基本介紹
- 中文名：衝擊雷達
- 類型：雷達
- 發明地：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室
- 發明國家：美國
簡介,衝擊雷達系統接收信號處理,系統工作原理,系統硬體電路設計,
簡介
衝擊雷達是雷達的種類之一。對超寬頻衝擊雷達（Ultra－Wideband Impulse Radar）目標檢測和目標特徵提取是超寬頻衝擊雷達系統研究的關鍵技術之一。而超寬頻衝擊雷達目標回波是瞬態信號，傳統的傅氏方法在分析這類信號時有很大的局限性．小波變換由於其在時頻域裡良好的局部化特性，在超寬頻雷達信號處理中具有重要的套用價值。 微功率衝擊雷達(MLR——Micropower’Irepulse Radar)是一種功率極其微小的象其他超寬頻雷達一樣的脈衝雷達,已由美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL——L&WI-enceLiVermore National Laboratory)發明並獲專利。 1993年,工程師Thomas McEwan在LLNL的100×lO坨瓦Nova雷射器(世界上功率最大的雷射系統,係為核聚變研究而研製)的基礎上,研製成能產生亞納秒脈衝的功率極小的脈衝雷射器,同時配以專用快速電子電路來驅動能記錄、處理這些脈衝的瞬態數字裝置(高速數據截獲系統)。如此兩相結合,即構成微功率衝擊雷達。概括起來說, MfR雷達的突出特點是四個“特”字,即功率特小,壽命特長,成本特低,用途特廣。 MIR雷達的一個獨特特點是其脈衝產生電路小而價廉,它發射寬度極窄的脈衝(亞納秒量級,小於104秒),每秒鐘大約發射200萬個。
衝擊雷達系統接收信號處理
微功率衝擊雷達是國際上近年來發展起來的一種新型高技術雷達，作為超寬頻雷達類型的一種，衝激雷達直接發射無載波的基帶極窄脈衝，與傳統雷達不同的是衝激 雷達系統既不需要對發射信號進行載波調製，也不需要對接收信號進行載波解調，而是發射和接收無載波的極窄脈衝信號，並通過相應的信號處理電路，獲得目標信 息。其突出的特點是功率小，壽命長，成本低，用途廣。一般脈衝雷達發射的信號是射頻脈衝串，而衝激雷達的發射信號直接是衝激脈衝串。衝擊雷達發射和接收超短脈衝來實現距離探測。雷達的距離解析度正比於發射脈 沖寬度τ，即：距離解析度d=τc/2，其中c為電磁波在空間的傳播速度。通常，衝激雷達發射的是納秒甚至皮秒量級的超短脈衝，所以，其距離解析度可達幾 到幾十厘米。但雷達的穿透性能和高解析度成像是一對矛盾。由於本文主要研究微功率衝激雷達技術在穿牆生命探測方面的套用，偏重於對牆壁的穿透性能，故選擇低頻工作頻段。微功率短程超寬頻雷達可穿透6 m厚的磚牆，天線直徑只有45 cm，發射機、接收機只有一部收音機大小。研究表明：在低頻段，在1～10 GHz範圍的電磁波在穿過混凝土牆壁時衰減很小，隨著頻率的降低，衰減也在減少。因此，低於10 GHz的頻率適合對磚塊和混凝土構築的牆壁穿透探測，在此範圍內頻率越低穿透性能越好。
系統工作原理
系統硬體電路設計
系統接收信號處理電路設計是微功率衝擊雷達接收機實現的基礎。其結構框圖，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。
取樣積分單元
積分取樣電路將接收到的被目標反射的UWB微弱脈衝信號和經過延時後的參考脈衝信號進行相關檢測，即取樣積分，提高信噪比，然後經過帶通 濾波電路和放大濾波電路實現對人體運動信息和生命特徵信息的接收和檢測。這裡可變延遲電路為取樣積分電路提供精確的同步參考脈衝信號，它的一個輸入是發射 端脈衝信號，另一個輸入由接收後端微控制單元的程式精確控制。
帶通濾波器設計
經過取樣積分後的信號中，混有高頻分量，需要將包含人體運動的上、下截止頻率為0.05～10 Hz的信號取出，為接收後端提取出呼吸和心跳信號奠定基礎。需設計上、下截止頻率為O.05～lO Hz帶通濾波器，其電路原理如示。可以看出，所設計帶通濾波器在0.05～10 Hz具有較平坦的通頻帶。
積分取樣電路將接收到的被目標反射的UWB微弱脈衝信號和經過延時後的參考脈衝信號進行相關檢測，即取樣積分，提高信噪比，然後經過帶通 濾波電路和放大濾波電路實現對人體運動信息和生命特徵信息的接收和檢測。這裡可變延遲電路為取樣積分電路提供精確的同步參考脈衝信號，它的一個輸入是發射 端脈衝信號，另一個輸入由接收後端微控制單元的程式精確控制。
帶通濾波器設計
經過取樣積分後的信號中，混有高頻分量，需要將包含人體運動的上、下截止頻率為0.05～10 Hz的信號取出，為接收後端提取出呼吸和心跳信號奠定基礎。需設計上、下截止頻率為O.05～lO Hz帶通濾波器，其電路原理如示。可以看出，所設計帶通濾波器在0.05～10 Hz具有較平坦的通頻帶。
放大濾波電路設計
放大濾波電路可對UWB衝擊雷達的前端輸出信號進行放大、濾波，並為人體生命參數檢測及距離信息的探測提供硬體平台。針對UWB雷達輸出 信號特點，該放大濾波電路設計時必須注意電路的低頻回響，電路對弱信號的放大，高倍數放大器的直流偏移量等問題。以上問題中，電路的低頻回響可通過精確設 計濾波器的參數來解決。放大弱信號，則電路的放大倍數必須要高，但是放大倍數過大就會使電路產生直流量，使得基線發生漂移或產生失真;在電路中設定阻容耦 合電路，為各級電路的累積直流偏置電壓提供泄放迴路。
放大濾波電路可對UWB衝擊雷達的前端輸出信號進行放大、濾波，並為人體生命參數檢測及距離信息的探測提供硬體平台。針對UWB雷達輸出 信號特點，該放大濾波電路設計時必須注意電路的低頻回響，電路對弱信號的放大，高倍數放大器的直流偏移量等問題。以上問題中，電路的低頻回響可通過精確設 計濾波器的參數來解決。放大弱信號，則電路的放大倍數必須要高，但是放大倍數過大就會使電路產生直流量，使得基線發生漂移或產生失真;在電路中設定阻容耦 合電路，為各級電路的累積直流偏置電壓提供泄放迴路。
放大濾波電路是根據人體的呼吸率範圍(15～20次/min)和心率範圍(50～100次/min)，經相關檢測電路的信號分為兩路，分別檢測呼吸和心跳 信號，具體結構框圖。其中放大電路主要包括前置放大電路、中間級放大電路和後級放大電路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)。放大電路設計時，考慮到提高前級增益，有利於提高電路的共模抑制比，但前級的增益過高后，當輸入端引入極低頻率的信號、前級“零”點漂移或強信號引入時，易使後級電路飽和而引起“阻塞”現象。因此電路的增益設計如下：前置級放大增益為30 dB，中間級放大增益為10～100 dB，後級放大增益為30 dB，總增益範圍為300～30 000 dB。濾波電路在信號預處理器中起著重要作用，它決定了信號的通頻帶，同時也具有濾除干擾的作用。
低通濾波器設計
人體的呼吸率和心率都小於10 Hz，因此前級放大器輸出信號先通過10 Hz低通濾波器濾除其他干擾信號，後級0.6 Hz的低通濾波器用於檢測人體呼吸信號。該低通濾波電路主要濾除干擾信號，並且要求幅頻特性中有最大的平坦區，為此選用四階壓控電壓源巴特沃斯But-terworth型濾波器。壓控電壓源型電 路結構的濾波器特點是使用元件少，對放大器要求不高。在本級電路中，電阻器誤差小於0.01%，電容器誤差小於O.1%。由於電路中所選電阻值不在電阻序 列之內，故實際電路中，用多個電阻串聯以求得到所需的阻值，電路中電容必須經過嚴格挑選。一種微功率衝擊雷達系統接收信號處理電路，給出了各子模組電路的設計原理，以及主要模組的仿真調試結果，仿真結果顯示：主要電路，即帶通濾波器 和放大濾波器的幅頻特性理想。按此仿真結果設計的電路經測試實現了理論設計要求。依據該設計製作的電路具有結構簡單、成本低、性能好的特點，在超寬頻技術 中具有一定的實用價值。
人體的呼吸率和心率都小於10 Hz，因此前級放大器輸出信號先通過10 Hz低通濾波器濾除其他干擾信號，後級0.6 Hz的低通濾波器用於檢測人體呼吸信號。該低通濾波電路主要濾除干擾信號，並且要求幅頻特性中有最大的平坦區，為此選用四階壓控電壓源巴特沃斯But-terworth型濾波器。壓控電壓源型電 路結構的濾波器特點是使用元件少，對放大器要求不高。在本級電路中，電阻器誤差小於0.01%，電容器誤差小於O.1%。由於電路中所選電阻值不在電阻序 列之內，故實際電路中，用多個電阻串聯以求得到所需的阻值，電路中電容必須經過嚴格挑選。一種微功率衝擊雷達系統接收信號處理電路，給出了各子模組電路的設計原理，以及主要模組的仿真調試結果，仿真結果顯示：主要電路，即帶通濾波器 和放大濾波器的幅頻特性理想。按此仿真結果設計的電路經測試實現了理論設計要求。依據該設計製作的電路具有結構簡單、成本低、性能好的特點，在超寬頻技術 中具有一定的實用價值。
