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        小型移動(dòng)目標(biāo)微波探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2016-03-22 10:22:01杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院高惠芳
        電子世界 2016年4期

        杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 張 磊 高惠芳

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        小型移動(dòng)目標(biāo)微波探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院張磊高惠芳

        【摘要】基于微波雷達(dá)的多普勒效應(yīng),設(shè)計(jì)了一種基于微波傳感器和PIC12F675微控制器的小型探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微波傳感器、信號(hào)放大濾波電路和單片機(jī)采樣處理電路三部分構(gòu)成。詳細(xì)分析了該探測(cè)系統(tǒng)的工作原理和微波傳感器、信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:該系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)探測(cè),并且具有小體積、低成本、隱蔽性好、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)。

        【關(guān)鍵詞】微波傳感器;多普勒效應(yīng);移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)

        0 引言

        本文設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于10.52GHz的小型微波探測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)基于多普勒效應(yīng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)探測(cè)。該系統(tǒng)主要包括微波傳感器、信號(hào)放大濾波電路和單片機(jī)采樣處理電路。微波探測(cè)傳感器設(shè)計(jì)部分,采用介質(zhì)柱(DR)和高頻FET管組成的介質(zhì)振蕩器為系統(tǒng)提供頻率源,采用電容直接耦合,第一路信號(hào)由發(fā)射天 線(xiàn)發(fā)射出去,第二路信號(hào)送往混頻器; 混頻器采用U型傳輸線(xiàn)和二極管組成的反相單平衡混頻器;收發(fā)天線(xiàn)分別采用矩形貼片天線(xiàn)單元。信號(hào)放大處理部分,選用集成運(yùn)放芯片LM358設(shè)計(jì)兩級(jí)放大電路,同時(shí)實(shí)現(xiàn)帶通濾波, 對(duì)傳感器輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行放大,濾除高頻干擾;信號(hào)采樣部分,以 PIC12F675單片機(jī)為處理器,將采樣到的信號(hào)電壓與設(shè)定的門(mén)限電壓3V進(jìn)行比較,超過(guò)門(mén)限電壓表示移動(dòng)物體存在,點(diǎn)亮警示燈,以完成移動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)。

        1 工作原理

        微波傳感器是微波探測(cè)系統(tǒng)的核心,它的工作原理是多普勒效應(yīng)。電磁波或聲波頻率因饋元本身或/和目標(biāo)物相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的頻率改變稱(chēng)為多普勒頻移,或稱(chēng)多普勒效應(yīng)。

        聲源的波長(zhǎng)定義為=Csound/f,此處Csound是聲波在給定介質(zhì)中的傳播速度,f是聲源的頻率。如果聲源和觀(guān)察者都移動(dòng),則觀(guān)察者接收的頻率為[1]:

        發(fā)生多普勒頻移時(shí),混頻器將發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)進(jìn)行混頻,輸出一中頻信號(hào),即多普勒信號(hào),探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到該信號(hào)則可判定有移動(dòng)目標(biāo)存在。

        2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        本文設(shè)計(jì)了一個(gè)X波段微波探測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)探測(cè)。微波傳感器模塊包括:介質(zhì)振蕩器、混頻器和微波收發(fā)天線(xiàn)三部分。后續(xù)處理電路主要包括信號(hào)放大濾波電路和單片機(jī)采樣電路。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        3.1微波傳感器的設(shè)計(jì)

        傳感器射頻前段由四部分組成,包括介質(zhì)振蕩器、混頻器和收發(fā)天線(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的傳感器工作頻率為10.52GHz,原理圖如圖2所示,其中ANT101為發(fā)射天線(xiàn),ANT1022為接收天線(xiàn),IF為傳感器輸出的模擬電壓。

        圖2  傳感器原理圖

        微波傳感器為了增大天線(xiàn)增益和減小天線(xiàn)副瓣,大多采用天線(xiàn)陣列作為收發(fā)天線(xiàn)[2]。為了減小前端尺寸,實(shí)現(xiàn)小型化,本設(shè)計(jì)采用矩形貼片天線(xiàn)用于發(fā)射和接收信號(hào)。

        介質(zhì)振蕩器采用介質(zhì)柱(DR)和高頻場(chǎng)效應(yīng)管搭建。本設(shè)計(jì)選取砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管NE3210S01作為高頻場(chǎng)效應(yīng)管,不僅可以工作在10.52GHz頻率,而且相噪系數(shù)比較小。振蕩電路采取串聯(lián)反饋型、共源極電路結(jié)構(gòu),諧振器放置在場(chǎng)效應(yīng)管的柵極,信號(hào)從漏極輸出,在源極加入反饋使電路工作在非穩(wěn)定狀態(tài)。小功率傳感器中大量使用的是微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式的分布參數(shù)功率分配器[3],這種傳感器需要占據(jù)一定的平面尺寸,本設(shè)計(jì)采用集總參數(shù)功率分配器的LC式,直接通過(guò)電容耦合來(lái)分配?;祛l器采用單平衡設(shè)計(jì)[4],選用集成電路芯片HSMS-8202,內(nèi)部由兩個(gè)相同的二極管串聯(lián)構(gòu)成,該集成芯片在10GHz到14GHz范圍內(nèi)工作性能達(dá)到最佳狀態(tài),而且它的變頻損耗、封裝電阻、電容等都比較低。

        射頻電路與收發(fā)天線(xiàn)之間的結(jié)構(gòu)是背靠背式的,從而使射頻信號(hào)由金屬饋電柱傳遞到天線(xiàn),提高整體的抗過(guò)載性能。傳感器輸出的中頻信號(hào)在毫伏級(jí),需要外接放大電路。根據(jù)多普勒頻移公式,設(shè)定移動(dòng)目標(biāo)速度的范圍確定放大電路的帶寬,濾除高頻干擾。放大電路板和天線(xiàn)板、射頻板也采取背靠背式結(jié)構(gòu),整個(gè)傳感器的尺寸為27mm× 16mm,實(shí)物圖如圖3所示。

        圖3  射頻前端電路、貼片天線(xiàn)和整體結(jié)構(gòu)圖

        3.2信號(hào)放大濾波電路

        中頻信號(hào)的輸出頻率和移動(dòng)目標(biāo)的速度關(guān)系為fd=2vrf0/C,其中f0為探測(cè)器發(fā)射頻率,在這里取10.52G來(lái)計(jì)算,C為電磁波在空氣中的傳播速度,近似可以認(rèn)為是光速。針對(duì)不同速度的移動(dòng)目標(biāo),引起的多普勒頻移也有一個(gè)范圍,在幾赫茲到幾千赫茲不等。本文探測(cè)目標(biāo)的移動(dòng)速度在1m/s—20m/s范圍,對(duì)應(yīng)的多普勒頻移為70Hz—1.5KHz。根據(jù)放大倍數(shù)和通頻帶范圍,所設(shè)計(jì)的放大濾波電路如圖4所示。

        圖4  放大電路圖

        3.3單片機(jī)模塊

        BMI、TG、FBG、FCP 是 T2DM 并發(fā) NAFLD 的高危因素(OR>1),HDL-C、AST、ALT、GGT、2 hCP 與 T2DM并發(fā)NAFLD無(wú)明確相關(guān)性(OR<1)。見(jiàn)表2。

        出于低功耗、低成本等的綜合考慮,選擇PIC12F675單片機(jī)做為控制器。PIC12F675是Microchip公司推出的一款高性能8位8引腳超低功耗RISC單片機(jī),片上資源豐富,非常適合于追求低功耗、低成本儀器的需要[5]。傳感器輸出的模擬電壓經(jīng)由單片機(jī)的A/D模塊轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓與提前設(shè)定的3v門(mén)限電壓相比較,輸出一控制警示燈亮滅的開(kāi)關(guān)信號(hào),從而可判定在檢測(cè)范圍內(nèi)是否有移動(dòng)目標(biāo)的出現(xiàn)。

        4 軟件設(shè)計(jì)

        單片機(jī)對(duì)放大濾波電路輸出的電壓采樣,采樣后與設(shè)置的門(mén)限電壓3.0V作比較,采樣電壓超過(guò)設(shè)定門(mén)限值,將連接信號(hào)LED的引腳GPIO5置0,警示燈被點(diǎn)亮,采樣值小于3.0V,將GPIO5置1,警示燈將熄滅。單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖5所示。

        圖5 程序流程圖

        5 測(cè)試結(jié)果

        5.1傳感器功能測(cè)試

        傳感器前端沒(méi)有移動(dòng)目標(biāo)情況下,接收天線(xiàn)未能接收到回波信號(hào),此時(shí)傳感器輸出的是穩(wěn)定的2.5v直流電壓,如圖6中(a)所示;前端有移動(dòng)目標(biāo)情況下,傳感器輸出電壓幅值在0V和3.7V之間波動(dòng),如圖6中(b)所示。測(cè)試結(jié)果表明縮小尺寸后的傳感器能基本實(shí)現(xiàn)探測(cè)移動(dòng)目標(biāo)。

        圖6 傳感器輸出波形

        5.2徑向最遠(yuǎn)距離探測(cè)

        將傳感器和單片機(jī)采樣板放進(jìn)模擬裝置,實(shí)驗(yàn)分別選取人和矩形金屬板為目標(biāo),金屬板長(zhǎng)1.4米,寬1.0米。沿著裝置徑向方向以正常步行速度(1.3米/秒)移動(dòng),記錄能探測(cè)的最遠(yuǎn)距離。從圖7中看出距離傳感器5米左右時(shí),人移動(dòng)引起的多普勒信號(hào)最高幅值略大于3V,能被單片機(jī)檢測(cè)出,警示燈閃爍。距離增大時(shí),人移動(dòng)引起的多普勒信號(hào)幅值降低,略低于3V,此時(shí)單片機(jī)檢測(cè)出信號(hào)的幅值大小,判斷小于設(shè)置的門(mén)限電壓,認(rèn)為沒(méi)有移動(dòng)物體存在,警示燈一直處于熄滅狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:最遠(yuǎn)能探測(cè)到人的距離為5米左右,能探測(cè)到金屬板的距離為20米左右。

        圖7 示波器輸出波形

        6 結(jié)束語(yǔ)

        本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)基于多普勒效應(yīng)的小型微波探測(cè)系統(tǒng),探測(cè)系統(tǒng)發(fā)射一個(gè)高頻信號(hào),發(fā)射信號(hào)遇到移動(dòng)目標(biāo)障礙物,反射回一個(gè)帶多普勒頻移的回波信號(hào),經(jīng)混頻器混頻輸出頻率較低的中頻信號(hào),經(jīng)放大濾波電路處理,被單片機(jī)檢測(cè)識(shí)別并顯示預(yù)警信號(hào)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,可實(shí)時(shí)精確檢測(cè)到20米范圍內(nèi)的物體。

        參考文獻(xiàn)

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        [5]梁亞林,張永立,沈天健.基于PIC12F675的低誤報(bào)智能入侵探測(cè)器設(shè)計(jì)[J].測(cè)控術(shù),2003,22(9):22-24.

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