系統工作原理

微功率沖擊雷達探測系統的結構如圖1所示，此系統主要由脈沖發(fā)射機、接收機、信號處理電路和天線(xiàn)組成。

圖1中，脈沖振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，一方面，此信號經(jīng)過(guò)脈沖整形后作為觸發(fā)脈沖，觸發(fā)窄脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生極窄脈沖，并通過(guò)寬帶天線(xiàn)發(fā)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(chǎn)生的信號經(jīng)過(guò)延時(shí)電路產(chǎn)生窄脈沖作為距離門(mén)對接收信號進(jìn)行選擇，接收取樣輸出的信號，經(jīng)過(guò)積分電路對接 收信號進(jìn)行積累，再經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)A／D采集卡送到計算機進(jìn)行顯示和處理，利用數字信號處理技術(shù)對探測雷達 波門(mén)進(jìn)行控制。

 
圖1：微功率沖擊雷達探測系統工作原理框圖

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(shí)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

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(jīng)過(guò)延時(shí)后的參考脈沖信號進(jìn)行相關(guān)檢測，即取樣積分，提高信噪比，然后經(jīng)過(guò)帶通 濾波電路和放大濾波電路實(shí)現對人體運動(dòng)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(gè)輸入是發(fā)射 端脈沖信號，另一個(gè)輸入由接收后端微控制單元的程序精確控制。

帶通濾波器設計

經(jīng)過(guò)取樣積分后的信號中，混有高頻分量，需要將包含人體運動(dòng)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O．05～lO Hz帶通濾波器，其電路原理如圖3所示?？梢钥闯?，所設計帶通濾波器在0．05～10 Hz具有較平坦的通頻帶。

 
圖3：帶通濾波器原理圖

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(jìn)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(diǎn)，該放大濾波電路設計時(shí)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(wèn)題。以上問(wèn)題中，電路的低頻響應可通過(guò)精確設 計濾波器的參數來(lái)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(guò)大就會(huì )使電路產(chǎn)生直流量，使得基線(xiàn)發(fā)生漂移或產(chǎn)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。

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(jīng)相關(guān)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：信號預處理原理框圖

放大電路設計時(shí)，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(guò)高后，當輸入端引入極低頻率的信號、前級“零”點(diǎn)漂移或強信號引入時(shí)，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(zhù)重要作用，它決定了信號的通頻帶，同時(shí)也具有濾除干擾的作用。

[page]
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(guò)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But-terworth型濾波器。壓控電壓源型電 路結構的濾波器特點(diǎn)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O．1％。由于電路中所選電阻值不在電阻序 列之內，故實(shí)際電路中，用多個(gè)電阻串聯(lián)以求得到所需的阻值，電路中電容必須經(jīng)過(guò)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電路圖

0．7Hz高通濾波器電路

0．7 Hz的高通濾波器用來(lái)檢測心跳信號，這里采用2個(gè)二階壓控高通濾波器串聯(lián)形成的四階高通濾波器來(lái)構成O．7Hz高通濾波器，其電路如圖6所示。

 
圖6:0.7Hz高通濾波器電路圖

 
圖7:50Hz陷波濾波器電路圖

50 Hz陷波器電路

50 Hz陷波器在電路中起著(zhù)重要作用。在檢測過(guò)程中，直流電源、周?chē)h(huán)境中的輸電線(xiàn)路等都會(huì )對信號預處理電路產(chǎn)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(jìn)來(lái)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:fo=50 Hz；B≤4 Hz；Q≥10。

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

試驗結果

根據前面的設計電路，對0．05～1O 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(jìn)行估值并通過(guò)MulTIsim仿真且反復調試，并通過(guò)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，0．05～1O 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8：濾波器幅頻特性

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(jīng)測試實(shí)現了理論設計要求。依據該設計制作的電路具有結構簡(jiǎn)單、成本低、性能好的特點(diǎn)，在超寬帶技術(shù) 中具有一定的實(shí)用價(jià)值。