器包括一個(gè)二極管、三個(gè)電阻器和三個(gè)電容器， 二極管的陰極通過第一電容器連接到脈沖發(fā)生器，通過第一電阻器連接到 地，二極管的陽極通過第二電容器連接到天線，二極管的陽極還通過第一 電阻器以及第三電阻器和第三電容器組成的并聯(lián)電路連接到差分放大器的 輸入端之一，第三電阻器和第三電容器一端連接在第二電阻器和差分放大 器的輸入端之間，另一端連接到所述地。
脈沖發(fā)生器的第一輸出端通過二極管連接到第一天線的輸入端/輸出 端，該二極管的陽極連接到第一天線的輸入端/輸出端，其陰極連接到第一 檢測器的第二輸入端。
反饋裝置包括具有負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器反饋電路的時(shí) 間常數(shù)Toc被選擇成滿足Toc > S/Vmin，其中S是移動(dòng)目標(biāo)在檢測區(qū)域內(nèi) 通過的距離，Vmin是目標(biāo)的最小可記錄移動(dòng)速度。
下面通過描述特定優(yōu)選實(shí)施例并參考附圖來說明本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)和 其它特征。


圖1是第一實(shí)施例中傳感器功能布局的示意圖； 圖2是圖1所示脈沖發(fā)生器的示意圖； 圖3說明圖2所示發(fā)生器形成的輸出視頻脈沖； 圖4說明圖2所示發(fā)生器的輸出視頻脈沖波形；圖5是圖1所示輸入電路的原理圖6說明圖5所示輸入電路中電容器的充電和放電過程；
圖7說明天線的外觀；
圖8是圖7所示天線的方向圖9說明圖7所示天線發(fā)射的信號的近似波形； 圖10是圖1所示差分放大器的示意圖11說明圖IO所示差分放大器的輸入端和輸出端的信號波形； 圖12是圖1所示低頻濾波器的示意圖； 圖13說明圖12所示濾波器的頻率特性； 圖14是圖1所示反饋裝置的示意圖15說明本發(fā)明第一實(shí)施例中傳感器輸出電壓隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)
果，它是一個(gè)人在距離第一和第二天線一米的距離上移動(dòng)時(shí)獲得的； 圖16和圖15 —樣，但距離是兩米； 圖17是本發(fā)明第二實(shí)施例中的傳感器示意圖； 圖18是圖17所示輸入電路的示意圖； 圖19是圖17所示延遲電路的示意圖；以及 圖20說明圖19所示延遲電路形成的信號時(shí)間延遲。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例中的傳感器，包括第一天線1和第二天線2。脈沖發(fā)生器3 (PG)有兩個(gè)輸出端，它的第一輸出連接到第一天線1的輸入端/輸出端， 它的第二輸出端連接到第二天線2的輸入端/輸出端。輸入電路4包括兩個(gè) 檢測器5和6。第一檢測器5的輸入端連接到第一天線1的輸入端/輸出端。 第二檢測器6的輸入端連接到第二天線2的輸入端/輸出端。這個(gè)傳感器還 包括差分放大器7 (DA)、反饋裝置8 (FBD)、低頻濾波器9 (LFF)、比較 器10 (C)。第一檢測器5的輸出端連接到差分放大器7的第一輸入端，第 二檢測器6的輸出端連接到差分放大器7的第二輸入端。差分放大器7的 輸出端連接到低頻濾波器9的輸入端并連接到反饋裝置8的輸入端。反饋 裝置8用于抑制外部干擾，其輸出端連接到差分放大器7輸入端之一，例 如連接到第一輸入端或第二輸入端。低頻濾波器9的輸出端連接到比較器10的輸入端。給比較器10的控制輸入端提供工作門限控制電壓，比較器
10的輸出用于生成傳感器告警信號。
第二實(shí)施例的傳感器(圖17)包括第一天線1和第二天線2。脈沖發(fā) 生器3有兩個(gè)輸出端。輸入電路4包括兩個(gè)檢測器5和6。檢測器5和6中 的每一個(gè)有兩個(gè)輸入端。脈沖發(fā)生器3的第一輸出端連接到第一天線1的 輸入端/輸出端和第一檢測器5的第二輸入端，第一天線1的輸入端/輸出端 與第一檢測器5的第一輸入端連接。第二天線2的輸出端連接到第二檢測 器6的第一輸入端，脈沖發(fā)生器3的第二輸出端通過額外引入的延遲電路 11連接到第二檢測器6的第二輸入端。傳感器還包括差分放大器7、反饋 裝置8、低頻濾波器9、比較器IO。還有，如同第一實(shí)施例中一樣，第一檢 測器5的輸出端連接到差分放大器7的第一輸入端，第二檢測器6的輸出 端連接到差分放大器7的第二輸入端。差分放大器7的輸出端連接到低頻 濾波器9的輸入端并連接到反饋裝置8的輸入端。反饋裝置8用于抑制外 部干擾，其輸出端連接到差分放大器7的輸入端之一，例如，連接到第一 輸入端或第二輸入端。低頻濾波器9的輸出端連接到比較器10的輸入端。 給比較器10的控制輸入端提供工作門限控制電壓，比較器10的輸出端用 于生成傳感器告警信號。
與使用組合天線1和2的第一實(shí)施例相反，本發(fā)明的第二實(shí)施例只用 一個(gè)組合天線l，第二天線2只用于接收。此外，輸入電路4也有些不同。
輸入電路4 (圖18)中的每個(gè)檢測器5和6包括一個(gè)二極管、三個(gè)電 阻器和三個(gè)電容器。每個(gè)二極管(VD1或VD2)的陰極通過第一電容器(Cl 或C2)連接到脈沖發(fā)生器3，通過第一電阻器(Rl或R2)連接到地。每 個(gè)二極管(VD1或VD2)的陽極通過第二電容器(C5或C6)連接到相應(yīng) 的天線1或2。此外，每個(gè)二極管(VD1或VD2)的陽極還通過第二電阻 器(R5或R6)以及包括第三電阻器(R3或R4)和第三電容器(C3或C4) 的并聯(lián)電路連接到差分放大器7的相應(yīng)輸入端之一，第三電阻器(R3或R4) 和第三電容器(C3或C4) 一端連接在第二電阻器(R5或R6)和差分放大 器7的輸入端之間，另一端連接到所述地。
為了給脈沖發(fā)生器3和第一天線1去耦(圖18)，脈沖發(fā)生器3的第一 輸出端可以通過二極管(VD3)連接到第一天線1的輸入端/輸出端，該二極管的陽極連接到第一天線1的輸入端/輸出端。
使用框架天線作為天線12是合適的。但是，本發(fā)明的裝置不排除使用 其它類型的天線的可能性。本發(fā)明的傳感器(圖l)按照如下方式工作。
具有兩個(gè)輸出端的脈沖發(fā)生器3生成納秒視頻脈沖，由天線1和2發(fā) 射，同時(shí)導(dǎo)通(unblank)第一檢測器5和第二檢測器6的二極管。脈沖發(fā) 生器3生成的脈沖的持續(xù)時(shí)間決定了打開第一檢測器5和第二檢測器6的 二極管的時(shí)間間隔，因此決定了傳感器從遠(yuǎn)距離目標(biāo)收到反射信號的距離 區(qū)。另一方面，脈沖發(fā)生器3生成的最大頻率和最小脈沖速率分別取決于 脈沖前沿時(shí)間和脈沖本身的持續(xù)時(shí)間。打開第一和第二檢測器5、 6的二極 管必需的相當(dāng)短的時(shí)間能夠確保從天線1、 2到達(dá)接收機(jī)輸入電路4輸入端 的干擾電平很小。第一和第二檢測器5、 6形成門控(gated) 二極管混頻器， 差分放大器7放大分支的電壓差。為了消除接收鏈之間因?yàn)榈谝缓偷诙z 測器5、 6可能引起的溫度不平衡，使用了反饋裝置8。第一和第二天線l、 2的區(qū)域中沒有外來目標(biāo)時(shí)，自動(dòng)引入反饋，從而在差分放大器7處保持零 輸出信號。將反饋裝置的時(shí)間常數(shù)選擇為消除第一和第二天線1、 2以及第 一和第二檢測器5、 6之間緩慢的不平衡，這種緩慢的不平衡可能因?yàn)樘鞖?狀況引起(雪、冰、溫度)。天氣狀況的變化導(dǎo)致信號緩慢變化，這種變化 的時(shí)間周期超過10秒。與此同時(shí)，活人移動(dòng)引起的信號快速變化的頻率在 0.1到1赫茲，信號的這種快速變化被傳遞給差分放大器7的輸出端。
從差分放大器7的輸出端獲得的經(jīng)過放大的信號差由低頻濾波器9濾 波，低頻濾波器9具有大約1 Hz的通帶和近似3 dB的增益。將來自低頻濾 波器9的信號饋送給高速比較器10，當(dāng)達(dá)到來自低頻濾波器9的輸入信號 的預(yù)置門限電平時(shí)，生成TTL (晶體管-晶體管邏輯)電平的信號。
如果有任何移動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)在第一和第二天線1、 2的區(qū)域里，從它反射 的信號將會(huì)被第一和第二天線l、 2收到，并被輸入電路4檢測到。由于天 線被分隔開，它們收到的信號將在它們的形式、幅度和延遲方面不同，輸 出信號將出現(xiàn)在差分放大器7的輸出端中，經(jīng)過在比較器10中與預(yù)置門限
進(jìn)行比較以后，將被用于生成告警信號。
在本發(fā)明的裝置中使用超寬帶探測信號。脈沖發(fā)生器3的脈沖持續(xù)時(shí) 間是幾十納秒， 一方面，這個(gè)持續(xù)時(shí)間決定了功耗相當(dāng)?shù)?幾千赫茲或者幾十千赫茲的重復(fù)速率)，另一方面，這個(gè)持續(xù)時(shí)間允許工作于從10到300 MHz的寬頻范圍，同時(shí)確保對于發(fā)射的超低功率信號在各種天氣狀況中具 有良好的抗干擾能力。發(fā)射信號的電平非常低，使用它不會(huì)對傳感器周圍 的其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。
例如，本發(fā)明的傳感器在電壓幅度為V=1.5V，負(fù)載電阻為尺=50歐 姆的情況下，消耗的瞬時(shí)功率『^為
^ =力i = (1.5)2/50 = 0.045 W
在脈沖重復(fù)周期T= 100 ps和脈沖持續(xù)時(shí)間T = 30 ns的情況下，平均電 壓值Vav為
J/。v = r* 1.5x30/100000 = 0.00045W 脈沖發(fā)生器3信號的平均功率『av為
= & = 0扁452 /50 = 0.00405
實(shí)際上，發(fā)射功率甚至?xí)?，因?yàn)樘炀€系統(tǒng)只會(huì)發(fā)射脈沖發(fā)生器3 的一部分能量，包括第一天線和第二天線1、 2的天線系統(tǒng)產(chǎn)生的場將會(huì)部 分地得到補(bǔ)償。
下面更加詳細(xì)地描述圖1所示各個(gè)功能組件的組成。
脈沖發(fā)生器3 (圖2)是基于RS和D觸發(fā)器的RC多諧振蕩器。RS觸 發(fā)器D1是一個(gè)多諧振蕩器，它生成方波信號，這個(gè)方波信號的幅度為A^ 3 V,頻率為10 kHz,脈沖邊緣持續(xù)時(shí)間為1 ns，常數(shù)分量(constant component)等于A/2二1.5 V。輸入端的儲能電容器(reservoir capacitor) CI和C2用于設(shè)置邏輯1和0，反饋電路中的電阻器Rl和R2決定對應(yīng)的 蜿蜓信號(meander)半周期持續(xù)時(shí)間和輸出脈沖重復(fù)速率。二極管VD1 和VD2分別用于加速電容器CI和C2的充電和放電過程。
D觸發(fā)器D2被用于形成具有預(yù)置參數(shù)的視頻脈沖，它的持續(xù)時(shí)間由反 饋長度，具體集成電路的內(nèi)部信號延遲和電容器C3的電容決定。兩個(gè)發(fā)射 極跟隨器基于并聯(lián)安裝的晶體管VT1和VT2,被用于隔離輸入裝置分支。
脈沖發(fā)生器3 (圖2)按照如下方式工作。
打開電源以后，觸發(fā)器D1復(fù)位到對應(yīng)于例如邏輯1的狀態(tài)。電容器 Cl開始慢充電(圖3)，在充電過程中，邏輯0到達(dá)邏輯0電路的輸入端，
ii于是使觸發(fā)器Dl變成0。觸發(fā)器Dl的邏輯0電路R的輸入端電容器CI 的充電/放電曲線在圖3A中給出。在這個(gè)時(shí)候，電容器C2開始充電，在它 完全充電以后，邏輯0到達(dá)邏輯1電路的輸入端，觸發(fā)器D1被設(shè)置在邏輯 1的狀態(tài)中。觸發(fā)器D1的邏輯l電路S的輸入端電容器C2的充電/放電曲 線在圖3B中給出。于是，具有預(yù)置頻率的蜿蜒信號(meander)從觸發(fā)器 Dl的同相輸出端Q1到達(dá)觸發(fā)器D2的定時(shí)輸入端(timing input),它的曲 線在圖3C中給出。電容器Cl和C2的充電和放電持續(xù)時(shí)間決定了發(fā)生器 輸出脈沖的蜿蜒信號(meander)半周期的持續(xù)時(shí)間和重復(fù)速率。在蜿蜒信 號(meander)前端響應(yīng)時(shí)，觸發(fā)器D2取邏輯1的值，持續(xù)時(shí)間等于沿著 反饋電路到觸發(fā)器內(nèi)部的信號路徑延遲。觸發(fā)器D2同相輸出端Q2處的電 壓變化在圖3D給出。
結(jié)果，脈沖發(fā)生器3生成兩個(gè)輸出脈沖，它們的持續(xù)時(shí)間近似為30 ns， 幅度為1.55V，脈沖邊緣lns，重復(fù)速率10kHz。它的形狀如圖4所示。
傳感器的輸入電路4是一個(gè)雙二極管混頻器(圖5)。在沒有來自脈沖 發(fā)生器3的選通脈沖的情況下，二極管(VD1禾Q VD2)被等于100 mV的 正偏置電壓截止(blank)。額定偏置(rated offset)由電阻器R1和R2構(gòu)成 的L形電阻分壓電路對電源電壓進(jìn)行分壓來設(shè)定。電壓下降比(volume reduction)的值^eii可以按照以下公式計(jì)算出來
其中足是電源電壓，單位為V; E,是偏置電壓，單位為V。
在電路中引入截止偏置的目的是提高抗干擾能力，降低錯(cuò)誤響應(yīng)率。 給二極管VD1和VD2的陽極提供選通脈沖來導(dǎo)通(unblank)它們，由第 一和第二天線1、 2同時(shí)發(fā)射。在選通脈沖期間，第一和第二天線1、 2接 收信號，在沒有選通脈沖的情況下沒有任何接收。電容器Ci和C2分別通 過二極管VD1和VD2由脈沖充電。電容器的充電和放電過程在圖6中說明。
傳感器響應(yīng)因?yàn)殡娙萜鰿1和C2的電壓不平衡而引起，這種不平衡源 自收到從目標(biāo)反射回來的脈沖。在這種情況下，這些分支，也就是輸入電 路4的第一和第二輸出端，之間的電壓差為幾毫伏，這一電壓差隨后在差 分放大器7中被放大。使用具有對應(yīng)方向圖(圖8)的框架天線(圖7)作為傳感器的第一和 第二天線l、 2是合適的。
框架天線由一個(gè)線圈制成，形成方形框架。沿著它的整個(gè)周長，幅度 和電流諧振相位實(shí)際上都是常數(shù)。由于在發(fā)射框架天線中，框架相對單元 中的電流方向相反，因此它們發(fā)射的電磁波確切地發(fā)生180度的相移。因 此，發(fā)射的完全補(bǔ)償出現(xiàn)在與框架平面垂直的方向上，在其它方向的補(bǔ)償 是不完整的，但是這種補(bǔ)償隨著從天線離開而增大。發(fā)射強(qiáng)度最大值對應(yīng) 于位于框架平面中的方向?？蚣芴炀€可以用銅線制作。例如，具有120厘 米長度的導(dǎo)線(方形邊長30厘米)對應(yīng)于200MHz的發(fā)射信號中心頻率。 在這種情況下，第一和第二天線l、 2發(fā)射如圖9所示的信號。
框架天線可以位于各種建筑結(jié)構(gòu)的附近，例如在建筑物入口的水泥頂 蓋上，在墻面或土壤中，在瀝青層中，在墻后面。在建筑結(jié)構(gòu)表面的影響 下，天線電阻會(huì)發(fā)生大范圍的變化，從10到120歐姆。因此，安裝框架天 線的參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)來選擇。于是，例如，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于傳感器 的以上工作模式，將框架天線懸掛在地面以上的最佳高度可以是從0.12到 0.22個(gè)波長。
將基于三個(gè)運(yùn)算放大器的兩級放大器(圖10)用作差分放大器7(圖1)。 用第一級將來自傳感器輸入電路4的電容器的電壓放大25倍，將它們制作 成具有負(fù)反饋的運(yùn)算放大器上電壓重發(fā)器(voltage repeater)的并聯(lián)。如圖 11所示的信號f4從輸入電路的第一和第二檢測器5、 6的輸出端到達(dá)差分 放大器7的輸入端。
第一級中每一放大器的增益系數(shù)為
<formula>formula see original document page 13</formula>
電阻器R2和R4中的每一個(gè)都具有10千歐的電阻，Rl的電阻是800 歐姆。放大器Al和A2放大來自輸入電路4的不同分支輸出端的信號。
差分放大器7的第二級被用于將第一級的通道中的電壓差放大仰倍。 從原理上講，它是具有負(fù)反饋的運(yùn)算放大器A3。第二級放大器的增益系數(shù) 由以下公式給出
在這種電路結(jié)構(gòu)中，電阻器R3和R5中的每一個(gè)都具有500歐姆的電阻，電阻器R7和R8是22千歐，R6是100千歐。結(jié)果，在差分放大器7 的輸出端獲得信號"u,，其波形如圖ll所示。
來自差分放大器7輸出端的信號到達(dá)反饋裝置8和低頻濾波器9的輸 入端(圖1)。
低頻濾波器9是在具有負(fù)反饋和蝴蝶頻率特性(圖13)的運(yùn)算放大器 (圖12)的基礎(chǔ)之上制作的。從圖13可以看出低頻濾波器9具有帶寬 lHz， 在這個(gè)頻帶內(nèi)增益系數(shù)為 3分貝，在3Hz的頻率處具有16分貝的扣J制比。
第一和第二天線1、 2周圍環(huán)境溫度的變化和功率電子干擾的影響導(dǎo)致 在比較器10的輸出端出現(xiàn)恒定電壓，它等于電源電壓，并且導(dǎo)致傳感器工 作不準(zhǔn)確。為了抑制這些效應(yīng)，將反饋裝置8 (圖l)引入電路，從差分放 大器7的輸出端給它提供信號輸入，并且其輸出端連接到差分放大器7的 輸入端之一 (第一或第二)。反饋裝置8 (圖14)包括具有負(fù)反饋的運(yùn)算放 大器。運(yùn)算放大器反饋電路的時(shí)間常數(shù)RC決定傳感器能夠記錄的移動(dòng)目標(biāo) 的最小速度，這個(gè)最小速度取決于以下比
T >丄 —「關(guān)
其中T^是反饋電路的時(shí)間常數(shù)，單ii秒；
S是目標(biāo)在傳感器檢測區(qū)域內(nèi)通過的距離，單位是米； Fmin是傳感器能夠記錄的目標(biāo)最小移動(dòng)速度，單位是米每秒。
在這一裝置的一個(gè)實(shí)際實(shí)施例中，時(shí)間常數(shù)可以是例如12秒，它對應(yīng) 于移動(dòng)目標(biāo)的最小速度。在差分放大器7的輸入端之一沒有信號的情況下， 反饋裝置8自動(dòng)地將差分放大器7的輸出信號設(shè)置為0，因此，將比較器 IO的輸出信號設(shè)置為O。
可以將任何己知的集成比較器，例如在MAX922芯片的基礎(chǔ)之上制作 的比較器，用作比較器IO (圖l)。使用這種比較器時(shí)，通過L形電阻分壓 電路將傳感器開啟門限電壓提供給比較器10的控制輸入端，它等于150毫 伏。從比較器10的輸出端獲取信號，它被用于生成傳感器告警信號，以后 可以根據(jù)需要對它進(jìn)行處理(例如，將它放大，以便打開光或聲音告警)。 比較器10輸出端信號的典型形式如圖15和16所示。
這些變化曲線(圖15、 16)中的前兩個(gè)脈沖對應(yīng)于人輕輕地走動(dòng)，后 兩個(gè)脈沖對應(yīng)于跑動(dòng)。在距離傳感器1米的距離上，在這里描述的裝置中
14信噪比對于走動(dòng)是近似20，對于跑動(dòng)是近似140。在距離第一和第二天線1、 2兩米的距離上，走動(dòng)的信噪比是3 5，跑動(dòng)的信噪比是7 11。這些實(shí)例說 明了用本發(fā)明的傳感器來有效地檢測移動(dòng)目標(biāo)的可能性。
與最接近的相似技術(shù)方案(US 5361070)相比，本發(fā)明的裝置使用對 稱連接的兩個(gè)天線，它能夠在差分放大器4中補(bǔ)償外部同步干擾(平面波)。 第一和第二天線1、2到脈沖發(fā)生器3的連接確保它們中間的電流方向相反， 因此在遠(yuǎn)區(qū)沒有任何發(fā)射信號，這樣能夠顯著地降低所產(chǎn)生的干擾信號的 電平。傳感器接收裝置輸入電路的另一個(gè)技術(shù)方案能夠根據(jù)距離和發(fā)射信 號頻帶寬度自動(dòng)調(diào)整靈敏區(qū)域。將超寬帶探測信號用于發(fā)射并用作選通信 號。脈沖持續(xù)時(shí)間決定了傳感器工作的帶寬和范圍。我們的研究表明，本 發(fā)明的傳感器適合于在距離天線1到5米的距離上檢測移動(dòng)目標(biāo)。
通過從脈沖發(fā)生器3將異步脈沖提供給傳感器輸入電路4 (圖17)的 通道，能夠進(jìn)一步提高傳感器的抗干擾能力。在這種結(jié)構(gòu)中，將第一天線l 用于發(fā)射和接收所要的信號和干擾信號，第二天線2只用于接收干擾信號。 輸入電路4從第一和第二天線的輸出端檢測到這種信號時(shí)，在差分放大器4 中將干擾信號減去。
本發(fā)明第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的差別在于引入了延遲電路，輸入電 路4也不相同。
輸入電路4包括兩個(gè)檢測器，每個(gè)都有兩個(gè)輸入端。將來自脈沖發(fā)生 器3的視頻脈沖提供給輸入電路4的第一檢測器5的第二輸入端，用于截 止其二極管，并且通過延遲等于脈沖持續(xù)時(shí)間(30納秒)的信號延遲電路 ii (圖n)，提供給第二檢測器的第二輸入端6，用于截止其二極管，但是 有一個(gè)延遲。還有，將來自脈沖發(fā)生器3的脈沖直接提供給第一天線1用 于發(fā)射。與第一實(shí)施例相反，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中不通過第一和第二 天線1、 2發(fā)射選通脈沖。天線1、 2分別連接到檢測器5、 6的第一輸入端 (圖17、 18)。輸入電路中的每個(gè)檢測器包括一個(gè)二極管、三個(gè)電阻器和三 個(gè)電容器。二極管(VD1或VD2)的陰極通過第一電容器(Cl或C2)連 接到脈沖發(fā)生器3，通過第一電阻器(R1或R2)連接到地。二極管(VD1 或VD2)的陽極通過第二電容器(C5或C6)連接到相應(yīng)的天線1或2。此 外，二極管(VD1或VD2)的陽極還通過第二電阻器(R5或R6)以及包括第三電阻器(R3或R4)和第三電容器(C3或C4)的并聯(lián)電路連接到差 分放大器7的相應(yīng)輸入端之一，第三電阻器(R3或R4)和第三電容器(C3 或C4) 一端連接在第二電阻器(R5或R6)和差分放大器7的輸入端之間， 另一端連接到地。第一天線接收和發(fā)射信號，連接到第二電容器(C5)和 輸入電路4的第一輸入端/輸出端。第二天線接收信號，并連接到第二電容 器(C6)以及輸入電路4的第一輸入端。輸入電路4的第二輸入端分別用 于提供選通脈沖給第一電容器(Cl和C2)。
通過第一電容器(C1和C2)提供負(fù)的選通脈沖給二極管(VD和VD2) 的陰極，從而導(dǎo)通它們，這些電容器實(shí)現(xiàn)封閉(blocking)電容器的功能。 第一電容器(C1和C2)的電容以及第一電阻器(Rl禾nR2)的電阻被選擇 成消除電壓的恒定分量而不使波形失真。例如，在本發(fā)明的裝置的實(shí)際實(shí) 現(xiàn)中，電容器C1和C2具有1納法的電容，電阻器R1和R2具有50歐姆 的電阻。第三電容器(C3和C4)具有IO納法的電容，通過選通脈沖充電。 由于選通脈沖的提供是異步的，所以在選通脈沖的持續(xù)時(shí)間中，在第檢 測器5 (第一通道中)的第三電容器(C3)處積累信號和干擾，在第二檢 測器6 (第二通道中)的第三電容器(C4)處只積累干擾。然后，差分放 大器4將第三電容器(C3和C4)的電壓相減，隔離出想要的信號，提高抗 干擾能力。由于脈沖持續(xù)時(shí)間和延遲被選擇成相等(例如30納秒)，因此 這一輸入電路4能夠?qū)⒊掷m(xù)時(shí)間超過30納秒的干擾濾除。更高頻率的干擾， 包括脈沖干擾，則在第一電容器(Cl和C2)處濾除。在裝置的這個(gè)實(shí)施例 中，電容器C5和C6具有220皮法的電容，電阻器R5和R6具有IO千歐 的電阻，電阻器R3和R4各自具有500千歐的電阻。二極管VD3用于對脈 沖發(fā)生器3和第一天線1去耦。脈沖發(fā)生器的第一輸出端通過二極管VD3 連接到第一天線1的輸入端/輸出端，二極管VD3的陽極連接到第一天線1 的輸入端/輸出端，陰極連接到第一檢測器5的第二輸入端。
延遲電路11 (圖17)可以是在反相器和電容積分器(圖19)的基礎(chǔ)之 上的兩級。通過第一反相器時(shí)，視頻脈沖改變其極性。電容積分器R1、 Cl 延長視頻脈沖的前沿持續(xù)時(shí)間。由于這一邏輯單元——電容積分器^^的 鑒別電平保持恒定，第二反相器輸出端的這個(gè)視頻脈沖相對于輸入端(圖 20)的狀況發(fā)生了延遲，其中Uc是第一級輸出端的信號。延遲電路ll中第二級的工作與前面非常相似。在電路的這個(gè)實(shí)施例中，電容器Cl和C2 具有39皮法的電容，電阻器R1具有510歐姆的額定電阻，電阻器R2為1 千歐?？梢詫?yīng)的邏輯單元例如KP1554LN1用作反相器。
如上所述，本發(fā)明第二實(shí)施例中傳感器的工作方式和本發(fā)明第一實(shí)施 例的非常相似。第二實(shí)施例提高了對外場的抗干擾能力，但是與第一實(shí)施 例相比，降低了靈敏度，因?yàn)槌瑢拵綔y信號只從第一天線1發(fā)射，信號 相減增大了噪聲。
本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，成本低，靈敏度高，對傳感器周 圍的電子設(shè)備沒有什么電磁輻射干擾，有可能能夠工作于任何天氣狀況， 能夠安全地安裝在任何表面下。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，這里描述的本發(fā)明的傳感器的實(shí)施例不是 窮盡性的，可以有數(shù)不清的變形和改變，這些可以從后面的權(quán)利要求和圖1 到17所示的布局中認(rèn)識到。
工業(yè)實(shí)用性
這里描述的本發(fā)明中利用超寬帶探測信號檢測移動(dòng)目標(biāo)的傳感器的實(shí) 施例，可以用于在各種安全系統(tǒng)中，在近距離上，例如大約1到5米的距 離上，檢測移動(dòng)目標(biāo)。
權(quán)利要求
1. 一種利用超寬帶探測信號檢測移動(dòng)目標(biāo)的傳感器，包括第一天線和第二天線；脈沖發(fā)生器，具有兩個(gè)輸出端，第一輸出端連接到第一天線的輸入端/輸出端，第二輸出端連接到第二天線的輸入端/輸出端；輸入電路，包括兩個(gè)檢測器，第一檢測器的輸入端連接到第一天線的輸入端/輸出端，第二檢測器的輸入端連接到第二天線的輸入端/輸出端；差分放大器；反饋裝置；低頻濾波器；比較器；其中第一檢測器的輸出端連接到所述差分放大器的第一輸入端，第二檢測器的輸出端連接到所述差分放大器的第二輸入端，所述差分放大器的輸出端連接到所述低頻濾波器的輸入端并連接到所述反饋裝置的輸入端，該反饋裝置用于抑制所述傳感器的外部噪聲，其輸出端連接到所述差分放大器輸入端之一，所述低頻濾波器的輸出端連接到所述比較器的輸入端，將傳感器工作門限電壓提供給所述比較器的其它控制輸入端，所述比較器的輸出端用于生成傳感器告警信號。
2. 如權(quán)利要求l所述的傳感器，其特征在于所述反饋裝置包括具有負(fù) 反饋的運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器反饋電路的時(shí)間常數(shù)Toc被選擇成滿足 Toc》S/Vmin，其中S是移動(dòng)目標(biāo)在檢測區(qū)域內(nèi)通過的距離，Vmin是該 目標(biāo)的最小可記錄移動(dòng)速度。
3. —種利用超寬帶探測信號檢測移動(dòng)目標(biāo)的傳感器，包括 第一天線和第二天線；脈沖發(fā)生器，具有兩個(gè)輸出端；輸入電路，包括兩個(gè)檢測器，每個(gè)有兩個(gè)輸入端；其中所述脈沖發(fā)生器的第一輸出端連接到第一天線的輸入端/輸出端并連接到第一檢測器的第二輸入端，第一天線的輸入端/輸出端連接到第一檢 測器的第一輸入端，第二天線的輸出端連接到第二檢測器的第一輸入端， 所述脈沖發(fā)生器的第二輸出端通過延遲電路連接到第二檢測器的第二輸入端；差分放大器； 反饋裝置； 低頻濾波器； 比較器；其中第一檢測器的輸出端連接到所述差分放大器的第一輸入端，第二 檢測器的輸出端連接到所述差分放大器的第二輸入端，所述差分放大器的 輸出端連接到所述低頻濾波器的輸入端并連接到所述反饋裝置的輸入端， 該反饋裝置用于抑制傳感器外部干擾，其輸出端連接到所述差分放大器的 一個(gè)輸入端，所述低頻濾波器的輸出端連接到所述比較器的輸入端，將傳 感器工作門限電壓提供給所述比較器的其它輸入端，所述比較器的輸出端 用于生成傳感器告警信號。
4. 如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于所述輸入電路中的每個(gè)檢 測器包括一個(gè)二極管、三個(gè)電阻器和三個(gè)電容器，所述二極管的陰極通過 第一電容器連接到所述脈沖發(fā)生器，通過第一電阻器連接到地，所述二極 管的陽極通過第二電容器連接到所述天線，所述二極管的陽極還通過第二 電阻器以及由第三電阻器和第三電容器組成的并聯(lián)電路連接到所述差分放 大器的輸入端之一，所述第三電阻器和第三電容器一端連接在第二電阻器 和所述差分放大器的所述輸入端之間，另一端連接到所述地。
5. 如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于所述脈沖發(fā)生器的第一輸 出端通過二極管連接到第一天線的輸入端/輸出端，該二極管的陽極連接到 第一天線的輸入端/輸出端，其陰極連接到第一檢測器的第二輸入端。
6. 如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于所述反饋裝置包括具有負(fù) 反饋的運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器反饋電路的時(shí)間常數(shù)Toc被選擇成滿足Toe》S/Vmin，其中S是移動(dòng)目標(biāo)在檢測區(qū)域內(nèi)通過的距離，Vmin是目 標(biāo)的最小可記錄移動(dòng)速度。
全文摘要
在第一實(shí)施例中，本發(fā)明的傳感器包括第一天線和第二天線；脈沖發(fā)生器，具有兩個(gè)輸出端，第一輸出端連接到第一天線的輸入端/輸出端，第二輸出端連接到第二天線的輸入端/輸出端。傳感器的輸入電路包括兩個(gè)檢測器，第一檢測器的輸入端連接到第一天線的輸入端/輸出端，第二檢測器的輸入端連接到第二天線的輸入端/輸出端。第一檢測器的輸出端連接到差分放大器的第一輸入端，第二檢測器的輸出端連接到它的第二輸入端。差分放大器的輸出端連接到低頻濾波器并連接到反饋裝置，反饋裝置的輸出端連接到差分放大器輸入端之一。低頻濾波器的輸出端連接到比較器的輸入端。在第二實(shí)施例中，傳感器的輸入電路包括兩個(gè)檢測器，每個(gè)有兩個(gè)輸入端。脈沖發(fā)生器的第一輸出端連接到第一天線的輸入端/輸出端并連接到第一檢測器的第二輸入端。第一天線的輸入端/輸出端與第一檢測器的第一輸入端連接，脈沖發(fā)生器的第二輸出端通過延遲電路連接到第二檢測器的第二輸入端。
文檔編號G01S13/00GK101443677SQ200780016974
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月11日
發(fā)明者A·V·安德里亞諾夫, D·A·波諾馬廖夫, G·S·伊克拉莫夫, M·V·皮金 申請人:生命傳感器有限公司