穿墻雷達產品設計中干擾信號的分析與應對

葛兆斌　楊秀蔚　顏廣　楊傳法

摘 要： 穿墻雷達作為一種便攜式偵測雷達，可應用于背景各異的環境中。在不同的場合，產生的與目標信號相隨的其他非期望信號也不盡相同。首先分析了對目標識別有影響的各種非期望信號，然后對其中影響較大的收發天線直接耦合信號和天線背向信號做了實驗研究，依據產品設計的準則，就如何在產品結構設計中使用、取舍實驗數據做了闡述，為本類或相關產品的設計提供借鑒。

關鍵詞： 穿墻雷達； 產品設計； 干擾信號； 收發隔離； 背向輻射

中圖分類號： TN959.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）21?0052?04

Analysis and countermeasure against interference signal in design

process of through?the?wall radar

GE Zhaobin， YANG Xiuwei， YAN Guang， YANG Chuanfa

（Institute of Automation， Shandong Academy of Sciences， Jinan 250103， China）

Abstract： The through?the?wall radar as a portable surveillance radar can be applied in the environment with various backgrounds. In different environments， the unexpected signals generated with the target signal are different. All kinks of the unexpected signals affecting the target identification are analyzed. The experimental research was carried out for the direct coupling signal of the transceiving antenna and backward signal of the antenna. According to the criterion of product design， how to use and choose the experiment data in product structure design is elaborated， which provides a reference for the design of the same?class or relevant products.

Keywords： through?the?wall radar； product design； interference signal； transceiving isolation； backward radiation

0 引 言

超寬帶穿墻雷達是一種基于超寬帶（UWB）技術的短距離目標探測雷達，能夠對墻體等建筑物后的目標數量、位置、狀態等信息進行探測、定位、成像、跟蹤及識別等，其“隔墻透視感知”能力在巷戰、反恐、人質救援等領域具有重大的應用價值。

與自由空間不同，超寬帶穿墻探測系統的一個特點是目標和探測系統之間存在墻體的阻擋，電磁波信號穿透墻體時，會產生衰減、反射、折射和速度變化等現象。

圖1是穿墻雷達工作示意圖。發射天線發出的信號穿過墻體后，碰到目標發生散射，散射信號再次穿過墻體后被接收天線接收。發射信號的穿墻傳播過程比較復雜，可能經歷多個路徑[1?2] 。發射信號到達與雷達同側的墻面（假定為A面）時會發生折射和反射；折射波到達墻的另一面（假定為B面）時又會發生折射和反射，其中折射波穿過墻面，遇到目標和背景物發生散射，散射信號再次碰到墻后，在墻的B面和A面發生折射和反射，折射透過墻的信號被接收天線接收。在信號的發?收過程中，環境中的其他物體也會產生反射，因此，接收天線接收到的信號應如圖1所示，包括目標散射回波、背景雜波、墻的反射波、發射天線的耦合信號及噪聲等各種信號的混合。

根據上述分析，穿墻雷達的回波信號可表示為：

式中：[fr（t）]是穿墻雷達的回波信號；[fd（t）]是發射天線直接耦合波；[fw（t）]是墻體的反射回波；[fn（t）]為噪聲；[fb（t）]是儀器后的操作者及反射物的反射信號；[fc（t）]是目標區背景反射雜波信號；[Sr（t）]為墻體后目標的信號；[t]表示連續的時間。

作為實用的便于隨身攜帶的工具，穿墻雷達一般要求體積小、重量輕、攜帶方便、操作簡單，因此儀器的發射天線和接收天線的間距較近，發射天線的直接耦合信號較強[3]；相對于耦合信號、墻體反射信號、目標背景信號等，目標的散射回波信號是較弱的，在上述眾多信號中識別出特定目標的散射回波信號是比較困難的，這也是穿墻雷達研發中的難點。而在眾多靜態物體的反射信號中，選擇目標運動時的散射回波信號可降低目標信號的探測、識別難度。

穿墻雷達作為目前研究的一個熱點，從基本的成像算法、應用層面的目標識別算法、運動目標跟蹤等一直是重點研究方向，無論是硬件（數字采集電路），還是軟件（算法）的研究都很多，研究人員提出了各種各樣的方法，目的是為了實用化。

從實用化的產品設計角度，結構上某些適當的處理可減弱或消除干擾信號對目標信號的影響。

1 收發天線直接耦合信號的隔離實驗

發射天線的直接耦合信號[fd（t）]從結構設計上減弱或消除的方法有增大收發天線間距、加裝吸收性隔離板等。endprint

文獻[4]認為天線的近場輻射產生強烈的耦合，天線的近場強度與天線間距離的三次方成反比，天線間距離是天線間耦合最主要的影響因素。但由于系統的小型化要求，天線間的距離受到空間位置的限制，不能無限制放大。

另一個措施是在收發天線間加裝U型金屬隔離板，對側向輻射進行吸收，使兩個天線間的電磁波不能直接傳輸。文獻[5]分析了U型金屬隔離板阻擋電磁耦合通道，從而減少天線間耦合。文獻[6]通過理論計算和仿真，認為兩個獨立天線間加隔離板后可以減小天線間的耦合系數，隔離板高出天線的高度變化影響耦合系數的增減趨勢。

實驗方案如圖2所示，在發射天線和接收天線正中間安裝一U型結構隔離板，基體是0.5 mm厚的鋁板，左右兩面都粘附吸波材料。

實驗使用了11.5 cm薄磚墻和24 cm厚磚墻兩種墻體，1 mm厚和3 mm厚兩種吸波材料，做了各種形狀鋁板。

實驗方法是由SFM771C型T/R組件提供發射信號，角反射器作為目標，用安捷倫8562EC型頻譜儀測量接收天線回波信號增益。

測試項目包括：收發天線間安裝不同形狀、尺寸的隔離板和不同厚度的吸波材料時的直耦信號值；無墻體、薄磚墻、厚磚墻時的直耦信號值。

實驗數據如表1，表2所示。

由表1和表2的數據直觀分析可以看出：

（1） 安裝吸波材料（及吸波材料的厚度）未提高直耦信號隔離度；

（2） 距發射天線較遠的接收天線直耦信號較小，加和不加隔離板影響不大，說明收發天線間距對信號隔離度影響很大，超過一定值，無需考慮加裝隔離板；

（3） 隔離板相對天線的長度對直耦信號隔離度有較大的影響，實驗中較好的比值約是1.5；

（4） 隔離板截面形狀對直耦信號隔離度影響不大，對寬度有較大的影響，對高度的影響未知。從實用的角度，隔離板截面形狀以簡單的U型最佳。

2 天線背向輻射信號的隔離實驗

穿墻雷達天線存在前后輻射比，天線工作時會存在背向輻射信號。公開的文獻對天線背向輻射的研究主要集中在天線設計時如何減小輻射，而在實際應用時，天線的背向輻射可能會產生預想不到的嚴重后果，需要采取措施減弱或消除。

用穿墻雷達樣機測試時發現，天線背面有人或者物體運動時，回波中會產生相應的信號，而且幅度較高，如圖4，圖5所示，在隨后的信號處理時與目標信號混雜在一起，很難區分，儀器使用者被當成目標，判斷錯誤而產生虛假目標。這種情況無法從天線設計的角度消除，必須在結構上做些改進，以減低背向輻射的影響。

實驗方案如圖3所示，在天線的背面安裝隔離結構，其一是采用0.5 mm厚的鋁板，其二是粘附吸波材料。

實驗條件與直耦信號隔離實驗的相同，由T/R組件提供發射信號，使用頻譜儀測量、接收天線回波信號增益。

隔離度需通過對移動目標的多普勒殘留值進行分析，實驗對象（人）在天線背部1.5 m處左右晃動，并盡量保持每次晃動幅度相同；使用數據采集卡采集30組數據，計算分析每組數據的多普勒殘留值。

實驗數據如表3所示。

對表3的數據直觀分析，可以看出：

（1） 相同尺寸的鋁板和吸波材料相比，鋁板隔離度較好；

（2） 對于不同尺寸的鋁板，相對接收天線的包圍程度越大，隔離度越好。

如圖4所示為天線背面未加隔離物，人在天線背面2 m處微動的回波信號（天線正面方向無目標），信號最大值的位置在2 m處，幅度值為4.28，遠遠大于其他位置的信號幅度。

如圖5所示為天線背面增加580 mm×400 mm尺寸鋁板效果，人同樣在天線背面方向2 m處微動（天線正面方向無目標），信號最大值的位置在2.286 m處，幅度值為1.732，雖然比其他位置的信號幅度高，但與圖4相比，此位置的信號幅度降低了7.8 dB，說明此方法大大降低了天線背面運動物體對目標探測的影響。

3 結 語

本文討論的是在產品樣機的測試中發現的對信號探測、目標識別、路徑跟蹤等產生影響的不可忽視的問題。問題的解決要本著實用化的原則，即依據產品設計的基本準則——安全、經濟、實用、美觀、環保，在確保安全第一、兼顧環保要求的前提下，根據產品的用途、使用環境、工作狀況等因素綜合考慮經濟、實用、美觀三者的排序和權重。穿墻雷達產品要求操作簡單、使用方便、易于攜帶，因此小巧、輕便是設計時考慮的重點。

收發天線直耦信號隔離度基本可以采用實驗的結論，如果天線間距較小，采用合適尺寸的U型鋁隔離板；如果天線的間距已足以將直耦信號的影響降到可接受的程度，就不用隔離措施，從而減少產品的重量。

天線背向輻射實驗的結論給了啟示，但實驗中采用的方案在產品的設計中都不理想，無論哪種方案，都會增加產品的重量。產品的設計，尤其是結構設計必須遵循基本準則，這與實驗、仿真等理論層面的做法有所不同。

注：本文通訊作者為楊傳法。

參考文獻

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[2] 陳小莉，白迪，田茂.一種穿墻雷達對多運動目標實時探測、分離的方法：中國，201510642301.9[P].2015?12?09.

[3] BARNES M A， NAG S， PAYMENT T. Covert situational awareness with handheld ultrawideband short?pulse radar [J]. Proceedings of the SPIE， 2001， 4374： 66?77.

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[5]呂波，鄭秋容，袁乃昌.一種改善雷達收發隔離的新方法[J].系統工程與電子技術，2008，30（8）：1595?1597.

[6] 韓曉東.連續波雷達收發隔離問題的研究[D].南京：南京理工大學，2006.endprint