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警用穿墙探人雷达关键技术分析
2014/6/17 9:40:00      来源:《中国安防》    作者:何昌见 钟鑫
    本文主要阐述了在反恐领域应用广泛的穿墙探人雷达的系统原理,分析了穿墙探人雷达的系统组成,介绍了穿墙雷达超宽带脉冲发射、接收系统、天线及信号采集控制系统等重要组成部分,最后通过搭建人体微动雷达探测实验平台,对穿墙探人雷达技术进行了原理验证。

  【摘要】:本文主要阐述了在反恐领域应用广泛的穿墙探人雷达的系统原理,分析了穿墙探人雷达的系统组成,介绍了穿墙雷达超宽带脉冲发射、接收系统、天线及信号采集控制系统等重要组成部分,最后通过搭建人体微动雷达探测实验平台,对穿墙探人雷达技术进行了原理验证。
  【关键词】:超宽带脉冲发射、接收系统;天线及信号采集控制系统;人体微动雷达探测平台;

  一、引言
  在反恐任务中,多种警用电子设备被用于拓展特警的感官能力。目前常用的方法有:通过侦听设备拓展特警的听觉范围、通过智能传感探测系统拓展安检排爆人员的感知范围等手段。穿墙探人技术近十余年来发展迅猛,许多国家政府都大力支持该技术的研究,而且许多公司研究机构也对这项技术投入了大量的人力资金进行开发。在特警解救人质的行动中,穿墙探人雷达往往能够做到提前预判,保证任务的顺利完成。
                        
   
    穿墙探人雷达的核心技术是UWB(UltraWideBand,又名超宽带)技术,UWB技术的历史可以追溯到无线电发明的时代,从赫兹发现放电的电磁辐射时,人们就注意到这种脉冲可发射的特性。UWB技术由于其在无线电通信、雷达、精确定位、成像等领域潜在的应用前景而日益受到人们的关注。“超宽带”信号,顾名思义就是指带宽很宽的信号。如果一个信号在处的绝对带宽大于500MHz或者相对带宽大于20%,则这个信号就是超宽带信号。与常规无线技术相比,超宽带技术具有抗衰落、抗干扰、容量大、速率高、功率低等突出优点。由于典型的超宽带系统是一种无载波通信技术,即它不采用载波,而是利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据或者利用非正弦窄脉冲获取信息,因此超宽带技术也被很多学者及专家认为是无线领域具有革命性影响的技术。

  二、穿墙雷达探测系统组成分析
  穿墙探人雷达是融合雷达技术、生物医学工程技术于一体的探测设备。它主要利用超宽频脉冲的反射原理制成,通过检测人体活动所引起的各种微动,从这些微动中得到有用信息,分析出被探测对象的情况。穿墙探人雷达是目前世界上最先进的人体活动探测仪,它主动探测的方式使其不易受到温度、湿度、噪音、现场地形等因素的影响,脉冲信号的超宽谱发射机制更增加了其区域性侦测的功能。整个探测系统包括了中控系统及人机界面、发射机、接收机、天线等模块。
                 
 
    (一)穿墙雷达超宽带脉冲发射机的分析
  发射机和接收机是雷达探测系统的核心,穿墙雷达发射机产生的是时域上的窄脉冲,由于窄脉冲的宽度直接影响到发射信号的频谱分量,而频率范围直接决定雷达系统的穿透性能,因此脉冲的宽度对雷达系统的性能影响是决定性;脉冲的幅度直接关系到探测距离,因此尽量提高窄脉冲幅度也是超宽带穿墙雷达所期望的。但是由于受到脉冲产生器件的限制,脉冲的宽度和幅度这两者往往相互制约,因此在设计过程中必须综合考虑。对于低幅度的窄脉冲电路,可选用的方法有:隧道二极管、雪崩晶体三极管、阶跃恢复二极管、双向负阻二极管、大功率亚纳秒、射极耦合逻辑(ECL)和电容微分。
  (二)穿墙雷达时域接收机的分析
  穿墙雷达接收机是一种时域接收机,其任务是通过天线将接收到的微弱的时变周期的窄脉冲串信号经过放大和高速采样后,送至A/D变换器和数字信号处理器处理或由计算机控制的雷达成像设备中成像。这种时域接收机不需要混频和检波电路,具有相关解调器的结构形式,图3为超宽带时域接收机的体系结构。
              
   目标回波通过天线阵列接收,经过收发开关选通送入低噪声超宽带放大器进行放大,之后经过低通滤波器,送入功率分配器分成两路,两路信号分别经过采样门进行模拟采样,采样门输出信号通过前置放大器放大并平滑波形,而后送入A/D变换器进行数字采样,之后送入信号处理模块进行处理,其中精密定时系统用来精确控制收发开关、脉冲产生和A/D同步工作。
  (三)穿墙探人雷达天线的分析
  由于墙体相当于一个带内响应平坦的低通滤波器,不同频段的电磁波对于不同材料墙体的穿透能力不同,除混凝土墙体外,其他墙体对低于10GHz的无线电信号近似透明。要对混凝土墙体进行有效穿透,探测信号的频段应不大于3GHz,当信号频段满足此条件时,可以忽略墙体对信号的影响。当工作频带在2GHz以下时,常见墙体对发射信号的衰减均在4dB以下。
  超宽带穿墙雷达系统对收发天线的要求比较特殊。首先,雷达所用的信号都是瞬时超宽带的,因此发射或接收这种信号的天线都是瞬时超宽带天线;其次,雷达应用要求天线定向能力强,波束宽度不能太宽,增益高;第三,雷达天线形式的选择一般还跟雷达信号形式有直接的关系,对发射波形保真性的要求比较高;第四,要求发射天线能够承受高功率;第五,由于发射窄脉冲的频谱主要集中在直流到3G之内这个波段,所以要求雷达天线具有较好的低频性能。
                 1几种常用的穿墙雷达天线的性能比较
           

比较项目

双锥天线

TEM喇叭

Vivaldi天线

螺旋天线

对数周期天线

上限频率

60GHz

60GHz

40GHz

40GHz

15GHz

下限频率

200MHz

80 MHz

100 MHz

100MHz

50 MHz

VSWR

最大带宽

51

 

121

 

101

 

401

61

方向图

最大带宽

51

121

31

 

401

 

61

 

最大增益

15dB

15dB

10dB

2dB

15dB

极化

线极化

线极化

线极化

圆极化

线极化

固定相位中心

没有

 

没有

 

没有

色散效应

没有

没有


   通过对以上列举的几种超宽带天线性能的比较,针对实际超宽带穿墙雷达对天线的要求,该系统可采用平面螺旋天线或TEM喇叭天线,因为两者的优势在于它们非常宽的带宽并能满足实现小型化要求,且具有良好的窄脉冲信号保真性能,虽然后者比前者体积更大些,但用作超窄脉冲的发射与接收天线,阿基米德平面螺旋天线和TEM喇叭天线都可能达到超宽带穿墙雷达系统的要求。
  三、穿墙雷达信号采集控制系统分析
  在超宽带穿墙雷达的应用中,考虑到信号的穿墙能力,实验表明0.3GHz~3GHz以内的信号有较好的穿透性,按采样定理,采样单元要达到6GHz左右的带宽,这么高速率的A/D转换芯片,一般的器件难达到。因此,利用采样示波器原理实现回波信号周期的展宽,降低信号的频宽是必要的。而采样门正是利用等效采样的原理进行模拟采样实现展宽回波信号的。采样过程中的噪声主要来自以下三个方面:①时基抖动造成的时基抖动噪声;②系统的外部干扰噪声;③由采样得到的模拟信号经过A/D转换得到数字信号的量化噪声。通过多次采样叠加平均去噪方法可以改善信噪比,降低采样噪声。为降低采样噪声,除了要求时钟基准源采用高稳定的低相噪源、采样电路优良的屏蔽去耦外,还要求发射天线和接收天线具有良好的宽带幅频特性和相频特性。图4是穿墙探人雷达的信号采分析控制系统。
    
  
    在试验样机阶段,可采用PCI卡,将采集到的探测数据传输到PC机上进行二次信号处理并进行探测成像,如果想要进一步提高穿墙雷达的实时处理能力以及增强其便携性,直接采用嵌入式数字信号处理方式来对探测信息进行处理才是最佳的选择。采用嵌入式系统,先采用FPGA对采样信号进行预处理,对脉冲进行累加平均、对消运算等一系列运算之后,通过EMIF传输给DSP,整个实时处理系统由双核组成。

  四、穿墙探人雷达人体微动实验验证
  在实战中特警需要将雷达紧贴墙壁对屋内犯罪份子的活动进行探测,穿墙探人雷达的工作频带变化往往在一个倍频程以上,所以很难像常规雷达那样从目标回波中提取出多普勒频移来进行频域上的处理。当雷达接收发系统由同一定时模块进行控制时,无须考虑同步算法,回波信号经过接收天线后,直接在定时模块的控制下根据存储的调制码对其进行解调,从而恢复了脉冲序列的周期性,使得等效采样方法的引入成为可能。窄带雷达通过检测多普勒频移在杂波中检测运动目标,而在超宽带系统中多普勒频移这一概念已经不再适用,所以一般采用的都是时域检测的方法,常见的方法有:①检测回波的多普勒时移;②检测固定采样窗内能量变化的方法;③采用时域无限冲激响应滤波器对静止回波予以滤除。
  为了验证人体的微动能够被雷达检测到,搭建了一个模拟实验平台,该平台主要包括:示波器、微波信号源、雷达发射天线和接收天线。其中发射天线与微波信号源连接,接收天线与示波器连接。用微波信号源与发射天线来模拟人体目标反射的信号,用示波器和接收天线模拟雷达的接收机。改变发射天线的位置及发射信号的强度,就可以模拟人体目标的各种运动。
                 
 首先将两个天线固定一个距离,当两个天线间的距离改变时,相当于改变了雷达与人体的距离,以此来模拟人体的运动。

           
 
    图6中红色波形为发射机的发射脉冲,黄色波形为接收机接收到的脉冲,第一张图为两个天线距离较近时示波器记录下的结果,通过示波器测量可以计算出发射和接收的时延为15.2ns,第二张图片为将两个天线间的距离增加后示波器的记录结果。经过示波器测量可以计算出发射脉冲和接收脉冲的时延变成了24.9ns,说明目标的移动产生了更大的时延,通过分析总结时延的规律,可以分析出被探测目标的各种运动规律。在对穿墙雷达接收机检波信号进行时间—多普勒描绘、RCS序列分析、微动特征分析、一维成像处理、二维成像处理等基带信号处理后,平动或者转动的目标会被探测出来。图7为检测到的信号在人机界面上的指示结果,雷达呈现出恐怖份子及人质在房间内的X-Y坐标位置,根据这个位置反恐特警可以迅速安排布置战术,进行突防救援。
                               
  五、结论及展望
  与传统警用微波探测设备不同的是,警用穿墙探人雷达采用无载波探测技,是利用纳秒级至亚纳秒级的非正弦波窄脉冲发射探测信号,因此其所占的频谱范围很宽,由于超宽带系统具有的独特的优势,在频谱资源日益稀缺的今天,UWB技术必然会从众多的新技术中脱颖而出。我国在2001年9月初发布的“十五”国家863计划研究项目中,鼓励国内学者加强这方面的研究工作,我国的公安科研人员紧跟科技发展,在超宽带穿墙探人雷达技术的研究方面取得一些初步成果,该技术在公安行业的推广必将加快科研成果转化的步伐。虽然目前市场上已经有了一些基于超宽带技术的穿墙探测雷达,但是超宽带领域的实时处理技术、定时抖动校正技术等几大技术难题,依然有待进一步的研究和改善,随着这些技术的改进,穿墙探人雷达在公安领域的应用前景将更为广阔。



编辑:侯雨婷
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