【正文】 結(jié)果，這將大大降低了取樣積分的效率。其輸出信號等于取樣脈沖序列與輸入信號的乘積，即： （）積分則是采用電阻和電容構(gòu)成。 取樣積分電路的設計與分析，其輸入端包括要取樣的信號輸入端和取樣的控制端，其中控制端是發(fā)射端同步信號經(jīng)過延時達到對取樣門的控制。本文主要研究的是運用微功率沖擊雷達來探測墻壁后面的人體生命信號，但由于人體生命信號是極其微弱的信號，所以檢測接收的回波信號必須要提高信噪比。其中觸發(fā)脈沖采用的是有源晶振輸出5V、占空比50%、重復頻率為10MHz的脈沖序列。 單極性超寬帶脈沖 通過仿真及電路的進一步分析，可知影響單極性超寬帶脈沖復制的觸發(fā)脈沖、儲能電容C負載電阻R5等。雪崩三極管產(chǎn)生高幅度脈沖的要求是：三極管擊穿后，電容放電的時間必須大于觸發(fā)脈沖的相鄰兩脈沖之間的時間間隔。將()、()代入()得到 () 當晶體管二次擊穿時，應有 ()此式與下式 ()等效。隨著電壓繼續(xù)增大，一旦增大到某一特定值，使得晶體管的工作點移動到Q點，開始急劇增大。 雪崩三極管的擊穿機理晶體三極管的輸出特性包含四個區(qū)域：飽和區(qū)、線性區(qū)、截止區(qū)和雪崩區(qū)。以上是探地雷達天線的重要功能，據(jù)此可以定義天線的有關(guān)參數(shù)作為天線設計和評價依據(jù)。探地雷達主要探測對象是有耗，非均勻介質(zhì)的分布規(guī)律。在滿足該條件的前提下，有多種脈沖波形可供參考。（）近似的時域和頻域中的UWB脈沖。發(fā)射信號的頻譜為 （）這里為比例常數(shù)，其時域波形表達式為 （）可見，UWB生命探測雷達的最佳發(fā)射信號是媒質(zhì)參數(shù)，目標距離和目標特性的函數(shù)，在以上推導過程中，沒有考慮電磁波在墻壁和目標之間的多次反射。 超寬帶生命探測雷達的工作頻率生命探測雷達的工作頻率主要由電磁波對墻壁的穿透性能決定，波長越長其穿透性能越好，然而長的波長將影響雷達的空間分辨率，所以雷達的穿透性能和高分辨率成像是一對矛盾，通常偏重于對墻壁的穿透性能而選擇低頻工作頻段。目標的空間分辨率包括距離向分辨率和方位向分辨率。 超寬帶雷達主要參數(shù)選擇的依據(jù)超寬帶生命探測雷達參數(shù)主要包括雷達的信號帶寬以及發(fā)射信號形式，主要由雷達的穿透性能和探測深度、雷達的空間分辨率和系統(tǒng)設計需求決定。則脈沖的重復頻率為：f=1/T=c/d。本文所研究的UWB生命探測雷達是利用UWB脈沖作為探測媒介，利用電磁波的穿透特性，通過對人體胸壁運動的反射回波信號進行取樣積分、放大、濾波，然后再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送入微控制單元進行處理，利用數(shù)字信號處理方法從反射的回波信號提取出微弱的生命特征信息(呼吸、心跳等)。本節(jié)通過分析取樣積分的工作原理，完成取樣積分電路分析設計；引出數(shù)字延時芯片，通過其芯片的外圍電路及其性能進行講解，完成延時電路的設計；最后通過分析回波信號的特征，完成信號處理電路包括其帶通濾波電路和放大濾波電路的設計。 本文研究內(nèi)容微功率沖擊雷達通過發(fā)射極窄UWB脈沖，通過發(fā)射天線輻射電磁波，碰到人體胸腔的運動后而發(fā)生微小變化，接收天線接收反射電磁波，采用取樣門提取生命信號，最后送到微處理單元進行數(shù)字處理得到生命信號。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對微功率沖擊雷達的研究相對還是比較晚的，對其研究的應用領(lǐng)域也主要是用作運動傳感器、報警器及定位器，對于應用于生物醫(yī)學領(lǐng)域也是近幾年才開始的。McEwon先生在超寬帶雷達上面的研究無疑是我們學習的典范，至今為止他研制的MIR已經(jīng)在美國獲得了56項專利，同時在全世界也達到了214項專利或應用專利。還有由日本研究的連續(xù)波探測性雷達是針對近距離（小于50cm）的探測，它主要是透過各種衣物、被褥等對股動脈、指尖脈搏、頸動脈及心率的探測，但由于其探測距離的有限性造成了其實際應用的局限性。主要用于在自然災害后被埋在廢墟中的幸存者的救助，近年來各地區(qū)的地震頻頻不斷，微功率沖擊雷達技術(shù)在探測尋找生命體，救助埋在廢墟中的幸存者方面起到了很大的幫助；追捕潛伏在建筑物內(nèi)的罪犯，提高了國家執(zhí)法人員作戰(zhàn)能力；監(jiān)護醫(yī)院病危的病人，在醫(yī)院有些重病的傷員不宜接觸，需隔衣服或遠距離進行監(jiān)測。 本文所討論的UWB生命探測雷達就是基于UWB雷達原理的MIR，又稱無載波雷達、非正弦雷達，具有很大的相對帶寬（信號的帶寬與中心頻率之比），一般大于25％。 研究背景和意義本文所研究的MIR是一種功率極其微小、像其他超寬帶雷達一樣的脈沖雷達，（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）在Nova激光器的基礎(chǔ)上發(fā)明并獲得專利的一種新型雷達。它起初是由國外發(fā)展過來，國外對此技術(shù)的研究要遠遠早于國內(nèi)，目前該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)開始推廣研究，本文主要是將微功率沖擊雷達應用于生命探測方面的研究。美國佐治亞技術(shù)研究所還研制了拋物面天線結(jié)構(gòu)的隔墻檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)還被用于奧運會研究射箭和步槍運動員的心跳和呼吸對射擊準確度的影響。 另外還有美國休斯先進電磁技術(shù)研究中心（Hughes Advanced Electromagnetic Technology Center,HAETC）研制的“2D Concrete Penetration Radar”具有強的穿透能力。已經(jīng)成功研制出不同波段的連續(xù)波雷達探測樣機，可以探測穿墻20cm，距離達到5m的人體生命信號。本文根據(jù)以上的研究內(nèi)容而展開共六章,具體的安排如下：第一章分析了課題研究的背景、研究意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后講解了論文研究的主要內(nèi)容及對整個論文的章節(jié)安排。第六章為結(jié)論部分。下面我們就從電磁波對墻壁的穿透特性和反射回波的特性來具體分析目標回波的相干檢測接收原理。以檢測人體的呼吸信號為例，假設人體胸壁運動是頻率為，幅度為A的簡諧運動： ()則胸壁的運動速度為： ()其中，相鄰兩脈沖的空間距離為 ()反射脈沖序列的重復周期變?yōu)椋? ()在同步條件下，發(fā)射脈沖在時間上相對同步脈沖的偏移為 （）這些偏移反映了胸壁的運動情況。墻壁對電磁波的衰減作用與墻壁媒質(zhì)的透射系數(shù)的平方成反比，且雷達工作頻率越低(波長越長)，墻壁的衰減作用越小，其穿透性能越好，由式（）可以看出頻率越高，就越大，衰減常數(shù)就顯著增高。從式（）可以看出，當介質(zhì)中的波速減少時，雷達的距離向分辨率提高，即在介電常數(shù)較大的介質(zhì)中，雷達的距離向分辨率較高；接收信號的有效帶寬越大，雷達的距離向分辨率越高。 超寬帶生命探測雷達的發(fā)射信號形式UWB生命探測雷達系統(tǒng)是通過發(fā)射UWB脈沖信號來進行通信的，UWB脈沖信號的合理選擇是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。UWB系統(tǒng)不使用載波，而是采用占空比很低的短持續(xù)期（ns或ps級）脈沖來發(fā)射和接收信息。 （）其中fc、fh和fl分別是UWB脈沖功率譜的中心頻率、最高和最低截止頻率（10dB）。理想情況下，如果一個波形為高斯函數(shù)的一階導函數(shù)（其直流分量為零）的電流脈沖被饋入天線，那么，在天線的輸出端將會得到一個高斯二階導函數(shù)形式的脈沖波形。探地雷達的天線要求有如下的特點和功能：a 探地雷達的發(fā)射天線應能將電磁波的能量盡可能多地輻射出去，即天線具 有較高的效率；同時，還要求天線是一個良好的電磁開放系統(tǒng)，并與發(fā)射器 和接收器良好的匹配，天線應具有較高的靈敏度。由于方法一產(chǎn)生的極窄脈沖脈寬太寬，且幅值較低，難以滿足系統(tǒng)的要求，故通常都采用第二種方法，目前可采用的高速元器件有階躍二極管、隧道二極管及雪崩三極管等，不同元器件產(chǎn)生脈沖的指標也各有差異。當基極注入電流為負值，即時，發(fā)射結(jié)處于反偏，一般情況下，集電極電流接近于O。 雪崩晶體管的擊穿電壓二次擊穿臨界點Q的位置，可以根據(jù)倍增因子來計算。 雪崩三極管脈沖電路的產(chǎn)生，電路中直流電壓（接近于，但小于）給集電極供電。 超寬帶雷達脈沖產(chǎn)生電路 元器件的選擇衡量超寬帶脈沖性能的主要參數(shù)是：脈沖的峰值幅度V0、脈沖的寬度tW（包括上升時間或下降時間）和脈沖的重復頻率f0；一般而言，在選擇雪崩三極管時，要注意幾點：三極管應具有較高BVCEO 和較寬的雪崩區(qū)；較高的放大倍數(shù)和特征頻率；較低的飽和壓降。負載電阻R5增大的同時，輸出脈沖的幅度絕對值也會相應增大，但其脈沖寬度也會增大。 雙極性超寬帶脈沖產(chǎn)生，,，可以看出其應用于穿墻探測雷達中，波形己經(jīng)是比較理想了。通過查閱資料可知，取樣積分適合復雜的寬帶周期信號波形的檢測。其方法是根據(jù)噪聲的隨機性，而接收的回波中有用信號的周期性，通過不斷對回波信號進行累加，達到提高信噪比和提取人體微弱信號的目的。取樣門寬越小，其恢復波形越接近原波形，而當取樣門寬度一樣時，積分時間常數(shù)應小于取樣門寬。每個周期取樣點數(shù)的多少都是由輸入信號的頻率和要求恢復信號的精度決定的，但要求積分器的多少與取樣的點數(shù)相同。當取樣脈沖結(jié)束后，四個二極管又重新恢復截止狀態(tài)，從而完成一次取樣。在實際電路中，由于對稱性的電路并不可能完全實現(xiàn)，從而導致取樣的信號會有一些失真。所以，我們選擇了采用二極管橋式取樣門的取樣積分電路來實現(xiàn)取樣變換。該器件可以替代模擬延遲線，大大提高延時的精確度，最小延時可達10ps，器件的最大延時范圍由外部電阻器、外部電容器確定，~10μs范圍內(nèi)選擇器件的最大延時范圍，再通過設置8位數(shù)字信號確定具體的延時時間。可以看出，要優(yōu)于DS1020，同時，~10μs，寬于DS1020的10ns~520ns，而其外圍電路復雜度差別不大，故選取AD9501作為延時芯片。兩種生命信號是十分微弱的，在前面章節(jié)已經(jīng)分析了，雷達的回波信號是一個高頻信號，經(jīng)過積分取樣電路處理后的信號也可能混有高頻成分，因此必要的濾波是很重要的。： OP27型運放和LF353型運放參數(shù)表參數(shù)名稱OP27型運放LF353型運放輸入阻抗2000MΩ1012Ω共模抑制比120dB100dB輸入失調(diào)電壓 ，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，OP27型運算放大器和LF353型運算放大器都具有高輸入阻抗、高共模擬制比的主要特點；這對于放大電路的設計具有很重要的意義，本文放大濾波電路所處理的信號是低頻弱信號，電路信號放大倍太大，會造成信號的失真、產(chǎn)生漂移現(xiàn)象和直流分量的大量出現(xiàn)。 放大電路的設計與分析 a 前級放大電路 由于放大濾波電路的輸入信號為電壓幅值約為幾百uV到幾百mV之間的低頻信號，因此前置級放大電路在系統(tǒng)中有很重要的作用。壓控電壓源型電路結(jié)構(gòu)的濾波器特點是使用元件少，對放大器要求不高。50Hz帶阻濾波器的設計要求為：Hz；Hz；電路采用50Hz帶通濾波器和加法電路組成，一路經(jīng)10K電阻進入加法器輸入端，一路經(jīng)增益為1的50Hz帶通濾波器，經(jīng)10K電阻耦合進入加法器輸入端。如有問題先切斷電源，再次檢測電路是否完好；元器件是否可以正常工作；根據(jù)檢測結(jié)果判斷問題所在，改變電路后再次調(diào)試。 脈沖整形電路檢測結(jié)果c 極窄脈沖的形成 本文微功率沖擊雷達產(chǎn)生的是雙極性超寬帶脈沖，其電路由兩個雪崩三級管聯(lián)級聯(lián)電路形成。 d 放大濾波電路的檢測 帶通及放大濾波電路是采用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個具體的信號代替生命信號，通過濾波電路在結(jié)果處檢測出信號可以順利通過，且放大倍數(shù)同理仿真計算值相同。本文設計的電路是在一塊電路板中實現(xiàn)的，該電路板中沒有包含接收后端電路，但設計時已經(jīng)考慮了用C8051F020 單片機作為接收后端的處理電路，因此留下了相應接口電路，以待后續(xù)設計研究，總體PCB圖可參見附錄圖B。6 總結(jié)與展望 本文主要研究成果UWB生命探測雷達是近年來雷達探測技術(shù)的新發(fā)展，國內(nèi)外對UWB生命探測雷達技術(shù)的研究剛剛起步，目前，它仍是一個比較新的富有挑戰(zhàn)性的研究課題。詳細分析了每個部分的電路設計思路及方案，并仿真得出結(jié)果。E Systems , 3:1014.[13] [D].西安::5593.[14] Chen Kunmu,Huang Yong, Norman A, et al. 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