[发明专利]非均匀采样正弦信号的检测和利用该检测的多普勒传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用非均匀采样来检测噪声和背景杂波中是否存在 具有未知频率、相位和幅度的正弦信号的方法，所述方法特别地但并不 专门地适用于利用相干脉冲电磁发射来确定感兴趣对象的距离和多普勒 频率的传感器(例如，微波传感器)。

背景技术

在许多实际的应用中，需要检测在背景噪声和杂波中是否存在具有 未知频率、相位和幅度的正弦信号。通常，这种检测是基于以非均匀间 隔的时刻获取的信号样点；此外，所采用的平均采样率可能实质上小于 采样定理规定的奈奎斯特速率。在这种情况下，常规的频率分析方法将 不能提供可靠且在统计上有意义的结果。

如将在下面更详细地解释的，在利用短相干电磁脉冲来照射某个感 兴趣的区域以便关于在预定距离R处并以预先选择的径向速度V运动的 对象是否存在做出决策的微波多普勒传感器中，需要对采样正弦波进行 检测。根据发射的和反射的脉冲之间的时间延迟τ来计算未知距离R， 其中R＝cτ/2，c是光速。根据发射的和反射的电磁波的频率之间的多 普勒偏移f_D＝2V/λ₀来确定径向速度V，其中λ₀是发射波长。

在测距应用中，将脉冲重复间隔T₀选择为提供所需的非模糊距离 R₀＝CT₀/2，而潜在的距离分辨率cΔ₀/2由所发射的脉冲的时长Δ₀确定。 如果以时长为T_F的观测间隔执行频率分析，则频率分辨率近似等于1/T_F。

通过适当改变假定的距离R和速度V两者的值，将对延迟/多普勒 (即，距离/速度)平面中感兴趣的区域进行扫描以检验是否潜在地存在 可能出现在微波传感器的视野中的各种对象。所涉及的检测过程通常包 括：首先，确定延迟/多普勒平面中的反射能量的分布；其次，利用适当 选择的决策阈值来找出已经超出该阈值的这些点的延迟/多普勒频率坐 标、τ和f_D(或等价地，R和V)。

图1示意性描述了脉冲串的参数与利用这种脉冲串进行测距的微波 多普勒传感器可实现的潜在的距离分辨率和多普勒频率(速度)之间的 关系。

由采样定理得出，为了根据离散时间均匀样点确定多普勒频率的值， 需要未知频率的每周期至少两个样点。因此，当采用周期性脉冲串来确 定感兴趣的对象的距离R和速度V两者时，对最大非模糊距离R₀和最大 非模糊径向速度V_max的乘积施加如下约束：

R₀|V_max|≤cλ₀/8

可以看出，对乘积R₀|V_max|的约束与所发射的电磁波的波长λ₀成比例； 因此，使用较长的波长似乎是优选的。然而，由于空间约束以及其他力 学上的考虑，许多实际的系统需要小天线尺寸但是窄的射束；这将意味 着使用毫米波长，优选地，使用与35、94、140和240GHz的大气传输 窗口对应的那些波长。

为了充分理解上述基本限制的后果，考虑具有λ₀≈3.2mm的94GHz 微波多普勒传感器。例如，在龙卷风的多普勒成像中，预期的风速可能 超过75m/s；因此，最大非模糊距离将限制为1600m。在家庭安全应用 中，应当可以在相对长的距离处检测到以200m/s到1500m/s的速度行 进的各种抛射体。然而，即使对于仅200m/s的速度，最大非模糊距离也 不会超过600m。

可使用两种基本的现有技术来构造能够减少距离模糊和速度模糊的 合成脉冲串。

-可以将若干脉冲串(每个脉冲串具有不同的和适当选择的脉冲重复 间隔)组合(例如，经由交织)，以便形成具有非均匀的脉冲间间隔的合 成脉冲串；

-在各脉冲重复间隔T₀内，在基础(underlying)脉冲串中出现的单 个脉冲可以由适当交错的(例如，不等间隔的)脉冲群代替，因此有效 降低了平均脉冲间间隔。