基于微波多普勒效应的主动式安全警示方法及应用研究.doc

重庆大学硕士学位论文基于微波多普勒效应的主动式安全警示方法及应用研究姓名：王勇申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：张占龙20090525 信 模块与 巡 检 人员 进行 信 息 交互， 能 够迅 捷报警 。文 中主要论述 了 多 普 勒效 应 的基 本 原理， 进行 了 多 普 勒频 移特 性 分 析， 针对产 生 微 波 多 普 勒辐 射 场 的中心频 率 、 天线 形 状 的选择与 微 波 远 场 关系以 及空 间 方位 性 进行 了 分 析， 为 其应 用设计 奠 定 了 理论基 础； 分 析了 微 波 传感 器的设计 构建方 式 并进行 了 电 路的设计 与 调 试 分 析， 最后 设计 分 析了 基 于微 波 多 普 勒效 应 的主动式 警 示预警 系统 并进行 了 现 场 应 用， 结 合工 程 实际的应 用， 对 实际应 用结 果 进行 了 剖析。 文 章 结 尾 给 出 了 对 系统 的客 观 、 全 面 的评价 ， 并提出 了 进一步改 进建议。 湫 彦乞一、 讲据库、 中国 优 秀 硕士 学位 论 文 全文 数 据库以 及 重庆 大学博 硕学位 论 文 全文数 据库中全 文 发 表 。 中国 博 士 学位 论 文 全 文 数 据库、 中国 优 秀 硕士 学位 论文 全文 数 据库可以 以 电子、 网 络 及其 他数 字媒 体 形 式公 开 出 版 ， 并 同 意编入 綢 中国 知 识 资 源总 库， 在 中国 博 硕士 学位 论 文 评价数 据库中使用和在 互 联网 上 传播 ， 同 意按 “章 程规 定享 受 相 关 权益 和承 担 相 应 义 务。本 人授 权重 庆 大学可以 采 用影印 、 缩印 或 其 他复 制 手 段 保存论 文 ， 可以 公 开 论 文 的 全 部 或 部 分 内容。作 者签 名：该 论 文 属于 涉 密论 文 ， 其密级是 ， 涉 密期限至 年一月一日。 电 力 系统 中 有 许 多 高压设备如高压杆 塔 、 变压器 等 ， 离 人 们 生 活 的环 境 较 近 ， 常规 的被 动式 电 气危 险 安全 警 示随 着中 国经济社 会的快 速发 展、 各 种 公 共设施 的逐步 完 善， 人们 享 有 改革发展的成 果越 来越 多 。 从公 共汽车、 地 铁 、 火 车等 交 通 工 具及其车站 、 机 场到 各 个休息、 娱 乐 的公 共场所， 从加 油 站 到 医 院 、 图 书 馆 等 服务性场所我们 不 难发 现，人 们 享 有 便 捷 服务的同 时 ， 各 种 安全 设施 及其 安全 标 志也 显 得越 来 越 重要 。安全 标 志通 常是由安全 色 、 几何图 形和 形象的图 形符 号 及辅 助 说 明 文 字等 几部分 构 成 的， 用以 表 达特 定 的安全 信息， 是一 种 国 际 通 用的信息表 达方式 ， 不 同国 籍 、 不 同 民 族 、 不 同 文 化 程 度 的人 都 能 容 易 的理解 和 使用。 安全 标 志在 日 常生活 中 的主要 目的是向人 们 传 递 某些信息或者 警 示 工 作 场所、 周 围 环 境 的不 安全 因素 ， 指 导 人 们 采 取合 理的行 为 避 免 风 险 ， 起 到 保 障安全 的作 用。 由于在 实 际 的军 事和 民 用方面 ， 很 难找 到 单 一 运 动模 式 的目标 ， 无 论是车辆，飞 机 还 是行 人 ， 这 些目标 的运 动都 是复杂的运 动， 单 一 的速度 和 距 离 识别已 经不能 满足应 用的需 求 ， 而这 些复杂运 动包 含 的特 征将 是目标 智 能 识别的重要 依 据 。 年美 国 著 名学 者 在 他的文 章 中 提 出了 微波 多 普 勒 效应 。 他指 出目标 本身 或者其 中 某些部 件在 目标 本身 主方向运 动之外还 存 在 额 外的机 械运 动， 会引起 微波 回波 的频 率调制 ， 从而产 生 微波 多 普 勒 效应 的旁 瓣 ， 这 称 为 微波 多 普 勒 效应 。 微波多 普 勒 效应 首先是在 连 续 激 光 系统 中 提 出的， 该系统 发 射 一 个 具有 光 波 频 段 的电磁 波 ， 接收 到 以 目标 为 背 景 的光 波 ， 它 保 留 了 很 好 的回 波 的相位 信息， 通 过 与参考 相位 的对 比 可以 获 得很 高的相位 识别的灵 敏度 。 由于距 离 上 一 个 波 长 会产 生 相位 上 钠 啤 杂诹 庀 低 扯 裕 涔獠 牟 琹 的波 程 差 会 波 相 位 的 连 续 考 察就成 了研 究 微波 多 普勒 效 应的 重点。第 一 个 阶段是 年 ， 这是 微波 多 普勒 测量技 术 发 展的 初 期 ， 此 时的 光学 装 置都 比较简单， 光学 性能和 效 率 都 不 高 ， 并 且调准 也不 方 便。测量对象主 要 是 较低 流 速下 的 流 体。第 二阶段是 年 ， 在 此 期 间 ， 微波 多 普勒 测量技 术 在 光学 系统和信 号处 理 技 术 方 面 都 有 了很 大发 展。在 信 号处 理 方 面 ， 频率 跟 踪 器、 计数 式处 理器和 光子相 关 器的 成 功 运用 ， 最终 使得 微波 多 普勒 测量成 为 产 品 成 功 投 放 市 场 。并 且有 一 些研 究 人 员己 经 在 考 虑 将微波 多 普勒 测量技 术 应 用 于 固体运动的 测量。第 三 阶段是 从 年 到 现 在 ， 在 此 期 间 ， 微波 多 普勒 技 术 的 应用 研 究 得 到 了很 好的 发 展。由 于 具有 较好的 性能以及 测量能力 ， 微波 多 普勒 技 术 被广泛 应用 于各 种 流 体测量以及 固体表面 的 运动测量。 微 波 诞 生 于 第二 次 世界大 战期 间 ， 它 自 问世以 来 就 成为对远距离 目 标 进 行 无线 电 探 测 、 定位 、 测 轨 和 识 别 的 电 子 设 备 ， 无 论军 用还 是 民 用， 都 占 有 重要 位 置 。它 以 辐射 电 磁 能 和 检 测 从 物体 反射 来 的 回 波 的 存 在及 回 波 特 性 的 方 式 进 行 工 作。微 波 的 两 个 主要 特 征 是 具有 远距离 探 测 目 标 和 对目 标 进 行 较高精度 的 定位 的 能力。微 波 系 统 主要 包 含 发 射 、 反馈、 伺 服 、 接 收 、 信 号 处 理 、 数 据处 理 、 测 距、测 速 等 分 系 统 。测 速 系 统 通 过 提 取 目 标 回 波 的 多 普 勒 频 率来 获 得 目 标 的 速 度 。它是 微 波 系 统 中 的 重要 分 系 统 ， 在研 究 目 标 特 性 、 目 标 定轨 、 导弹安全控制 中 起 着重要 的 作用。微 波 所探 测 的 目 标 ， 通 常 是 运 动着 的 物体 。要 精确 的 获 取 目 标 的 运动规 律 ， 就 必 须 精确 测 量目 标 的 距离 、 方 位 、 俯仰 、 速 度 等 四 维数 据。由 于 微 波所探 测 的 目 标 通 常 都 是 运 动的 ， 目 标 的 运 动产 生 的 发 射 源 和 接 收 者之 间 的 相 对径向 运 动会 使 接 收 到 的 信 号 频 率发 生 变化 ， 这种频 率的 变化 称 为多 普 勒 效 应 。多 普勒 效 应 最 早是 由 物理 学 家 克里斯 顿 多 普 勒 于 年 在声学 领 域 发 现的 。多 普 勒 用数 学 推导得 出了 他的 结论， 在讨 论将 他的 原理 应 用到 声波 中 时 ， 他指出波 源 朝 着我 们运 动的 速 度 越 快 ， 声调将 变得 越 高。 年 左 右 这一规 律 被 运 用到 电 磁 波 范围 ， 年 左 右 研 制 出了 第一代多 普 勒 微 波 。微 波 向 目 标 发 射 电 磁 波 ， 电 磁 波 与目 标 物体 相 互 作用会 产生 回 波 ， 返回 微 波 接 收 机 微 波 回 波 中 产生 的 信 号 的 一些 特征 的 改 变表 征 了 目 标 的 一些 信 息 。当 目 标 以 恒定的 速 度 运 动时 ， 回 波 信 号 的 载 频会 发 生 偏 移 ， 多 普 勒 频 移 是 由 微 波 发 射 的 电 磁 波 的 波 长和 目 标 与 微 波 的 相 对速 度所决 定的 。并 且 当 目 标 的 运 动是 远离 微 波 时 ， 速 度 为正 值 ， 而 当 目 标 运 动是 靠 近微 波 时 ， 速 度 为负 。现代微 波 的 很 多 重要 功 能 如 测 速 、 运 动目 标 显 示、 运 动目 标检 测 等 都 是 基 于 多 普 勒 效 应 的 。微 波 应 用日益广泛 及 对其 性 能 要 求 更 加 提 高， 推动了 利用多 普 勒 效 应 来 改 善微 波 工 作质量的 进 程 ， 其 中 微 波 多 普 勒 效 应 的 提 出将微 波 目 标 识 别 提 高到 了 一个 新 的台 阶 。 标 多 普 勒 效 应 数 学 模型 ， 进 行 微 波 频 域 特 性 分 析 。 微 波 天 线 电 磁 场 的 数 值 仿 真 研 究 微 波 传 感 器 设 计 研 究 微 波 式 主动警 示预警 系 统 设 计 及 应 用研 究 引言 卜 岛由 于 这 种情况 中 岛 角 是 根据 观察 者 来测定的，因此 ，采 用 一 个熟知 的三 角 变 换后可得由 图 可知射 的动 量变 化。 琁 鲈 赾卢 号 甖 反射 目 标 的 多 普勒 频 移一束 光 ， 反射 角 当然 也 是 护 。图 镜面 反射 引 起的多 普勒 频 移 计 算简 图 很 明显， 镜片在 自 身平 面 内 移 动时 反射 特 性不会发 生 变化， 因此 没 有多 普勒 墨 七静止物体回 波 信号 波 形如图 所 示，频 谱曲 线如图 所 示。 有 移 动 目 标 时，相 位 检 波 器输 出的 信号 受 多普勒 频 率 兀 调制 。 图 固 定目 标 回 波 信号图 固 定目 标 回 波 信号 频 谱当 只有 移 动 目 标 时，相 位 检 波 器输 出的 波 形如图 所 示，此 时移 动 目 标 视 频 幅 酾 瓣 ， 馕 嘲 融嗍 图 无 背景 时 动 目 标 回 波 信号 瑀 当探 测 回 波只 有 移 动 目标时 ， 相 位 检 波器输出 的信 号 为 双 极 性脉 冲 ， 频 谱中包 含有 多 普 勒频 率 信 号 石和 调制旁 频 分 量信 号 研厶 。 小 结 引言该 软 件特 别适 合 于用 来快 速 有效 地 设 计和分 析 以 下 器 件：天线 、 滤 波 器 、 传有端口 激励 的问题 蔡 涤 蚝湍 椒 治 与典 型 的本 征模 计算之 间的区 别非 常显 著 ， 瞬态、 频 域和模 式 分 析 之 间的区 别理 解 起来却 有些 困难 。因为 使 用 宽带的激 励 ， 只 需 进行一次 信 号运 算就可 以 得到 结 构 的整个 宽带响应， 所 以 瞬态分 析 的速 度通 常很快 。 时 频 信 号通 过 离 散 傅 立 叶 变换 就变换 到 频 域。这种 时 域到 频 域的变换 要求时 域信 号在信 号结 束时 充分 地 衰 减到 零。 模 型 建立 与仿 真分析 薅 线 数 值 仿 真 仿 真后得出 信 号 能 量 圈 如 图 所示 。矿 一图 激励 信 号 能 量 圈 输 入 激励 信 号 后，天 线 发出 电磁 场，当 微波频率 为 时 ，天 线 发出 的 远 场图 微波频率 为 时 的 远 场 改变微波为 残翁 煜 叻 龅 脑 冻 抡 嫱 既缤 图 微波频率 为 时 的 远 场 场也是 类 似 于 椭圆体的 ，该电磁 场长 径 在 平 面上 ，短 径 在 平 面上 ，并 且电依据 图 、图 、图 ，三 个图的 远 场方 向 系 数 不同 ，决定 了 其 产 生 的 微 改变天 线 形状将 天 线 改为正 方 形天 线 ，建立 的 结 构 模 型 如 图 所示 。 正 方 形天 线 边 长 为及 比 圆形天 线 在 同 样 频率 下 要远 ，但 其 远 场的 饼状 结 构 限制 了 空 间方 位 性，不能 璽 微波 振荡器 图 一般 振荡 电 路 的 网络 表 示 蚴， 式 中 是负 阻 器 件的负 阻 抗 。注 意到 经 变换 的负 载 阻 抗 仅 是频 率的函 数 ， 而对 于晶体管振 荡 器 为 了在 厶的频 率出 现 振 荡 ， 需满足下 列 条 件： ， 微波 传 感 器 设 计 降压 稳压 模 块 分别 给其 他 三 个 模 块 供 电 使 它们 稳定 工 作 ， 微 波振 荡 器 发 射微波， 当 有 人 体接近时 ， 即 可 接收到由 人 体移 动 而反 射的 回波， 然后 由 内部 微 波三极管 的 半导 体 结 混 频后 ， 差 拍检出 徼 弱 的 频移 信 号 ， 并 送 到微 波感 应 控 制 模 块 。在微 波感 应 控 制 器 初始 化 过程中， 触 发 及 电 平输 出 模 块会 控 制 微 波感 应 控 制 模 块，使 其 接收到微 波振 荡 器 送 来 的 频移 信 号 却 不输 出 触 发 信 号 。 只有 当 触 发 及 电 平输出 模 块 发 出 能 使 微 波感 应 控 制 模 块 工 作 的 信 号 时 ， 微 波感 应 控 制 模 块 才 能 接收到微 波振 荡 器 送 来 的 频移 信 号 并 进 行 处理 ， 最后 发 出 控 制 信 号 控 制 触 发 及 电 平输 出模 块 ， 输 出 秒 的 高 电 平：反 之， 当 没有 人 体接近， 微 波振 荡 器 不会 差 拍检出 微弱 的频移 信 号 ， 则最后 输 出 为 低 电 平。图 降压 稳压 模 块原 理 图 竦 雌 鞯 缏 返 】器 差 拍 检 出微 弱 的 频 移信 号 醇 觳 獾饺颂 宓囊贫 藕 ， 经过 微 波专 用 微 处理 器 电 和 家 用 电 器 开关 时产 生 的 干 扰 等 ， 则 予 以 排 除。 最 后， 当 微 波专 用 微 处理 器 具 有 越 权 控 制 功 能 。微 波感 应控 制 电路 如图 所示 。 式 中 厂 即 为 、 振荡 电 路 的 振荡 频 率 。 低 通 滤波器 是 由 虲 组 成 ， 其 截 止频 率 在微 波感 应控 制 工 作 流 程 图如图 所示 。 触 发 及 电 平输 出 模 块硬件 电 路设 计如 图 所 示。图 触 发 及 电 平输 出模 块硬件电 路图 圪充电 ， 放电 ， 发 光二极 管 反复 随 之 灯 灭 ， 灯 亮 。 图 微波 传 感 器 工 作 流 程 图 成 偻 季 帧 枷 撸 詈蟮 玫 降挠 缏 钒 迦缤 所 示 ： 本 章系统地 进 行 了 微 波传感 器 的主要 组 成 部 分 微 波振 荡器 、 感 应 控制 器 、 电源电 路 、 触发 及 电 平 输 出 电 路 的设 计 ， 分 析 了 各 组 成 部 分 的功 能， 并 制 作了 电 路和 进 行 了 调试分 析 ， 同 时 分 析 了 微 波传感 器 工 作流 程 。本 章所形 成 的微 波传感 器为 主动警 示 应 用奠 定 了 基础 。 引言电 力 系统 中 有 许 多 高压设备如高压杆 塔 、 变压器 ， 离 人 们 生 活 的 环境 较 近 。发 生 触 电 死 亡 、 触 电 残肢 的 事 故 屡 见 不 鲜 ， 电 力 系统 为此 所付 出 的 赔偿甚 至 高于一些 电 力 设备的 造 价 。 其 中 低 压工频 电 源的 触 电 事 故 较 多 ， 据统 计 此 类电 源所引起的 事 故 占 总数 以上 。 由 于 低 压设备较 高压设备应 用广 泛， 人 们 接触 的 机 会较 多 ， 加 上 伏 的 交 流 电 源习 惯 称 其 为“低 压”， 很多 人 不 够重视 ， 丧 失警惕 ， 因 此 容 易引起触 电 事 故 。 为了 使路 过 高压危 险 区域 的 人 们 远 离 高压危 险 设备， 电 力 部 门 在这 些 高压设备周围通 常设立 安 全警示 标 志 牌 ， 以起到 警示 的 作 用。其 所采 用安 全警示 方 法 主 要 体现 为：悬 挂安 全警示 标 志 、 拉 铁 丝网 、 夜 光 灯等 。这 些 方 法 均 属于 被 动式 警示 ， 不 能 起到 良 好 的 安 全警示 作 用。 主 要 是由 于 种 种 原因 如大 雾 、 刮 风 、 下 雨 等 天 气 因 素 ， 使安 全警示 标 志 可 观察 到 的 距 离 较 近 、 安 全标 志 标 示 模 糊 、 或被 风 刮 掉 以及 人 为破 坏 等 原因 ， 安 全警示 标 志 不 能 起到 其 应 有的 作 用； 另外， 现 行的 安 全警示 标 志 大 多 采 用文 字 、 图 标 方 式 ， 对 于 辨认能 力 尚差 的 小 孩或老 人 ， 安 全警示 标 志 形 同 摆 设， 总有 人 员 误入 危 险 区域 ， 造 成 生 命财产 的 损 失 。 主动式警示 装 置 硬件 结 构 框 图如图 所 示 ： 本 系 统采 用 为 信息处理单 元 ，为 其 正 常 供电 后，写 入 测试 程 序 可该 模 块的具 体 实现 是以语音 芯片 :诵模 許 方式发 送相应 指 令给 渲 邪 蚉 指 令、 录 音 指 令、 放 音 指 令、 停止指 令等。录 音 时，麦克风 将 声 音 信号输 入 ，声 音 信号直接 被 存 储在其 内的固体 自然 结 构 中 的记 忆设 备 里，等到 需 要 放 音 以威 慑 盗窃 者 时，该 声 音 信号通过功 率 放大芯片 及其 相 应 电路 提高放 大倍 数 ，最终 通过扩 音 器 输 出 。 柚 枚 绦 胖 行 暮 怕 “ ， 设置 格式 ，行 情况 是 否 正 常 。 系统 中 的 理 想功 耗 检测终 端 最小 功 耗 系统 设计 动 态 功 耗 要 比 工 作电 压 为 时 的 工 作电 压 低 得 多 。 系统 的 防异常 功 耗 设计 电 路 设计 的 抗 干 扰 措施 中 值滤 波 法：这种方 法的原 理 是将 采集 到 的若 干个周 期 的变 量值进行排 序 ， 图 实 验现场 小结 微 波 多 普 勒 效 应探测的理论基础 是 光学 多 普 勒 效 应，通过 目 标 运 动 和振 动 产生 的多 普 勒 频 移来研究目 标 的运 动 状 态。现实 生 活 中 许 多 危险设 备 离 人 们 生 活 的环 境 较近 。发 生的各 种 事 故 屡见 不 鲜，为 了使路 过 危险区域的人 们 远 离 危险设 备 ，在这些危险设 备 周 围 通常 设 立 安 全警示 标 志 牌 ，以 起 到 警示 的作 用 ，但其 属 于被动 式 警示 ，不 能 起 到 良 好 的安 全警示 作 用 。为 变 被 动 警示 为 主 动 警示 ，本文 主 要讨 论了多 普 勒 效 应的分析及其 在移动物 体目 标 识 别 中 的简单 应用。 研究成果 以 理论分析为 指导，进 行了微 波 传 感 器的主 要组 成部分微 波 振 荡 器、 感 应控 制器、 电源 电路、 触 发 及电平 输出 电路的设 计 ，分析了各 组 成部分的功 能 ，并制作 了电路和进 行了调 试 分析，同时分析了微 波 传 感 器工 作 流 程 。 在理论和 应用基础 的指导下 ，改 变 目 前 危险设 备 的被 动 警示 方 式 为 主 动 警示 方 式 ，进 行了主