專利名稱：具有距離靈敏度補(bǔ)償?shù)木嚯x選通場(chǎng)干擾傳感器的制作方法
根據(jù)美國(guó)能源部與加利福尼亞大學(xué)簽訂的關(guān)于LawrenceLivermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)作的W-7405-ENG-48號(hào)合同，美國(guó)政府享有涉及本發(fā)明的權(quán)利。
本發(fā)明涉及鄰近傳感器的場(chǎng)；尤其涉及場(chǎng)干擾傳感器技術(shù)。
場(chǎng)干擾傳感器提供一類具有各式各樣的應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，例如汽車防盜警報(bào)器、家庭侵入安全裝置和機(jī)器人傳感器、工業(yè)計(jì)數(shù)和過程控制、自動(dòng)開門工具，以及汽車障礙探測(cè)。
這些傳感器基本上是通過發(fā)射一種電磁信號(hào)并在傳感器場(chǎng)探測(cè)反射能而工作的。當(dāng)在傳感器場(chǎng)中不存在運(yùn)動(dòng)時(shí)，在該場(chǎng)中的反射能總是達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如果吸收或反射電磁能的物體進(jìn)入該場(chǎng)，則該反射能的變化就被探測(cè)出來。工作在微波頻率的場(chǎng)干擾傳感器實(shí)質(zhì)上和連續(xù)波(CW)多普勒微波傳感器相同。
現(xiàn)有的設(shè)計(jì)存在若干限制傳感器應(yīng)用的值得注意的問題。尤其是，它們易發(fā)生來自靠近該傳感器的場(chǎng)的其它發(fā)射機(jī)的干擾所產(chǎn)生的、或由在靠近的范圍的這類傳感器的過靈敏度所產(chǎn)生的假報(bào)警。
現(xiàn)有技術(shù)的場(chǎng)干擾傳感器在大多數(shù)應(yīng)用中依賴比較高功率微波能。這些高功率微波應(yīng)用被通信規(guī)則限制于非常密集的比較窄的頻帶。例如，現(xiàn)有的場(chǎng)干擾傳感器經(jīng)常工作在相同的頻帶中，像微波爐及其它高功率微波設(shè)備。這就使這些傳感器在該傳感器的接收機(jī)的范圍受到由外部發(fā)射機(jī)所引起的假讀數(shù)的影響。因?yàn)閷?duì)于這些應(yīng)用被分配的頻率范圍比較窄，可用于這些目的的信道數(shù)受限制。因此，可用于給定場(chǎng)的傳感器數(shù)也受限制。
現(xiàn)有技術(shù)的場(chǎng)干擾傳感器在靠近的范圍也是超靈敏的。因此，當(dāng)一個(gè)昆蟲降落在天線表面時(shí)，被調(diào)諧用來探測(cè)大約10英尺內(nèi)的一個(gè)人的運(yùn)動(dòng)的傳感器就會(huì)發(fā)射一個(gè)假告警信號(hào)。這個(gè)問題是因?yàn)樵撛O(shè)備的靈敏度隨1/R2函數(shù)的下降而產(chǎn)生，此處R是從該發(fā)射機(jī)到反射目標(biāo)的距離。另外，這種超靈敏度也使這些傳感器受到來自振動(dòng)或其它機(jī)械干擾的假告警信號(hào)的影響。
因此，最好是提供一種能克服現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的假告警問題的場(chǎng)干擾傳感器。最好也提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許在無干擾的情況下將多個(gè)傳感器放置在一個(gè)單獨(dú)的場(chǎng)中。
本發(fā)明提供一種工作在較低功率下的改進(jìn)的場(chǎng)干擾傳感器，該傳感器提供一個(gè)可調(diào)節(jié)的工作范圍、在近距離不是超靈敏的，允許在同一地點(diǎn)放置多個(gè)傳感器，并且能廉價(jià)地大量生產(chǎn)。
本發(fā)明能以這樣的傳感器為特征，該傳感器包括一個(gè)發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)發(fā)射一種被發(fā)射的電磁能的脈沖串序列。該脈沖串序列具有一個(gè)脈沖串重復(fù)速率，并且每個(gè)脈沖串具有一種脈沖串寬度并在一種發(fā)射機(jī)頻率處包含若干周期。該傳感器包括一個(gè)在該發(fā)射機(jī)頻率接收電磁能的接收機(jī)。該接收機(jī)包括一個(gè)混頻器，該混頻器將一個(gè)被發(fā)射的脈沖串與該同樣的被發(fā)射的脈沖串的反射波相混合產(chǎn)生一個(gè)中頻信號(hào)。該中頻是通過在此中頻調(diào)制該發(fā)射機(jī)頻率或振幅而產(chǎn)生的。連接該接收機(jī)并對(duì)中頻信號(hào)起反應(yīng)的電路系統(tǒng)將顯示在該傳感器場(chǎng)中的干擾。因?yàn)樵摶祛l器將被發(fā)射的脈沖串與該被發(fā)射的脈沖串的反射波相混合，因此，該脈沖串寬度規(guī)定該傳感器距離R大約是脈沖串的1/2。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，脈沖串變化率調(diào)制電路與該發(fā)射機(jī)相連接以便調(diào)制該脈沖串重復(fù)頻率。在一個(gè)方面，脈沖串重復(fù)頻率被隨機(jī)地或偽隨機(jī)地調(diào)制，這樣使得在該脈沖串序列中的脈沖串有一個(gè)相對(duì)于在一個(gè)大于該脈沖串寬度的范圍內(nèi)變化的標(biāo)稱速率的出現(xiàn)時(shí)間。
在一個(gè)系統(tǒng)中，該發(fā)射機(jī)頻率大約為千兆赫(例如2G赫)，脈沖串重復(fù)頻率大約為兆赫(例如1兆赫)，以及該中頻大約為千赫(例如10千赫)。在該發(fā)射機(jī)頻率中一個(gè)脈沖串可以有大約2-40個(gè)周期。這就為該脈沖串序列產(chǎn)生一個(gè)低負(fù)載周期。通過將該脈沖串的序列的出現(xiàn)時(shí)間調(diào)制為大于該脈沖串寬度，使得任何二個(gè)發(fā)射機(jī)將產(chǎn)生一個(gè)與另一個(gè)發(fā)射機(jī)的脈沖串重合的脈沖串和在該中頻(IF)接收機(jī)中產(chǎn)生的重要的響應(yīng)曲線的相位關(guān)系中的相似性將降低。二個(gè)傳感器的中頻振蕩器將與產(chǎn)生重要干擾的程度一致的低相似性也進(jìn)一步減少假探測(cè)的可能性。因此，該傳感器的固有的信道化被提供，從而允許多傳感器在一個(gè)單獨(dú)場(chǎng)中被使用。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該發(fā)射機(jī)頻率通過在該中頻處改變?cè)诘谝活l率和第二頻率之間的發(fā)射機(jī)頻率而被調(diào)制。該第一頻率與第二頻率有關(guān)，這樣使得在第一頻率處的脈沖串的末端的脈沖的相位不同于在第二頻率處的脈沖串的末端的脈沖相位，即小于一個(gè)周期，以及可能小于大約1/2周期。由混頻器所產(chǎn)生的中頻信號(hào)將指示在第一頻率和第二頻率處的相對(duì)的反射量。這些相對(duì)量是在第一頻率處的一個(gè)脈沖串的起端和末端的脈沖之間的相位差和在第二頻率處的一個(gè)脈沖串的始端和末端的脈沖之間的相位差的函數(shù)，并且通過反射的量來表示。因?yàn)槎叹嚯x的相位差遠(yuǎn)小于最遠(yuǎn)距離的相位差，因而近距離的設(shè)備的靈敏度較之該傳感器最遠(yuǎn)距離的靈敏度被減小。
因此，一個(gè)發(fā)射機(jī)通?？梢砸?.0或6.5千兆赫或更高的頻率為中心，以便用一個(gè)脈沖串寬度發(fā)射一個(gè)射頻(RF)脈沖串，該脈沖串寬度正好等于在最遠(yuǎn)探測(cè)距離的雙向傳輸時(shí)間。因?yàn)楸话l(fā)射的脈沖串被用于該接收混頻器(被稱為零拍操作)，因此如果在發(fā)射機(jī)已停止發(fā)射之后被反射的信號(hào)返回，則不存在混頻作用。因此，由該發(fā)射機(jī)的脈沖串寬度控制所提供的寬度將控制最遠(yuǎn)探測(cè)距離。該脈沖串重復(fù)率在一個(gè)優(yōu)先系統(tǒng)中是被噪音調(diào)制的以防止與其它傳感器相干碰撞，并防止具有射頻(RF)干擾的拍頻。通過在低通濾波器中綜合出所接收的較大數(shù)目的脈沖串而能夠容易地做到這一點(diǎn)。通常，該脈沖串重復(fù)率大約為1兆赫，并且該低通濾波器具有一個(gè)10毫秒的響應(yīng)以便合成大約10000個(gè)脈沖串去簡(jiǎn)化信道化。
該接收混頻器可以是單個(gè)二極管電路后接一個(gè)雙極晶體管放大器目的是用于低噪音操作。由于在一個(gè)優(yōu)先應(yīng)用中存在著該傳感器的低負(fù)載周期，因此，該接收機(jī)起一個(gè)采樣和保持電路作用以便將被探測(cè)的信號(hào)從一個(gè)脈沖串重復(fù)周期延伸到下一個(gè)脈沖串重復(fù)周期。
低負(fù)載周期操作將總的射頻(RF)發(fā)射能級(jí)減小到可能是聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)操作規(guī)程第15部分的那一點(diǎn)，從而打開大的頻譜區(qū)供使用并取消對(duì)緊密頻率控制的需要。低負(fù)載周期操作的另一方面是低功耗。如果脈沖寬度為10毫微秒，重復(fù)周期為10μs(微秒)，發(fā)射機(jī)電流減小到1/1000，從而允許對(duì)電池多年連續(xù)工作。
通過該發(fā)射機(jī)振蕩器的頻率調(diào)制提供了另一新特點(diǎn)，該頻率調(diào)制使中頻，例如10千赫的發(fā)射頻率周期地漂移。這將導(dǎo)致在混頻器輸出端出現(xiàn)中頻方波。與接收混頻器相連接的中頻放大器不能以脈沖串重復(fù)率或以直流(DC)方式通過頻率，并對(duì)隨發(fā)射頻率而變化的平均接收回波中的變化起反應(yīng)。由于與在結(jié)束回程期間的零拍操作有關(guān)，所以通過對(duì)反射信號(hào)的頻率調(diào)制所感應(yīng)的效應(yīng)很小，并且很少有中頻信號(hào)被放大。對(duì)于在靠近最遠(yuǎn)距離的遠(yuǎn)端回程，該頻率調(diào)制被設(shè)定以便在二個(gè)頻率處的接收回波中提供一個(gè)完全的1/2周期漂移(移位)，或者在包含在脈沖串寬度內(nèi)的射頻(RF)周期總數(shù)中提供一個(gè)完全的1/2周期漂移(移位)。因此，在最遠(yuǎn)距離的那些目標(biāo)提供一種具有在第一和第二調(diào)制頻率之間的完全的180°倒相的多普勒響應(yīng)。由于該中頻放大器通過按調(diào)制率變化的信號(hào)，并且這些信號(hào)具有與倒相幅度相對(duì)應(yīng)的振幅，因此，在零距離沒有靈敏度，并且在最大范圍處具有最大靈敏度以補(bǔ)償隨范圍的增大而產(chǎn)生的靈敏度上的自然損失。
因此，一種改進(jìn)了的場(chǎng)干擾傳感器被提供，該傳感器被進(jìn)行距離選通，允許在一個(gè)單獨(dú)場(chǎng)中放置多個(gè)傳感器，從而克服了在現(xiàn)有技術(shù)的近距離中的超靈敏度。而且，該系統(tǒng)制造簡(jiǎn)單、成本低，并且用能工作多年的電池這樣低功率工作。
在觀察下面的附圖、詳細(xì)說明和權(quán)利要求書時(shí)，就能了解本發(fā)明的其它方面情況和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是一個(gè)本發(fā)明的距離選通場(chǎng)干擾傳感器的方框圖；圖2是一個(gè)說明本發(fā)明的頻率調(diào)制的定時(shí)圖；圖3是一個(gè)說明本發(fā)明的混頻和距離選通操作的定時(shí)圖；圖4是一個(gè)表示根據(jù)本發(fā)明的傳感器特性的曲線圖；圖5是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖6是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的傳感器的另一實(shí)施例的示意圖；圖7是一個(gè)供圖6的電路使用的一個(gè)電池組電源的示意圖8是一個(gè)在二個(gè)發(fā)射機(jī)頻率的圖6的元件值的表格。
根據(jù)這些圖下面提供了本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)說明。
圖1是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的具有距離靈敏度補(bǔ)償?shù)木嚯x選通的場(chǎng)干擾傳感器的方框圖。該基本系統(tǒng)包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)射天線11的選通射頻(RF)振蕩器10。該選通RF振蕩器10產(chǎn)生具有一個(gè)脈沖串寬度的一序列脈沖串，該脈沖串寬度由穿過線路1連接選通RF振蕩器的一個(gè)脈沖串寬度調(diào)制器12來確定。該脈沖串寬度調(diào)制器12根據(jù)輸入控制14定義脈沖串寬度以便選擇該設(shè)備的范圍。該脈沖串重復(fù)率由一個(gè)驅(qū)動(dòng)該脈沖串寬度調(diào)制器的時(shí)鐘15來確定。時(shí)鐘15由一個(gè)隨機(jī)信源16調(diào)制相位，例如該隨機(jī)信源是可以放大用來產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制信號(hào)的噪音，或者是在脈沖串重復(fù)率振蕩器中固有的噪音。也可以使用偽隨機(jī)信源調(diào)制。
該選通的RF振蕩器10的頻率是由經(jīng)過線路18連接到該選通的RF振蕩器10的一個(gè)中頻信號(hào)源17調(diào)制的頻率。
被發(fā)射的脈沖串19從目標(biāo)20反射，并且該回波被一個(gè)接收天線21探測(cè)。如由線路34所圖示說明那樣，該接收天線21驅(qū)動(dòng)一個(gè)也連接該發(fā)射信號(hào)的RF混頻器22。該RF混頻器22的輸出連接到一個(gè)被調(diào)諧到FM中頻信號(hào)源17的頻率的中頻放大器23。中頻放大器23的輸出連接到被FM中頻信號(hào)源17同步的一個(gè)同步整流器24。該整流器24的輸出經(jīng)由一個(gè)低帶通濾波器25和基帶放大器26供給一個(gè)門限檢測(cè)電路，通常是27。該門限檢測(cè)電路包括一個(gè)具有連接一個(gè)正門限值29的負(fù)輸入和連接基帶放大器26的輸出的一個(gè)正輸入的第一比較器28。該門限檢測(cè)器也包括具有連接基帶放大器26的輸出的一個(gè)負(fù)輸入和連接負(fù)門限31的正輸入的第二比較器30。當(dāng)基帶放大器26的輸出幅度超過該門限值時(shí)，則一個(gè)告警信號(hào)供給線路32以便驅(qū)動(dòng)一個(gè)告警電路，例如報(bào)警器33或其它響應(yīng)裝置。該報(bào)警器33可以被替換，例如被一種驅(qū)動(dòng)許許多多的響應(yīng)裝置的開關(guān)替換。
此外，基帶放大器還可以被數(shù)字化并被處理以便確定在所接收的信號(hào)中所顯示的干擾特性，例如運(yùn)動(dòng)速度，大小等，而不是如圖1所說明的那樣驅(qū)動(dòng)一個(gè)門限檢測(cè)/告警電路。
在一個(gè)被設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，被選通的RF振蕩器將產(chǎn)生一個(gè)大約2千兆赫的脈沖串。FM振蕩器17工作在大約10千赫，并調(diào)制在例如2.00千兆赫和2.10千兆赫之間的振蕩器10的輸出頻率。由本實(shí)施例中的振蕩器15所定義的脈沖串重復(fù)頻率大約為2兆赫噪音源16最好在一個(gè)大致大于該脈沖串寬度的等效距離上調(diào)制脈沖串重復(fù)頻率振蕩器15的相位。
脈沖串寬度規(guī)定了該設(shè)備的作用范圍，因?yàn)橹挥性谠撁}沖串發(fā)送期間混頻器22中的RF混頻才發(fā)生。在上述的2千兆系統(tǒng)中，該脈沖串寬度可以大約是選通RF振蕩器10的2～40個(gè)周期左右，從而為該發(fā)射機(jī)提供一個(gè)低負(fù)載周期，并因此提供一種低功耗。在一個(gè)2千兆赫發(fā)射機(jī)頻率中和在大約12英寸距離，該脈沖串寬度應(yīng)為大約4個(gè)周期，或大約為2毫微秒。
圖2說明在該脈沖串序列中的脈沖串的某些特性。如圖1所說明的那樣，RF振蕩器是由大約10千赫的方波調(diào)制的頻率。因此，該脈沖串將用第一低頻fL和第二高頻fH來產(chǎn)生。這些頻率如圖2所說明的那樣僅僅稍微不同。因此，在鄰近距離內(nèi)，例如在4個(gè)周期以后，在二個(gè)頻率之間給定距離的相位差(ΔφN)很小。但是，在脈沖串的末端，在二個(gè)頻率之間的脈沖串的末端的相位差(ΔφF)大約是180°。因此，對(duì)于給定的脈沖串寬度由于相對(duì)相位移大約為0°，所以頻率為fH的脈沖串頭部60的相位大致與尾部61的相同。相反，由于在相同的脈沖串寬度處的相對(duì)相位移大約是180°，所以頻率為fL的脈沖串的頭部62與尾端63的相位不同，大約為180°。這就在從最遠(yuǎn)距離的目標(biāo)所接收的回波中的中頻提供完全的180°倒相，該最遠(yuǎn)距離是基于180°相對(duì)相移差。
根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施例，該傳感器在最遠(yuǎn)傳感器距離的二個(gè)RF頻率之間具有小于360°的相對(duì)相移差，而且最好是大約小于180°。
根據(jù)本發(fā)明，該傳感器就是使用大于一周期的相對(duì)相移差進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的。但是，當(dāng)相對(duì)相移差大于180°時(shí)，該設(shè)備的靈敏度將下降。此外，在特定的距離上，如果相對(duì)相移差下降到零，那么在該傳感器場(chǎng)內(nèi)可能產(chǎn)生盲點(diǎn)。因此，在具有可調(diào)脈沖寬度的該優(yōu)先系統(tǒng)中，頻率調(diào)制被設(shè)定，使得在最遠(yuǎn)距離相對(duì)相移差大約為180°，這樣當(dāng)該距離通過縮短該脈沖串寬度被調(diào)諧時(shí)，該相對(duì)相移差將小于180°。對(duì)于非常短的距離的操作，該相對(duì)相移差很小。為一個(gè)給定的設(shè)計(jì)選擇特定的關(guān)系將取決于配置傳感器的場(chǎng)特性，并且該部分經(jīng)常用來補(bǔ)充傳感器。
因此，例如，對(duì)于一個(gè)給定的脈沖串寬度在發(fā)射頻率fL處可以有N個(gè)周期。對(duì)于該實(shí)施例，在發(fā)射頻率fH處，在對(duì)于較高頻率的脈沖串寬度中可以有N+1/2個(gè)周期。當(dāng)然，在一個(gè)脈沖串中的絕對(duì)周期數(shù)將依據(jù)經(jīng)常用來產(chǎn)生該脈沖串的電路而變化。但是，該相位關(guān)系呆以通過控制該發(fā)射機(jī)頻率而被強(qiáng)迫執(zhí)行。
圖3說明所接收的周期的混頻功能。因此，在圖3中，軌跡50圖解說明被發(fā)射的脈沖串。軌跡51圖解說明一個(gè)接收反射(波形)。軌跡52圖解說明其間發(fā)生混頻的周期。就是說，混頻從在點(diǎn)53處的反射信號(hào)的接收開始出現(xiàn)直到在點(diǎn)54處發(fā)射信號(hào)結(jié)束。
在軌跡52處還圖解說明了在低頻fL和高頻fH處的接收的回波幅度。這一振幅差ΔA是距離的函數(shù)，在該距離中，當(dāng)在發(fā)射的脈沖串和被接收的反射之間的相位差被反射，則產(chǎn)生干擾以及干擾幅度。在實(shí)際系統(tǒng)中，中頻信號(hào)是以集合大量混頻的信號(hào)脈沖，在該中頻處的fH和fL之間進(jìn)行振蕩為基礎(chǔ)的。因此，在非常近的距離，取決于對(duì)于一個(gè)給定的干擾幅度的頻率調(diào)制的幅度差將低于在較長(zhǎng)距離中的混頻信號(hào)的幅度差。
圖4說明在其設(shè)定距離內(nèi)的傳感器的特性，示出了在近距離靈敏度基本上不增加。因此，如在圖4中所說明的那樣，該中頻響應(yīng)在基帶放大器26的輸出端被采樣。由于該距離被設(shè)定在大約12英寸處，該信號(hào)通過移動(dòng)一個(gè)交進(jìn)(hand in)接觸該發(fā)射機(jī)而被產(chǎn)生，然后取消。如在點(diǎn)70的近距離處能看到的那樣，該信號(hào)幅度實(shí)質(zhì)上不大于點(diǎn)71的大約6英寸處的信號(hào)幅度。圖4還說明超出該距離以外的特性，在那里幾乎沒有中頻信號(hào)產(chǎn)生。
圖5是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)傳感器的電路示意圖，該示意圖用于圖4的曲線圖的形成。發(fā)射機(jī)由一個(gè)射頻晶體管100驅(qū)動(dòng)，該晶體管100被加偏壓以便以發(fā)射機(jī)頻率振蕩。晶體管100的集電極連接天線101，并經(jīng)過電感102(在物理布局中僅僅是固有的)連接到偏置節(jié)點(diǎn)103。偏置節(jié)點(diǎn)103經(jīng)電容器104連接到地，并經(jīng)由電阻器105連接一個(gè)由反相器106和反相器107組成的FM振蕩器。反相器106驅(qū)動(dòng)FM振蕩器的輸出，并經(jīng)由電容器108返饋連接到反相器107的輸入。同樣地，反相器107的輸出經(jīng)電阻器109連接到它的輸入端。
節(jié)點(diǎn)103經(jīng)過電阻器110連接電容器111，該電容器在它的另一個(gè)端子接地。二極管112的陰極連接電容器111，而它的陽極連接到二極管113的陰極。二極管113的陽極連接到5V電源。二極管112的陽極和二極管113的陰極經(jīng)過電容器114連接到反相器115的輸出端。反相器115的輸入連接到設(shè)定在大約2兆赫的脈沖串重復(fù)頻率振蕩器，該振蕩器由反相器116和反相器117組成。反相器116的輸出連接到反相器115的輸入，并經(jīng)過電容器118連接到反相器117的輸入。而且，反相器117的輸出經(jīng)過電阻器119連接到它的輸入。
與電阻器121串聯(lián)的電位計(jì)120組成一個(gè)可變電阻，而并聯(lián)電阻器122從反相器117的輸出連接到反相器123的輸入。此外，反相器123的輸入還經(jīng)過電容器124接地。反相器123的輸出經(jīng)過電阻器199連接到振蕩晶體管100的發(fā)射極。此外，電容器125還從晶體管100的發(fā)射極連接到地。
晶體管100的基極經(jīng)由電感器126以脈沖串重復(fù)率頻率由反相器116的輸出所驅(qū)動(dòng)。
在操作中，晶體管100的振蕩頻率在節(jié)點(diǎn)103被偏壓改變。該偏壓由反相器107和106所組成的振蕩器調(diào)制在7千赫，當(dāng)基板-發(fā)射極電壓超過它的門限值時(shí)，晶體管100就產(chǎn)生振蕩。振蕩產(chǎn)生在反相器116的輸出的上升沿，并形成一個(gè)脈沖串長(zhǎng)度，該脈沖串長(zhǎng)度由電組120～122和電容124組成的RC網(wǎng)絡(luò)形成的延遲以及反相器123的驅(qū)動(dòng)決定。因此，當(dāng)反相器123的輸出上升時(shí)，晶體管100的基極和發(fā)射極之間的電壓差下降到門限值以下，于是就停止振蕩。因此，在反相器116的輸出的上升沿，由天線101發(fā)射具有能通過調(diào)節(jié)電位器120調(diào)節(jié)的一個(gè)脈沖串長(zhǎng)度的一個(gè)脈沖串。因此，該電路為該發(fā)射機(jī)電路設(shè)定脈沖串長(zhǎng)度。當(dāng)反相器116和123用普通的單片集成相匹配時(shí)將脈沖串寬度中不希望有的變化減小到最小。對(duì)于一個(gè)2兆赫重復(fù)率和一個(gè)7千赫頻率調(diào)制率來說，每個(gè)中頻(IF)周期有大約6500個(gè)脈沖串。
該接收機(jī)包含連接到節(jié)點(diǎn)151的接收天線150。從節(jié)點(diǎn)151，一個(gè)電感器152接地。此外，肖特基二極管153的陰極連接到節(jié)點(diǎn)151。二極管153的陽極經(jīng)過電容器154接地，并經(jīng)過電阻器155連接正5伏電源，并且經(jīng)由電容器156連接到被連接作為放大器的中頻晶體管157。因此，該晶體管157的基極經(jīng)過電阻器158連接到它的集電極。而且，該集電極經(jīng)過電阻器159連接5伏電源。晶體管157的發(fā)射極接地。晶體管157的集電極經(jīng)由電容器160連接到由具有反饋連接的電阻器162的反相器161組成的中頻放大器。反相器161的輸出連接到一個(gè)由晶體管163組成的采樣保持電路，晶體管163的基極經(jīng)過電阻器164連接到FM振蕩器中的反相器107的輸出，晶體管163的集電極連接到電容器165的第一端子。電容器165的第二端子接地。而且，晶體管163的集電極經(jīng)由電容器166和電阻器167連接到被連接作為一個(gè)基帶放大器的反相器168的輸入。電阻器169和電容器170并聯(lián)連接并構(gòu)成反相器168的反饋。反相器168的輸出經(jīng)過電阻器171連接到反相器172的輸入，該反相器172被連接成放大器該放大器有并聯(lián)連接并作為反饋的電阻器173和電容器174。反相器172的輸出經(jīng)由電容器175和電阻器176連接到反相器177的輸入。電阻器178跨過反相器177被反饋連接。反相器177的輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)門限檢測(cè)電路。該門限檢測(cè)電路的輸入是節(jié)點(diǎn)198。一個(gè)第一電阻器179連接在節(jié)點(diǎn)198和反相器180的輸入之間。此外，電阻器181被連接在反相器180的輸入和5伏電源之間。一個(gè)第二電阻器182連接在節(jié)點(diǎn)198和反相器183之間。此外，電阻器184連接在反相器183的輸入和地之間。反相器180的輸出經(jīng)由二極管185連接到節(jié)點(diǎn)186。反相器183的輸出經(jīng)由反相器187和二極管188被連接到節(jié)點(diǎn)186。節(jié)點(diǎn)186經(jīng)過由電阻器189和電容器190組成的RC網(wǎng)絡(luò)連接到晶體管191的柵極。此外，電阻器192連接在晶體管191的柵極和地之間。晶體管191的源極接地，晶體管191的漏極經(jīng)由電阻器193連接到一個(gè)用電阻器195加偏壓和用電容器196旁路的告警器194。
因此，在操作中，被發(fā)射的信號(hào)連接到靠近發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的接收天線。被反射的信號(hào)被接收天線接收并在二極管153中混頻。該混頻了的信號(hào)的每個(gè)周期通過二極管153采樣，并將電容器154充電到被采樣的信號(hào)的振幅。電容器154的電壓幅度如上所述將在中頻變化。該中頻信號(hào)經(jīng)過由晶體管157組成的放大器和反相器161連接到由晶體管163所驅(qū)動(dòng)的采樣和保持電路。晶體管163與發(fā)射機(jī)的調(diào)制頻率同步以便對(duì)混頻信號(hào)的平均幅度進(jìn)行采樣和保持。該平均幅度被放大然后提供給一個(gè)峰值檢測(cè)電路。通過設(shè)定峰值檢測(cè)電路的往返值(trip Value)，就能選擇該傳感器的靈敏度。
在優(yōu)選系統(tǒng)中，發(fā)射和接收天線101和150是用安裝成2千赫發(fā)射機(jī)頻率的偶極子天線中的1-1/2英寸長(zhǎng)的導(dǎo)線構(gòu)成的，并被定位使得發(fā)射的信號(hào)以足夠大的振幅連接到接收天線以便進(jìn)行混頻操作。
脈沖串重復(fù)頻率發(fā)生器被在為圖5所說明的實(shí)施例選擇的反相器中固有的噪音所調(diào)制，這樣，就不需要附加的調(diào)制電路。
使用該圖中所說明的部件值，該電路是可以從大約零到大約12英尺的距離進(jìn)行調(diào)諧。RF振蕩器的調(diào)制在最遠(yuǎn)距離處被設(shè)立為大約180°倒相。
圖6說明根據(jù)本發(fā)明的距離選通鄰近傳感器的另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，RF振蕩器由晶體管200驅(qū)動(dòng)。晶體管200的基極經(jīng)由電感器254接地。晶體管200的發(fā)射極經(jīng)過電容器201連接到地，并經(jīng)過電阻器202連接到節(jié)點(diǎn)203。節(jié)點(diǎn)203經(jīng)過電阻器204接地，并經(jīng)過電容器205連接到2兆赫脈沖串重復(fù)率振蕩器。該振蕩器包括串聯(lián)連接的反相器206和反相器207。該反相器207的輸出連接到電容器205，并經(jīng)過電容器208連接到反相器207的輸入。此外，反相器207的輸出還經(jīng)過電阻器209連接到它的輸入。
晶體管200的集電極經(jīng)由電感器255由在節(jié)點(diǎn)210的信號(hào)所調(diào)制，節(jié)點(diǎn)210經(jīng)過電容器211接地，并經(jīng)過電阻器212連接到5伏電源。此外，節(jié)點(diǎn)210還經(jīng)過電阻器213連接到由串聯(lián)連接的反相器214和215所組成的調(diào)制振蕩器的輸出。反相器214的輸出經(jīng)過電容器216連接到反相器215的輸入。此外，反相器215的輸出還經(jīng)過電阻器217連接到它的輸入。
接收機(jī)共用由振蕩器200驅(qū)動(dòng)的天線218。因此，該接收機(jī)包括具有它的連接到天線218的陽極的肖特基二極管219。二極管219的陰極連接到節(jié)點(diǎn)220。電容器221從節(jié)點(diǎn)220接地。電阻器222從節(jié)點(diǎn)220接地。此外，節(jié)點(diǎn)220經(jīng)由電容器223和電阻器224連接到一個(gè)放大器，該放大器由具有反饋連接的電阻器226的反相器225組成。反相器225的輸出經(jīng)過電阻器227連接到反相器228的輸入。反相器228的輸出經(jīng)由二極管229驅(qū)動(dòng)連接到節(jié)點(diǎn)230。電阻器231從節(jié)點(diǎn)230連接到反相器228的輸入。此外，電容器232還從節(jié)點(diǎn)230接地。節(jié)點(diǎn)230經(jīng)由電容器233和電阻器234連接到反相器235的輸入。節(jié)點(diǎn)230的電壓是檢測(cè)由IF放大器225供給的IF信號(hào)值的峰值。電阻器236從反相器235的輸出反饋連接到它的輸入。此外，反相器235的輸出還經(jīng)過電阻器237連接到反相器238的輸入。反相器238的輸出具有并聯(lián)連接并進(jìn)行反饋的電阻器239和電容器240。反相器238的輸出經(jīng)由電容器241和電阻器242連接到反相器243的輸入。反相器243具有反饋連接的電阻器244和電容器245。反相器243的輸出經(jīng)由電容器246和電阻器247連接到節(jié)點(diǎn)248。節(jié)點(diǎn)248還經(jīng)過電阻器249接地。此外，反相器243的輸出還經(jīng)由電阻器259連接反相器251的輸入。反相器251的輸入經(jīng)過電阻器252連接正電源。反相器251的輸出是在線路253上指示在該場(chǎng)中檢測(cè)干擾的一個(gè)信號(hào)。此外，節(jié)點(diǎn)248也可以用來驅(qū)動(dòng)如所希望那樣的告警電路。
圖6的電路是由像圖7所示那樣的電源驅(qū)動(dòng)。因此，一個(gè)9伏電池組275經(jīng)由一個(gè)電源開關(guān)276連接到一個(gè)變換器電路，該電路包含從開關(guān)276接地的電容器277，以及一個(gè)具有一個(gè)大約5伏的輸出279電壓變換器電路278，此外，該輸出279還經(jīng)過電容器280接地。5伏電源用來驅(qū)動(dòng)圖6所說明的電路。
該發(fā)射機(jī)的頻率可以被調(diào)節(jié)為適合于一個(gè)特定設(shè)計(jì)的需要。對(duì)于一個(gè)2千赫中心頻率，被標(biāo)記的元件值在圖8中說明。對(duì)于一個(gè)6.5千兆赫的中心頻率也可以使用圖8中所說明的值。
圖5和圖6中所說明的電路設(shè)計(jì)是由容易為精于此技術(shù)的人員所采用的暢銷的元件組成，它們的數(shù)值例子被示于這些圖中。人們將公認(rèn)，這些電路可以在應(yīng)用特殊集成電路(ASICs)或在元件的其它組合中被提供用來適于一個(gè)特寫設(shè)計(jì)者的需要。
這里所說明的實(shí)施例具有在中頻調(diào)制的頻率的RF發(fā)射機(jī)。使用振蕩器調(diào)制技術(shù)中的已知技術(shù)，另一些系統(tǒng)可以具有振幅調(diào)制(調(diào)幅)的RF發(fā)射機(jī)，或用其它方法調(diào)制的發(fā)射機(jī)。例如，RF振蕩器可以用一種雙脈沖串方式工作，此處，第一脈沖串發(fā)射后繼之以其間具有固定間隔的第二脈沖串。第一脈沖串只在一個(gè)特殊距離將與第二脈沖串混頻，該特殊距離由該脈沖群間隔確定。這將節(jié)省較長(zhǎng)距離的平均功率輸出，同時(shí)在近距離防止來自測(cè)量的干擾。此外，其它包絡(luò)整形(envelopeshaping)技術(shù)也可采用以便產(chǎn)生各種效果。
因此，本發(fā)明提供了一種場(chǎng)干擾傳感器，該傳感器能精確地進(jìn)行距離選通，避免鄰近同類傳感器或其它噪音源的干擾，并具有克服近距離內(nèi)超靈敏度的補(bǔ)償。而且，該電路功率很小，因而能使電池長(zhǎng)期地工作。因此，為基于微波的近傳感器提供了各式各樣的新應(yīng)用，例如，這些新應(yīng)用包括近傳感汽車報(bào)警，家庭安全系統(tǒng)，無鍵輸入系統(tǒng)，后備預(yù)警雷達(dá)等。
該系統(tǒng)使用距離選通來限定最遠(yuǎn)探測(cè)距離以便對(duì)于用于6英尺到12英尺的當(dāng)前實(shí)施例的一種典型可調(diào)節(jié)距離減少假報(bào)警。脈沖串重復(fù)頻率是被編碼的噪音以便允許在同一地點(diǎn)配置多個(gè)傳感器。該接收機(jī)很靈敏，允許減小發(fā)射功率。因此，它不必在15M波段工作，這些波段與其它高供電微波用戶如微波爐的波段密集在一起。這樣導(dǎo)致一種低工作電流，使電池壽命可能維持多年，并且制造成本非常低。低制造成本部分是由于低發(fā)射功率，該低發(fā)射功率避免復(fù)雜電路系統(tǒng)以便遵守通信規(guī)則。此外，該系統(tǒng)對(duì)距離靈敏度進(jìn)行了補(bǔ)償，因而消除了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的1/R2特征。因此，該系統(tǒng)在鄰近距離不是超靈敏度的系統(tǒng)，并且從0到最遠(yuǎn)距離合理地維持恒定的靈敏度。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的上述說明是用于圖解和說明。不打算詳細(xì)討論或?qū)⒈景l(fā)明限制在所公開的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男问健ｏ@然，對(duì)于熟悉此技術(shù)的專業(yè)人員來說，許多修改和變更將是顯而易見的。我們的意圖是，本發(fā)明的范圍將由下面的權(quán)利要求書及其等效物來定義。
權(quán)利要求
1.一個(gè)傳感器包括一個(gè)發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè)電磁能的被發(fā)射的脈沖串序列以便產(chǎn)生一個(gè)傳感器場(chǎng)，該序列脈沖串具有一個(gè)脈沖串重復(fù)率，并且每個(gè)脈沖串具有一個(gè)脈沖串寬度并在一個(gè)發(fā)射機(jī)頻率處包括若干周期；一個(gè)接收機(jī)，它以發(fā)射機(jī)頻率接收電磁能，該接收機(jī)包含一個(gè)混頻器，該混頻器將一個(gè)被發(fā)射的脈沖串與該被發(fā)射的脈沖串的反射(脈沖)相混頻以便產(chǎn)生一個(gè)中頻，這樣使得該脈沖串寬度定義一個(gè)傳感器距離；以及電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)連接接收機(jī)并響應(yīng)該中頻信號(hào)，以便顯示出在該傳感器場(chǎng)中的干擾。
2.權(quán)利要求1的傳感器包括一個(gè)連接到該發(fā)射機(jī)的電路，該電路以中頻調(diào)制被發(fā)射的脈沖串序列。
3.在權(quán)利要求2的傳感器中，該脈沖序列以小于或等于該脈沖串重復(fù)率被調(diào)制。
4.在權(quán)利要求2的傳感器中，該脈沖串序列通過改變?cè)谥蓄l處的第一頻率和第二頻率之間的發(fā)射機(jī)頻率而被調(diào)制，并且該中頻小于或等于該脈沖串重復(fù)率。
5.在權(quán)利要求4的傳感器中，該脈沖串具有一個(gè)開頭部分和結(jié)尾部分，并且在接近開頭部分周期和接近結(jié)尾部分周期之間具有一個(gè)相對(duì)相位移，并且對(duì)于在第一頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移在傳感器距離處以小于360°不同于對(duì)于在第二頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移。
6.在權(quán)利要求5的傳感器中，對(duì)于在第一頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移在一個(gè)特定的傳感器距離處以大約180°不同于對(duì)于在第二頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移。
7.權(quán)利要求1的傳感器，包括一個(gè)連接到發(fā)射機(jī)的用以調(diào)節(jié)脈沖串寬度的電路。
8.權(quán)利要求1的傳感器包括連接到該發(fā)射機(jī)并調(diào)制脈沖串重復(fù)率的脈沖串重復(fù)率調(diào)制電路。
9.在權(quán)利要求8的傳感器中，該脈沖串重復(fù)率小于該發(fā)射機(jī)頻率，并且該脈沖串重復(fù)率調(diào)制電路調(diào)制該脈沖重復(fù)率，這樣使得在該序列脈沖串中的脈沖串具有變動(dòng)的相位。
10.在權(quán)利要求9的傳感器中，發(fā)射機(jī)頻率大約為千兆赫級(jí)，而脈沖串重復(fù)率大約為兆赫級(jí)。
11.在權(quán)利要求1的傳感器中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)單獨(dú)的天線。
12.在權(quán)利要求1的傳感器中，發(fā)射機(jī)包括一個(gè)發(fā)射天線，接收機(jī)包括一個(gè)接收天線，并且發(fā)射天線和接收天線被安裝成這樣，使得發(fā)射的脈沖串鄰近地與接收天線相耦合以便與反射(脈沖串)混頻。
13.一個(gè)傳感器包括一個(gè)被調(diào)制的發(fā)射機(jī)，它發(fā)射一個(gè)電磁能的被發(fā)射的脈沖串序列，該被發(fā)射的脈沖串序列具有一個(gè)脈沖串重復(fù)率，并且每個(gè)脈沖串具有一個(gè)脈沖串寬度并包括在一個(gè)發(fā)射機(jī)頻率處的若干周期，該脈沖串序列在一個(gè)中頻處被調(diào)制；一個(gè)接收機(jī)，它在該發(fā)射機(jī)頻率處接收電磁能，該接收機(jī)包括一個(gè)混頻器，該混頻器將一個(gè)被發(fā)射的脈沖串與同樣的被發(fā)射的脈沖串的反射波進(jìn)行混頻以便產(chǎn)生一個(gè)中頻信號(hào)，這樣使得該脈沖串寬度定義一個(gè)大約1/2個(gè)該脈沖串寬度的傳感器距離；以及電路系統(tǒng)，連接到該接收機(jī)并響應(yīng)該中頻信號(hào)以便顯示在該傳感器距離內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。
14.在權(quán)利要求13的傳感器中，該脈沖串序列被以小于或等于該脈沖串重復(fù)率來頻率調(diào)制。
15.在權(quán)利要求13的傳感器中，脈沖串序列是通過改變?cè)谥蓄l處的第一頻率和第二頻率之間的發(fā)射機(jī)頻率來調(diào)制的。
16.在權(quán)利要求15的傳感器中，該脈沖串具有開頭和結(jié)尾，并且在靠近開頭的周期和靠近結(jié)尾的周期之間具有一個(gè)相對(duì)相位移，而對(duì)于在第一頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移在傳感器距離內(nèi)以小于360°而不同于對(duì)于在第二頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移。
17.在權(quán)利要求16的傳感器中，對(duì)于在第一頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移在一個(gè)特定的傳感器距離內(nèi)以大約180°而不同于在第二頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移。
18.權(quán)利要求13的傳感器包括連接到發(fā)射機(jī)的調(diào)制脈沖串重復(fù)率的脈沖串重復(fù)率調(diào)制電路。
19.在權(quán)利要求18的傳感器中，脈沖串重復(fù)率小于發(fā)射機(jī)頻率，并且脈沖串重復(fù)率調(diào)制電路調(diào)制脈沖串重復(fù)率以便使該脈沖串序列中的脈沖串具有變化的相位。
20.在權(quán)利要求19的傳感器中，發(fā)射機(jī)頻率大約是千兆赫級(jí)，而脈沖串重復(fù)率大約為兆赫級(jí)。
21.在權(quán)利要求13的傳感器中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)單獨(dú)的天線。
22.在權(quán)利要求13的傳感器中，發(fā)射機(jī)包括一個(gè)發(fā)射天線，接收機(jī)包括一個(gè)接收天線，并且發(fā)射和接收天線是這樣安裝的，使得被發(fā)射的脈沖串鄰近地被耦合到接收天線以便與反射波混頻。
23.一種傳感器包括一個(gè)發(fā)射機(jī)，它發(fā)射一個(gè)被發(fā)射的電磁能的脈沖串序列以便產(chǎn)生一個(gè)傳感器場(chǎng)，該脈沖串序列具有一個(gè)隨機(jī)地或偽隨機(jī)地被調(diào)制的脈沖串重復(fù)率，而每個(gè)脈沖串具有一個(gè)脈沖串寬度并在一個(gè)發(fā)射機(jī)頻率處包含若干周期；頻率調(diào)制電路系統(tǒng)，它連接到在中頻處在至少一個(gè)第一頻率和一個(gè)第二頻率之間轉(zhuǎn)換發(fā)射機(jī)頻率的發(fā)射機(jī)；一個(gè)接收機(jī)，它在發(fā)射機(jī)頻率處接收電磁能，它包括一個(gè)混頻器，該混頻器將一個(gè)被發(fā)射的脈沖串與該被發(fā)射的脈沖串的反射波混頻以便產(chǎn)生一個(gè)中頻信號(hào)，使得該脈沖串寬度定義一個(gè)傳感器距離；以及電路系統(tǒng)，它連接到接收機(jī)并響應(yīng)中頻信號(hào)，以便顯示在該傳感器場(chǎng)中的干擾。
24.在權(quán)利要求23的傳感器中，該脈沖串具有一個(gè)開頭和結(jié)尾，并在靠近開頭的周期和靠近結(jié)尾的周期之間具有一個(gè)相對(duì)的相位移，而對(duì)于在第一頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移在傳感器距離內(nèi)以小于360°而不同于對(duì)于在第二頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移。
25.在權(quán)利要求24的傳感器中，對(duì)于在第一頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移在一個(gè)特定的傳感器距離內(nèi)以大約180°而不同于對(duì)于在第二頻率處的脈沖串寬度的相對(duì)相位移。
26.在權(quán)利要求23的傳感器中，脈沖串重復(fù)率小于發(fā)射機(jī)頻率，并且被調(diào)制為，使得在該脈沖串序列中的脈沖串具有一個(gè)變化的相位。
27.在權(quán)利要求26的傳感器中，發(fā)射機(jī)頻率大約為千兆赫級(jí)，脈沖串重復(fù)率大約為兆赫級(jí)，而中頻大約為千赫級(jí)。
28.在權(quán)利要求23的傳感器中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)單獨(dú)的天線。
29.在權(quán)利要求23的傳感器中，發(fā)射機(jī)包括一個(gè)發(fā)射天線，而接收機(jī)包括一個(gè)接收天線，并且發(fā)射和接收天線是這樣安裝的，以便使得該被發(fā)射的脈沖串鄰近地耦合到接收機(jī)天線以便與反射波混頻。
全文摘要
一種場(chǎng)干擾傳感器用相對(duì)低的功率工作，它提供一個(gè)可調(diào)節(jié)的工作距離，在鄰近距離不是超靈敏度的，允許在同一地點(diǎn)安裝多個(gè)傳感器，并能廉價(jià)地制造。該傳感器包括一個(gè)發(fā)射一個(gè)電磁能的脈沖串(19)序列的發(fā)射機(jī)(11)，該發(fā)射機(jī)頻率在一個(gè)中頻處被調(diào)制。該脈沖串序列具有一個(gè)脈沖串重復(fù)率，并且每個(gè)脈沖串具有一個(gè)脈沖串寬度并在一個(gè)發(fā)射機(jī)頻率處包括若干周期。該傳感器包括一個(gè)接收機(jī)(21)，該接收機(jī)(21)在該發(fā)射機(jī)頻率處接收電磁能，并包含一個(gè)混頻器(22)，該混頻器(22)將一個(gè)被發(fā)射的脈沖串與相同的被發(fā)射的脈沖串的反射波混頻以便產(chǎn)生一個(gè)中頻信號(hào)。以及響應(yīng)該中頻信號(hào)的電路系統(tǒng)顯示在該傳感器場(chǎng)中的干擾。該脈沖串重復(fù)率隨機(jī)地或偽隨機(jī)地被調(diào)制使得在該脈沖串序列中的脈沖串具有一個(gè)變化的相位。
文檔編號(hào)G08B13/181GK1157657SQ95194937
公開日1997年8月20日 申請(qǐng)日期1995年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月6日
發(fā)明者托馬斯·E·邁瑟萬 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)