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1、(10)授权公告号 CN 102749618 B (45)授权公告日 2014.01.29 CN 102749618 B (21)申请号 201210251616.7 (22)申请日 2012.07.19 G01S 13/58(2006.01) (73)专利权人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38 号 (72)发明人 王静雨 冉立新 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 林怀禹 (54) 发明名称 利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方 法和系统 (57) 摘要 本发明公开了一种利用差分与叉乘模块测量 物体运动轨迹的方法和系统， 包括。
2、发射模块、 正交 解调模块和基带处理模块 ； 所述的基带处理模块 为差分与叉乘模块， 包括第一差分器， 第二差分 器， 第一乘法器， 第二乘法器， 第三乘法器， 第四乘 法器， 减法器， 加法器， 除法器、 累加器和隔直放大 器。 在雷达或声纳测量物体运动轨迹过程中， 利用 所述的差分与叉乘模块， 能够正确测量出待测物 体的运动轨迹， 克服了传统小角近似模块中测量 结果受待测物体位置影响的问题 ； 以及反正切模 块值域限制带来的不连续问题。本发明适合于在 通用计算机， 可编程逻辑器件以及数字集成电路 上实现。 (51)Int.Cl. 审查员 王晓东 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2。
3、 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)授权公告号 CN 102749618 B CN 102749618 B 1/1 页 2 1. 一种利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法， 其测量系统包括发射模块、 正 交解调模块和基带处理模块 ； 其特征在于 ： 所述的基带处理模块为差分与叉乘模块， 其输 入信号的正交信号分量 Q 分为三路， 即 Q1、 Q2、 Q3 路信号， 差分与叉乘模块输入信号的同相 信号分量 I 分为三路， 即 I1、 I2、 I3 路信号 ； Q1 路信号与 Q1 路信号相乘得到 Q 路乘方信号 A ； 。
4、Q2 路信号经过差分处理的结果和 I1 路信号相乘得到第一乘积信号 B ； I2 路信号经过差 分处理的结果和 Q3 路信号相乘得到第二乘积信号 C ； I3 路信号与 I3 路信号相乘得到 I 路 乘方信号 D ； 第一乘积信号 B 与第二乘积信号 C 相减得到差信号 E ； Q 路乘方信号 A 与 I 路 乘方信号 D 相加得到和信号 F ； 差信号 E 除以和信号 F 得到速度信号 G ； 速度信号 G 经过累 加得到位移信号 H ； 位移信号 H 经过隔直放大得到物体运动轨迹 X。 2. 一种利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的系统， 包括发射模块、 正交解调模块 和基带处理模块 ； 。
5、所述的基带处理模块为差分与叉乘模块， 包括第一差分器， 第二差分器， 第一乘法器， 第二乘法器， 第三乘法器， 第四乘法器， 减法器， 加法器， 除法器、 累加器和隔直 放大器 ； 其特征在于 ： 所述的差分与叉乘模块的正交信号分量输入端Q分为三路， 即Q1， Q2， Q3， 同相信号分量输入端 I 分为三路， 即 I1， I2， I3 ； 第一差分器的输入端接 Q2， 第一差分器 的输出端接第二乘法器的第 1 输入端 ； 第二差分器的输入端接系统的 I2， 第二差分器的输 出端接第三乘法器的第 2 输入端 ； 第一乘法器的两路输入端接 Q1， 第一乘法器的输出端接 加法器的第 1 输入端 ；。
6、 第二乘法器的第 1 输入端接第一差分器的输出端， 第二乘法器的第 2 输入端接I1， 第二乘法器的输出端接减法器的第1输入端 ； 第三乘法器的第1输入端接Q3， 第三乘法器的第 2 输入端接第二差分器的输出端， 第三乘法器的输出端接减法器的第 2 输 入端 ； 第四乘法器的两路输入端接I3， 第四乘法器的输出端接加法器的第2输入端 ； 减法器 的第1输入端接第二乘法器的输出端， 减法器的第2输入端接第三乘法器的输出端， 减法器 的输出端接除法器的第1输入端 ； 加法器的第1输入端接第一乘法器的输出端， 加法器的第 2 输入端接第四乘法器的输出端， 加法器的输出端接除法器的第 2 输入端 ； 。
7、除法器的第 1 输 入端接减法器的输出端， 除法器的第 2 输入端接加法器的输出端， 除法器的输出端接累加 器的输入端 ； 累加器的输入端接除法器的输出端， 累加器的输出端接隔直放大器的输入端 ； 隔直放大器的输入端接累加器的输出端， 隔直放大器的输出端为所述的差分与叉乘模块的 输出端。 权 利 要 求 书 CN 102749618 B 2 1/4 页 3 利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法和系统 技术领域 0001 本发明涉及一种利用雷达或声纳测量物体运动轨迹， 尤其是涉及一种利用差分与 叉乘模块测量物体运动轨迹的方法和系统。 背景技术 0002 在雷达和声纳系统中， 多普勒效应被广泛。
8、应用于测量物体各项运动信息， 包括运 动速度， 位移和运动轨迹。 以连续波雷达为例 ： 雷达系统中的发射模块向待测物体发射单频 电磁波 ； 当单频电磁波打到待测物体表面时， 被其反射， 同时待测物体的运动对反射波起到 相位调制的作用 ； 雷达系统的正交解调模块在接收到反射波后， 对其进行解调操作 ； 基带 处理模块对正交解调模块输出的同相信号分量 I 和正交信号分量 Q 进行数据处理操作， 从 中提取出物体运动轨迹信息。 0003 传统的基带处理模块都包含有一定的缺点， 如小角近似模块中， 存在系统测量结 果受待测物体位置变化影响的问题 ； 以及反正切模块具有值域限制， 处理结果中会出现不 连。
9、续点问题。为正确提取出正交解调模块输出中所包含的待测物体运动轨迹信息， 需要一 种不存在上述问题的基带处理模块。 发明内容 0004 本发明目的在于提供一种利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法和系统。 在雷达或声纳测量物体运动轨迹的过程中， 本发明用于处理雷达或声纳系统中正交解调模 块输出的正交信号分量 Q 和同相信号分量 I， 从中提取出待测物体的运动轨迹信息。 0005 本发明采用的技术方案是 ： 0006 一、 利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的方法 ： 0007 所述的差分与叉乘模块， 其输入信号的正交信号分量 Q 分为三路， 即 Q1、 Q2、 Q3 路 信号， 同相信号分量 。
10、I 分为三路， 即 I1、 I2、 I3 路信号 ； Q1 路信号与 Q1 路信号相乘得到 Q 路 乘方信号 A ； Q2 路信号经过差分处理的结果和 I1 路信号相乘得到第一乘积信号 B ； I2 路信 号经过差分处理的结果和 Q3 路信号相乘得到第二乘积信号 C ； I3 路信号与 I3 路信号相乘 得到 I 路乘方信号 D ； 第一乘积信号 B 与第二乘积信号 C 相减得到差信号 E ； Q 路乘方信号 A 与 I 路乘方信号 D 相加得到和信号 F ； 差信号 E 除以和信号 F 得到速度信号 G ； 速度信号 G 经过累加得到位移信号 H ； 位移信号 H 经过隔直放大得到物体运动轨。
11、迹 X。 0008 二、 利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的系统 ： 0009 包括发射模块、 正交解调模块和基带处理模块。 0010 所述的基带处理模块为差分与叉乘模块， 包括第一差分器， 第二差分器， 第一乘法 器， 第二乘法器， 第三乘法器， 第四乘法器， 减法器， 加法器， 除法器、 累加器和隔直放大器。 0011 所述的差分与叉乘模块的正交信号分量输入端 Q 分为三路， 即 Q1， Q2， Q3， 同相信 号分量输入端 I 分为三路， 即 I1， I2， I3 ； 第一差分器的输入端接 Q2， 第一差分器的输出端 接第二乘法器的第 1 输入端 ； 第二差分器的输入端接系统的 I2，。
12、 第二差分器的输出端接第 说 明 书 CN 102749618 B 3 2/4 页 4 三乘法器的第 2 输入端 ； 第一乘法器的两路输入端接 Q1， 第一乘法器的输出端接加法器的 第 1 输入端 ； 第二乘法器的第 1 输入端接第一差分器的输出端， 第二乘法器的第 2 输入端 接 I1， 第二乘法器的输出端接减法器的第 1 输入端 ； 第三乘法器的第 1 输入端接 Q3， 第三 乘法器的第2输入端接第二差分器的输出端， 第三乘法器的输出端接减法器的第2输入端 ； 第四乘法器的两路输入端接 I3， 第四乘法器的输出端接加法器的第 2 输入端 ； 减法器的第 1 输入端接第二乘法器的输出端， 减。
13、法器的第 2 输入端接第三乘法器的输出端， 减法器的输 出端接除法器的第 1 输入端 ； 加法器的第 1 输入端接第一乘法器的输出端， 加法器的第 2 输入端接第四乘法器的输出端， 加法器的输出端接除法器的第 2 输入端 ； 除法器的第 1 输 入端接减法器的输出端， 除法器的第 2 输入端接加法器的输出端， 除法器的输出端接累加 器的输入端 ； 累加器的输入端接除法器的输出端， 累加器的输出端接隔直放大器的输入端 ； 隔直放大器的输入端接累加器的输出端， 隔直放大器的输出端为所述的差分与叉乘模块的 输出端。 0012 本发明具有的有益效果是 ： 0013 在雷达或声纳系统测量物体运动轨迹的过。
14、程中， 利用本发明提供的方法和系统， 能够正确测量到待测物体运动轨迹， 并克服传统基带处理模块的缺点 （如小角近似模块中， 系统测量结果受待测物体位置变化影响的问题 ； 以及反正切模块的值域限制引起的不连续 点问题） 。 0014 本发明适合于在通用计算机， 可编程逻辑器件以及数字集成电路上实现。 附图说明 0015 图 1 是本发明所涉及的雷达或声纳系统测量物体运动轨迹的原理框图。 0016 图 2 是所述的差分与叉乘模块原理框图。 0017 图 3 演示实例中的测量结果。 0018 其中，（a） 小角近似模块在最佳解调点的测量结果 ；（b） 小角近似模块在最差解调 点的测量结果 ；（c） 。
15、反正切模块的测量结果 ；（d） 差分与叉乘模块的测量结果。 具体实施方式 0019 以下结合附图， 以连续波雷达测量待测物体运动轨迹为实例， 具体阐述本发明的 工作原理和实施方式 ： 0020 如图 1 所示， 本发明所述的利用差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的系统 ： 包括 发射模块、 正交解调模块和基带处理模块 ； 其特征为 ： 所述的基带处理模块为差分与叉乘 模块。 0021 在连续波雷达测量物体运动轨迹的过程中， 发射模块向待测物体发射单频电磁波 T(t)， 不失一般性， 假设该信号满足下式， 0022 0023 其中， fc代表载波频率 ；代表发射机的相位噪声。 0024 当单频电磁波。
16、打到待测物体表面时， 被其反射 ； 同时待测物体的运动轨迹 （用 x(t) 表示） 对反射波起到相位调制的作用。 说 明 书 CN 102749618 B 4 3/4 页 5 0025 正交解调模块在接收到反射波后， 对其进行解调操作， 得到正交信号分量 Q 和同 相信号分量 I， 分别满足 0026 0027 和 0028 其中， 为雷达系统内部的固定相移， 与待测物体的位置有关 ； 为载波波长 ； x(t) 代表待测物体运动轨迹 ；代表剩余相位噪声， 可忽略不计。 0029 基带处理模块对正交解调模块输出的同相信号分量I和正交信号分量Q进行数据 处理操作， 从中提取出物体运动轨迹信息。传统。
17、的基带处理模块主要包括小角近似模块和 反正切模块两种。其中， 0030 小角近似模块基于的原理是在1时， sin()。 然而由于正交信号分量Q 或同相信号分量I中都具有一项， 在其取值不同时， Q和I会出现交替满足sin() 的现象， 即小角近似模块的测量结果受 （与待测物体位置有关） 的影响。 0031 利用反正切模块测量物体运动轨迹时， 由于 0032 0033 该模块测量出的物体运动轨迹， 不受待测物体位置的影响。 然而， 由于反三角函数 具有 (-/2,/2) 的值域限制， 该模块的测量结果中可能会包含一些不连续点。 0034 在本发明所述的差分与叉乘模块中， 按照以下方法计算物体的运。
18、动轨迹 0035 0036 其中，和分别表示对正交信号分量 Q 和同相信号分量 I 求时间导数操作。 在通用计算机， 可编程逻辑器件以及数字集成电路中， 该运算过程使用差分操作实现。 0037 该模块的测量结果在原理上避免了小角近似模块中的测量结果受物体位置影响 的问题， 以及反正切模块中值域限制带来的不连续点问题。 在通用计算机， 可编程逻辑器件 或数字集成电路中， 所述差分与叉乘模块测量物体运动轨迹的具体方法如下 ： 其输入信号 的正交信号分量 Q 分为三路， 即 Q1、 Q2、 Q3 路信号， 同相信号分量 I 分为三路， 即 I1、 I2、 I3 路信号 ； Q1 路信号与 Q1 路信。
19、号相乘得到 Q 路乘方信号 A ； Q2 路信号经过差分处理的结果和 I1 路信号相乘得到第一乘积信号 B ； I2 路信号经过差分处理的结果和 Q3 路信号相乘得到 第二乘积信号 C ； I3 路信号与 I3 路信号相乘得到 I 路乘方信号 D ； 第一乘积信号 B 与第二 乘积信号 C 相减得到差信号 E ； Q 路乘方信号 A 与 I 路乘方信号 D 相加得到和信号 F ； 差信 号 E 除以和信号 F 得到速度信号 G ； 速度信号 G 经过累加得到位移信号 H ； 位移信号 H 经过 隔直放大得到物体运动轨迹 X。 0038 如图 2 所示， 所述的差分与叉乘模块包括第一差分器， 第。
20、二差分器， 第一乘法器， 第二乘法器， 第三乘法器， 第四乘法器， 减法器， 加法器， 除法器、 累加器和隔直放大器。 说 明 书 CN 102749618 B 5 4/4 页 6 0039 所述的差分与叉乘模块的正交信号分量输入端 Q 分为三路， 即 Q1， Q2， Q3， 同相信 号分量输入端 I 分为三路， 即 I1， I2， I3 ； 第一差分器的输入端接 Q2， 第一差分器的输出端 接第二乘法器的第 1 输入端 ； 第二差分器的输入端接系统的 I2， 第二差分器的输出端接第 三乘法器的第 2 输入端 ； 第一乘法器的两路输入端接 Q1， 第一乘法器的输出端接加法器的 第 1 输入端 。
21、； 第二乘法器的第 1 输入端接第一差分器的输出端， 第二乘法器的第 2 输入端 接 I1， 第二乘法器的输出端接减法器的第 1 输入端 ； 第三乘法器的第 1 输入端接 Q3， 第三 乘法器的第2输入端接第二差分器的输出端， 第三乘法器的输出端接减法器的第2输入端 ； 第四乘法器的两路输入端接 I3， 第四乘法器的输出端接加法器的第 2 输入端 ； 减法器的第 1 输入端接第二乘法器的输出端， 减法器的第 2 输入端接第三乘法器的输出端， 减法器的输 出端接除法器的第 1 输入端 ； 加法器的第 1 输入端接第一乘法器的输出端， 加法器的第 2 输入端接第四乘法器的输出端， 加法器的输出端接。
22、除法器的第 2 输入端 ； 除法器的第 1 输 入端接减法器的输出端， 除法器的第 2 输入端接加法器的输出端， 除法器的输出端接累加 器的输入端 ； 累加器的输入端接除法器的输出端， 累加器的输出端接隔直放大器的输入端 ； 隔直放大器的输入端接累加器的输出端， 隔直放大器的输出端为所述的差分与叉乘模块的 输出端。 0040 如图 3 所示， 以下通过一个实例， 证明所述方法与系统的有效性。在演示实例中， 待测物体做幅度为 1 毫米， 周期为 1 秒的正弦往返运动。使用图 1 中所示的连续波雷达系 统， 分别使用小角近似模块、 反正切模块和差分与叉乘模块作为基带处理模块， 对待测物体 的运动轨。
23、迹进行测量。 0041 如图 3（a） 和 （b） 所示， 在小角近似模块的测量结果中， 当待测物体处于不同位置 时， 其测量结果不同。其中， 图 3（a） 所示的结果更接近待测物体的实际运动轨迹， 此时的 物体位置为最佳解调点。 0042 如图 3（c） 所示， 反正切模块的测量结果由于值域限制而出现了不连续的现象。 0043 如图 3（d） 所示， 差分与叉乘模块的测量结果真实反映了待测物体的实际运动轨 迹， 克服了小角近似模块中的测量结果受待测物体位置影响的问题， 以及反正切模块中值 域限制带来的不连续问题。 0044 以上结果证明了所述方法和系统的有效性。 说 明 书 CN 102749618 B 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102749618 B 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 102749618 B 8 。