微功率沖擊雷達系統接收信號處理電路設計

任郁苗，解曉琳，倪 原，郭玉萍

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安710032）

微功率沖擊雷達是國際上近年來發展起來的一種新型高技術雷達，作為超寬帶雷達類型的一種，沖激雷達直接發射無載波的基帶極窄脈沖，與傳統雷達不同的是沖激雷達系統既不需要對發射信號進行載波調制，也不需要對接收信號進行載波解調，而是發射和接收無載波的極窄脈沖信號，并通過相應的信號處理電路，獲得目標信息[1-2]。其突出的特點是功率小，壽命長，成本低，用途廣。

一般脈沖雷達發射的信號是射頻脈沖串，而沖激雷達的發射信號直接是沖激脈沖串。沖擊雷達發射和接收超短脈沖來實現距離探測。雷達的距離分辨率正比于發射脈沖寬度τ，即：距離分辨率d=τc/2，其中c為電磁波在空間的傳播速度[3]。通常，沖激雷達發射的是納秒甚至皮秒量級的超短脈沖，所以，其距離分辨率可達幾到幾十厘米。但雷達的穿透性能和高分辨率成像是一對矛盾。由于本文主要研究微功率沖激雷達技術在穿墻生命探測方面的應用，偏重于對墻壁的穿透性能，故選擇低頻工作頻段。微功率短程超寬帶雷達可穿透6 m厚的磚墻，天線直徑只有45 cm，發射機、接收機只有一部收音機大小[4]。研究表明：在低頻段，在1～10 GHz范圍的電磁波在穿過混凝土墻壁時衰減很小，隨著頻率的降低，衰減也在減少。因此，低于10 GHz的頻率適合對磚塊和混凝土構筑的墻壁穿透探測，在此范圍內頻率越低穿透性能越好。

1 系統工作原理

微功率沖擊雷達探測系統的結構框圖如圖1所示，此系統主要由脈沖發射機、接收機、信號處理電路和天線組成。

圖1 微功率沖擊雷達探測系統工作原理框圖Fig.1 Principle diagram of micropower impulse radar detection system

圖1中，脈沖振蕩器產生脈沖信號，一方面，此信號經過脈沖整形后作為觸發脈沖，觸發窄脈沖產生電路產生極窄脈沖，并通過寬帶天線發射出去，被目標反射的回波信號傳送到接收采樣電路；另一方面，脈沖振蕩器產生的信號經過延時電路產生窄脈沖作為距離門對接收信號進行選擇，接收取樣輸出的信號，經過積分電路對接收信號進行積累，再經過放大電路和帶通濾波電路檢測微弱的目標回波信號，最后經過A/D采集卡送到計算機進行顯示和處理，利用數字信號處理技術對探測雷達波門進行控制。

2 系統硬件電路設計

系統接收信號處理電路設計是微功率沖擊雷達接收機實現的基礎。其結構框圖如圖2所示，主要由取樣積分電路、可變延遲單元、帶通濾波電路和放大濾波電路組成。

圖2 微功率沖擊雷達接收系統結構框圖Fig.2 Structure diagram of micropower impulse radar receiver system

2.1 取樣積分單元

積分取樣電路將接收到的被目標反射的UWB微弱脈沖信號和經過延時后的參考脈沖信號進行相關檢測，即取樣積分,提高信噪比，然后經過帶通濾波電路和放大濾波電路實現對人體運動信息和生命特征信息的接收和檢測。這里可變延遲電路為取樣積分電路提供精確的同步參考脈沖信號，它的一個輸入是發射端脈沖信號,另一個輸入由接收后端微控制單元的程序精確控制。

2.2 帶通濾波器設計

經過取樣積分后的信號中，混有高頻分量，需要將包含人體運動的上、下截止頻率為0.05～10 Hz的信號取出，為接收后端提取出呼吸和心跳信號奠定基礎。需設計上、下截止頻率為0.05～10 Hz帶通濾波器，其電路原理如圖3所示。可以看出，所設計帶通濾波器在0.05～10 Hz具有較平坦的通頻帶。

圖3 帶通濾波器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of bandpass filter circuit

2.3 放大濾波電路設計

放大濾波電路可對UWB沖擊雷達的前端輸出信號進行放大、濾波，并為人體生命參數檢測及距離信息的探測提供硬件平臺。針對UWB雷達輸出信號特點，該放大濾波電路設計時必須注意電路的低頻響應，電路對弱信號的放大，高倍數放大器的直流偏移量等問題。以上問題中，電路的低頻響應可通過精確設計濾波器的參數來解決。放大弱信號，則電路的放大倍數必須要高，但是放大倍數過大就會使電路產生直流量，使得基線發生漂移或產生失真；在電路中設置阻容耦合電路，為各級電路的累積直流偏置電壓提供泄放回路[5-6]。

放大濾波電路是根據人體的呼吸率范圍（15～20次/min）和心率范圍（50～100次/min），經相關檢測電路的信號分為兩路，分別檢測呼吸和心跳信號，具體結構框圖如圖4所示。其中放大電路主要包括前置放大電路、中間級放大電路和后級放大電路3部分。濾波電路主要有低通濾波、高通濾波和帶阻濾波。其分別組成0.6 Hz的低通濾波器（CPF）、0.7 Hz的高通濾波器（HPE）及 50 Hz的陷波器（BEF）。

圖4 信號預處理電路框圖Fig.4 Block diagrcum of signal preprocessing circuit

放大電路設計時，考慮到提高前級增益，有利于提高電路的共模抑制比，但前級的增益過高后，當輸入端引入極低頻率的信號、前級“零”點漂移或強信號引入時，易使后級電路飽和而引起“阻塞”現象。因此電路的增益設計如下：前置級放大增益為30 dB，中間級放大增益為10～100 dB，后級放大增益為30 dB，總增益范圍為300～30 000 dB。

濾波電路在信號預處理器中起著重要作用，它決定了信號的通頻帶，同時也具有濾除干擾的作用。

2.3.1 低通濾波器設計

人體的呼吸率和心率都小于10 Hz，因此前級放大器輸出信號先通過10 Hz低通濾波器濾除其他干擾信號，后級0.6 Hz的低通濾波器用于檢測人體呼吸信號。

該低通濾波電路主要濾除干擾信號，并且要求幅頻特性中有最大的平坦區，為此選用四階壓控電壓源巴特沃斯Butterworth型濾波器。壓控電壓源型電路結構的濾波器特點是使用元件少，對放大器要求不高。在本級電路中，電阻器誤差小于0.01%，電容器誤差小于0.1%。由于電路中所選電阻值不在電阻序列之內，故實際電路中，用多個電阻串聯以求得到所需的阻值，電路中電容必須經過嚴格挑選。電路原理如圖5所示。10 Hz，0.6 Hz四階Butterworth LPF電路的元件值如表1所示。

圖5 LPF電路Fig.5 Circuit of LPF

2.3.2 0.7 Hz高通濾波器電路

0.7 Hz的高通濾波器用來檢測心跳信號，這里采用2個二階壓控高通濾波器串聯形成的四階高通濾波器來構成0.7 Hz高通濾波器，其電路如圖6所示。

2.3.3 50 Hz陷波器電路

50 Hz陷波器在電路中起著重要作用。在檢測過程中，直流電源、周圍環境中的輸電線路等都會對信號預處理電路產生50 Hz的工頻干擾。因此，在電路中加入50 Hz陷波器濾除由其他電路耦合進來的50 Hz干擾信號是非常必要的，其電路如圖7所示。50 Hz陷波器的設計要求為：f0=50 Hz；B≤4 Hz；Q≥10。

表1 lOHz,0.6Hz四階Butterworth LPF電路的元件值Tab.1 Component values of lOHz and 0.6Hz Fourth-order Butterworth LPF circuit

電路采用50 Hz帶通濾波器和加法電路組成，一路經10 kΩ電阻進入加法器輸入端，一路經增益為-1的50 Hz帶通濾波器，經10 kΩ電阻耦合進入加法器輸入端。兩路信號相加，得到50 Hz陷波器。

圖6 0.7 Hz高通濾波器電路Fig.6 Circuit of 0.7Hz HPF

3 試驗結果

根據前面的設計電路，對0.05～10 Hz帶通濾波器、10 Hz和0.6 Hz的低通濾波器、0.7 Hz的高通濾波器及50 Hz的陷波器電路中各元件進行估值并通過Multisim仿真且反復調試，并通過電路試驗，獲得了較為理想的幅頻特性，各部分電路的幅頻特性測試結果如圖8所示。從圖8中可以看出，0.05～10 Hz帶通濾波器、10 Hz和0.6 Hz低通濾波器、0.7 Hz的高通濾波器都具有平坦的3 dB通頻帶，50 Hz陷波器的Q值大于5。

圖7 50 Hz陷波器電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of 50Hz isolator subsidence filter

圖8 濾波器的幅頻特性Fig.8 Amplitude frequency characteristics of filters

4 結 論

本文設計了一種微功率沖擊雷達系統接收信號處理電路，給出了各子模塊電路的設計原理，以及主要模塊的仿真調試結果，仿真結果顯示：主要電路，即帶通濾波器和放大濾波器的幅頻特性理想。按此仿真結果設計的電路經測試實現了理論設計要求。依據該設計制作的電路具有結構簡單、成本低、性能好的特點，在超寬帶技術中具有一定的實用價值。

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