夏燕超, 王 彥, 郭 靈

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

多普勒雷達是微波雷達的一種，它是基于多普勒效應(yīng)，通過檢測輻射到空間中并由目標物體反射回來的回波信號來工作。回波信號中包含了十分豐富的目標信息，比如目標的存在，目標距離雷達的遠近、角度等。隨著軟件算法技術(shù)水平的提升，還可以識別出與目標有關(guān)的更為精確復(fù)雜的信息[1]。

姿態(tài)檢測最初是作為人工智能領(lǐng)域一個重要的研究方向，但是隨著相關(guān)技術(shù)研究的深入，與姿態(tài)檢測技術(shù)相關(guān)的的研究成果開始向其他行業(yè)推廣并逐漸轉(zhuǎn)化成型。姿態(tài)檢測技術(shù)不僅在智能監(jiān)控、自然人機交互、虛擬現(xiàn)實體育訓(xùn)練、醫(yī)療康復(fù)鍛煉、智能監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在健身運動、體感游戲等新興消費領(lǐng)域也顯示出巨大的應(yīng)用潛力，極具廣闊的應(yīng)用前景[2]。

常規(guī)具有姿態(tài)檢測功能的微波雷達的主要工作過程是：雷達傳感器檢測到回波信號后首先進行預(yù)處理，將一維信號轉(zhuǎn)換為二維信號，最大程度上對姿態(tài)特征進行提取，同時濾除其他的干擾信號。然后再根據(jù)預(yù)處理的結(jié)果使用相關(guān)的算法進行識別與分類，與相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫進行比對，最后完成姿態(tài)檢測的功能。整個過程涉及到了大量的數(shù)據(jù)處理過程，對訓(xùn)練樣本的質(zhì)量和數(shù)量也都有很高的要求，這無疑增加了整個產(chǎn)品的研發(fā)成本[3]。

本文將設(shè)計一款能具有基本人體姿態(tài)檢測功能的多普勒微波雷達，通過對硬件電路的合理設(shè)計，能大幅度降低軟件算法復(fù)雜度。該成品可用于智能家居和智能醫(yī)療領(lǐng)域。在智能家居領(lǐng)域，通過檢測人的躺、坐、站等基本姿態(tài)進行行為預(yù)測，開啟相關(guān)的電子智能設(shè)備；在醫(yī)療領(lǐng)域，可用于隨時檢測病床上病人的呼吸心跳，保證醫(yī)護人員對病人出現(xiàn)的突發(fā)狀況做出及時的應(yīng)對；同時，在日常的照明應(yīng)用中也有廣闊的發(fā)展前景。整個系統(tǒng)電路主要由扇形波束天線、一體化混頻接收電路、人體信號檢測電路等部分組成。

1 扇形波束天線

傳統(tǒng)的微帶天線由于介質(zhì)板材、輻射貼片的形狀等因素限制，單個天線增益一般在6 dB～8 dB。為了實現(xiàn)特定方向性和高增益的目的，工程上往往需要多個陣元天線組成陣列天線進行工作。本文為了實現(xiàn)姿態(tài)檢測功能，需要工作天線輻射出類扇形的探測波束。為了達到這個目的，可以將若干個微帶輻射貼片組成微帶直線陣列天線。

對陣列天線進行設(shè)計時，需要先對陣元天線進行設(shè)計。微帶天線工作時，輻射貼片的上方是自由空間，下方是介質(zhì)基板。天線并沒有存在于一個均勻的介質(zhì)中。因此為了簡化計算，常常引入有效介電常數(shù)εe對天線進行分析，這等效于微帶天線工作時處于介電常數(shù)為εe的均勻介質(zhì)中。已知介質(zhì)的相對介電常數(shù)為εr，則εe的表達式為：

(1)

式(1)中w為矩形貼片的寬度，表達式為：

(2)

其中式(2)中λ0為真空中的電磁波長，根據(jù)經(jīng)驗公式可知矩形微帶貼片的長為

(3)

其中式(3)中l(wèi)′為修正量，表達式為

(4)

已知Rogers RT/duroid 4003的相對介電常數(shù)為3.55，當作為介質(zhì)基板材料時根據(jù)上述公式計算可知，理論上微帶天線獲得最大輻射效率時的初始尺寸寬W0=16.5 mm，L0=13.0 mm，以此為陣元設(shè)計陣列天線[4-6]。

通過研究發(fā)現(xiàn)，當矩形微帶天線不同方向激勵電流的流徑差別到達一定程度時，天線的輻射特性就會發(fā)生改變。本文對天線陣元采用了改進的弧形結(jié)構(gòu)，減小了輻射貼片的面積，增加了激勵電流信號的流徑，加大天線與參考地之間的耦合作用，從而改變了天線的輻射特性。最終陣列天線如圖1所示。

圖1 扇形波束天線Fig.1 Antenna with sector beam

整個陣列天線采用同軸串聯(lián)饋電，對于奇數(shù)陣元而言，這種方式可以大幅度減小天線的體積。兩側(cè)的陣元之間采用插入法進行阻抗匹配，可以靈活調(diào)整天線的的阻抗。并通過調(diào)整天線的整體尺寸參數(shù)使得天線的輸入阻抗與饋電端口達到阻抗匹配。通過三維電磁仿真軟件High Frequency Structure Simulator(HFSS)對天線進行多次仿真優(yōu)化得到天線的最佳尺寸參數(shù)為：陣元間的間距d≈24 mm，天線的整體尺寸24 mm×70 mm×1.07 mm。仿真后的天線增益如圖2、圖3所示。

圖2 天線三維方向增益Fig.2 Three-dimensional gain of antenna

從圖2天線的三維方向增益圖可知，天線的整體輻射特性類似扇形，增益達到了9.4 dB，同時兩側(cè)有一定水平的副瓣，但是陣元的數(shù)目較少，因此可忽略較小副瓣的影響。從圖3天線的二維方向增益圖可以看出E面和H面的半功率波束寬度(half-power beam width,HPBW)分別為105°和31°，輻射特性相比常用的探測天線發(fā)生了大幅度的改變，E面的HPBW大幅度提高，H面的HPBW大幅度降低。

圖3 天線二維方向增益Fig.3 Two-dimensional gain of antenna

電壓駐波比(voltage standing wave ratio，VSWR)指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，是衡量天線工作時損耗大小的重要參數(shù)。通過HFSS仿真優(yōu)化后，陣列天線輸入端口的VSWR曲線如圖4所示，陣元天線和陣列天線在5.5 GHz～6.3 GHz范圍內(nèi)的VSWR對比曲線如圖5所示。從圖4、圖5可以得知，在5.8 GHz處，陣列天線的輸入端口的電壓VSWR的值相比陣元天線更近理想狀態(tài)下的1。天線的仿真結(jié)果證明了扇形波束天線設(shè)計的合理性，并且能較好的滿足工程上的需求。

圖4 天線的輸入端口VSWRFig.4 VSWR of input-port for antenna

圖5 陣元天線和陣列天線的VSWRFig.5 VSWR of element antenna and array antenna

2 混頻電路設(shè)計

混頻器一般視為一個三端口器件，具有兩個信號輸入端口和一個信號輸出端口?；祛l電路的核心是非線性器件，兩個不同頻率成分的輸入信號經(jīng)過非線性器件后會產(chǎn)生一系列不同于輸入信號頻率的新信號，經(jīng)過濾波器進行濾波后就可以得到所需頻率的信號[7-8]。

本文設(shè)計了一體化混頻電路，具有發(fā)射、接收、濾波、混頻以及輸入輸出阻抗匹配的功能，能在保證基本接收功能的同時，有效減小了微帶電路的面積。混頻電路采用肖特基勢壘二極管作為混頻器件，結(jié)構(gòu)為微帶平衡混頻電路。導(dǎo)入肖特基勢壘二極管工作時的參數(shù)建立模型后，使用射頻電路設(shè)計軟件Advanced Design System(ADS)進行原理圖和Momentum電路的聯(lián)合仿真，整體電路如圖6所示，仿真后的主要參數(shù)如圖7所示。

圖6 混頻電路結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of mixer circuit

圖7 輸入輸出端口電壓駐波比Fig.7 VSWR of input and output ports

從圖7可以得知輸入輸出端的電壓駐波比在5.8 GHz處分別為1.2和1.1，十分接近1。這說明了此次設(shè)計的混頻電路結(jié)構(gòu)的輸入輸出阻抗匹配較好，微波信號通過混頻電路進行發(fā)射和接收時可以很大程度上減少傳輸過程中的介質(zhì)損耗，從而可以進一步提高混頻之后的中頻信號的峰值。

3 人體信號檢測電路

人體信號是由人體在日常生活中發(fā)出的包含特定信息的信號。目前常見的人體信號主要有動作信號、腦電信號、心電信號呼吸/心跳信號等。許多人體信號在電路系統(tǒng)中都屬于微小信號的范疇，信號電壓幅值一般在幾十微伏特至幾個毫伏特之間。這些信號如果不經(jīng)過放大、濾波等環(huán)節(jié)的處理，很難對其進行識別并加以運用。目前國內(nèi)外盡管有一些特別精密的儀器設(shè)備可以直接檢測、分析并運用這些信號，但是儀器設(shè)備價格相對高昂。因此采用普適性較好，成本較低的微小信號檢測電路是十分有必要的[9]。

本文的人體信號檢測電路主要針對人體的移動信號、微小動作(微動)信號以及呼吸信號進行檢測。電路設(shè)計的主要理論依據(jù)是多普勒效應(yīng)，由多普勒頻移公式得知，對于固定波源的多普勒微波雷達，被測移動物體的信號頻率與發(fā)射源的頻率關(guān)系為：

(5)

式(5)中fd為多普勒頻移的頻率，單位為Hz；f為波源頻率，Hz；c為電磁波在介質(zhì)中傳播的速度，m/s；當介質(zhì)為空氣時，c為光速；v為被測物體的移動速度，m/s；θ為被測物體與波源之間的夾角，(°)。根據(jù)多普勒頻移公式可以計算出工作頻率下相應(yīng)的人體信號對應(yīng)的頻率范圍，進而設(shè)計相應(yīng)的濾波放大電路[10]。

當波源的工作頻率為5.8 GHz時，混頻后輸出的常規(guī)人體移動信號在15～40 Hz的范圍內(nèi)，微動信號在1～7 Hz的范圍內(nèi)，呼吸信號在250～500 mHz的范圍內(nèi)。值得注意的是混頻輸出的信號幅值特別低，如果不經(jīng)過放大電路的處理則不能被常規(guī)使用的單片機檢測到，也就無法進行實際應(yīng)用。

上述三種人體信號中，移動信號的電壓幅值最大，微動信號的電壓幅值次之，呼吸信號的電壓幅值最小。基于上述考量，除了對信號檢測電路的通頻帶加以限制外，還需要考慮整體電路的放大增益。通過電路仿真軟件Multisim設(shè)計了人體信號檢測電路，如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 移動信號檢測電路Fig.8 Circuit of moving signal detection

圖9 微動信號檢測電路Fig.9 Circuit of tiny action signal detection

圖10 呼吸信號檢測電路Fig.10 Circuit of respiratory signal detection

對人體信號檢測電路進行掃頻仿真分析后可以得知，各個電路通頻帶內(nèi)的最大增益分別為57 dB，60 dB，80 dB。各個對應(yīng)目標頻段內(nèi)的信號將會被很好的放大，目標頻段之外的信號會大幅度衰減。

為了更好的驗證信號整體電路性能，將各信號電路集成到一塊電路板上并進行系統(tǒng)測試，實物如圖11所示。

圖11 集成測試Fig.11 Integration test

日常生活中人體活動的信號具有隨機性，因此為了便于驗證電路的功能，通過示波器觀測各個檢測電路的輸出信號，并抓取完整度較好一個波形進行觀察，結(jié)果如圖12、圖13、圖14所示。

從圖12、圖13、圖14可以得知：移動信號頻率在32 Hz，微動信號頻率在3 Hz，呼吸信號頻率在300 mHz。由此可以得知最終輸出的信號頻率都落在了各自的頻率范圍內(nèi)，而且信號的幅值也足夠高，足以被單片機進行采樣檢測。

圖12 移動信號輸出波形Fig.12 Output waveform signal

圖13 微動信號輸出波形Fig.13 Output wareform signal

圖14 呼吸信號輸出波形Fig.14 Output waveform signal

需要說明的是，在運動后和保持靜止兩種不同的情況下，人體發(fā)出的信號會有很大的差別。本文設(shè)計的人體信號檢測電路僅適用于日常生活中，沒有劇烈運動前提下的人體信號檢測。信號檢測電路輸出的人體信號通過軟件進行簡單的頻率和幅值的識別，就可以實現(xiàn)基本的姿態(tài)檢測功能。

4 姿態(tài)檢測功能的邏輯實現(xiàn)

本文設(shè)計的多普勒微波雷達本質(zhì)上是一個錯時微波探測裝置。在室內(nèi)環(huán)境下，該錯時微波探測裝置能夠發(fā)射在時間上保持錯開的多束扇形探測波束，而且同一時刻僅有一個對應(yīng)的輻射元工作，從而基于探測波束的方向性形成對相應(yīng)區(qū)域的錯時分區(qū)掃描探測，如圖15所示。

圖15 雷達探測波束Fig.15 Detection beam of radar

在進行基本人體姿態(tài)檢測的應(yīng)用中，微波雷達被安裝在墻壁上，通過扇形波束天線實現(xiàn)對應(yīng)探測空間的分層錯時掃描。圖15中的輻射天線1、2、3、4分別探測到區(qū)域1、2、3、4有人體信號(多普勒信號)時，此時能夠確定人體在室內(nèi)環(huán)境是站姿；若天線2、3、4分別探測到區(qū)域2、3、4存在人體信號，而天線1沒有探測到區(qū)域1有人體信號時，能夠確定人體在室內(nèi)環(huán)境是坐姿；若天線3探測到區(qū)域3有人體信號、而其他天線在分別所對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)沒有探測到有人體信號時，能夠確定人體在室內(nèi)環(huán)境是躺姿。

進一步地，在確定人體在室內(nèi)環(huán)境的姿態(tài)是躺姿后，微波感應(yīng)器可以改變輻射天線3激勵信號工作時的占空比，從而切換至呼吸探測模式探測人體的睡眠狀態(tài)。例如人體是處于入睡狀態(tài)、熟睡狀態(tài)、睡醒狀態(tài)，從而在后續(xù)控制室內(nèi)環(huán)境的燈具、空調(diào)等電子設(shè)備的工作狀態(tài)[11-12]。

5 結(jié) 論

本文將微波雷達技術(shù)與姿態(tài)檢測相結(jié)合，設(shè)計了一款能檢測基本人體姿態(tài)的室內(nèi)微波雷達。微波雷達在工作頻率為5.8 GHz的情況下，能檢測出對應(yīng)探測區(qū)域內(nèi)人體的移動信號、微動信號和呼吸信號?？捎糜谥悄芗揖宇I(lǐng)域的行為預(yù)測和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域病人的心跳呼吸檢測等方面。

整個設(shè)計包含微波天線、混頻電路、信號檢測電路等部分，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，對推進智能家居建設(shè)，微波雷達應(yīng)用場景多樣化方面有一定的促進作用。為后續(xù)相關(guān)微波雷達產(chǎn)品的設(shè)計拓寬了思路，亦為其他相關(guān)電路的設(shè)計提供了一定的借鑒意義。