一種10.525 GHz安防雷達中頻信號處理電路設計

陳琳琳，李軍紅，鐘仁海

（南華大學電氣工程學院，湖南衡陽421001）

一種10.525 GHz安防雷達中頻信號處理電路設計

陳琳琳，李軍紅，鐘仁海

（南華大學電氣工程學院，湖南衡陽421001）

介紹了10.525 GHz安防雷達的優點與市場應用前景，并對該雷達中頻信號處理電路進行了研究，設計了一種低成本的安防雷達前端供電控制電路、中頻放大電路、濾波電路、遲滯比較電路。實驗表明，該電路具有較好的抗干擾、節電能力，能夠準確地檢測出正對雷達前方10 m處、速度不低于0.5 m/s相對運動的人。通過單片機處理之后，可輸出標準的TTL時序電平信號，用戶可以根據該信號進行二次開發，可以擴展應用于安防、自動門等場所，具有廣泛的應用領域和市場前景。

安防雷達；中頻信號；傳感器；熱源

隨著我國經濟的發展，人們對人身安全、財產安全防范意識不斷增強，安防行業發展速度明顯加快。目前，安防產業總體趨勢向著網絡化、智能化、數字化和標準化的方向發展。安防傳感器的應用也向著采用多種傳感器復合感應的方向發展，目前，感應某個區域時，主要采用紅外感應的方式。這種感應容易受到各種熱源、熱氣流的干擾，且被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射易被遮擋。當環境溫度與人體溫度接近時，易產生虛警。這就需要另一種傳感器能夠在此類情況下正常工作。高頻微波傳感器能夠在人類能夠承受的溫度范圍內正常工作，并對移動物體感應靈敏，能夠作為一種輔助傳感器使用，用來構成復合感應，從而使得整個安防的虛警率降低，具有廣闊的應用前景。

本文采用深圳市天鼎微波科技有限公司生產的ZH100型10.525 GHz安防雷達前端設計了一種低成本的中頻信號處理電路。

1 雷達前端與感應原理簡介

該雷達前端頻率源采用串聯反饋型介質振蕩器的方法設計，采用低噪聲PHEMT晶體管作為振蕩器的有源器件，高Q值、高介電常數的介質諧振器作為穩頻元件確定振蕩器的諧振頻率，經過平面微帶天線發射10.525 GHz電磁波，接收天線接收反射回來的電磁波。如果有物體相對雷達運動，則反射回來的電磁波會產生多普勒頻移，經過混頻電路輸出中頻信號，該信號實測在1～10 m的距離內電壓峰峰值約為十幾毫伏至幾毫伏，需要設計后端的信號處理電路使得單片機能夠處理這種信號。

2 雷達中頻信號分析與處理電路設計

由于需要對混頻器輸出的微弱中頻信號進行處理，需要分析其輸出信號的頻率范圍。雷達多普勒頻移計算公式為：

式（1）中：fd為多普勒頻移量；fc為安防雷達發射電磁波的頻率；vr為目標相對于雷達的速度；c為電磁波在空氣中的傳播速度。由式（1）計算出幾種相對移動速度所對應的多普勒頻移如表1所示。

表1 多普勒頻移

從表1中可以看出，如果雷達感應到正常移動的人、車，其多普勒頻移不超過3 kHz，該參數為后續的信號處理電路的設計提供了參考依據。實測該雷達中頻信號很微弱，針對安防應用，可以采用一種低成本的設計方案。方案框圖如圖1所示。

圖1方案框圖

圖1 中對中頻信號采用三級放大的方案，由于采用低成本的運放，其帶寬增益積較小，因此，每一級放大倍數不能太大，低價運放的噪聲參數較大，經過三級放大之后需要進行濾波處理。低成本的單片機功能少，但基本都具有外部中斷功能，要使得單片機能夠處理這種信號，還需要把濾波之后的波形轉換成方波，以便利用單片機的外部中斷功能。相比于單門限比較電路，遲滯比較電路可提高抗干擾能力；而相比于雙門限比較電路，遲滯比較電路只需1個運放，降低了成本。雷達前端采用單片機控制三極管飽和導通與截止的PWM方式供電，節電能力較好。主要電路如圖2所示。對于圖2的參數選擇，N1選用三極管SS8550，R12取10k。A1，A2，A3構成帶通反相放大，C1，C3，C5取值47 uf，R1，R3，R5取值470 Ω，C2，C4，C6取值3.3 nf，R2，R4，R6取值15 k，三級放大總增益約為90 dB，帶通頻率為3.2～7.2 kHz，R5和R6取10k，用于分壓做偏置，C9取47 uf，用于消除電源電壓紋波對運放同相輸入端的干擾。

圖2 電路

實測經過三級放大之后運放A3的輸出峰峰值有1 V左右，此峰峰值過高，需加濾波電路濾掉一些高頻噪聲以降低峰峰值。本文采用一階RC濾波電路，R7取100 Ω，C7取470 nf，截止頻率約為3.38 kHz。運放A4做遲滯比較用，取R8為15k，R9為30k，R10取33k，R11取22k，C8取47 uf。如果以5 V電壓供電，上門限電壓為VT+=3.7 V，下門限電壓為VT-=1.2 V，則ΔVT=2.5 V，具有一定的抗干擾裕量。放大器A4輸出信號為遲滯比較之后的信號，如果感應到有移動的物體則輸出方波，單片機外部中斷口可以檢測到該波形從而可以程序處理并對外輸出TTL時序電平信號。

3 測試結果分析

當雷達前方沒有移動物體時，用示波器測試出一階RC濾波的波形如圖3所示。

圖3 一階RC濾波的波形

經過三級放大之后，外界干擾信號易引起遲滯比較輸出電平變化，導致虛警產生。從圖3中可以看出經過一階RC濾波電路之后的波形峰峰值降為520 mV，可以降低虛警率。

圖4人從10 m處人以不低于0.5 m/s的速度靠近雷達時，示波器顯示的波形

圖4 為人從10 m處人以不低于0.5 m/s的速度靠近雷達時，示波器顯示的波形。其中，示波器通道4顯示波形為經過RC濾波之后，輸入遲滯比較器的波形，示波器通道3顯示波形為輸入單片機的經過遲滯比較之后的放大器A4輸出波形，可以看出經過遲滯比較電路之后波形成功轉換成了方波，利用單片機的外部中斷功能能夠處理該方波。

4 結束語

本文采用低價的運放與單片機設計了一種10.525 GHz安防雷達中頻信號處理電路，該電路工作可靠，能準確檢測到10 m處以不低于0.5 m/s靠近的人，并通過單片機輸出標準的TTL時序電平信號，用戶可根據該信號進行二次開發，擴展應用于安防、自動門等場所，具有廣泛的應用領域。

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〔編輯：張思楠〕

TN957.51

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.102

2095－6835（2017）16－0102－03