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1、移动目标的微波探测技术关键词：平面微带，波导谐振，多普勒，频域分析，微波传感器常用的微波探测器是借助微波多普勒效应探测布防区域内是否存在移动目标。探测器内的主要微波组件为微波传感器，其工作频率多项选择择在微波的 S-波段，X-波段，K-波段，常用微波传感器的技术构成分为平面微带型和波导谐振型。我们探讨微波传感的技术构成、频段选择对移动目标探测的影响，期望对探测器的选型和使用有肯定的帮助。微波是指频率在 300MHz-300GHz 范围内极高频电磁波，其波长范围从 1m 到 1mm。微波具有直线视距传播，不受其他电磁波干扰，频带宽，系统体积小等特点，首先在通信领域得到广泛应用。微波技术另一最重要
2、应用当属雷达，使用微波雷达对远距离飞行目标测 速，测距，测方位早在其次次世界大战中就已成功应用。随着微波半导体技术的规模化应用，微波技术的物理实现不仅格外简洁、廉价，而且体 积甚小，各种物体探测装置中都可以放进火柴盒大小的微波传感器，成为目标探测装置中常 见的组件。不同于红外探测器，这种微波组件对各种可以反射微波的物体都很敏感，且不受 环境温度的影响，因此广泛用于工业、交通及民用装置中，如车辆测速、液位测定、自动门、自动灯、自动盥洗、生产线物料探测、倒车雷达等。报警产品中微波探测器使用这种微波传 感器组件，协作周边的电子器件，基于多普勒效应的应用就构成了移动目标微波探测器，即 多普勒雷达。微波
3、探测器所使用的多普勒雷达主要类型为连续波CW多普勒雷达。1、多普勒效应1.1 、多普勒频移电磁波或声波频率因馈元本身或 /和目标物相对运动所引起的频率转变称为多普勒频移，或称多普勒效应。站在月台听到进站火车汽笛声调变化的现象就是最好的多普勒效应体验。当火车迎你而来时，汽笛的频率会提高，声音变尖，反之亦然。由多普勒效应得知，固定安装的雷达发出的固定频率微波，遇到静止物体产生的反射波其频率并不转变，遇到运动物体产生的反射波将会发生多普勒频移，频率的转变类似相对速度的计算，图 1-1 是多普勒频移的计算。 t放射微波 r = t(1-V/C)V t=V t/C反射微波 rV2图中：V = 汽车行驶速
4、度图 1-1 多普勒频移的计算C = 微波行进速度，300,000Km/S t = 放射波微波波长 r = 反射波微波波长1.2 、多普勒信号和多普勒频率多普勒雷达在放射微波信号的同时承受反射波信号，并将两者相混差频产生一个的低频信号，称多普勒信号，其频率称为多普勒频率，是放射频率和反射频率之差。多普勒频率 =|放射频率 反射频率| = |1/ t - 1/ r| = |ft - fr|报警器多普勒雷达假设检测到多普勒信号则判定有移动目标存在。针对不同的使用场合，可以选用不同频段的多普勒雷达，常用报警器产品的多普勒雷达 工作频率选择在 X-频段10.525GHz，随着技术进步，最的产品其多普勒
5、雷达开头使用更高频段的K-波段频率24.125GHz。对于这两个频段，假设目标移动速度不超过百公里，多普勒频率的变化范围是 0-5000Hz。在此范围内多普勒频率和目标移动速度大体呈线性关系。下面是K-波段24.125GHz和X-波段10.525GHz多普勒频率与目标速度关系图。35003000f = 24.125GHz Df = V44.676zH 2500=fD率2023频勒普1500多1000f = 10.525GHz Df = V19.4950000102030405060708090100目标移动速度V = km/hour图 1-2 多普勒频率和目标速度的关系从图中可以看出，对于同一
6、运动目标，K-波段多普勒频率是 X-波段的 2.3 倍，这对于探测运动速度低于两公里的目标格外有利。S-波段的雷达由于波长超过 10CM，对于较小运动目标不产生多普勒信号，适合需要防止诸如鼠类引起误报的场合使用。2、连续波CW多普勒雷达多普勒雷达有多种类型，其中脉冲多普勒雷达，调频连续波多普勒雷达不但可以测出目 标的速度、距离、方位，甚至能够同时跟踪、区分出多个目标的移动状况，这些雷达需要协作周密的伺服系统和后处理技术，系统简单造价高，多用于军事、航空、工业检测等领域。报警器承受的连续波多普勒雷达，只能测到目标的移动速度，不能测到目标距离和方位。这种雷达构成简洁，造价低廉，适合大规模推广使用。
7、从技术构成来看，多数产品使用的是经济型平面微带多普勒雷达，较好的产品则使用专业级波导谐振多普勒雷达。3、平面微带介质谐振多普勒雷达平面微带雷达报警器使用的平面微带雷达生产本钱低廉，勿需昂贵的检测加工手段，适合装配经济型 报警探头。微带雷达由三局部组成，传感器模块，多普勒信号调理电路，决策掌握局部，见图 2-13。图 2-11 是平面微带传感器模块构造照片，图 2-12 是模块的工作原理图，图 2-13 是微带雷达的原理构成。反射波接收天线放射天线隔离罩 金属或塑料电镀陶瓷谐振介质微带线耿式震荡二极管肖特基混频二极管印板正面天线一侧反面反面 取下隔离罩图 2-11 平面微带传感器模块器频器混荡接
8、收天线 fr振放射天线 ft图 2-12 平面微带传感器模块工作原理多普勒信号输出 |ft - fr|振荡器电源模块地线传感器模块多普勒信号放大调理决策掌握报警输出红外信号电源掌握图 2-13 平面微带雷达原理构成3.1 、平面微带雷达的微波场强分布平面微带传感器天线设计的简易性使得微波场强分布很难规章，安装使用这一类型的探头应赐予特别的留意，尽可能避开误报、漏报。对于双鉴探头而言，我们期望微波探测范围与红外探测范围尽可能吻合，图 3-11A 实线区域是微带天线水平方向场强分布，图 3-11B 实线区域是微带天线垂直方向场强分布。显而易见微波的场强分布与红外探测区域虚线有较大出入，由此形成了微
9、波探测可能的误报区域和漏报区域。可能的误报区域可能的漏报区域图 3-11A 微带天线水平方向场强分布图 3-11B 微带天线垂直方向场强分布微波对建筑物墙体有穿透力量，泄漏到墙外的微波对设防区域以外的移动目标发生作用时，可能造成隔墙误报，安装这类探头时应认真选择安装位置，避开误报。图 3-12 是隔墙误报的示意。房间隔墙房间隔墙图 3-12 平面微带雷达隔墙误报示意3.2 、多普勒信号的处理微波传感器模块输出的多普勒信号格外微弱，需要放大数千倍才能做进一步的处理。此外，放大的同时还必需使信号通过一个低频带通滤波器，目的是去掉高频和甚低频干扰。图 3-21 示出多普勒信号、带内干扰信号、高频干扰
10、信号、低频干扰信号通过带通滤波器前后的状况。可以看到，高、低频干扰信号受带通滤波器的阻隔不能通过，但放大多普勒信号的同时，频率落在带内的干扰信号也被放大通过。为了分别有用的多普勒信号，决策控 制局部通常会参加自适应门限掌握算法来切除漏过带通滤波器的干扰信号，这种算法是通过 分析信号幅度的大小来区分多普勒信号和干扰信号的。明显，当多普勒信号的幅度不敌干扰 信号时，就无法探测到运动目标了。放大调理前多普勒信号低频带通滤波器放大调理后多普勒信号放大前带内干扰信号放大前低频干扰信号放大前高频干扰信号带外干扰信号被阻断放大后带内干扰信号图 3-21 放大调理后的多普勒信号和干扰信号多普勒信号中干扰成分源
11、自几种可能：电源及热电噪音干扰。可以换用低噪元件加以改善，本钱因此增加。振荡器谐波混频干扰。振荡器品质因素Q 值不好，会产生较强谐波成分，假设放射天线不做抑制，这些谐波成分相互混频，会在低频段产生虚假多普勒信号。平面微带雷达采 用压电陶瓷作为谐振介质，因陶瓷介质对电磁波造成损耗，其Q 值不及波导谐振腔振荡器。为了抑制虚假多普勒信号，协作平面微带传感器的工作，低通滤波器低端截止频率会取得高 一些，有可能造成缓慢移动目标的漏报。设防区域存在规章运动物体如吊扇造成的干扰。通常的门限算法对信号的幅值分析很难排解这样的干扰，一种做法是对多普勒信号做进一步的频域分析将干扰区分开来。另外，正由于平面微带雷达
12、固有干扰较大，较远回波不能测到，探测距离受到限制。4、波导谐振多普勒雷达(波导谐振雷达)波导谐振雷达的原理构成与平面微带雷达一样，但传感器、信号调理、决策掌握等部件的技术设计有较大区分。4.1 、波导谐振传感器报警器使用的传感器属微功率微波部件，通常承受一体化构造，包含振荡器、放射天线、接收天线、混频器等四局部组成参考图2-12。作为微功率雷达馈源的核心，微波振荡器多承受耿式振荡器。利用砷化镓耿式二极管在低压电场下的负阻效应，很简洁构成将直流电流转换为微波段交变信号的振荡器。这种震荡器的微波输出功率可以做到从几毫瓦到百毫瓦。有用中，数毫瓦的微波功率足可以使探测器的探测距离达十数米，这样微弱的电
13、磁辐射对人和物体不会造成任何损害，但在文博行业更情愿使用超声雷达，以避开微波对文物微剂量持续辐射造成可能的积存作用损害文物。假设不加约束，耿式二极管工作于脉冲自由震荡方式。为了获得良好的震荡参数，如频率、频率稳定性、功率稳定性、Q 值震荡的简谐性，要对振荡源周边部件做良好设计，特别是谐振体的技术设计至关重要。可以选用的耿式振荡器谐振方式有三种类型。波导谐振型Waveguide，谐振体是金属空腔，腔体尺寸与微波波长相关。波导谐振腔振荡器是各种振荡器中技术指标最抱负的。这种波导类型的谐振腔、天线等零件需要用不胀 钢周密锻造，再配以镜面碾压工艺，生产、检测本钱很高，需要专业厂商供给。同轴谐振型Coa
14、xial，仍旧是谐振腔型，但加工工艺会简洁些，技术指标较波导谐振型略逊一筹，在报警探测器中未见承受。平面微带型Planar Microstrip，设计原则是低本钱条件下的适用性，这类模块的生产本钱不到波导谐振型模块的 1/40-1/60，但可以满足使用要求不高的场合。平面微带型谐振体是圆柱形压电陶瓷，陶瓷的介质损耗限制了震荡源的技术指标。印板工艺蚀刻的铜箔天线平面排布，电磁波的场强分布很难掌握图3-11。留意到个别产品将四片蝶型排布的天线化整为零，数百片微小铜箔排列成阵，规章相连，利用传输线延迟产生相控效应，来约束场强分布，但实效不大。图 4-11 是一种双鉴探测器中使用的 24.125GHz
15、 专业级波导谐振传感器。图 4-12 是该传感器场强分布，可以看出与红外探测范围近乎拟合。锻钢喇叭型定制天线波束范围与红外探测范围完全拟合 避开误报漏报不涨钢周密锻造的梯形混频腔保证了多普勒信号的带宽肖特基场效应混频二极管混频腔内耿氏二极管谐振腔内二次谐波48GHz阻隔缝避开多普勒频率遭谐波干扰不涨钢周密锻造波导谐振腔频率高度稳定 陡峭的 Q 值曲线保证了放射频率的简谐性图 4-11 24.125GHz 专业级波导谐振传感器微波辐射探测区域多普勒雷达天线红外探测区域图 4-12 微波场强分布与红外探测范围拟合4.2 、缓慢移动目标的探测从图 1-2 中看出 K-波段多普勒频率是 X-波段的 2
16、.3 倍，为什么提高微波频率有利于探测缓慢移动目标，图 4-21 用频域分析图示了其中的缘由。多普勒信号中甚低频干扰局限在甚低频段 0-150Hz为了抑制多普勒信号中的甚低频干扰使用低频带通滤波器将70Hz 以下局部虑除050100150 HzX-波段 以 2 公里速度移动的目标多普勒频率为 39Hz漂浮在甚低频干扰中同时落在低通范围之外K-波段 以 2 公里速度移动的目标多普勒频率为 89Hz避开了甚低频干扰同时落入低通范围内图 4-21 K-波段微波探测缓慢移动目标的优势4.3 、多普勒信号的频域分析使用波导谐振模块所获得的多普勒信号信噪比高，经过放大调理后的多普勒信号其干扰 成分较其他类
17、型传感器明显削减，这样的信号送往决策掌握局部不仅可以做更好的自适应幅 值掌握，提高探测灵敏度，延长探测距离，还可以对信号做进一步的频域分析，了解移动目标深层次属性，帮助排解现场规章运动物体造成的虚假警情。1和133图 4-31 将频率为ff的两个正弦信号做线性叠加，产生了一个非正弦信号 f。由13此逆推，图 3-21 中所获得的多普勒信号实际上是由 f 和 f 组成的，换言之，我们同时探测到了两个移动的目标，并且，其中一个目标移动的速度是另一个目标的3 倍，这就看出频域分析的优势。f1f3f13图 4-31 多普勒信号的合成域分解有用中可以承受快速富里叶变换专用 DSP 芯片来完成这一时域到频
18、域的变换。在探测器中可以更为简洁地承受锁相环综合器技术实现这一转换，类似彩电自动搜寻频道那样将视 缆中“单一模拟信号”的全部频点找出来，将看似单一的多普勒信号的简单组成描绘成频谱， 为进一步的分析奠定根底。具体做法就是在决策掌握器中固化一个锁向环综合器算法，担当 多普勒信号的频域转换，并不断地刷这个频谱分布，再将获得的数据与固有的阅历数据资 料比对，对移动目标作出正确的推断。050010001500 Hz图 4-32 是目标、吊扇、目标加吊扇三种状况的多普勒信号波形左边及相应的频谱右边。时域多普勒信号波形频域相应频谱6 公里移动目标多普勒信号050010001500 Hz30 吋吊扇多普勒信号吊扇+目标多普勒信号050010001500 Hz图 4-32 多普勒信号的频域分析图 4-23 中，通过比较，在时域左边，借助信号幅度的大小来区分吊扇和吊扇加目标的复合信号是不简洁的，但在频域右边则很简洁将两者区分开来。以上我们较为深入地探讨了微波探测器的工作原理、技术构成、工作频率等，现在我们 了解到，在要求各不一样工程实践中，正确选择类型、波段适用的微波探测器至关重要，同时要做到恰当安装微波探测器，才能确保整个工程到达既定的技术指标。