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)

[1]吳順君等.雷達(dá)中的微多普勒效應(yīng)[M].電子工業(yè)出版社,2013.

[2]張福云.基于小型化天線(xiàn)的多普勒傳感器研究[D].電子科技大學(xué),2013.

[3]雷振亞,明正峰,李磊等.微波工程導(dǎo)論[M].科學(xué)出版社,2010:93-103.

[4]陳智勇.微波厚膜集成電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南京理工大學(xué),2007.

[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.