任郁苗，解曉琳，倪 原，郭玉萍

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安710032）

微功率沖擊雷達(dá)是國(guó)際上近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型高技術(shù)雷達(dá)，作為超寬帶雷達(dá)類(lèi)型的一種，沖激雷達(dá)直接發(fā)射無(wú)載波的基帶極窄脈沖，與傳統(tǒng)雷達(dá)不同的是沖激雷達(dá)系統(tǒng)既不需要對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制，也不需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行載波解調(diào)，而是發(fā)射和接收無(wú)載波的極窄脈沖信號(hào)，并通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)處理電路，獲得目標(biāo)信息[1-2]。其突出的特點(diǎn)是功率小，壽命長(zhǎng)，成本低，用途廣。

一般脈沖雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)是射頻脈沖串，而沖激雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)直接是沖激脈沖串。沖擊雷達(dá)發(fā)射和接收超短脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)距離探測(cè)。雷達(dá)的距離分辨率正比于發(fā)射脈沖寬度τ，即：距離分辨率d=τc/2，其中c為電磁波在空間的傳播速度[3]。通常，沖激雷達(dá)發(fā)射的是納秒甚至皮秒量級(jí)的超短脈沖，所以，其距離分辨率可達(dá)幾到幾十厘米。但雷達(dá)的穿透性能和高分辨率成像是一對(duì)矛盾。由于本文主要研究微功率沖激雷達(dá)技術(shù)在穿墻生命探測(cè)方面的應(yīng)用，偏重于對(duì)墻壁的穿透性能，故選擇低頻工作頻段。微功率短程超寬帶雷達(dá)可穿透6 m厚的磚墻，天線(xiàn)直徑只有45 cm，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)只有一部收音機(jī)大小[4]。研究表明：在低頻段，在1～10 GHz范圍的電磁波在穿過(guò)混凝土墻壁時(shí)衰減很小，隨著頻率的降低，衰減也在減少。因此，低于10 GHz的頻率適合對(duì)磚塊和混凝土構(gòu)筑的墻壁穿透探測(cè)，在此范圍內(nèi)頻率越低穿透性能越好。

1 系統(tǒng)工作原理

微功率沖擊雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，此系統(tǒng)主要由脈沖發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理電路和天線(xiàn)組成。

圖1 微功率沖擊雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)工作原理框圖Fig.1 Principle diagram of micropower impulse radar detection system

圖1中，脈沖振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，一方面，此信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖整形后作為觸發(fā)脈沖，觸發(fā)窄脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生極窄脈沖，并通過(guò)寬帶天線(xiàn)發(fā)射出去，被目標(biāo)反射的回波信號(hào)傳送到接收采樣電路；另一方面，脈沖振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)電路產(chǎn)生窄脈沖作為距離門(mén)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行選擇，接收取樣輸出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)積分電路對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行積累，再經(jīng)過(guò)放大電路和帶通濾波電路檢測(cè)微弱的目標(biāo)回波信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)A/D采集卡送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和處理，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)探測(cè)雷達(dá)波門(mén)進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接收信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)是微功率沖擊雷達(dá)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由取樣積分電路、可變延遲單元、帶通濾波電路和放大濾波電路組成。

圖2 微功率沖擊雷達(dá)接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of micropower impulse radar receiver system

2.1 取樣積分單元

積分取樣電路將接收到的被目標(biāo)反射的UWB微弱脈沖信號(hào)和經(jīng)過(guò)延時(shí)后的參考脈沖信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，即取樣積分,提高信噪比，然后經(jīng)過(guò)帶通濾波電路和放大濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息和生命特征信息的接收和檢測(cè)。這里可變延遲電路為取樣積分電路提供精確的同步參考脈沖信號(hào)，它的一個(gè)輸入是發(fā)射端脈沖信號(hào),另一個(gè)輸入由接收后端微控制單元的程序精確控制。

2.2 帶通濾波器設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)取樣積分后的信號(hào)中，混有高頻分量，需要將包含人體運(yùn)動(dòng)的上、下截止頻率為0.05～10 Hz的信號(hào)取出，為接收后端提取出呼吸和心跳信號(hào)奠定基礎(chǔ)。需設(shè)計(jì)上、下截止頻率為0.05～10 Hz帶通濾波器，其電路原理如圖3所示?？梢钥闯觯O(shè)計(jì)帶通濾波器在0.05～10 Hz具有較平坦的通頻帶。

圖3 帶通濾波器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of bandpass filter circuit

2.3 放大濾波電路設(shè)計(jì)

放大濾波電路可對(duì)UWB沖擊雷達(dá)的前端輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并為人體生命參數(shù)檢測(cè)及距離信息的探測(cè)提供硬件平臺(tái)。針對(duì)UWB雷達(dá)輸出信號(hào)特點(diǎn)，該放大濾波電路設(shè)計(jì)時(shí)必須注意電路的低頻響應(yīng)，電路對(duì)弱信號(hào)的放大，高倍數(shù)放大器的直流偏移量等問(wèn)題。以上問(wèn)題中，電路的低頻響應(yīng)可通過(guò)精確設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)來(lái)解決。放大弱信號(hào)，則電路的放大倍數(shù)必須要高，但是放大倍數(shù)過(guò)大就會(huì)使電路產(chǎn)生直流量，使得基線(xiàn)發(fā)生漂移或產(chǎn)生失真；在電路中設(shè)置阻容耦合電路，為各級(jí)電路的累積直流偏置電壓提供泄放回路[5-6]。

放大濾波電路是根據(jù)人體的呼吸率范圍（15～20次/min）和心率范圍（50～100次/min），經(jīng)相關(guān)檢測(cè)電路的信號(hào)分為兩路，分別檢測(cè)呼吸和心跳信號(hào)，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。其中放大電路主要包括前置放大電路、中間級(jí)放大電路和后級(jí)放大電路3部分。濾波電路主要有低通濾波、高通濾波和帶阻濾波。其分別組成0.6 Hz的低通濾波器（CPF）、0.7 Hz的高通濾波器（HPE）及 50 Hz的陷波器（BEF）。

圖4 信號(hào)預(yù)處理電路框圖Fig.4 Block diagrcum of signal preprocessing circuit

放大電路設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到提高前級(jí)增益，有利于提高電路的共模抑制比，但前級(jí)的增益過(guò)高后，當(dāng)輸入端引入極低頻率的信號(hào)、前級(jí)“零”點(diǎn)漂移或強(qiáng)信號(hào)引入時(shí)，易使后級(jí)電路飽和而引起“阻塞”現(xiàn)象。因此電路的增益設(shè)計(jì)如下：前置級(jí)放大增益為30 dB，中間級(jí)放大增益為10～100 dB，后級(jí)放大增益為30 dB，總增益范圍為300～30 000 dB。

濾波電路在信號(hào)預(yù)處理器中起著重要作用，它決定了信號(hào)的通頻帶，同時(shí)也具有濾除干擾的作用。

2.3.1 低通濾波器設(shè)計(jì)

人體的呼吸率和心率都小于10 Hz，因此前級(jí)放大器輸出信號(hào)先通過(guò)10 Hz低通濾波器濾除其他干擾信號(hào)，后級(jí)0.6 Hz的低通濾波器用于檢測(cè)人體呼吸信號(hào)。

該低通濾波電路主要濾除干擾信號(hào)，并且要求幅頻特性中有最大的平坦區(qū)，為此選用四階壓控電壓源巴特沃斯Butterworth型濾波器。壓控電壓源型電路結(jié)構(gòu)的濾波器特點(diǎn)是使用元件少，對(duì)放大器要求不高。在本級(jí)電路中，電阻器誤差小于0.01%，電容器誤差小于0.1%。由于電路中所選電阻值不在電阻序列之內(nèi)，故實(shí)際電路中，用多個(gè)電阻串聯(lián)以求得到所需的阻值，電路中電容必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格挑選。電路原理如圖5所示。10 Hz，0.6 Hz四階Butterworth LPF電路的元件值如表1所示。

圖5 LPF電路Fig.5 Circuit of LPF

2.3.2 0.7 Hz高通濾波器電路

0.7 Hz的高通濾波器用來(lái)檢測(cè)心跳信號(hào)，這里采用2個(gè)二階壓控高通濾波器串聯(lián)形成的四階高通濾波器來(lái)構(gòu)成0.7 Hz高通濾波器，其電路如圖6所示。

2.3.3 50 Hz陷波器電路

50 Hz陷波器在電路中起著重要作用。在檢測(cè)過(guò)程中，直流電源、周?chē)h(huán)境中的輸電線(xiàn)路等都會(huì)對(duì)信號(hào)預(yù)處理電路產(chǎn)生50 Hz的工頻干擾。因此，在電路中加入50 Hz陷波器濾除由其他電路耦合進(jìn)來(lái)的50 Hz干擾信號(hào)是非常必要的，其電路如圖7所示。50 Hz陷波器的設(shè)計(jì)要求為：f0=50 Hz；B≤4 Hz；Q≥10。

表1 lOHz,0.6Hz四階Butterworth LPF電路的元件值Tab.1 Component values of lOHz and 0.6Hz Fourth-order Butterworth LPF circuit

電路采用50 Hz帶通濾波器和加法電路組成，一路經(jīng)10 kΩ電阻進(jìn)入加法器輸入端，一路經(jīng)增益為-1的50 Hz帶通濾波器，經(jīng)10 kΩ電阻耦合進(jìn)入加法器輸入端。兩路信號(hào)相加，得到50 Hz陷波器。

圖6 0.7 Hz高通濾波器電路Fig.6 Circuit of 0.7Hz HPF

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)電路，對(duì)0.05～10 Hz帶通濾波器、10 Hz和0.6 Hz的低通濾波器、0.7 Hz的高通濾波器及50 Hz的陷波器電路中各元件進(jìn)行估值并通過(guò)Multisim仿真且反復(fù)調(diào)試，并通過(guò)電路試驗(yàn)，獲得了較為理想的幅頻特性，各部分電路的幅頻特性測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，0.05～10 Hz帶通濾波器、10 Hz和0.6 Hz低通濾波器、0.7 Hz的高通濾波器都具有平坦的3 dB通頻帶，50 Hz陷波器的Q值大于5。

圖7 50 Hz陷波器電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of 50Hz isolator subsidence filter

圖8 濾波器的幅頻特性Fig.8 Amplitude frequency characteristics of filters

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種微功率沖擊雷達(dá)系統(tǒng)接收信號(hào)處理電路，給出了各子模塊電路的設(shè)計(jì)原理，以及主要模塊的仿真調(diào)試結(jié)果，仿真結(jié)果顯示：主要電路，即帶通濾波器和放大濾波器的幅頻特性理想。按此仿真結(jié)果設(shè)計(jì)的電路經(jīng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了理論設(shè)計(jì)要求。依據(jù)該設(shè)計(jì)制作的電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性能好的特點(diǎn)，在超寬帶技術(shù)中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]Kawano Y，Nakasha Y，Yokoo K，et al.RF chipset for impulse UWB radar using 0.13-InP-HEMT technology[C].IEEE Transactions Microwave Theory and Techniques,2006 （12）:4489-4497.

[2]Nezirovic A，Damen J P，Yarovoy A G.Narrowband interference suppression in UWB impulse radar for human meing detection ultra-wideband[C].IEEE International Conference 2007（9）:56-61.

[3]Ludwig R,Bretchko P.射頻電路設(shè)計(jì)：理論與應(yīng)用[M].王子宇，譯.北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[4]李毅,張偉軍,張光甫,等.沖激雷達(dá)系統(tǒng)及探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007，29（2）:47-50.LI Yi，ZHANG Wei-jun，ZHANG Guang-fu，et al.Research on impulse radar system and detecting experiment[J].Journal of National University of Defense Technology,2007.29 （2）:47-50.

[5]周宇翔,魏國(guó)華,吳嗣亮.沖激雷達(dá)回波信號(hào)檢測(cè)方法研究[J].信號(hào)處理,2007,23（6）:900-903.ZHOU Yu-xiang，WEI Guo-hua，WU Si-liang.The research of singal detection method based on impulse radar[J].Journal of Signal Processing，2007,23（6）:900-903

[6]林廣,王俊,王衛(wèi)東.一種基于邊沿/門(mén)限檢測(cè)的 IR-UWB接收方法[J].計(jì)算機(jī)仿真,2007,24（2）:315-321 LIN Guang，WANG Jun，WANG Wei-dong.An impusle radio ultra-wideband receiver based on edge/threshold detection[J].Computer Simulation，2007,24（2）:315-321