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1、Abstract非接触式人体生命体征微波探测仪设计摘 要本项目探讨运用微波探测的方法，在一些特殊情况下无法通过直接接触人体进行人体生命体征探测时，进行非接触式人体生命体征的探测，例如无法接触式心率监控的严重烧伤病人，地震灾害时瓦砾下掩埋的生还者等的生命探测等。主要运用微波雷达，对人体的生命体征进行探测，从人体的心跳和呼吸两个方面，建立这两个人体生命的主要体征与微波雷达信号之间的科学联系；运用信号与系统与数字信号处理中的相关知识和方法，进行微波雷达信号的频谱变换，从信号的频率、幅度、脉冲特征等方面建立人体生命体征的微波雷达信号模型；进行人体衣物、瓦砾、墙壁等掩盖物的微波雷达衰减测试，进而为严重表
2、皮烧伤的人体、瓦砾掩埋下的人体等无法接触人体的真实情况下的非接触探测，提供测试方法和数据的支持。关键词：非接触；生命体征；微波雷达；生命探测Non-contact human vital signs microwave detector designABSTRACTThis project explores the use of microwave detection method,In some special cases signs of human life can not be detected by direct contact with human,non-contact dete
3、ction of human vital signs,Such as severe burns can not contact heart rate monitoring patients buried under rubble when the earthquake survivors and other life detection and so on. The main use of microwave radar, the bodys vital signs to detect,From the human heartbeat and breathing are two aspects
4、 to establish a scientific link the two main signs of human life and microwave radar signal;The use of Signals and Systems and Digital Signal Processing in the relevant knowledge and methods for spectral transform microwave radar signals,Establishment of human vital signs from the frequency, amplitu
5、de, pulse characteristics and other aspects of microwave radar signal model; conduct human clothing, rubble, walls and other objects concealed microwave radar attenuation test, and then severe skin burns body, buried under the rubble of the human body and other non-contact probe can not reach the tr
6、uth of the human body under the support test methods and data.Key words：Non-contact；Vital Signs；Microwave radar；Life detection目录目录第1章 绪论11.1课题来源及背景11.2国内外研究现状11.2.1国内研究进展11.2.2国外研究进展21.3选题意义21.4本文内容安排21.4.1人体生命体征的雷达信号表征研究21.4.2用于生命探测的微波雷达技术研究31.4.3非接触式微波生命探测实验研究31.4.4实验步骤42.1微波原理52.2雷达的工作原理52.3雷达相关技
7、术发展52.3.1雷达系统与技术发展的特点52.3.2雷达系统与技术发展的展望6第3章 物质的微波穿透实验研究83.1 微波的特性83.2微波应用93.3穿透性103.3.1 穿透性相关实验103.3.2关于dBm的简介163.3.3计算方法163.3.4实验数据的比较173.4本章小结17第4章 系统集成184.1微波雷达前端194.2关于HB100微波模块简介194.3 多普勒效应简介204.3.1 多普勒效应原理224.3.2多普勒效应的分类与应用224.4系统集成完成组装23第5章 实验的研究245.1实验研究平台设计245.2示波器的介绍255.2.1示波器概念255.2.2示波器的
8、分类255.2.3示波器工作原理255.3试验中实物演示25结论30致谢32参考文献33III第1章 绪论1.1课题来源及背景我国幅员辽阔，同时也是自然灾害多发的国家之一。地震、泥石流等一直影响着人们的生命以及财产安全等问题。灾情发生后人们结合了很多种搜救方式，并且将其和现代科技结合起来，这样能有效并且准确的对遇难的的人进行定位和搜救。其中非接触式雷达生命体征探测技术集合了多普勒频移等相关原理，在不于人体接触的状况下，利用雷达波探测未知区域是否存在生命体。但是显示生命的信号存在噪声强、信号弱、随机性强和频率范围低等问题，这样一来提取微弱的生命信号在生命探测技术中就显得十分重要了。雷达生命探测系
9、统运用的是非接触检测技术，通过对电子、雷达和计算机技术的综合运用，将人体生命参数从携带有微弱人体生命体征（呼吸、心跳、体动信号等）的雷达回波信号中检测出来，这样才能进行人体呼吸、心跳、体动等生命体征的非接触式探测。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究进展目前我国已经成功地研制出了雷达式非接触生命探测仪，它是由中国第四军医大学的研究人员们历经5年的时间，在不断的艰苦攻关下才得以完成。这一成果已经通过了由总后卫生部组织的专家鉴定。由俞梦孙院士和7名有关专家组成的鉴定委员会一致认为：该仪器的主要性能指标达到了国际同类仪器水平，将我国和我军的卫生装备上面的空白进行了填补，这同时标志着我国拥有了自主知
10、识产权的雷达式非接触生命探测技术。 生命探测技术是近代发展的一项新技术，主要用于战场上伤员的查找以及探测废墟中是否有存活者。传统的方法则是运用声波来探测生命，但需要设置多个接触式传感器。雷达是探测近年来越来越受到人们的重视，因为他不需要设置与人体相接触的辅助器材，即可探测是否存在生命。98年的时候，第四军医大学生物医学工程系王健琪教授开始就该课题率领研究小组进行攻关。历经5年的长久时间的努力，终于研制出我国自己的雷达生命探测仪。这种仪器融合了雷达与生物医学工程的相关技术，通过雷达发射微波，接收反射波后检测出是否存在人体生命活动引起的微动，并且用特有的生物医学信号处理技术提取出人的呼吸、心脏跳懂
11、以及体动等生命体征的信息，从而探测到人。雷达式“生命探测仪”探测距离可达3050米，而且能够穿透厚度达到2.5米的实体砖墙厚度，可隔着几间房探测到人，还能自动识别人体，其主要性能指标达到国际同类水平，有些性能指标甚至优于国外同类产品。有关专家介绍，雷达式“生命探测仪”在我国首次解决了对生命信息的探测问题，它可以探测到废墟、瓦砾、建筑物中掩埋或隐藏的人员，它拥有着相当明显的军事应用价值，还被广泛的应用于反恐斗争、灾难救护、传染病人监护等领域。1.2.2国外研究进展微波生物雷达特指探测生命体的雷达，生物雷达技术检测人体生命信号的研究组织主要集中在美国、俄罗斯、日本、意大利等发达的国家。1994年，
12、Yamaguchi等一些专家用L频段的调频线性连续波信号，探测研究了埋藏在雪地中的生命体，并且还分别采用S、X、Ka波段的微波，运用了雷达双通道微波鉴相等技术，采用滤波与FFT技术进行信号提取，使得生命体是否存在的探测问题得到解决。美国密歇根州立大学研究小组在Chen等专家的领导下采用L和S波段的两种不同频率的雷达连续波天线同时检测，取得的结果比较好。日本方面，从事的是小于50cm的距离的研究，透过不同的衣服、被褥等不同材料对股动脉、颈动脉、心率和指尖处的脉搏进行探测研究，它采用连续波探测信号，运用最小二乘估计方法和两路正交微波检波技术，但是探测的距离比较近。美国方面利用的则是雷达生命体征信号
13、检测技术，并且还研制出了手电筒式雷达，能够探测到房门、墙壁、树丛后的人。1.3选题意义本课题旨在利用价格低廉、通用于智能交通、自动门等领域的微波频率雷达，对衣物、瓦砾或墙壁等掩盖物下的生命体进行探测方法与技术的研究，不仅进行人体生命体征与微波雷达信号间的科学联系，而且进行信号检测电路的设计与制作，系统的集成，并最终进行原理性的样机测试与实验研究。从而能够在一些特殊情况下，进行非接触式人体生命体征的探测。无法接触式心率监控的严重烧伤病人，地震灾害时瓦砾下掩埋的生还者等的生命探测等。1.4本文内容安排1.4.1人体生命体征的雷达信号表征研究主要运用微波雷达，对人体的生命体征进行探测，从人体的心跳和
14、呼吸两个方面，建立这两个人体生命的主要体征与微波雷达信号之间的科学联系；运用信号与系统与数字信号处理中的相关知识和方法，进行微波雷达信号的频谱变换，从信号的频率、幅度、脉冲特征等方面建立人体生命体征的微波雷达信号模型；进行人体衣物、瓦砾、墙壁等掩盖物的微波雷达衰减测试，进而为严重表皮烧伤的人体、瓦砾掩埋下的人体等无法接触人体的真实情况下的非接触探测，提供测试方法和数据的支持。图1 地震区工作的生命探测雷达1.4.2用于生命探测的微波雷达技术研究图2微波雷达原理框图如图2所示，进行微波雷达技术的研究，微波雷达工作于10GHz频率，压控振荡器（VCO）产生10GHz微波信号，经功率分配器功分后，一
15、路作为发射信号，经功率放大器（PA）放大后，经发射天线发射出去；一路作为接收信号的本振信号（LO），进入混频器，与接收进来的微波散射信号（RF）进行进行混频，输出表征目标特征的中频信号（IF）。图中的低噪声放大器（LNA）放大从接收天线接收的散射微波信号。1.4.3非接触式微波生命探测实验研究如图3所示，运用微波雷达对掩盖层下的人体进行人体呼吸、心跳的生命体征探测，进行非接触式微波生命探测的实验研究。发射微波反射微波微波雷达掩盖层人体透射微波（人体衣物、瓦砾、墙体等掩盖物）图3 微波雷达探测掩盖物下的人体生命体征1.4.4实验步骤在有了以上所需进行的实验内容之后，我们就可以安排相关实验步骤了。
16、首先进行微波的掩盖物穿透能力和人体生命体征的微波雷达信号表征的研究，掩盖物样本包括人体衣物、瓦砾、墙壁等，人体生命体征为呼吸与心跳；在此基础上，项目组成员分工合作，分别进行微波雷达的集成和后端信号采集与处理电路的设计与制作，并完成探测器的系统集成；最后，全项目组进行非接触式微波生命探测的实验研究，撰写总结报告和研究论文。 图4 研究技术路线第2章 微波雷达工作原理2.1微波原理微波和无线电波、电视信号、雷达通讯、红外线、可见光等一样，都是属于电磁波，不同的是波长不一样。微波是频率在300MHz到300GHz的电磁波（波长1-1000mm），通常用在广播、电视等通讯技术方面。但是到了现代又把它扩
17、展为一种心得能源，即把微波当做一种能量来使用，在工农业方面要用来加热和干燥，在化学工业方面用来进行催化促进化学反应，而在科学研究方面则用来激发等离子体等。一个典型的例子就是家用微波炉。目前，常用频率在918-2450MHz的微波用到工业加热中，在使用中，可以按照加热材料的形状、大小、含水量来进行选择。但是在本文中，将利用微波来进行生命体征探测的实验研究，从而能利用到实际运用之中，更好的帮助到我们人力所不能做到的地方。2.2雷达的工作原理雷达所起的作用和眼睛相似，当然，这样的杰作并不是出于大自然之手，同时，它是用无线电波作为信息载体的。实际上，无论是可见光还是无线电波，其本质还是相同的，都属于电
18、磁波，传播速度与光速一样，但是它们在波段上占据的位置不一样。它的原理是用雷达设备的发射机通过天线将电磁波能量射向空间某个方向，而那个方向上的物体把碰到的电磁波进行反射；雷达天线将接收反射波送到接收设备进行处理，然后提取有关该物体的某些信息(目标物体与雷达之间的距离，距离变化率或方位、高度、经向速度等)。测量距离指的是发射脉冲和回波脉冲间的时间差，由于电磁波速度与光速一样，所以能换算成目标的精确距离。测量目标方位是依靠天线的尖锐方位波束测量出来的。测量仰角则是依靠窄的仰角波束测量。然后根据距离和仰角就能计算出目标高度。测量速度则是多普勒效应原理。由于接收到的目标回波频率和雷达发射频率存在差别，而
19、这两者之间的差值就被称作是多普勒频率。雷达与目标之间的距离变化率是从多普勒频率中可以提取的主要信息之一。当雷达的统一空间分辨单元内同时存在目标和干扰杂波时，就能利用它们之间多普勒频率的不同从而可以在干扰杂波中检测以及跟踪目标。2.3雷达相关技术发展2.3.1雷达系统与技术发展的特点1.作战需求、技术发展和经济性是雷达系统发展的主要推动力。为了满足军事上面的需求，特别是在第二次世界大战，人们依据电磁场理论，综合其他相关技术从而将雷达发展起来了。这样一来就可以说是战争与技术的产物。随着微波技术的应用，电子元器件、电子学、集成电路和线路数字化的发展，脉冲多普勒技术、动模板显示技术的发展，统计监测理论
20、、模糊图理论、大功率调速管放大器以及匹配滤波器的应用，出现先进雷达，使得雷达系统发展迅速。但是由于雷达研发成本的提高，经济性问题也突显出来了。应以明确的作战需求为牵引，积极大胆、采用现代新技术，研制出成本低、性能优越、可靠性高的雷达系统，以满足不同环境下的需求.2.科学技术的发展和应用是雷达系统发展的基础从雷达系统发展的历程可以看出，总是有了理论上的突破，才会有雷达的大发展。在雷达系统的发展过程中，只有在科学技术进步的基础上，才会有雷达新技术，才会出现雷达新体制。例如收发开关的出现，才会有雷达收发共用一副天线系统;大功率磁控管的出现，才大大提高雷达的探测性能。有了20 世纪60 年代的数字处理
21、技术、大规模集成电路、微型计算机，才有80 年代雷达系统的不断完善和成熟。雷达技术必定是以新技术的发展和应用为基础的，由此可见，雷达系统的发展必将受到新世纪航天技术、纳米技术、互联网技术和新材料技术的影响。3.雷达系统的发展趋势是与其他传感器的综合、融合。雷达作为“有源”传感器与激光、红外、光学和声学传感器组合，可以使得探测能力增强，同时其隐蔽性与抗干扰能力也得到增强。美国的B-2 轰炸机、F-35 战斗机以及F-22 战斗机都具有数据融合与处理能力以及复杂的多传感器系统。俄罗斯的苏-27 和米-29 飞机上面也装备了红外、光电与雷达综合火控系统。欧洲的三种主要战斗机“阵风”、EF-2000、
22、和JAS-39也都具有红外、光电与雷达综合火控系统。2.3.2雷达系统与技术发展的展望雷达系统在经过近70多年的发展出现很多新体制，如合成孔径雷达、毫米波雷达、全相参雷达、超视距雷达、双/多基地雷达、三坐标雷达和单脉冲雷达等。许多新的技术也运用到雷达发展中，如低截获概率技术、自动检测和跟踪技术、脉冲多普勒技术、多传感器融合技术和信号处理新技术等。随着科学技术的不断发展，雷达系统将会得到更多的技术支持以及更好的发展。孔径雷达、毫米波雷达、全相参雷达、超视距雷达、双/多基地雷达、三坐标雷达和单脉冲雷达等将作为主要发展体制，敏感蒙皮与共形阵天线也会迅速发展并且得到应用，雷达的多传感器的融合技术、组网
23、技术将是其发展的方向。通过通用化、系列化和模块化的技术设计，从而不断使得雷达的可靠性、维修性等获得提高，也是雷达系统的发展主题。现代雷达的突出特点是：侦察一反侦察、隐蔽一反隐蔽、摧毁一反摧毁、干扰一反干扰，也称作是“四抗”。雷达的信号截获和隐蔽;雷达的电子干扰与抗干扰;雷达向武器系统提供攻击目标与防止被摧毁从而提高战场中的生存能力等都是矛盾的两个方面。电子技术不断的迅速发展，使得雷达在这样的矛盾中不断发展、互相促进。雷达系统要不断取得新的更大发展只有不断创造新体制、发展新技术、不断适应新的军事和经济需求。第3章 物质的微波穿透实验研究3.1 微波的特性（1）波长短：它不同于一般的无线电波，因微
24、波波长短到毫米,它具有类似光一样有直线传播性质。（2）频率高：微波已成为一种电磁辐射，趋肤效应、辐射损耗相当严重。所以在研究微波问题时要采用电磁场和电磁波的概念和方法。不能采用集中参数元件。需要采用分布参数元件，如波导、谐振腔、测量线等。测量的量是驻波比，频率。特性阻抗等。（3）量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围约为10-610-3eV。许多原子和分子发射和吸收的电磁波能量正好处于微波波段内，人们正是利用这一特点研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学、量子电子学等新兴学科，并研制了量子放大器、分子钟和原子钟。（4）穿透性。微波照射到介质时能深入到介质内部的特点，成为穿透性。一方面，
25、大气中的云、雾、雪等对微波传播影响较小，这是微波能穿透这些介质而基本不受影响，这为全天候微波通信和遥感技术打下了基础。另一方面，微波是唯一能穿透电离层的电磁波（光波除外），具有穿透特性。再一方面，微波能穿透生物体，这位微波生物医学打下了基础。（5）热惯性小 微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质的温升情况可以无惰性的变化，不存在余热的现象，对自动控制和连续化生产而言是很有必要的。 似光、似声性 微波的波长比较短，和地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）相比，在尺寸上面相对要小得多，或者是同一量级。从而使微波的特点和几何光学类似，这就是似光性。这
26、样一来，使用微波工作能够使电路元件尺寸减小；使得系统更紧凑；也能够制成体积小，方向性很强，增益高的天线系统，接受从地面或空间其他物体反射回来的微弱信号，接着确定物体的方位与距离，并分析目标特征。因为微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸是同量级的，所以微波的特点又和声波类似，这就是似声性。比如微波波导和声学中的传声筒相似；喇叭天线与缝隙天线就好比声学喇叭，萧与笛；微波谐振腔与声学共鸣腔相似（6)非电离性 由于微波的量子能量不够大，还不足以改变物质分子的内部结构或者说破坏分子之间的键。再从物理学方面看，分子原子核原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因此微波为探
27、索物质的基本特性和内部结构提供了很好的研究手段。另一方面，还可以利用这一特性制作许多微波器件 信息性 因为微波的频率很高，所以在不大的相对带宽下可以用的频带很宽，可以达到数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波不能与之相比的。这就表示微波的信息容量大，所以现在卫星通信系统、多路通信系统等都是工作在微波波段。另外，微波信号还提供极化信息，相位信息，多普勒频率信息。这在遥感目标特征分析，目标检测等应用中显得十分重要。基于微波具有上述特点，微波作为一门独立学科得到人们的重视，获得迅速的发展。3.2微波应用微波主要应用是在雷达和通信方面。另外还应用在科学研究、工农业生产、医学、生物学以及人民生活等方面。工
28、农业生产上主要应用在测量和加热两个方面。测量是属于弱功率方面的应用，温度、湿度、厚度、速度、长度等各种非电量都可以利用微波来测量，它的特点是测量设备时不需要与被测量的对象进行接触(非接触式测量)，在生产流水线上连续监测并进行实时自动控制就可以运用到这一特点。比如，钢铁工业中用测量炉温、料面深度、钢板厚度时可以应用到微波，测量并控制吹氧炼钢中氧枪与钢水液面之间的距离的时候也可以应用微波。测量钢板厚度用微波要比用射线测量显得更为优越，钢板中的化学成分不会影响微波测量的精确度，一般情况下也不需要采取辐射防护措施。其他方面的运用还有：造纸和纺织业中测量和控制纸张或织物中的水分；石油工业中测定石油的微小
29、含水量；机械铸造业中测定和控制型砂中的含水量等。为了测量谷物、土壤、木材、烟草、药品和墙砖等各种介质材料的含水量还专门制造了微波水分仪。微波的法拉第效应还可以运用来测量几十万伏超高压输电线上的电流。在工农业生产上微波的另一类运用加热，它是属于一种强功率应用，比如它能够产生微波等离子体，并在大规模的集成电路中刻蚀亚微米级的精细结构，也可以制造光通信所需要的高纯度光纤；能够将包装好的食品进行消毒或者解冻冷藏食物；可以用来给高分子化合物进行热定形；也能够干燥食品、木材、纸张及电影胶片等。家用微波灶也已得到很好的应用而且其性能也日趋完善。探测大地、普查地球资源、测绘地形地物、监视农作物的生长，以及侦察
30、军事目标等可以运用微波遥感配合可见光以及红外同感。微波遥感与可见光和红外遥感相比，其特点是可以全天候工作，但是得到的图像的空间分辨率较低是其缺点。3.3穿透性微波与其它用于辐射加热的电磁波相比，就拿红外线、远红外线来说吧，这两者的波长就更长一些，所以穿透性要更好一点。微波进入介质后，由于介质损耗而引起的介质的温度升高，让介质内部和外部同时加热升温，形成了热源状态，使得正常加热状态下的热传导时间缩短了很多，并且介质温度和介质损耗因数呈现出负相关的关系时，物料内部与外加热均匀一致。 微波受物质的影响能力，是由介质损耗因数决定的。介质损耗因数大那么它的吸收能力就强，与之相反，介质损耗因数小那么它的吸
31、收微波的能力也就弱了。因为不同物质的损耗因数是不一样，微波加热的选择性加热特点就会表现出来。不同的物质，产生的热效果也不会相同。水分子属于极性分子，其介电常数比较大，介质损耗因数也大，所以对微波表现出较强的吸收能力。但是碳水化合物、蛋白质等的介电常数比较小，所以对微波的吸收能力与水相比就小得多。因此，微波加热食品的时候，含水量的多少对其效果影响就会很大。 3.3.1 穿透性相关实验（1） 实验研究所构建的原理图图5频谱分析仪：频谱分析仪的简介：频谱分析仪是一种对电信号频谱结构进行研究的仪器，用在信号失真度、谱纯度、调制度、交调失真和频率稳定度等信号参数的测量方面，可以用做测量滤波器和放大器等电
32、路系统中的某些参数，也是一款多用途的电子测量仪器。也可以称为跟踪示波器、频域示波器、谐波分析器、分析示波器、傅里叶分析仪或频率特性分析仪等。现代的频谱分析仪的分析结果能够以数字方式或模拟方式显示，能够分析的电信号可以是1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段。仪器内部如果采用微处理器和数字电路，具有运算和存储功能；配置了标准接口后就可以容易构成自动测试系统。频谱分析仪的工作原理：频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，面板上布建许多功能控制按键，作为系统功能之调整与控制。实时频率分析仪（Real-Time Spectrum Analyzer）具备为在同瞬间显示频域的信号振幅的功能，它的工作原理
33、针对的是不同频率信号而有相对应的滤波器与检知器（Detector），再由同步多任务扫瞄器把信号传到CRT 屏幕上，这样的优点是能够很好的把周期性杂散波（PeriodicRandom Waves）的瞬间反应显示出来，但是这样的缺点则是价昂且性能受限于频宽范围、滤波器的数目与最大的多任务交换时间（Switching Time）。（2）实验器材 图6 频谱仪，信号生射器和信号接收器信号发生器：信号发生器指的是产生所需参数的电测试信号的一种仪器。它可以按照信号波形分为正弦信号、脉冲信号、函数（波形）信号和随机信号发生器这四类。信号发生器也可以称作信号源或者振荡器，被广泛的运用在生产实践和科技领域。各种
34、波形曲线都能够用三角函数方程式表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。信号发生器的工作原理：信号发生器可以产生频率为20Hz200kHz的正弦信号（低频）。除了能够输出电压外，有的还有功率输出功能。其用途也很广泛，能够用在测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的增益、频率特性、通频带，也能够用作高频信号发生器的外调制信号源。在校准电子电压表时，它也能提供交流信号电压。低频信号发生器的原理：系统包括主振级、主振输出调节电位器、输出衰减器、电压放大器、阻抗变换器（输出变压器）、功率放大器和指示电压表。（3） 不同材料的实验测试以及波形图第一种
35、材料的测试：图7书包测试 图8书包测试数据第二种材料测试：图9铁片测试图10铁片测试数据第三种材料测试： 图11 吸波材料测设 图12吸波材料测试数据第四种材料的测试：图13纸板的测试图14纸板测试的数据实验对象无书包铁片吸波材料纸板所测数据-28.20dBm-28.70dBm-44.22dBm-40.37dBm-28.20dBm表1实验测试所得数据3.3.2关于dBm的简介dBm意即分贝毫X，可以表示分贝毫伏，或者分贝毫瓦。电压或电场E(mV) 与 U(dBm) 的换算公式为：；功率与P（瓦特）换算公式：(P:瓦；P:单位为dbm)。3.3.3计算方法一般来讲，在工程中，dB和dB之间只有加
36、减，没有乘除。而用得最多的是减法：dBm 减 dBm 实际上是两个功率相除，信号功率和噪声功率相除就是信噪比（SNR）。dBm 加 dBm 实际上是两个功率相乘，这个已经不多见（我只知道在功率谱卷积计算中有这样的应用）。dBm 乘 dBm 是什么，1mW 的 1mW 次方？除了同学们老给我写这样几乎可以和歌德巴赫猜想并驾齐驱的表达式外，我活了这么多年也没见过哪个工程领域玩这个。dB是功率增益的单位，表示一个相对值。当计算A的功率相比于B大或小多少个dB时，可按公式10 lg A/B计算。例如：A功率比B功率大一倍，那么。也就是说，A的功率比B的功率大3dB；如果A的功率为46dBm，B的功率为
37、40dBm，则可以说，A比B大6dB；如果A天线为12dBd，B天线为14dBd，可以说A比B小2dB。 dBm是一个表示功率绝对值的单位，计算公式为：10lg功率值/1mW。例如：如果发射功率为1mW，按dBm单位进行折算后的值应为：；对于40W的功率,则。3.3.4实验数据的比较从上面的数据里面可以看出，书包与纸板这两样实验材料的数据相对没有实物时，是几乎没有变化的，这就表示书包和纸板对微波穿透性的影响可以忽略不计，而实验中选择书包则是将其模拟人体衣物，这就对我们进行非接触式人体生命体征探测有了更显著的帮助。吸波材料显示的数据是-40.37dBm，与无材料时的数据-28.20dBm相比有了
38、明显的衰减，从而显著的展现出吸波材料对微波穿透的影响。最后的铁片实验，从其数据可以看出对微波影响最大，根据dBm的计算方法可以算出其衰减为(-28.20)-(-44.22dBm)=16.02dBm。根据以上数据的对比，我们可以按照这些不同的变化，从而依靠微波穿透检测出不同物体，这对我们在进行探测时起到一个很重要的帮助。3.4本章小结这一小章主要介绍了微波的一些相关特性和应用，其中微波的穿透性就是主要的研究对象。所以对微波的穿透进行了更深一步的探究，并且做了相关的记录，例如实验过程中频谱仪所显示出来的波形图,以及不同材料所产生的波形图之间的差别，从而了解到不一样的材料对微波穿透的不同影响。这样才
39、方便我们对微波在非接触方面的探究起到更好的效果。第4章 系统集成在有了前面几章的研究和准备工作，我们总算是初步完成了实验最终所需实物的系统集成。而下图就是最终实物的内部结构图。图15实物内部图如下图则是集成电路板：图16集成电路板4.1微波雷达前端微波雷达前端其实是微波传感器模块HB100，这是该系统集成最很重要的部分。下面将具体介绍一下微波传感器模块HB100，以及其一些重要的说明。首先是其实物展示以及它的原理图。 图17实物模板 图18模板概念图从图18中可以知道，在信号输出端（IF）有三种型号的信号输出多谱勒移位（Doppler Shift）当物体在覆盖面积上面移动时，在信号的输出（IF
40、）端就会有多谱勒信号输出，它的输出强度和发射能量的反射强度有关，一般在微伏级，因此要一个高增益的低频放大器来处理这个信号，使得它能够用处理器来进行处理。多谱勒信号的频率与物体运动和速度成正比;人类走动的多谱勒信号频率一般处在100HZ 以下。 噪音信号组件内部及环保所产生的噪音，尤其照明灯（其主本在 100/120HZ）非常接近，人类移动所产生的多谱勒信号频率。直流信号（DC Levd）大概电压在 0.1 伏之间的直流信号存在于 IF 输出端,它的极性可以正的也可以是负的.故建议用交流吻合方法连接信号输出(IF)和低频放大器之间. 4.2关于HB100微波模块简介HB100微波移动传感器是X波
41、段移动传感多谱勒模块，其由多普勒效应收发机模块利用DRO（介质谐振振荡器）技术和微带接插天线实现了低电流消耗、高温稳定性、高灵敏度和扁平外形，是理想的低成本移动检测器。其基波振动是由 GAS FET 介质，谐振振动器（DRO）不会产生辐射谐波。模块采用表面安装组件，体积小，可靠性高，通常用于防盗系统与自动门控制中，本模块与红外传感器组成比检测，可以有效地减少误报. 性能 应用低电流消耗 微波红外移动检测器其波式脉冲工作 自动门控制器长检测距离 灯光控制开关 速度测量多谱勒等式 这里 = 多谱勒频率=目标速度=发射频率=光速（3*10 米/秒）=物体移动方向与使感器生标之间的角度。 例如：如果物
42、体直朝向 ACD2400-050，移动。 (千米/小时) 图19原理框图4.3 多普勒效应简介多普勒效应是当波源和观察者存在相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。物体辐射的波长依据光源和观测者的相对运动发生变化，在运动的波源前面波被压缩，波长变短，从而频率变高 ，在运动的波源后面，则会发生相反的效应，波长变长，频率变低 ，从而波源速度方面看就会变高，产生的效应也会越大，依据光波红移和蓝移的程度，能够计算出波源循着观查方向运动时的速度，恒星的光谱线位移表示的就是恒星循着观测方向上的运动速度，这种现象被称作是多普勒效应。4.3.1 多普勒效应原理多普勒效应提出，波在波源向
43、观测者移动时的接收频率变高，波源远离观测者的时候接收频率就会变低。观测者移动时能得到的结论是一样的。但由于实验设备缺少的缘故，多普勒当时没能用实验验证，几年之后有人请一队小号手在平板车上演奏，再让训练有素的音乐家用耳朵来对音调的变化进行辨别，从而验证该效应。假设波源的波长为，波速为，观察者移动速度为：当观察者靠近波源，观测到波源频率为，如果当观察者远离波源的时候，就会发现波源频率是。火车的汽笛声就是很好的例子，当火车离观察者越来越近的时候，汽鸣声比平常更加刺耳。相同的情况还有：赛车发动机声和警车警报声。假如将声波视作有规律间隔发射的脉冲，可以想象如果你每走一步，便发射了一个脉冲，那么你之前的每
44、个脉冲都会比你不动的时候更接近自己。但你后面的声源就要比原先不动时远了一步。也可以这样理解,你之前的脉冲频率比平常变高了，但在你之后的脉冲频率则低于平常。多普勒效应除了在声波中适用，其他类型的波都适用，包括电磁波。科学家爱德文哈勃（Edwin Hubble）发现远离银河系的天体发射的光线频率变低，即红移，天体远离银河系的速度越快则红移越大，这就表明天体在远离银河系。爱德文哈勃就是靠多普勒效应得出了宇宙膨胀的结论。与之相反，假如天体向银河系移动，那么光线就会发生蓝移。 移动通信中，当移动台向基站靠近时，频率就会变高，远离基站时，频率就会变低，因此移动通信中要充分考虑多普勒效应。由于日常生活中，我
45、们移动速度的局限性，不可能带来很大的频率偏移，但是却不能否认这会给移动通信带来影响，为了避免其会造成我们通信中的问题，我们就得在技术上实现突破。单色情况下，人眼感知的颜色可用光波振动的频率来解释，也能解释为1秒钟内电磁场交替变化的次数。在可见范围内，此效率越低则越趋于红色，频率越高则趋于蓝色紫色。假如波源固定不动，不运动的接收者接收到的波的振动与波源发射的波的节奏就是一样的：发射频率等于接收频率。假如波源和接收者相对是移动的，情况就不相同了。相对接收的人来说，波源产生的两个波峰间的距离变长了，所以两上波峰到达接收者的所用时间也就变长了。同理，到达接收的人时频率降低，所感知的颜色向红色方向移动（
46、如果波源向接收的人靠近，情况就是相反的）。4.3.2多普勒效应的分类与应用机械波机械波的多普勒效应有两类：1.波源不动，观察者相对于介质运动；2.波源运动，观察者相对于波源不运动；3，波源与观察者相对同时运动。冲击波冲击波指的是飞机，炮弹等以超音速飞行时在空中产生的冲击波。当过强的冲击波使掠过的地区物体遭到破坏时，这种现象称为声爆。电磁波多普勒1842年首先在声学上面发现了多普勒效应，这一规律在1930年被运用到了电磁波的范围。但是电磁波在1938年的时候才被证实其具有多普勒效应。波源与接收器之间相对运动时，接收到的频率与波源振动的频率不相等，这种现象就是多普勒效应含义。4.4系统集成完成组装根据以上实验原理等完成最后所需实物图，实物中包含了前面介绍的微波雷达前端。图20实物组装形态由于实验器材等存在