【正文】 業(yè)設(shè)計（論文） 11 m in m inm a x ,22 t a n 2CR????????? ?????????? （ ） 其中 min? 是信號有效頻率分量的高端對應(yīng)的波長，θ是天線向輻射時的波束寬度。從式（ ）可以看出，當(dāng)介質(zhì)中的波速減少時，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；接收信號的有效帶寬effB越大，雷達(dá)的距離向分辨率越高。 (1) 距離向分辨率 距離向分辨率決定于區(qū)分回波在時間上靠得最近的兩個信號的能力 ，用時間間隔表示為 1efft B?? （ ） 式中，effB為接收信號頻譜的有效寬度。 b 雷達(dá)空間分辨率 ]12[ ]23[ 分辨率是雷達(dá)的一個重要指標(biāo)，它決定了雷達(dá)分辨最小異常介質(zhì)體的能力。所以， UWB 生命探測雷達(dá)可以借用探地雷達(dá)的雷達(dá)方程。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(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。 a 穿透性能和探測深度 要實現(xiàn)對墻壁后面目標(biāo)的探測，就要求超寬帶生命探測雷達(dá)的發(fā)射信號有較強(qiáng)的穿透特性，能有效穿透墻壁。因此在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用背景選擇合適的信號形式、發(fā)射功率、探 測方式和硬件實現(xiàn)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計。c 為 電磁波在墻壁介質(zhì)中 波速。 (3) 目標(biāo)檢測原理 為了有效捕獲目標(biāo)回波信號，抑制雜波和干擾， UWB生命探測雷達(dá)僅在每一個發(fā)射脈沖后的極短時間內(nèi)對回波信號進(jìn)行采樣，該極短的時間稱為取樣門，當(dāng)對距離墻壁 L 遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行探測時，需要對取樣門設(shè)定一個時延 ? ， 則有如下關(guān)系： 039。 以檢測人體的呼吸信號為例，假設(shè)人體胸壁運動是頻率為 0? ，幅度為 A的簡諧運動： ? ? 0coss t A t?? () 則胸壁的運動速度為： 西安工業(yè)大學(xué)畢 業(yè)設(shè)計（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)射脈沖在時間上相對同步脈沖的偏移為 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動情況。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。 圖 UWB生命探測雷達(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個脈沖的空間距離， c表示光速。g P rVV cc?? ? ? （ ） 其中， c 為光速。 a 電磁波對墻壁的穿透特性 ]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)。 圖 UWB生命探測雷達(dá)的原理框圖 理論分析 西安工業(yè)大學(xué)畢 業(yè)設(shè)計（論文） 7 本文所研究的 UWB 生命探測雷達(dá)是借助電磁波作為探測媒介穿透墻壁來探測生命特征信息，而人體胸腔運動是有一定規(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到這些生命特征信息。本文所研究的 UWB生命探測雷達(dá)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(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 ) ]1512[ ? 。人的心跳和呼吸活動會使人體回波的頻率、相位、振幅和到達(dá)時間發(fā)生變化。在文章的最后一部分總結(jié)了本文的研究成果，并對今后研究工作進(jìn)行展望。本章介紹了調(diào)試過程中的注意事項及電路的調(diào)試結(jié)果和 PCB制作的注意事項。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；引出數(shù)字延時芯片，通過其芯片的外圍電路及其性能進(jìn)行講解，完成延時電路的設(shè)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(shè)計。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 ，運用雪崩三極管的雪崩效應(yīng)分析設(shè)計了單極性超寬帶脈沖和雙極性超寬帶脈沖，并采用 Multisim 對電路進(jìn)行仿真設(shè)計。 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。對電路進(jìn)行分析設(shè)計，并采用 Multisim軟件進(jìn)行仿真設(shè)計。 本文研究內(nèi)容 微功率沖擊雷達(dá)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(jìn)行數(shù)字處理得到生命信號。 2022年 9月，國家在“十五” 863計劃通信技術(shù)研究項目中，將 UWB無線通信關(guān)鍵技術(shù)作為通信技術(shù)的研究的主要內(nèi)容，鼓勵國內(nèi)學(xué)者對該技術(shù)的研究工作，這將很大程度上提升我國雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展。 2022 年該大學(xué)生物醫(yī)學(xué)小組研制了 S2022I型探測樣機(jī) ]9[ ，隨后該校與西安必肯科技合作研制了 SJ3000搜救樣機(jī)，目前西 安必肯科技有限公司已經(jīng)研制了 SJ6000 搜救雷達(dá)樣機(jī)，對我國在雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展有很大意義。第四軍醫(yī)大學(xué)從 1998年起開始研究生命探測雷達(dá)，采用發(fā)射微波電磁信號，接收檢測由人體活動而引起發(fā)射波的微小變化，通過信西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 號處理技術(shù)提取到人體的呼吸和心跳信號。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對微功率沖擊雷達(dá)的研究相對還是比較晚的，對其研究的應(yīng)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(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也是近幾年才開始的?！?”事件后，該便攜式 MIR移動探測器在厚度數(shù)米的石磚下進(jìn)行呼吸探測，實現(xiàn)搜救工作，為災(zāi)難營救上提供了很大幫助。目前西方如美國、加拿大、英國和俄羅斯等多個國家已經(jīng)投資大量人力和物力開始發(fā)展研究沖擊雷達(dá)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。 2022 年美國聯(lián)邦通信委員會允許此雷達(dá)技術(shù)可以商用化，從而推動了很多公司開始投資研究此雷達(dá)的應(yīng)用，美國 Time Domain 公司利用該雷達(dá)技術(shù)研制出雷達(dá)視力 2022（ Radar Domain）雷達(dá)供執(zhí)法部門使用和士兵視力（ Soldier Vision）雷達(dá)供軍事部門使用。 McEwon 先生在超寬帶雷達(dá)上面的研究無疑是我們學(xué)習(xí)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(dá)到了 214 項專利或應(yīng)用專利。 1996 年美國斯坦福尼亞大學(xué)研制出一種特殊的超寬帶微功率沖擊雷達(dá)，此雷達(dá)高增益天線采用可 以探測到人體呼吸及心跳的生命信號，并對距離內(nèi)技術(shù)提取生命信號，最大限度的抑制了外界噪聲的干擾。 超寬帶系統(tǒng)的微功率沖擊雷達(dá)技術(shù)的研究是從近十幾年才新興的一種雷達(dá)技術(shù)，而在生命探測上的應(yīng)用的研究開始于美國斯坦福尼亞大學(xué)，此大學(xué)在 1994年開始將超寬帶雷達(dá)應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)上研究，并獲得了一項專利。微功率沖擊雷達(dá)是一種功率極其微小，和其它超寬帶雷達(dá)一樣的脈沖形雷達(dá)，其技術(shù)包括尖脈沖產(chǎn)生技術(shù)、超寬帶雷達(dá)天 線技術(shù)、取樣技術(shù)以及信號處理技術(shù)等。還有由日本研究的連續(xù)波探測性雷達(dá)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(yīng)用的局限性。隨后由美國佐治亞技術(shù)研究所研究出的手電筒式雷達(dá)“ Radar Flashlight” ,該雷達(dá)可對隱蔽在墻壁、鋼門、樹木后靜止和運動的人進(jìn)行探測，它采用多普勒技術(shù)和高速信號處理技術(shù)，對接收回來的生命信號則采用快速傅里葉變換（ FFT）和頻率響應(yīng)曲線陡的技術(shù)進(jìn)行濾波，從而得到我們所需要的人體生命信號，該系統(tǒng)采用的天線是市場上可以買到的一種天線，它將發(fā)射端輸出的波束控制在 20度以內(nèi)的扇形區(qū)域內(nèi)。 國外研究現(xiàn)狀 國外對生命探測雷達(dá)技術(shù)研究起步比較早，在 20世紀(jì) 80年代開始美國就已經(jīng)采用 L頻段的調(diào)制連續(xù)波信號對埋藏在雪地里的生命體進(jìn)行了探測研究。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 微功率沖擊雷達(dá)起源于 20世紀(jì) 90年代中期，它是伴隨著傳統(tǒng)沖擊雷達(dá)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種高科技新型雷達(dá)，其應(yīng)用相當(dāng)廣泛。主要用于在自然災(zāi)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(dá)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(hù)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(yuǎn)距離進(jìn)行監(jiān)測。 MIR主要可用于災(zāi)后救助、反恐怖斗爭和病人監(jiān)護(hù)等領(lǐng)西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 域。UWB雷達(dá)在克服傳統(tǒng)沖擊雷達(dá)弊端的同時，結(jié)合了現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢，使其達(dá)到厘米量級的高分辨率、可識別和區(qū)別各目標(biāo)的能力、可穿過墻壁等的高穿透力、發(fā)射多種頻率時，對窄頻段吸波材料的吸波效應(yīng)具有抗拒作用、成本低且易于集成 ]9[ ]10[ 等優(yōu)勢。 UWB雷達(dá)克服了傳統(tǒng)沖激雷達(dá)成本高、靈敏度低、抗干擾能力差、易受波門抖動、偏壓變化等影響的缺點，充分利用了現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的最新成果，采用全新的設(shè)計 方法，具有以下顯著優(yōu)點 ]6[ ]7[ ： 1）測距分辨率可高達(dá)厘米量級，可以獲得足夠高的分辨率； 2）具有能夠識別和區(qū)分各目標(biāo)的重要能力； 3）超寬帶生物雷達(dá)發(fā)射的脈沖包含許多頻率，因此它能夠突破窄頻段吸波材料的吸波效應(yīng)； 4）具有對單個或多個目標(biāo)的高分辨率成像能力； 5）具有較強(qiáng)的穿透植被、土壤和墻壁的能力； 6）能夠通過距離選通技術(shù)抑制雜亂回波和減少多徑干擾； 7）成本低，容易集成。 本文所討論的 UWB 生命探測雷 達(dá)就是基于 UWB 雷達(dá)原理的 MIR，又稱無載波雷達(dá)、非正弦雷達(dá)，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％。 reflection echo signal III 目 錄 中文 摘要 .......................................................... I 英文摘要 ......................................................... II 主要符號表 ....................................................... VI 1 緒 論 ........................................................... 1 生命探測雷達(dá)技術(shù)簡介 ........................................ 1 研究背景和意義 .............................................. 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .............................................. 2 國外研究現(xiàn)狀 ........................................... 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ........................................... 3 本文研究內(nèi)容 ................................................ 4 2 微功率超寬帶雷達(dá)的工作原理及天線 ............................ 6 超寬帶雷達(dá)工作基本原理 ...................................... 6 基本原理 ............................................... 6 理論分析 ............................................... 6 超寬帶雷達(dá)參數(shù)選擇 .......................................... 9 超寬帶雷達(dá)主要參數(shù)選擇的依據(jù) ........................... 9 超寬帶生命探測雷達(dá)的工作頻率 .......................... 11 超寬帶生命探測雷達(dá)的發(fā)射信號形式 ...................... 11 微功率超寬帶雷達(dá)天線的簡介 ................................. 14 本章小結(jié) ................................................... 15 3 微功率超寬帶雷達(dá)發(fā)射電路的設(shè)計與分析 ..............