【正文】 入阻抗、導(dǎo)通電阻、最大輸入電壓和最小輸入電壓等參數(shù)。電路工作時(shí)，橋式二極管一般都處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)橋式二極管的A、B端被輸入極性相反的取樣脈沖時(shí)，四個(gè)二極管全部導(dǎo)通，并對(duì)C端的輸入信號(hào)進(jìn)行取樣， 從D端輸出被取樣信號(hào)。經(jīng)過比較，本文采用的橋式二極管取樣積分電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。綜上所述，三個(gè)取樣積分電路各有其特點(diǎn)：平衡取樣積分電路是由一個(gè)取樣脈沖對(duì)其電路進(jìn)行控制，電路簡(jiǎn)單易設(shè)計(jì)，但其對(duì)取樣脈沖寬度的要求很高；雙管取樣門電路則是由兩個(gè)極向相反的取樣脈沖對(duì)電路進(jìn)行控制，且對(duì)電路的對(duì)稱性要求極高。取樣積分電路根據(jù)取樣門的不同分為對(duì)稱平衡取樣積分電路、雙管取樣積分電路和橋式取樣積分電路等。多點(diǎn)取樣積分方式是指在每個(gè)周期內(nèi)固定取樣，但每次取樣為多個(gè)取樣點(diǎn)，這就大大提高了取樣的效率。如果采用此方法對(duì)生命信號(hào)進(jìn)行取樣積分時(shí)，需要經(jīng)過太多的周期才能得到測(cè)量結(jié)果，這將大大降低了取樣積分的效率。取樣積分電路包括取樣和積分兩個(gè)步驟，且將取樣積分方法有很多種類。根據(jù)取樣脈沖寬度和信號(hào)周期等的要求，結(jié)合考慮積分器的時(shí)間常數(shù)以達(dá)到增大信噪比。而信噪比與取樣次數(shù)是成正比的，只有選擇合適的積分時(shí)間常數(shù)和取樣門寬，才能設(shè)計(jì)一個(gè)很好的取樣積分器。其輸出信號(hào)等于取樣脈沖序列與輸入信號(hào)的乘積，即： （）積分則是采用電阻和電容構(gòu)成。經(jīng)過取樣積分后微弱的回波信號(hào)還是會(huì)有一些噪聲的干擾，則需通過信號(hào)處理電路將信號(hào)檢測(cè)出來。由于噪聲前后是不相關(guān)的，所以回波信號(hào)在受到噪聲的影響后，回波信號(hào)的變化也是不同的，在回波信號(hào)進(jìn)行取樣時(shí)，人體有關(guān)的微弱信號(hào)隨著周期性而不斷累加，信號(hào)越來越強(qiáng)，而噪聲在不斷累加的過程中，因?yàn)榍昂蟮南嚓P(guān)性差異而不斷變?nèi)酢?取樣積分原理介紹取樣積分是目前檢測(cè)微弱信號(hào)的方法之一，它采用相干疊加原理技術(shù)，對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行相干處理。 取樣積分電路的設(shè)計(jì)與分析，其輸入端包括要取樣的信號(hào)輸入端和取樣的控制端，其中控制端是發(fā)射端同步信號(hào)經(jīng)過延時(shí)達(dá)到對(duì)取樣門的控制。其中取樣積分電路將接收的微弱的、被目標(biāo)反射的UWB脈沖信號(hào)和經(jīng)過延時(shí)后的參考脈沖信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，即取樣積分，提高信噪比，然后經(jīng)過帶通濾波電路和放大濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息和生命特征信息的接收和檢測(cè)。本文采用取樣積分對(duì)接收回來的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，此方法又稱為門控相關(guān)檢測(cè)，此方法是針對(duì)噪聲的隨機(jī)性，對(duì)接收回來的回波信號(hào)進(jìn)行積分平均從而提高其信噪比，達(dá)到提取微弱信號(hào)的目的。接收回波信號(hào)的方法有很多種，而人體的生命信號(hào)一般可看為是正弦信號(hào)。本文主要研究的是運(yùn)用微功率沖擊雷達(dá)來探測(cè)墻壁后面的人體生命信號(hào)，但由于人體生命信號(hào)是極其微弱的信號(hào)，所以檢測(cè)接收的回波信號(hào)必須要提高信噪比。 本章總結(jié)本章首先介紹確定脈沖產(chǎn)生方案過程，選擇利用雪崩三極管；然后分析了雪崩三級(jí)管的工作原理；最后詳細(xì)介紹超寬帶探地雷達(dá)的脈沖產(chǎn)生電路，包括元器件的選擇和具體電路分析設(shè)計(jì)及優(yōu)化。 雙極性脈沖產(chǎn)生電路的仿真圖 雙極性脈沖的局部放大圖，雙極性脈沖沒有單極性負(fù)脈沖中的直流分量成份，而且沒有拖尾現(xiàn)象。其中Q2基級(jí)輸入脈沖為第一級(jí)輸出的單極性超寬帶負(fù)脈沖，在負(fù)極性脈沖下降沿觸發(fā)Q2時(shí)，產(chǎn)生負(fù)脈沖，而負(fù)極性脈沖上升沿觸發(fā)Q2時(shí)，產(chǎn)生正脈沖，從而產(chǎn)生雙極性超寬帶脈沖。其中觸發(fā)脈沖采用的是有源晶振輸出5V、占空比50%、重復(fù)頻率為10MHz的脈沖序列。故針對(duì)單極性脈沖的缺點(diǎn)，本文采用雙極性超寬帶脈沖作為發(fā)射信號(hào)，是在單極性負(fù)脈沖產(chǎn)生電路后級(jí)聯(lián)一路脈沖產(chǎn)生電路，將單極性負(fù)脈沖轉(zhuǎn)換為雙極性脈沖。根據(jù)第三章介紹單極性脈沖電路設(shè)計(jì)，使用軟件Multisim經(jīng)過反復(fù)仿真調(diào)試。儲(chǔ)能電容C3對(duì)輸入脈沖的影響極大，當(dāng)電容增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致脈沖寬度增加、帶寬變窄。 單極性超寬帶脈沖 通過仿真及電路的進(jìn)一步分析，可知影響單極性超寬帶脈沖復(fù)制的觸發(fā)脈沖、儲(chǔ)能電容C負(fù)載電阻R5等。其微分整形電路是由電容Cl和電阻R1組成的，可以使觸發(fā)脈沖的前沿更陡峭，從而使三極管以最短的時(shí)間進(jìn)入雪崩狀態(tài)，也不會(huì)因?yàn)榛?jí)電流輸入的持續(xù)時(shí)間而導(dǎo)致三極管的損壞。這些參數(shù)對(duì)于電路的穩(wěn)定性，確保輸出脈沖的寬度和幅度指標(biāo)有重要影響。由于對(duì)于雪崩三極管的二次擊穿目前還沒有一個(gè)定向的嚴(yán)格分析，所以無法估計(jì)脈沖的前沿時(shí)間，只能說，雪崩效應(yīng)越強(qiáng)，其前沿時(shí)間越短，而后沿時(shí)間則由來決定。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(shí)間必須大于觸發(fā)脈沖的相鄰兩脈沖之間的時(shí)間間隔。加入脈沖觸發(fā)后，基極電流由之前的負(fù)電流逐漸轉(zhuǎn)換為正向電流，使集電結(jié)的電流急劇增大，三極管也進(jìn)入臨界狀態(tài)，電流的繼續(xù)增大使三極管擊穿，此時(shí)電容開始急速放電，從而產(chǎn)生負(fù)脈沖，同時(shí)集射電壓也隨之開始減小，根據(jù)雪崩三極管的工作狀態(tài)可逆性，三極管再次進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，再而截止?fàn)顟B(tài)，等待觸發(fā)脈沖使三極管再次進(jìn)入雪崩狀態(tài)。該電路在基極輸入端提供一個(gè)脈沖序列進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)脈沖觸發(fā)電路啟動(dòng)時(shí)，電路集電極輸出端處于高阻狀態(tài)。若有外接電阻與串聯(lián)，外接電阻與發(fā)射極串聯(lián)，則()式應(yīng)表示為 ()相應(yīng)的臨界擊穿基極電流變成為 ()根據(jù)()，由于的作用，導(dǎo)致的減小，會(huì)降低晶體管的擊穿電壓；而的作用導(dǎo)致的增大，會(huì)相應(yīng)提高晶體管的擊穿電壓。將()、()代入()得到 () 當(dāng)晶體管二次擊穿時(shí)，應(yīng)有 ()此式與下式 ()等效。由于基極電流的影響，發(fā)射極電流產(chǎn)生不均勻分布，這種不均勻分布，導(dǎo)致了基區(qū)電阻的增大。由基極電流與發(fā)射極電流的關(guān)系 ()可以得到倍增因子 ()式中是晶體管的共基極電流放大系數(shù)。對(duì)于不同的基極電流，臨界點(diǎn)Q的位置不同，反向基極電流越小，其Q點(diǎn)越靠近直線，但無論多大，Q點(diǎn)也不能越過直線，晶體管的雪崩區(qū)位于與之間。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(diǎn)移動(dòng)到Q點(diǎn)，開始急劇增大。設(shè) 0，且保持不變，隨著電壓的增大，集電極電流開始緩慢增大，當(dāng)接近時(shí)，集電極電流劇烈增大，此時(shí)晶體管被擊穿。如果在集電極與發(fā)射極之間加上很高的電壓，集電極電流會(huì)隨基極電流和集射電壓劇烈變化，所以。隨的變化成比例的區(qū)域?yàn)榫€性區(qū)，不隨明顯不變化的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)，以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)。 雪崩三極管的擊穿機(jī)理晶體三極管的輸出特性包含四個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)、線性區(qū)、截止區(qū)和雪崩區(qū)。一般的晶體管都有一定的雪崩效應(yīng)，只是顯著程度存在較大的差別，一般而言，NPN管的雪崩效應(yīng)比PNP管的強(qiáng)很多，所以在后面的討論中所指的雪崩晶體管皆為NPN管。其中常用的是階躍二極管和雪崩三極管，采用階躍二極管可以產(chǎn)生產(chǎn) ps極的窄脈沖，其產(chǎn)生的窄脈沖幅值太小，一般只有毫伏級(jí)，且產(chǎn)生的脈沖中有較多的低頻分量及脈沖拖尾現(xiàn)象，故結(jié)合本系統(tǒng)的要求，本文選擇采用雪崩三極管設(shè)計(jì)產(chǎn)生超寬帶脈沖。3 微功率超寬帶雷達(dá)發(fā)射電路的設(shè)計(jì)與分析目前國內(nèi)外對(duì)超寬帶雷達(dá)技術(shù)的研究顯示，超寬帶脈沖產(chǎn)生的方法大致有兩種：一是采用數(shù)字電路的邏輯器件產(chǎn)生極窄脈沖；二是采用高速元器件，利用儲(chǔ)能元件的充放電特性，結(jié)合脈沖整形電路產(chǎn)生系統(tǒng)所需脈沖。以上是探地雷達(dá)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(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)依據(jù)。d 探地雷達(dá)的天線應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，以滿足探地雷達(dá)系統(tǒng)在城市等 環(huán)境的應(yīng)用。b 天線具有良好的方向性。這也構(gòu)成了探地雷達(dá)系統(tǒng)非常關(guān)鍵的部分。探地雷達(dá)主要探測(cè)對(duì)象是有耗，非均勻介質(zhì)的分布規(guī)律。 微功率超寬帶雷達(dá)天線的簡(jiǎn)介超寬帶天線是任何超寬帶雷達(dá)或通信系統(tǒng)必不可少的組成部分，它的功能是輻射或者接收超寬帶無線電波。對(duì)于理想天線，輻射脈沖正比于驅(qū)動(dòng)電流的倒數(shù)。實(shí)際上，最普遍采用的脈沖波形的高斯函數(shù)的二階導(dǎo)函數(shù)，具體表達(dá)式為： （）式（）所表示的高斯函數(shù)二階導(dǎo)函數(shù)形式的脈沖經(jīng)常被作為接收端的脈沖，即通過了發(fā)射和接收天線后的脈沖波形。在滿足該條件的前提下，有多種脈沖波形可供參考。一般情況下，普遍采用的是高斯函數(shù)的一階導(dǎo)函數(shù)波形（其直流分量為零），其表達(dá)式為 （）其中，是脈沖形成因子，為方差。常用的超寬帶脈沖信號(hào)可分為單極性和雙極性兩種形式。UWB信號(hào)定義為信號(hào)在所有傳輸時(shí)間上其帶寬BW必須大于500MHz或者相對(duì)帶寬必須大于20%。（）近似的時(shí)域和頻域中的UWB脈沖。因此，控制其占空比，UWB設(shè)備就只需較低的發(fā)射功率，這直接轉(zhuǎn)化為手持設(shè)備較長(zhǎng)的電池壽命。低占空比保證了UWB系統(tǒng)非常低的平均功率。在第一章我們已經(jīng)知道本文研究的是UWB系統(tǒng)。發(fā)射信號(hào)的頻譜為 （）這里為比例常數(shù)，其時(shí)域波形表達(dá)式為 （）可見，UWB生命探測(cè)雷達(dá)的最佳發(fā)射信號(hào)是媒質(zhì)參數(shù)，目標(biāo)距離和目標(biāo)特性的函數(shù)，在以上推導(dǎo)過程中，沒有考慮電磁波在墻壁和目標(biāo)之間的多次反射?？梢姡?dāng)發(fā)射信號(hào)的頻譜與信號(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。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(zhǎng)越長(zhǎng)其穿透性能越好，然而長(zhǎng)的波長(zhǎng)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，通常偏重于對(duì)墻壁的穿透性能而選擇低頻工作頻段。在用式（）計(jì)算方位分辨率時(shí)，可取為接收信號(hào)有效頻率分量對(duì)應(yīng)的最小波長(zhǎng)。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。轉(zhuǎn)換為深度，表示為 （）式中，為波速。目標(biāo)的空間分辨率包括距離向分辨率和方位向分辨率。探地雷達(dá)的方程如下： （）式中，為雷達(dá)接收功率；為雷達(dá)發(fā)射功率；為天線增益；為目標(biāo)反射截面；為目標(biāo)深度，為媒介的吸收導(dǎo)致的電磁波衰減，、分別為收發(fā)天線與地面的耦合損耗，為傳播媒介的傳播損耗，為波長(zhǎng)。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)。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)。 超寬帶雷達(dá)主要參數(shù)選擇的依據(jù)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。 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。反射脈沖的重復(fù)頻率變?yōu)? （）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)。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。則脈沖的重復(fù)頻率為：f=1/T=c/d。b 反射回波特性(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 （）式中是天線接收信號(hào)；為天線間的直接耦合波；為墻壁的界面反射波；是空間雜波；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。a 電磁波對(duì)墻壁的穿透特性 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 （）式中，為衰減常數(shù)，為相位常數(shù)。 UWB生命探測(cè)雷達(dá)的原理框圖 理論分析本文所研究的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。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)。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。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。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)。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)。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(duì)電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并采用Multisim軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。 本文研究?jī)?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(yùn)動(dòng)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(hào)，最后送到微處理單元進(jìn)行數(shù)字處理得到生命信號(hào)。2001年9月，國家在“十五”863計(jì)劃通信技術(shù)研究項(xiàng)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(lì)國內(nèi)學(xué)者對(duì)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。2003年該大學(xué)生物醫(yī)學(xué)小組研制了S2000I型探測(cè)樣機(jī)，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(duì)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(cè)雷達(dá)，采用發(fā)射微波電磁信號(hào)，接收檢測(cè)