生命探测微功率超宽带雷达电路设计毕业论文.doc

生命探测微功率超宽带雷达电路设计毕业论文目 录中文摘要I英文摘要II主要符号表VII1 绪 论11.1 生命探测雷达技术简介11.2 研究背景和意义11.3 国内外研究现状21.3.1 国外研究现状21.3.2 国内研究现状31.4 本文研究内容42 微功率超宽带雷达的工作原理及天线62.1 超宽带雷达工作基本原理62.1.1 基本原理62.1.2 理论分析62.2 超宽带雷达参数选择92.2.1 超宽带雷达主要参数选择的依据92.2.2 超宽带生命探测雷达的工作频率112.2.3 超宽带生命探测雷达的发射信号形式112.3 微功率超宽带雷达天线的简介142.4 本章小结153 微功率超宽带雷达发射电路的设计与分析163.1 雪崩三极管的工作原理163.1.1 雪崩三极管的击穿机理163.1.2 雪崩晶体管的击穿电压173.2 雪崩三极管脉冲电路的产生193.3 超宽带雷达脉冲产生电路203.3.1 元器件的选择203.3.2 单极性脉冲产生电路203.3.3 双极性脉冲产生电路223.4 本章总结244 微功率超宽带雷达接收电路设计与分析254.1 接收前端电路总体设计与分析254.2 取样积分电路的设计与分析264.2.1 取样积分原理介绍264.2.2 取样积分电路的设计与分析274.2.3 桥式二极管取样积分电路的设计与分析284.3 可变延迟单元电路的设计与分析294.3.1 延时芯片的原理介绍304.3.2 延时电路设计的设计与分析324.4 放大滤波电路的设计与分析334.4.1 带通滤波的设计与分析354.4.2 放大电路的设计与分析364.4.3 滤波电路的设计与分析374.5 本章小结405 硬件电路的调试与PCB设计415.1 微功率冲击雷达发射电路的调试415.2 微功率冲击雷达接收电路的测试435.3 PCB板设计445.3.1 总体设计445.3.2 PCB设计注意事项445.4本章小结446 总结与展望456.1 本文主要研究成果456.2 后续研究工作的展望45参考文献46致 谢49毕业设计（论文）知识产权声明50毕业设计（论文）独创性声明51附录A52附录B53主要符号表衰减常数相位常数导电系数角频率材料的相对介电常数导磁率电磁波在大气中的波长电磁波在墙壁中的波长相对带宽电磁波在大气中的传播速度雷达增益晶体管的基极电流晶体管的集电极电流雷达接收功率雷达发射功率信噪比晶体管的集电极-基极间电压晶体管集电极基极反向击穿电压晶体管的集电极-发射级间电压晶体管集电极发射极反向击穿电压电磁波在墙壁中的相速电磁波在墙壁中的群III西安工业大学毕业设计（论文）1 绪 论1.1 生命探测雷达技术简介 生命探测雷达特指探测生命体的雷达，是一种非接触式探测技术，是指在不接触人体的情况下，隔一定的距离，隔一定的介质（砖墙、废墟等），借助于外来能量(探测媒介)来探测人体生命特征信息（呼吸、心率等）的技术，是近年来国外学者提出的一种新概念雷达。常用的生命探测雷达可分为窄带系统连续波(Continuous Wave，CW)雷达和超宽带（Ultra-Wideband，UWB）系统微功率冲击雷达(Micropower Impulse Radar，MIR)。 本文所讨论的UWB生命探测雷达就是基于UWB雷达原理的MIR，又称无载波雷达、非正弦雷达，具有很大的相对带宽（信号的带宽与中心频率之比），一般大于25。它是美国斯坦福尼亚大学劳伦斯.利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)的科学家在90年代中期发展起来的一种高技术新型雷达。UWB雷达克服了传统冲激雷达成本高、灵敏度低、抗干扰能力差、易受波门抖动、偏压变化等影响的缺点，充分利用了现代雷达技术的最新成果，采用全新的设计方法，具有以下显著优点：1）测距分辨率可高达厘米量级，可以获得足够高的分辨率；2）具有能够识别和区分各目标的重要能力；3）超宽带生物雷达发射的脉冲包含许多频率，因此它能够突破窄频段吸波材料的吸波效应；4）具有对单个或多个目标的高分辨率成像能力；5）具有较强的穿透植被、土壤和墙壁的能力；6）能够通过距离选通技术抑制杂乱回波和减少多径干扰；7）成本低，容易集成。1.2 研究背景和意义本文所研究的MIR是一种功率极其微小、像其他超宽带雷达一样的脉冲雷达，是由美国劳伦斯.利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）在Nova激光器的基础上发明并获得专利的一种新型雷达。UWB雷达在克服传统冲击雷达弊端的同时，结合了现代雷达技术的优势，使其达到厘米量级的高分辨率、可识别和区别各目标的能力、可穿过墙壁等的高穿透力、发射多种频率时，对窄频段吸波材料的吸波效应具有抗拒作用、成本低且易于集成等优势。微功率冲击雷达（MIR）技术的应用是极为广泛的，其在军事和民用的领域中都发挥了极大的作用。MIR主要可用于灾后救助、反恐怖斗争和病人监护等领域。MIR技术可以通过发射电磁波穿过墙壁、废墟等有形介质，作用于人体体表运动而使电磁波发生微小变化，从而进行探测。主要用于在自然灾害后被埋在废墟中的幸存者的救助，近年来各地区的地震频频不断，微功率冲击雷达技术在探测寻找生命体，救助埋在废墟中的幸存者方面起到了很大的帮助；追捕潜伏在建筑物内的罪犯，提高了国家执法人员作战能力；监护医院病危的病人，在医院有些重病的伤员不宜接触，需隔衣服或远距离进行监测。如美国911事件后，冲击雷达在灾后废墟上搜救起了很大作用，2008年汶川地震对震后人员的搜救都有很大帮助，诸如此类的例子还很多，MIR技术在社会各行各业的发展起了重要作用，因此对MIR的研究有重大意义。1.3 国内外研究现状微功率冲击雷达起源于20世纪90年代中期，它是伴随着传统冲击雷达的发展而产生的一种高科技新型雷达，其应用相当广泛。它起初是由国外发展过来，国外对此技术的研究要远远早于国内，目前该技术已经在国内开始推广研究，本文主要是将微功率冲击雷达应用于生命探测方面的研究。1.3.1 国外研究现状国外对生命探测雷达技术研究起步比较早，在20世纪80年代开始美国就已经采用L频段的调制连续波信号对埋藏在雪地里的生命体进行了探测研究。美国密歇根州立大学研究小姐采用了L和S波段的不同频率的雷达连续天线对模拟震灾后的生命信号进行了检测，都成功的检测出人体呼吸和心跳等生命信号，取得的一定的成就。随后由美国佐治亚技术研究所研究出的手电筒式雷达“Radar Flashlight”,该雷达可对隐蔽在墙壁、钢门、树木后静止和运动的人进行探测，它采用多普勒技术和高速信号处理技术，对接收回来的生命信号则采用快速傅里叶变换（FFT）和频率响应曲线陡的技术进行滤波，从而得到我们所需要的人体生命信号，该系统采用的天线是市场上可以买到的一种天线，它将发射端输出的波束控制在20度以内的扇形区域内。美国研究的同时，其它西方国家也对CW的研究有所成就，如俄罗斯Remote Sensing Lab研究设计了一种“RASCAN”的生命探测雷达，此雷达系统可以探测10cm厚混凝土墙壁后的人体生命信号，它采用的工作频率为1-10GHz,其波长也就达到了3-30cm。还有由日本研究的连续波探测性雷达是针对近距离（小于50cm）的探测，它主要是透过各种衣物、被褥等对股动脉、指尖脉搏、颈动脉及心率的探测，但由于其探测距离的有限性造成了其实际应用的局限性。对比连续波雷达（CW）和微功率冲击雷达（MIR），微功率冲击雷达的结构相对比较简单，技术也比较成熟，近些年在国内外都有很大的发展前途，且成为生命探测雷达的主流。微功率冲击雷达是一种功率极其微小，和其它超宽带雷达一样的脉冲形雷达，其技术包括尖脉冲产生技术、超宽带雷达天线技术、取样技术以及信号处理技术等。美国佐治亚技术研究所还研制了抛物面天线结构的隔墙检测系统，该系统还被用于奥运会研究射箭和步枪运动员的心跳和呼吸对射击准确度的影响。 超宽带系统的微功率冲击雷达技术的研究是从近十几年才新兴的一种雷达技术，而在生命探测上的应用的研究开始于美国斯坦福尼亚大学，此大学在1994年开始将超宽带雷达应用在生物医学上研究，并获得了一项专利。1995年美国麻省理工学院开始着手雷达听诊器的研究。1996年美国斯坦福尼亚大学研制出一种特殊的超宽带微功率冲击雷达，此雷达高增益天线采用可以探测到人体呼吸及心跳的生命信号，并对距离内技术提取生命信号，最大限度的抑制了外界噪声的干扰。同年，由美国McEwon先生研制的人体检测、成像系统，可以检测人体的心跳、呼吸、声带等信号并转换为声音信号，从而在人体生理参数的监护仪上的应用达到了不可逾越的突破，并获得了美国的一项专利。McEwon先生在超宽带雷达上面的研究无疑是我们学习的典范，至今为止他研制的MIR已经在美国获得了56项专利，同时在全世界也达到了214项专利或应用专利。1999年后，针对微功率冲击雷达的体积小、功率小、寿命长、成本低及分辨率高等特点，将其广泛应用于生物医学领域，如在心脏监护、婴儿监护、障碍性睡眠呼吸暂停监护、脑出血监护等等的研究。2002年美国联邦通信委员会允许此雷达技术可以商用化，从而推动了很多公司开始投资研究此雷达的应用，美国Time Domain公司利用该雷达技术研制出雷达视力2000（Radar Domain）雷达供执法部门使用和士兵视力（Soldier Vision）雷达供军事部门使用。 另外还有美国休斯先进电磁技术研究中心（Hughes Advanced Electromagnetic Technology Center,HAETC）研制的“2-D Concrete Penetration Radar”具有强的穿透能力。目前西方如美国、加拿大、英国和俄罗斯等多个国家已经投资大量人力和物力开始发展研究冲击雷达在生物医学方面的应用。2004年美国航空航天局艾姆斯研究中心的MIR成员利用便携式MIR移动探测器进行试验，完成了搜救5位“受伤人员”的救助。“9.11”事件后，该便携式MIR移动探测器在厚度数米的石砖下进行呼吸探测，实现搜救工作，为灾难营救上提供了很大帮助。国外用于生命探测仪的天线是美国航空航天局（NASA）指定的火星探测器两种候选雷达天线之一，是世界上相对最先进的探地雷达天线，能够非常敏锐地捕捉到微弱的生命信号，且已获得美国专利。1.3.2 国内研究现状国内对微功率冲击雷达的研究相对还是比较晚的，对其研究的应用领域也主要是用作运动传感器、报警器及定位器，对于应用于生物医学领域也是近几年才开始的。1995年，空军导弹学院率先在国内提出了MIR技术，从理论上深入分析了MIR核心技术，从实践上对该技术做了大量实验，最终在国内首度提出了完整的MIR的设计方案，成功研制出冲击雷达信号发射源、取样脉冲源，分析MIR的电磁波信号抗干扰能力及外界电磁干扰的抵抗能力，并进行实验研究，从而达到MIR动态目标的检测系统。第四军医大学从1998年起开始研究生命探测雷达，采用发射微波电磁信号，接收检测由人体活动而引起发射波的微小变化，通过信号处理技术提取到人体的呼吸和心跳信号。已经成功研制出不同波段的连续波雷达探测样机，可以探测穿墙20cm，距离达到5m的人体生命信号。2003年该大学生物医学小组研制了S2000-I型探测样机，随后该校与西安必肯科技合作研制了SJ-3000搜救样机，目前西安必肯科技有限公司已经研制了SJ-6000搜救雷达样机，对我国在雷达技术的发展有很大意义。此外，国内其他高校对生命探测技术也有很大成果，如国防科技大学采用发射超宽带脉冲，穿过非金属的有形介质，探测其有形介质后3-5m的人体生命信号；南京理工大学分析穿墙生命探测雷达的特点，研制了通过正弦调制，扩频连续波体制的探测实验系统，并做了相关实验。2001年9月，国家在“十五”863计划通信技术研究项目中，将UWB无线通信关键技术作为通信技术的研究的主要内容，鼓励国内学者对该技术的研究工作，这将很大程度上提升我国雷达技术的发展。国内对用于生命探测仪上的超宽带雷达天线并未做专门研究，这在一定程度上是微功率冲击雷达发展史上的一个遗憾，但对探地雷达方面已有一些成就，从而极速推动了微功率冲击雷达的发展。1.4 本文研究内容微功率冲击雷达通过发射极窄UWB脉冲，通过发射天线辐射电磁波，碰到人体胸腔的运动后而发生微小变化，接收天线接收反射电磁波，采用取样门提取生命信号，最后送到微处理单元进行数字处理得到生命信号。微功率冲击雷达硬件电路包括：窄脉冲信号产生电路；取样积分电路；带通滤波电路及放大滤波电路。对电路进行分析设计，并采用Multisim软件进行仿真设计。本文根据以上的研究内容而展开共六章,具体的安排如下：第一章分析了课题研究的背景、研究意义及国内外研究现状，最后讲解了论文研究的主要内容及对整个论文的章节安排。第二章分析电磁波的传输特性，介绍微功率冲击雷达的工作原理，超宽带雷达参数的选择，天线的重要功能。第三章分析了硬件电路的发射部分，即超宽带脉冲电路的产生。本节通过分析雪崩三极管的工作原理及其产生窄脉冲的基本电路，运用雪崩三极管的雪崩效应分析设计了单极性超宽带脉冲和双极性超宽带脉冲，并采用Multisim对电路进行仿真设计。第四章分析了硬件电路的接收部分，即取样积分电路、延时电路以及放大滤波电路的设计。本节通过分析取样积分的工作原理，完成取样积分电路分析设计；引出数字延时芯片，通过其芯片的外围电路及其性能进行讲解，完成延时电路的设计；最后通过分析回波信号的特征，完成信号处理电路包括其带通滤波电路和放大滤波电路的设计。第五章分析了硬件电路的调试部分和PCB制作。本章介绍了调试过程中的注意事项及电路的调试结果和PCB制作的注意事项。第六章为结论部分。在文章的最后一部分总结了本文的研究成果，并对今后研究工作进行展望。472 微功率超宽带雷达的工作原理及天线2.1 超宽带雷达工作基本原理2.1.1 基本原理雷达之所以能够探测到生命特征信息是基于其对生命体活动的检测。人的心跳和呼吸活动会使人体回波的频率、相位、振幅和到达时间发生变化。一般而言，振幅的变化可以忽略，所以，在生命探测中只使用频率、相位和到达时间。本文所研究的UWB生命探测雷达是利用UWB脉冲作为探测媒介，利用电磁波的穿透特性，通过对人体胸壁运动的反射回波信号进行取样积分、放大、滤波，然后再经过A/D转换送入微控制单元进行处理，利用数字信号处理方法从反射的回波信号提取出微弱的生命特征信息(呼吸、心跳等)。 UWB生命探测雷达的原理框图如图2.1所示，脉冲振荡器产生10MHz的占空比为50%的方波信号，该信号经过脉冲整形、UWB脉冲成形电路产生ps级的UWB脉冲，并通过发射天线辐射出去，被人体胸壁运动反射的回波信号送到接收取样电路，脉冲振荡器产生的信号经过延时电路产生和发射端相同的UWB脉冲作为同步脉冲，通过取样门对接收信号进行选择，接收取样输出的信号经过积分电路对接收信号进行积累，经过成千上万个脉冲积累后将微弱的生命体征信息检测出来，再经过带通滤波电路和放大滤波电路检测出呼吸和心跳信号，最后经过A/D转换后通过微控制单元进行处理。 图2.1 UWB生命探测雷达的原理框图2.1.2 理论分析本文所研究的UWB生命探测雷达是借助电磁波作为探测媒介穿透墙壁来探测生命特征信息，而人体胸腔运动是有一定规律可循的，这些特征信息加载在脉冲回波上会引起脉冲回波的重复周期发生变化，接收端采用相干接收就可以检测到这些生命特征信息。下面我们就从电磁波对墙壁的穿透特性和反射回波的特性来具体分析目标回波的相干检测接收原理。a 电磁波对墙壁的穿透特性 电磁波在墙壁中的传播和在自由空间的传播相比，色散和衰减要大得多，且传播系数为（2.1）式中，为衰减常数，为相位常数。其中，（2.2）（2.3）式中，墙壁导电系数角频率墙壁介电常数墙壁导磁率电磁波在墙壁中的相速为（2.4）在高频率范围内，有440，0.1，故，因此对于非导磁介质，式（2.2）和式（2.3）可用下式表示为（2.5） （2.6）式中，是电磁波在墙壁中的波长，假设大气中波长为，则 （2.7）这时，墙壁的电磁波群速和大致相等，可得下式（2.8）其中，为光速。b 反射回波特性(1) 回波模型分析 从系统角度出发，UWB生命探测雷达的接收回波模型可采用线性模型来近似为（2.9）式中是天线接收信号；为天线间的直接耦合波；为墙壁的界面反射波；是空间杂波；是墙壁后面目标的反射回波，其对墙壁有双程穿透过程，如图2.2所示。 图2.2 UWB生命探测雷达的回波模型简图 (2) 回波位置分析 假设UWB生命探测雷达的发射的脉冲序列的重复周期为T，则有T=d/c；这里，d表示相邻2个脉冲的空间距离，c表示光速。则脉冲的重复频率为：f=1/T=c/d。当脉冲序列被固定的目标(墙体等)反射后，反射脉冲序列的重复周期保持不变。当脉冲序列被运动的目标(人体)反射后使相邻两脉冲的空间距离发生变化。以检测人体的呼吸信号为例，假设人体胸壁运动是频率为，幅度为A的简谐运动： (2.10)则胸壁的运动速度为：(2.11)其中，相邻两脉冲的空间距离为 (2.12)反射脉冲序列的重复周期变为： (2.13)在同步条件下，发射脉冲在时间上相对同步脉冲的偏移为 （2.14）这些偏移反映了胸壁的运动情况。反射脉冲的重复频率变为 （2.15）也就是说经过人体反射回来的脉冲信号的位置发生了变化，接收端接收到的是携带有被测人体生理信息相关的脉位调制信号(PPM)，如果对接收到的脉冲序列进行解调，即检测出回波脉冲的位置偏移、积分、放大、滤波，送入微控制单元进行信息处理和数据分析，就可以得到与被测人体生理特征信息相关的参数信号(呼吸、心跳)。(3) 目标检测原理 为了有效捕获目标回波信号，抑制杂波和干扰，UWB生命探测雷达仅在每一个发射脉冲后的极短时间内对回波信号进行采样，该极短的时间称为取样门，当对距离墙壁远的目标进行探测时，需要对取样门设定一个时延，则有如下关系： （2.16）式中为墙壁的厚度，为自由空间中的波速，为电磁波在墙壁介质中波速。2.2 超宽带雷达参数选择超宽带生命探测雷达系统中，系统构成及主要技术参数决定了系统性能，系统性能同时又取决于应用环境。因此在设计时，应根据其应用背景选择合适的信号形式、发射功率、探测方式和硬件实现，从而实现系统的最优设计。2.2.1 超宽带雷达主要参数选择的依据超宽带生命探测雷达参数主要包括雷达的信号带宽以及发射信号形式，主要由雷达的穿透性能和探测深度、雷达的空间分辨率和系统设计需求决定。a 穿透性能和探测深度 要实现对墙壁后面目标的探测，就要求超宽带生命探测雷达的发射信号有较强的穿透特性，能有效穿透墙壁。电磁波在非空气介质中传播时，将会有一定程度的衰减，衰减的大小与电磁波的频率和介质的阻抗有关。墙壁对电磁波的衰减作用与墙壁媒质的透射系数的平方成反比，且雷达工作频率越低(波长越长)，墙壁的衰减作用越小，其穿透性能越好，由式（2.5）可以看出频率越高，就越大，衰减常数就显著增高。由于探地雷达与探空雷达具有相似的工作原理，而UWB生命探测雷达介于探地雷达和探空雷达之间，偏向于探地雷达。所以，UWB生命探测雷达可以借用探地雷达的雷达方程。探地雷达的方程如下： （2.17）式中，为雷达接收功率；为雷达发射功率；为天线增益；为目标反射截面；为目标深度，为媒介的吸收导致的电磁波衰减，、分别为收发天线与地面的耦合损耗，为传播媒介的传播损耗，为波长。b 雷达空间分辨率 分辨率是雷达的一个重要指标，它决定了雷达分辨最小异常介质体的能力。目标的空间分辨率包括距离向分辨率和方位向分辨率。(1) 距离向分辨率 距离向分辨率决定于区分回波在时间上靠得最近的两个信号的能力，用时间间隔表示为 （2.18）式中，为接收信号频谱的有效宽度。转换为深度，表示为（2.19）式中，为波速。从式（2.19）可以看出，当介质中的波速减少时，雷达的距离向分辨率提高，即在介电常数较大的介质中，雷达的距离向分辨率较高；接收信号的有效带宽越大，雷达的距离向分辨率越高。要提高雷达的分辨率，就必须要提高雷达发射信号的带宽，并采用相应的宽带接收电路。(2) 方位向分辨率 方位向分辨率主要取决于中心频率，计算公式为（2.20）其中是信号有效频率分量的高端对应的波长，是天线向辐射时的波束宽度。在用式（2.20）计算方位分辨率时，可取为接收信号有效频率分量对应的最小波长。综上所述，在UWB生命探测雷达中，在相同的空间坐标系中，所能检测到的目标空间尺寸越小，则雷达的空间分辨率越高，而这种分辨率的高低与雷达的工作频率和信号带宽有关。2.2.2 超宽带生命探测雷达的工作频率生命探测雷达的工作频率主要由电磁波对墙壁的穿透性能决定，波长越长其穿透性能越好，然而长的波长将影响雷达的空间分辨率，所以雷达的穿透性能和高分辨率成像是一对矛盾，通常偏重于对墙壁的穿透性能而选择低频工作频段。由于超宽带生命探测雷达的作用距离比较近，因此其发射脉冲的重复频率也就不必太低，这样有利于提高发射脉冲的平均功率，而且还能增加雷达的作用距离。本文选取10MHz作为发射脉冲的重复频率，而其工作频率由所产生的超宽带脉冲的频谱决定。2.2.3 超宽带生命探测雷达的发射信号形式UWB生命探测雷达系统是通过发射UWB脉冲信号来进行通信的，UWB脉冲信号的合理选择是整个系统的关键。UWB生命探测雷达信号传输模型如图2.3所示。H0(W)Y0(W)Si(W) 图2.3 UWB信号传输模型信号的传输模型为 （2.21）时域表达式为（2.22）若将图2.3看成线性滤波网络，设输入噪声为高斯白噪声，其功率谱密度为，在任意时刻，滤波器输出信号的瞬时功率与噪声平均功率之比为（2.23）由Schwartz不等式，当与互为共轭时，取得最大值。可见，当发射信号的频谱与信号传输函数之间满足互为共轭关系时，接收信号的瞬时功率与噪声的平均功率比最大，即接收端信噪比最大。此时，发射信号是最好的。发射信号的频谱为 （2.24）这里为比例常数，其时域波形表达式为（2.25）可见，UWB生命探测雷达的最佳发射信号是媒质参数，目标距离和目标特性的函数，在以上推导过程中，没有考虑电磁波在墙壁和目标之间的多次反射。这是因为，在有耗媒质，目标一次反射的波比二次反射的波要大得多，因此的假设是合理的。在第一章我们已经知道本文研究的是UWB系统。UWB系统不使用载波，而是采用占空比很低的短持续期（ns或ps级）脉冲来发射和接收信息。低占空比保证了UWB系统非常低的平均功率。UWB系统的平均发射功率在微瓦数量级，然而单个UWB脉冲的峰值或瞬时功率相对很大，但是因为它们仅在极短的时间（ns或ps级）内发射，所以平均功率变得非常小。因此，控制其占空比，UWB设备就只需较低的发射功率，这直接转化为手持设备较长的电池寿命。因为频率和时间呈倒数关系，短时UWB脉冲将其能量在很宽的频率范围上分布从接近于直流到几个吉赫兹（GHz）具有非常低的功率谱。图2.4描述了与上述理论分析得到的式（2.25）近似的时域和频域中的UWB脉冲。 图2.4时域和频域中的超宽带脉冲宽的瞬时带宽是由于傅里叶变换的时间尺度性质产生：（2.26）公式（2.26）左边的符号说明一个信号 ，它在时域由一个因子a进行了尺度变化；公式右边表明该信号所对应的频谱，由同一个因子a的倒数进行了尺度变换。UWB信号定义为信号在所有传输时间上其带宽BW必须大于500MHz或者相对带宽必须大于20%。相对带宽定义公式如2.27所示。（2.27）其中fc、fh和fl分别是UWB脉冲功率谱的中心频率、最高和最低截止频率（-10dB）。常用的超宽带脉冲信号可分为单极性和双极性两种形式。单极脉冲信号的一个典型数学模型是单指数衰减函数，模型为 （2.28）其中表示幅度，T表示上升时间，信号的功率谱为 （2.29）这类信号的主要频谱分量都在低频，天线的高通效应不仅使得相当一部分能量不能从天线辐射出去，从而会降低了系统的发射效率，同时，在系统内部产生反射振荡，这种信号失真降低了系统的动态范围，为此，设计和选择中心频率可控的双极性脉冲信号是冲激体制穿墙雷达所期望的。一般情况下，普遍采用的是高斯函数的一阶导函数波形（其直流分量为零），其表达式为 （2.30）其中，是脉冲形成因子，为方差。为了有效辐射，产生的脉冲应具有一个基本条件：无直流分量。在满足该条件的前提下，有多种脉冲波形可供参考。高斯函数的各阶导函数表示的波形都是满足上述条件的，图2.5是通过matlab仿真得到的高斯脉冲和它的前3阶导函数的时域波形。实际上，最普遍采用的脉冲波形的高斯函数的二阶导函数，具体表达式为：（2.31）式（2.31）所表示的高斯函数二阶导函数形式的脉冲经常被作为接收端的脉冲，即通过了发射和接收天线后的脉冲波形。理想情况下，如果一个波形为高斯函数的一阶导函数（其直流分量为零）的电流脉冲被馈入天线，那么，在天线的输出端将会得到一个高斯二阶导函数形式的脉冲波形。对于理想天线，辐射脉冲正比于驱动电流的倒数。要注意的是，接收时，天线不作为对输入信号的微分器，而应该呈现一种平坦的频率响应，这与上述对发射信号做理论分析得到的最佳信号形式是一致的。 图2.5高斯脉冲和它的前三阶导函数时域波形图2.3 微功率超宽带雷达天线的简介超宽带天线是任何超宽带雷达或通信系统必不可少的组成部分，它的功能是辐射或者接收超宽带无线电波。发射天线用于把馈线传输的射频电流信号变为自由空间的无线电波，接收天线则用于做相反的变换，从而实现任意两点之间超宽带电磁信号的传输。探地雷达主要探测对象是有耗，非均匀介质的分布规律。因而探地雷达系统与探空雷达相比，天线的设计和应用，有其特殊性。这也构成了探地雷达系统非常关键的部分。探地雷达的天线要求有如下的特点和功能：a 探地雷达的发射天线应能将电磁波的能量尽可能多地辐射出去，即天线具 有较高的效率；同时，还要求天线是一个良好的电磁开放系统，并与发射器 和接收器良好的匹配，天线应具有较高的灵敏度。b 天线具有良好的方向性。c 天线要具有足够的带宽，以满足对地下介质的分辨要求。d 探地雷达的天线应具有较强的抗干扰能力，以满足探地雷达系统在城市等 环境的应用。e 探地雷达是以脉冲电磁波形式进行探测的，因而要求探地雷达天线发射电磁波子波形态规则，不产生振荡，即通常所说的“子波干净”。以上是探地雷达天线的重要功能，据此可以定义天线的有关参数作为天线设计和评价依据。2.4 本章小结 本章阐述超宽带生命探测雷达基本原理；分析回波模型及其检测方式，研究了回波位置偏移规律；讨论了超宽带生命探测雷达工作频率和发射信号形式，确定了高斯脉冲的一阶导数作为超宽带脉冲的最佳信号形式以及超宽带脉冲天线的重要功能。3 微功率超宽带雷达发射电路的设计与分析目前国内外对超宽带雷达技术的研究显示，超宽带脉冲产生的方法大致有两种：一是采用数字电路的逻辑器件产生极窄脉冲；二是采用高速元器件，利用储能元件的充放电特性，结合脉冲整形电路产生系统所需脉冲。由于方法一产生的极窄脉冲脉宽太宽，且幅值较低，难以满足系统的要求，故通常都采用第二种方法，目前可采用的高速元器件有阶跃二极管、隧道二极管及雪崩三极管等，不同元器件产生脉冲的指标也各有差异。其中常用的是阶跃二极管和雪崩三极管，采用阶跃二极管可以产生产 ps极的窄脉冲，其产生的窄脉冲幅值太小，一般只有毫伏级，且产生的脉冲中有较多的低频分量及脉冲拖尾现象，故结合本系统的要求，本文选择采用雪崩三极管设计产生超宽带脉冲。3.1 雪崩三极管的工作原理如果在晶体管的集电结空间电荷区加上比正常情况大许多倍的电场，集电结的载流子被电场加速，从而获得很大的能量，这些被加速的载流子与晶格发生碰撞，产生新的电子-空穴对，这些新的电子-空穴对又被电场加速，并和晶格发生碰撞，再次产生新的电子-空穴对，如此重复上述过程，于是，流过集电结的电流便迅速增长，形成晶体管的雪崩效应。一般的晶体管都有一定的雪崩效应，只是显著程度存在较大的差别，一般而言，NPN管的雪崩效应比PNP管的强很多，所以在后面的讨论中所指的雪崩晶体管皆为NPN管。我们把雪崩效应较强的晶体管称为雪崩晶体管。3.1.1 雪崩三极管的击穿机理晶体三极管的输出特性包含四个区域：饱和区、线性区、截止区和雪崩区。当基极注入电流为正值，即 0时，发射结处于正向偏置，集电极电流随基极电流的变化而变化了。随的变化成比例的区域为线性区，不随明显不变化的区域为饱和区，以下的区域为截止区。当基极注入电流为负值，即时，发射结处于反偏，一般情况下，集电极电流接近于O。如果在集电极与发射极之间加上很高的电压，集电极电流会随基极电流和集-射电压剧烈变化，所以，此区域称为雪崩区如图3.1所示。在晶体管输出特性图3.1中，绘制了一组基极电流为常数的集电极电流与集电极到发射极电压的关系曲线。设 0，且保持不变，随着电压的增大，集电极电流开始缓慢增大，当接近时，集电极电流剧烈增大，此时晶体管被击穿。如果且保持不变，随着电压的增大，集电极电流开始缓慢增大，当接近和超过时，集电极电流依然很小。随着电压继续增大，一旦增大到某一特定值，使得晶体管的工作点移动到Q点，开始急剧增大。此后即使减小，仍然急剧增大，此时，晶体管呈现负阻抗特性。从图3.1中可见，对于不同的基极电流，临界点Q的位置不同，反向基极电流越小，其Q点越靠近直线，但无论多大，Q点也不能越过直线，晶体管的雪崩区位于与之间。 图3.1晶体管的输出特性3.1.2 雪崩晶体管的击穿电压二次击穿临界点Q的位置，可以根据倍增因子来计算。由基极电流与发射极电流的关系 (3.1)可以得到倍增因子 (3.2)式中是晶体管的共基极电流放大系数。考虑为常数的情况。由于基极电流的影响，发射极电流产生不均匀分布，这种不均匀分布，导致了基区电阻的增大。根据如图3.2所示的等效电路，利用二极管方程 (3.3)其中 (3.4)为基区电阻，该电阻阻值随基极电流的大小而变化。将(3.3)、(3.4)代入(3.2)得到 (3.5) 图3.2雪崩晶体管等效电路当晶体管二次击穿时，应有 (3.6)此式与下式 (3.7)等效。将(3.5)式代入(3.7)式计算，得到临界击穿基极电流 (3.8)其中是晶体管的小信号基极电阻 (3.9)将(3.8)的结果代入到(3.3)，得到发射极电流 (3.10)将此结果代入(3.2)，结合Miller关于雪崩倍增因子与关系的经验公式 (3.11)(其中n是一个与材料相关的系数，一般在26之间)便可以得到与之相对应的击穿电压，即确定图3.1中的临界点Q。若有外接电阻与串联，外接电阻与发射极串联，则(3.4)式应表示为 (3.12)相应的临界击穿基极电流变成为 (3.13)根据(3.13)，由于的作用，导致的减小，会降低晶体管的击穿电压；而的作用导致的增大，会相应提高晶体管的击穿电压。3.2 雪崩三极管脉冲电路的产生雪崩三极管的基本脉冲产生电路如图3.3所示，电路中直流电压（接近于，但小于）给集电极供电。该电路在基极输入端提供一个脉冲序列进行触发，当脉冲触发电路启动时，电路集电极输出端处于高阻状态。同时，由直流电压经过电阻和负载为集电级电容充电，使集-射电压近似等于直流电压，此时，三极管的集电结反偏，负载 上的电流是由下而上的，电流将三级管分别流入基级和发射结流出到地。加入脉冲触发后，基极电流由之前的负电流逐渐转换为正向电流，使集电结的电流急剧增大，三极管也进入临界状态，电流的继续增大使三极管击穿，此时电容开始急速放电，从而产生负脉冲，同时集-射电压也随之开始减小，根据雪崩三极管的工作状态可逆性，三极管再次进入饱和工作状态，再而截止状态，等待触发脉冲使三极管再次进入雪崩状态。 由图3.3电路可以得出，三极管集-射电压增大到临界状态时，负载电阻上的电流可表示为： （3.14）其中为集-射击穿电压。图3.3雪崩三极管基本形成电路雪崩三极管产生高幅度脉冲的要求是：三极管击穿后，电容放电的时间必须大于触发脉冲的相邻两脉冲之间的时间间隔。故电流可允许的最高重复频率表示为： （3.15）一般情况下有远小于，故对于对电容充电时间的影响这里不做考虑。由于对于雪崩三极管的二次击穿目前还没有一个定向的严格分析，所以无法估计脉冲的前沿时间，只能说，雪崩效应越强，其前沿时间越短，而后沿时间则由来决定。3.3 超宽带雷达脉冲产生电路3.3.1 元器件的选择衡量超宽带脉冲性能的主要参数是：脉冲的峰值幅度V0、脉冲的宽度tW（包括上升时间或下降时间）和脉冲的重复频率f0；一般而言，在选择雪崩三极管时，要注意几点：三极管应具有较高BVCEO 和较宽的雪崩区；较高的放大倍数和特征频率；较低的饱和压降。这些参数对于电路的稳定性，确保输出脉冲的宽度和幅度指标有重要影响。同时，还应考虑晶体管的功率损耗，其触发脉冲的作用下可表示为： （3.16）3.3.2 单极性脉冲产生电路本文采用雪崩三极管产生ps极的窄脉冲，由上节可知产生脉冲的基本形成电路，但在实际设计电路时，通常为了可以使三极管快速进入雪崩状态，加入微分整形电路。其微分整形电路是由电容Cl和电阻R1组成的，可以使触发脉冲的前沿更陡峭，从而使三极管以最短的时间进入雪崩状态，也不会因为基级电流输入的持续时间而导致三极管的损坏。本文在设计过程中，在微分整形电路后加入了加速电路，其目的是改善脉冲上升沿及下降沿，使其更陡峭，同时也为三极管输入脉冲信号与微分整形电路输出信号的一致提供了保证。如图3.4所示采用三极管产生的单极性超宽带脉冲电路。 图3.4 单极性超宽带脉冲 通过仿真及电路的进一步分析，可知影响单极性超宽带脉冲复制的触发脉冲、储能电容C3、负载电阻R5等。为了减小基极触发脉冲对其输出脉冲的影响，在微分整形电路后加入了肖特二极管BAT14-098，经过仿真分析，可以使相邻脉冲间的电压幅值明显降低。储能电容C3对输入脉冲的影响极大，当电容增大时，会导致脉冲宽度增加、带宽变窄。负载电阻R5增大的同时，输出脉冲的幅度绝对值也会相应增大，但其脉冲宽度也会增大。根据第三章介绍单极性脉冲电路设计，使用软件Multisim经过反复仿真调试，最终获得了峰值电压为-1.231V，周期为100.379ns的单极性超宽带负脉冲，如图3.5所示。该单极性超宽带负脉冲的局部放大图如图3.6所示，由图可知其脉冲宽度为1.894ns。图3.5 单极性脉冲产生电路仿真图 图3.6 单极性脉冲局部放大图因为单极性脉冲脉冲中含有微小的直流分量，若采用此单极性脉冲，在空间传播电磁波时将会使电磁波严重失真，达不到理想的探测效果。故针对单极性脉冲的缺点，本文采用双极性超宽带脉冲作为发射信号，如图3.7所示为双极性脉冲产生电路，是在单极性负脉冲产生电路后级联一路脉冲产生电路，将单极性负脉冲转换为双极性脉冲。3.3.3 双极性脉冲产生电路双极性超宽带脉冲产生的电路采用射频三极管MRF5812,利用其雪崩效应，结合微分整形电路、加速电路等构成。其中触发脉冲采用的是有源晶振输出5V、占空比50%、重复频率为10MHz的脉冲序列。微分电路由电容Cl和电阻R2构成；肖特基二极管与单极性超宽带脉冲产生电路中的作用相同；加速电路由电容C2和电阻R3构成；经过Ql、C3、R6等产生负极性超宽带脉冲，再通过一次三极管的雪崩效应产生双极性脉冲如图3.7所示。其中Q2基级输入脉冲为第一级输出的单极性超宽带负脉冲，在负极性脉冲下降沿触发Q2时，产生负脉冲，而负极性脉冲上升沿触发Q2时，产生正脉冲，从而产生双极性超宽带脉冲。图3.7 双极性超宽带脉冲产生仿真电路如图3.8，它的峰峰值电压为2.432v,脉冲宽度为1.438ns，其脉冲的局部放大图如图3.9，可以看出其应用于穿墙探测雷达中，波形己经是比较理想了。图3.8 双极性脉冲产生电路的仿真图图3.9 双极性脉冲的局部放大图通过比较图3.6和图3.9可知，双极性脉冲没有单极性负脉冲中的直流分量成份，而且没有拖尾现象。脉冲是雷达发射端的重要产生因素，它直接决定了系统的探测性能，本文通过仿真调试产生幅值为2.432v，脉宽为1.438ns的双极性脉冲，从理论上讲可以达到穿墙探测的目的，且波形较为理想。3.4 本章总结本章首先介绍确定脉冲产生方案过程，选择利用雪崩三极管；然后分析了雪崩三级管的工作原理；最后详细介绍超宽带探地雷达的脉冲产生电路，包括元器件的选择和具体电路分析设计及优化。4 微功率超宽带雷达接收电路设计与分析4.1 接收前端电路总体设计与分析微功率冲击雷达的接收电路是对天线发射的电磁波经人体胸腔运动而发生微小变化的反射波进行相关检测和提取，但由于微功率冲击雷达的功率低、频带宽及中心频率高的特点，使微功率冲击雷达接收电路的关键问题归根于回波信号的检测。本文主要研究的是运用微功率冲击雷达来探测墙壁后面的人体生命信号，但由于人体生命信号是极其微弱的信号，所以检测接收的回波信号必须要提高信噪比。与一般的检测技术相比，微弱信号的检测技术主要关注的是抑制噪声和提高信噪比的方法，而不是传感器物理模型和传感器原理、相应的信号转换电路和仪表的实现方法，故这就要求我们要灵活运用上述的理论知识提高信噪比，从而检测出良好的微弱信号。接收回波信号的方法有很多种，而人体的生命信号一般可看为是正弦信号。通过查阅资料可知，取样积分适合复杂的宽带周期信号波形的检测。本文采用取样积分对接收回来的信号进行检测，此方法又称为门控相关检测，此方法是针对噪声的随机性，对接收回来的回波信号进行积分平均从而提高其信噪比，达到提取微弱信号的目的。 UWB生命探测雷达系统接收前端电路原理框图如图4.1所示: 可变延迟取样积分带通滤波放大滤波接收天线脉冲震荡器微控制单元A/D转换图4.1微功率冲击雷达接收前端结构框图 主要由取样积分电路、可变延迟单元、带通滤波和放大滤波电路组成。其中取样积分电路将接收的微弱的、被目标反射的UWB脉冲信号和经过延时后的参考脉冲信号进行相关检测，即取样积分，提高信噪比，然后经过带通滤波电路和放大滤波电路实现对人体运动信息和生命特征信息的接收和检测。这里可变延迟电路为取样积分电路提供精确的同步参考脉冲信号，它的一个输入是发射端脉冲信号，另一个输入由接收后端微控制单元的程序精确控制。4.2 取样积分电路的设计与分析从图4.1中可以看出取样积分电路有两个输入端和一个输出端，其输入端包括要取样的信号输入端和取样的控制端，其中控制端是发射端同步信号经过延时达到对取样门的控制。采用相干叠加技术，通过延时控制后对取样信号进行积分达到对随机噪声的抑制和提高信噪比的目的，最终实现微弱信号的提取。4.2.1 取样积分原理介绍取样积分是目前检测微弱信号的方法之一，它采用相干叠加原理技术，对微弱信号进行相干处理。其方法是根据噪声的随机性，而接收的回波中有用信号的周期性，通过不断对回波信号进行累加，达到提高信噪比和提取人体微弱信号的目的。由于噪声前后是不相关的，所以回波信号在受到噪声的影响后，回波信号的变化也是不同的，在回波信号进行取样时，人体有关的微弱信号随着周期性而不断累加，信号越来越强，而噪声在不断累加的过程中，因为前后的相关性差异而不断变弱。取样到的信号再经过积分电路，若积分电路中的电容足够大时，积分电路取样加波信号进行积分平均，则周期性的微弱信号不会发生变化，而噪声则随着积分平均而变得很弱，如果积分的次数足够多时，噪声的平均值也就近似为零了，而稳定的周期信号则不会受影响。经过取样积分后微弱的回波信号还是会有一些噪声的干扰，则需通过信号处理电路将信号检测出来。取样积分电路是取样和积分两步完成的，取样如图4.2所示是取样脉冲控制取样开门对输入信号进行采样的过程。其输出信号等于取样脉冲序列与输入信号的乘积，即： （4.1）积分则是采用电阻和电容构成。如图4.3所示，可知流过电阻的电流为： （4.2） （4.3）积分器一般分为线性门积分器和指数式门积分器，本文采用线性门积分器，改善信噪比是受电路的动态范围限制，而不是受积分时间常数限制。而信噪