【文章內(nèi)容簡介】 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(duì)整個(gè)論文的章節(jié)安排。 第二章分析電磁波的傳輸特性，介紹微功率沖擊雷達(dá)的工作原理，超寬帶雷達(dá)參數(shù)的選擇，天線的重要功能。 第三章分析了硬件電路的發(fā)射部分，即超寬帶脈沖電路的產(chǎn)生。本節(jié)通過分析雪崩三極管的工作原理及其產(chǎn)生窄脈沖的基本電路，運(yùn)用雪崩三極管的雪崩效應(yīng)分析設(shè)計(jì) 了單極性超寬帶脈沖和雙極性超寬帶脈沖，并采用 Multisim 對(duì)電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。 第四章分析了硬件電路的接收部分，即取樣積分電路、延時(shí)電路以及放大濾波電路的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)；引出數(shù)字延時(shí)芯片，通過其芯片的外圍電路及其性能進(jìn)行講解，完成延時(shí)電路的設(shè)計(jì)；最后通過分析回波信號(hào)的特征，完成信號(hào)處理電路包括其帶通濾波電路和放大濾波電路的設(shè)計(jì)。 第五章分析了硬件電路的調(diào)試部分和 PCB 制作。本章介紹了調(diào)試過程中的注意事項(xiàng)及電路的調(diào)試結(jié)果和 PCB 制作的注意事項(xiàng)。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第六章為結(jié)論部 分。在文章的最后一部分總結(jié)了本文的研究成果，并對(duì)今后研究工作進(jìn)行展望。2 微功率超寬帶雷達(dá)的工作原理及天線 6 2 微功率超寬帶雷達(dá)的工作原理及天線 超寬帶雷達(dá)工作基本原理 基本原理 雷達(dá)之所以能夠探測(cè)到生命特征信息是基于其對(duì)生命體活動(dòng)的檢測(cè)。人的心跳和呼吸活動(dòng)會(huì)使人體回波的頻率、相位、振幅和到達(dá)時(shí)間發(fā)生變化。一般而言，振幅的變化可以忽略，所以，在生命探測(cè)中只使用頻率、相位和到達(dá)時(shí)間 ]12[ 。本文所研究的 UWB 生命探測(cè)雷達(dá)是利用 UWB 脈沖作為探測(cè)媒介，利 用電磁波的穿透特性，通過對(duì)人體胸壁運(yùn)動(dòng)的反射回波信號(hào)進(jìn)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(jìn)行處理，利用數(shù)字信號(hào)處理方法從反射的回波信號(hào)提取出微弱的生命特征信息 (呼吸、心跳等 ) ]1512[ ? 。 UWB 生命探測(cè)雷達(dá)的原理框圖如圖 所示，脈沖振蕩器產(chǎn)生 10MHz 的占空比為 50%的方波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過脈沖整形、 UWB 脈沖成形電路產(chǎn)生 ps 級(jí)的 UWB脈沖，并通過發(fā)射天線輻射出去，被人體胸壁運(yùn)動(dòng)反射的回波信號(hào)送到接收取 樣電路，脈沖振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過延時(shí)電路產(chǎn)生和發(fā)射端相同的 UWB脈沖作為同步脈沖，通過取樣門對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行選擇，接收取樣輸出的信號(hào)經(jīng)過積分電路對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行積累，經(jīng)過成千上萬個(gè)脈沖積累后將微弱的生命體征信息檢測(cè)出來，再經(jīng)過帶通濾波電路和放大濾波電路檢測(cè)出呼吸和心跳信號(hào)，最后經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換后通過微控制單元進(jìn)行處理。 圖 UWB生命探測(cè)雷達(dá)的原理框圖 理論分析 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 本文所研究的 UWB 生命探測(cè)雷達(dá)是借助電磁波作為探測(cè)媒介穿透墻壁來探測(cè)生命特征信息，而人體胸腔運(yùn)動(dòng)是有 一定規(guī)律可循的，這些特征信息加載在脈沖回波上會(huì)引起脈沖回波的重復(fù)周期發(fā)生變化，接收端采用相干接收就可以檢測(cè)到這些生命特征信息。下面我們就從電磁波對(duì)墻壁的穿透特性和反射回波的特性來具體分析目標(biāo)回波的相干檢測(cè)接收原理。 a 電磁波對(duì)墻壁的穿透特性 ]16[ ]17[ 電磁波在墻壁中的傳播和在自由空間的傳播相比，色散和衰減要大得多，且傳播系數(shù)為 j? ? ??? （ ） 式中， ?為衰減常數(shù)， ? 為相位常數(shù)。其中， 122112rr? ?? ???? ?????????????? （ ） 122112rr? ?? ???? ?????????????? （ ） 式中， ? — 墻壁導(dǎo)電系數(shù) ?— 角頻率 r? — 墻壁介電常數(shù) ? — 墻壁導(dǎo)磁率 電磁波在墻壁中的相速為 122112rPrV ? ?? ??? ????????????????????????? （ ） 在高頻率范圍內(nèi)，有 r?? 4～ 40， ? ＜ ，故 2 1r?????????，因此對(duì)于非導(dǎo)磁介質(zhì)，式（ ）和式（ ）可用下式表示為 60 r? ?? ?? （ ） /2g? ? ?? （ ） 式中， g? 是電磁波在墻壁中的波長，假設(shè)大氣中波長為 0? ，則 0 /gr???? （ ） 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 這時(shí)，墻壁的電磁波群速gV和 PV 大致相等，可得下式 39。g P rVV cc?? ? ? （ ） 其中， c 為光速。 b 反射回波特性 ]2218[ ? (1) 回波模型分析 從系統(tǒng)角度出發(fā)， UWB 生命探測(cè)雷達(dá)的接收回波模型可采用線性模型來近似為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?x t s t a t b t r t? ? ? ? （ ） 式中 ??xt 是天線接收信號(hào)； ??at為天線間的直接耦合波； ??bt為墻壁的界面反射波； ??rt是空間雜波； ??st是墻壁后面目標(biāo)的反射回波，其對(duì)墻壁有雙程穿透過 程，如圖 所示。 圖 UWB生命探測(cè)雷達(dá)的回波模型簡圖 (2) 回波位置分析 假設(shè) UWB 生命探測(cè)雷達(dá)的發(fā)射的脈沖序列的重復(fù)周期為T，則有 T=d/c；這里， d表示相鄰 2 個(gè)脈沖的空間距離， c表示光速。則脈沖的重復(fù)頻率為： f=1/T=c/d。當(dāng)脈沖序列被固定的目標(biāo) (墻體等 )反射后，反射脈沖序列的重復(fù)周期保持不變。當(dāng)脈沖序列被運(yùn)動(dòng)的目標(biāo) (人體 )反射后使相鄰兩脈沖的空間距離發(fā)生變化。 以檢測(cè)人體的呼吸信號(hào)為例，假設(shè)人體胸壁運(yùn)動(dòng)是頻率為 0? ，幅度為 A的簡諧運(yùn)動(dòng)： ? ?0coss t A t?? () 則胸壁的運(yùn)動(dòng)速度為： 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 ? ?0 0 0s in s inad s tV A t V tdt ? ? ?? ? ? ? () 其中，0aVA???，相鄰兩脈沖的空間距離為 00 si naad V td T V d T ?? ? ? ? () 反射脈沖序列的重復(fù)周期變?yōu)椋? 00 s ina aa V tTT d d Tcc ???? () 在同步條件下，發(fā)射脈沖在時(shí)間上相對(duì)同步脈沖的偏移為 000 s in s inaaaaa V tT V tTd d T TddT T T c c c c c???? ? ? ? ? ? ? ? （ ） 這些偏移反映了胸壁的運(yùn)動(dòng)情況。 反射脈沖的重復(fù)頻率變?yōu)? 0s in1aa aaV tTcf T d T ??? ? （ ） 也就是說經(jīng)過人體反射回來的脈沖信號(hào)的位置發(fā)生了變化，接收端接收到的是攜帶有被測(cè)人體生理信息相關(guān)的脈位調(diào)制信號(hào) (PPM)，如果對(duì)接收到的脈沖序列進(jìn)行解調(diào)，即檢測(cè)出回波脈沖的位置偏移、積分、放大、濾波，送入微控制單元進(jìn)行信息處理和數(shù)據(jù)分析，就可以得到與被測(cè)人體生理特征信息相關(guān)的參數(shù)信號(hào) (呼吸、心跳 )。 (3) 目標(biāo)檢測(cè)原理 為了有效捕獲目標(biāo)回波信號(hào)，抑制雜波和干擾， UWB生命探測(cè)雷達(dá)僅在每一個(gè)發(fā)射脈沖后的極短時(shí)間內(nèi)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣，該極短的時(shí) 間稱為取樣門，當(dāng)對(duì)距離墻壁 L 遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，需要對(duì)取樣門設(shè)定一個(gè)時(shí)延 ? ， 則有如下關(guān)系： 039。2Lcdc? ? ? ??????? （ ） 式中0d為墻壁的厚度， c 為自由空間中的波速， 39。c 為 電磁波在墻壁介質(zhì)中 波速。 超寬帶雷達(dá)參數(shù)選擇 超寬帶生命探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中，系統(tǒng)構(gòu)成及主要技術(shù)參數(shù)決定了系統(tǒng)性能，系統(tǒng)性能同時(shí)又取決于應(yīng)用環(huán)境。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用背景選擇合適的信號(hào)形式、發(fā)射功率、探測(cè)方式和硬件實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。 超寬帶雷達(dá)主要參數(shù)選擇的依據(jù) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 超寬帶生命探測(cè)雷達(dá)參數(shù)主要包括雷達(dá)的信號(hào)帶寬以及發(fā)射信號(hào)形式，主要由雷達(dá)的 穿透性能和探測(cè)深度、雷達(dá)的空間分辨率和系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求決定。 a 穿透性能和探測(cè)深度 要實(shí)現(xiàn)對(duì)墻壁后面目標(biāo)的探測(cè)，就要求超寬帶生命探測(cè)雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)有較強(qiáng)的穿透特性，能有效穿透墻壁。電磁波在非空氣介質(zhì)中傳播時(shí)，將會(huì)有一定程度的衰減，衰減的大小與電磁波的頻率和介質(zhì)的阻抗有關(guān)。墻壁對(duì)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(dá)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 ]20[ ，由式 （ ）可以看出頻率越高， ? 就越大，衰減常數(shù) ? 就顯著增高。 由于探地雷達(dá)與探空雷達(dá)具有相似的工作原理，而 UWB 生命探測(cè)雷達(dá)介于探地雷達(dá)和探空雷達(dá)之間，偏向于探地雷達(dá)。所以， UWB 生命探測(cè)雷達(dá)可以借用探地雷達(dá)的雷達(dá)方程。探地雷達(dá)的方程如下： ? ? ? ?2200 1 1 03 4 e x p 44TR SP G SP L L RR L? ???? （ ） 式中， RP 為雷達(dá)接收功率； TP 為雷達(dá)發(fā)射功率； G 為天線增益； S 為目標(biāo)反射截面； R 為目標(biāo)深度， ? 為媒介的吸收導(dǎo)致的電磁波衰減，01L、10L分別為收發(fā)天線與地面的耦合損耗，SL為傳播媒介的傳播損耗， 0? 為波長。 b 雷達(dá)空間分辨率 ]12[ ]23[ 分辨率是雷達(dá)的一個(gè)重要指標(biāo)，它決定了雷達(dá)分辨最小異常介質(zhì)體的能力。目標(biāo)的空間分辨率包括距離向分辨率和方位向分辨率。 (1) 距離向分辨率 距離向分辨率決定于區(qū)分回波在時(shí)間上靠得最近的兩個(gè)信號(hào)的能力，用時(shí)間間隔表示為 1efft B?? （ ） 式中，effB為接收信號(hào)頻譜的有效寬度。轉(zhuǎn)換為深度，表示為 22efftvvh B?? ? ? （ ） 式中， v 為波速。從式（ ）可以看出，當(dāng)介質(zhì)中的波速減少時(shí)，雷達(dá)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(dá)的距離向分辨率較高；接收信號(hào)的有效帶寬effB越大，雷達(dá)的距離向分辨率越 高。要提高雷達(dá)的分辨率，就必須要提高雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的帶寬，并采用相應(yīng)的寬帶接收電路。 (2) 方位向分辨率 方位向分辨率主要取決于中心頻率，計(jì)算公式為 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 m in m inm a x ,2 2 t a n2CR????????? ?????????? （ ） 其中 min? 是信號(hào)有效頻率分量的高端對(duì)應(yīng)的波長，θ是天線向輻射時(shí)的波束寬度。在用式（ ）計(jì)算方位分辨率時(shí)， min? 可取為接收信號(hào)有效頻率分量對(duì)應(yīng)的最小波長。 綜上所述，在 UWB 生命探測(cè)雷達(dá)中，在相同的空間坐標(biāo)系中，所能檢測(cè)到的目標(biāo)空間尺寸越小，則雷達(dá)的空間分辨率越高，而這種分辨率的高低與雷達(dá)的工作頻率和信號(hào)帶寬有關(guān)。 超寬帶生命探測(cè)雷達(dá)的工作頻率 生命探測(cè)雷達(dá)的工作頻率主要由電磁波對(duì)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(dá)的空間分辨率，所以雷達(dá)的穿透性能和高分辨率成像是一對(duì)矛盾 ]24[ ，通常偏重于對(duì) 墻壁的穿透性能而選擇低頻工作頻段。 由于超寬帶生命探測(cè)雷達(dá)的作用距離比較近，因此其發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率也就不必太低，這樣有利于提高發(fā)射脈沖的平均功率，而且還能增加雷達(dá)的作用距離。本文選取 10MHz 作為發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率，而其工作頻率由所產(chǎn)生的超寬帶脈沖的頻譜決定。 超寬帶生命探測(cè)雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)形式 UWB 生命探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)是通過發(fā)射 UWB 脈沖信號(hào)來進(jìn)行通信的， UWB 脈沖信號(hào)的合理選擇是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。 UWB 生命探測(cè)雷達(dá)信號(hào)傳輸模型如圖 所示。 圖 UWB信號(hào)傳輸模型 信號(hào)的傳輸模型為 ? ? ? ? ? ?00 iY HS? ? ?? （ ） 時(shí)域表達(dá)式為 ? ? ? ? ? ?0012 jtiy t H S e d?? ? ??????? ? （ ） H0(W) Y0(W) Si(W) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 若將圖 看成線性濾波網(wǎng)絡(luò)，設(shè)輸入噪聲為高斯白噪聲，其功率譜密度為0 2n ，在任意時(shí)刻 0t ，濾波器輸出信號(hào) ??0yt的瞬時(shí)功率與噪聲平均功率之比為 ? ?? ?? ? ? ?? ?22 0002 2000012122jtiH S e dytnnt Hd??? ? ?????????????? ??? （ ） 由 Schwartz 不等式，當(dāng) ? ?0H?與 ? ? jtiSe??互為共軛時(shí)， ? 取得最大值?？梢?，當(dāng)發(fā)射信號(hào)的頻譜 ??iS?與信號(hào)傳輸函數(shù)之間滿足互為共軛關(guān)系時(shí)，接收信號(hào)的瞬時(shí)功率與噪聲的平均功率比最大，即接收端信噪比最大。此時(shí)，發(fā)射信號(hào)是最好的。發(fā)射信號(hào)的頻譜為