生命探測微功率超寬帶雷達電路設計

1、畢業(yè)設計(論文)開題報告 題目：生命探測微功率超寬帶雷達電路設計 院（系） 電子信息工程學院 專 業(yè) 生物醫(yī)學工程 班 級 100420 姓 名 侯 博 學 號 100420104 導 師 倪 原 2014年 3月 3 日1 研究背景和意義本課題所研究的微功率超寬帶雷達主要就用于探測生命信號，而生命探測技術在上世紀80年代就已經(jīng)是新興技術了，它利用電磁波穿透性強的特點，在不接觸生命體的情況下，對穿過墻壁、廢墟等有形介質(zhì)后，遇到人體胸腔震動而發(fā)生微小變化，再從回波信號中提取微弱的生命信號，從而達到探測人體生命信息的目的。目前常用的生命探測雷達可分為窄帶系統(tǒng)連續(xù)波（Continuous Wave,

2、CW）雷達和超寬帶（Ultra-Wideband,UWB）系統(tǒng)微功率沖擊雷達（Micropower Impulse Radar,MIR）。CW雷達是向目標體發(fā)射連續(xù)的電磁波，利用多譜勒效應原理，被人體生命活動引起的體表微動所調(diào)制，使得回波信號的某些參數(shù)（如頻率、相位）發(fā)生改變，選擇合適的信號預處理電路和信號處理技術就能從這些變化中提取出相關人體生命參數(shù)信號。而超寬帶雷達檢測人體的生命參數(shù)是向目標體發(fā)射脈沖形式的電磁波，穿過有形介質(zhì)后，被人體反射后的回波信號脈沖序列重復周期發(fā)生變化，這種變化與人體生命的活動速度和頻率有關。通過對回波信號進行解調(diào)、積分、放大濾波，再經(jīng)過微控制單元進行數(shù)據(jù)處理和分析

3、得到人體生命信號。生命探測微功率沖擊雷達的研究開展于20世紀90年代，其融合雷達技術、生物醫(yī)學工程技術于一體，借助外來能量，在一定距離，隔著一定介質(zhì)，不接觸人體的情況下探測人體生命信息，比起傳統(tǒng)的連續(xù)波生命探測雷達具有不需要載波、較好的穿透力、受環(huán)境影響小的優(yōu)點，該系統(tǒng)在災害醫(yī)學（地震、塌方傷員的搜救）、軍事醫(yī)學（傷員探尋）、城市反恐（解救人質(zhì)）等方面具有廣泛的應用前景。目前全世界多個國家和國防研究機構(gòu)都在大力開展這一方面的研究，因此對這一技術的研究具有很重要的現(xiàn)實意義。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 微功率沖擊雷達起源于20世紀90年代中期，它是伴隨著傳統(tǒng)沖擊雷達的發(fā)展而產(chǎn)生的一種高科技新型雷達，其應用

4、相當廣泛。它起初是由國外發(fā)展過來，國外對此技術的研究要遠遠早于國內(nèi)，目前該技術已經(jīng)在國內(nèi)開始推廣研究，本文主要是將微功率沖擊雷達應用于生命探測方面的研究。2.1 國外研究現(xiàn)狀 國外對生命探測雷達技術研究起步比較早，在20世紀80年代開始美國就已經(jīng)采用L頻段的調(diào)制連續(xù)波信號對埋藏在雪地里的生命體進行了探測研究。美國密歇根州立大學研究小組采用了L和S波段的不同頻率的雷達連續(xù)天線對模擬震災后的生命信號進行了檢測，都成功的檢測出人體呼吸和心跳等生命信號，取得的一定的成就。隨后由美國佐治亞技術研究所研究出的手電筒式雷達“Radar Flashlight”,該雷達可對隱蔽在墻壁、鋼門、樹木后靜止和運動的人

5、進行探測，它采用多普勒技術和高速信號處理技術，對接收回來的生命信號則采用快速傅里葉變換（FFT）和頻率響應曲線陡的技術進行濾波，從而得到我們所需要的人體生命信號，該系統(tǒng)采用的天線是市場上可以買到的一種天線，它將發(fā)射端輸出的波束控制在20度以內(nèi)的扇形區(qū)域內(nèi)。美國研究的同時，其它西方國家也對CW的研究有所成就，如俄羅斯Remote Sensing Lab研究設計了一種“RASCAN”的生命探測雷達，此雷達系統(tǒng)可以探測10cm厚混凝土墻壁后的人體生命信號，它采用的工作頻率為1-10GHz,其波長也就達到了3-30cm。還有由日本研究的連續(xù)波探測性雷達是針對近距離（小于50cm）的探測，它主要是透過各

6、種衣物、被褥等對股動脈、指尖脈搏、頸動脈及心率的探測，但由于其探測距離的有限性造成了其實際應用的局限性。超寬帶系統(tǒng)的微功率沖擊雷達技術的研究是從近十幾年才新興的一種雷達技術，而在生命探測上的應用的研究開始于美國斯坦福尼亞大學，此大學在1994年開始將超寬帶雷達應用在生物醫(yī)學上研究，并獲得了一項專利。1995年美國麻省理工學院開始著手雷達聽診器的研究。1996年美國斯坦福尼亞大學研制出一種特殊的超寬帶微功率沖擊雷達，此雷達高增益天線采用可以探測到人體呼吸及心跳的生命信號，并對距離內(nèi)技術提取生命信號，最大限度的抑制了外界噪聲的干擾。同年，由美國McEwon先生研制的人體檢測、成像系統(tǒng)，可以檢測人體

7、的心跳、呼吸、聲帶等信號并轉(zhuǎn)換為聲音信號，從而在人體生理參數(shù)的監(jiān)護儀上的應用達到了不可逾越的突破，并獲得了美國的一項專利。McEwon先生在超寬帶雷達上面的研究無疑是我們學習的典范，至今為止他研制的MIR已經(jīng)在美國獲得了56項專利，同時在全世界也達到了214項專利或應用專利。1999年后，針對微功率沖擊雷達的體積小、功率小、壽命長、成本低及分辨率高等特點，將其廣泛應用于生物醫(yī)學領域，如在心臟監(jiān)護、嬰兒監(jiān)護、障礙性睡眠呼吸暫停監(jiān)護、腦出血監(jiān)護等等的研究。2002年美國聯(lián)邦通信委員會允許此雷達技術可以商用化，從而推動了很多公司開始投資研究此雷達的應用，美國Time Domain公司利用該雷達技術研

8、制出雷達視力2000（Radar Domain）雷達供執(zhí)法部門使用和士兵視力（Soldier Vision）雷達供軍事部門使用。 另外還有美國休斯先進電磁技術研究中心（Hughes Advanced Electromagnetic Technology Center,HAETC）研制的“2-D Concrete Penetration Radar”具有強的穿透能力。目前西方如美國、加拿大、英國和俄羅斯等多個國家已經(jīng)投資大量人力和物力開始發(fā)展研究沖擊雷達在生物醫(yī)學方面的應用。2004年美國航空航天局艾姆斯研究中心的MIR成員利用便攜式MIR移動探測器進行試驗，完成了搜救5位“受傷人員”的救助?！?/p>

9、9.11”事件后，該便攜式MIR移動探測器在厚度數(shù)米的石磚下進行呼吸探測，實現(xiàn)搜救工作，為災難營救上提供了很大幫助。國外用于生命探測儀的天線是美國航空航天局（NASA）指定的火星探測器兩種候選雷達天線之一，是世界上相對最先進的探地雷達天線，能夠非常敏銳地捕捉到微弱的生命信號，且已獲得美國專利。2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對微功率沖擊雷達的研究相對還是比較晚的，對其研究的應用領域也主要是用作運動傳感器、報警器及定位器，對于應用于生物醫(yī)學領域也是近幾年才開始的。1995年，空軍導彈學院率先在國內(nèi)提出了MIR技術，從理論上深入分析了MIR核心技術，從實踐上對該技術做了大量實驗，最終在國內(nèi)首度提出了完整的

10、MIR的設計方案，成功研制出沖擊雷達信號發(fā)射源、取樣脈沖源，分析MIR的電磁波信號抗干擾能力及外界電磁干擾的抵抗能力，并進行實驗研究，從而達到MIR動態(tài)目標的檢測系統(tǒng)。第四軍醫(yī)大學從1998年起開始研究生命探測雷達，采用發(fā)射微波電磁信號，接收檢測由人體活動而引起發(fā)射波的微小變化，通過信號處理技術提取到人體的呼吸和心跳信號。已經(jīng)成功研制出不同波段的連續(xù)波雷達探測樣機，可以探測穿墻20cm，距離達到5m的人體生命信號。2003年該大學生物醫(yī)學小組研制了S2000-I型探測樣機6，隨后該校與西安必肯科技合作研制了SJ-3000搜救樣機，目前西安必肯科技有限公司已經(jīng)研制了SJ-6000搜救雷達樣機，對

11、我國在雷達技術的發(fā)展有很大意義。此外，國內(nèi)其他高校對生命探測技術也有很大成果，如國防科技大學采用發(fā)射超寬帶脈沖7，穿過非金屬的有形介質(zhì)，探測其有形介質(zhì)后3-5m的人體生命信號；南京理工大學分析穿墻生命探測雷達的特點，研制了通過正弦調(diào)制，擴頻連續(xù)波體制的探測實驗系統(tǒng)8，并做了相關實驗。2001年9月，國家在“十五”863計劃通信技術研究項目中，將UWB無線通信關鍵技術作為通信技術的研究的主要內(nèi)容，鼓勵國內(nèi)學者對該技術的研究工作，這將很大程度上提升我國雷達技術的發(fā)展。國內(nèi)對用于生命探測儀上的超寬帶雷達天線并未做專門研究，這在一定程度上是微功率沖擊雷達發(fā)展史上的一個遺憾，但對探地雷達方面已有一些成就

12、，從而極速推動了微功率沖擊雷達的發(fā)展。3 研究的主要內(nèi)容和方案3.1研究的主要內(nèi)容 根據(jù)所學知識設計并研制一套完整的微功率超寬帶雷達，硬件部分包括發(fā)射、接受電路和單片機系統(tǒng)設計，單片機采用C8051F020。所設計的雷達具有很大的相對帶寬（信號的帶寬和中心頻率之比），一般大于25，所發(fā)射的脈沖極窄（p秒級）、峰值功率很高、平均功率極底、頻譜分布廣泛，具有很高的分辨率。 本課題只要設計包括兩部分，一是微功率沖擊雷達硬件電路設計，二是微功率沖擊雷達天線部分的設計。微功率沖擊雷達通過發(fā)射極窄UWB脈沖，通過發(fā)射天線輻射電磁波，碰到人體胸腔的運動后而發(fā)生微小變化，接收天線接收反射電磁波，采用取樣門提取

13、生命信號，最后送到微處理單元進行數(shù)字處理得到生命信號。微功率沖擊雷達硬件電路包括：窄脈沖信號產(chǎn)生電路；取樣積分電路；帶通濾波電路及放大電路。對電路進行分析設計，并采用Multisim軟件進行仿真設計。微功率沖擊雷達天線則是通過分析雷達對天線的要求，比較各種超寬帶雷達天線，采用HFSS11仿真分析天線。3.2研究的方案3.2.1 了解超寬帶雷達工作原理 主要有：電磁波傳播的基本規(guī)律與介質(zhì)的電性質(zhì)、超寬帶沖激雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、超寬帶收發(fā)天線的簡化模型與雷達的性能指標。電磁波穿透墻壁時會發(fā)生反射和透射，其特性不僅受介質(zhì)的影響，還與波的極化方式有關?？梢杂镁€性模型來表示，即近似表示為： （2.6）其中為天

14、線接收回波；為發(fā)射波遇到目標物后的反射波；為收發(fā)天線之間的耦合波；為發(fā)射波遇到墻壁后的反射波；為環(huán)境雜波。 超寬帶雷達使用超寬帶脈沖信號作為探測信號，利用電磁波穿透性穿過墻壁等介質(zhì)，碰到人體后而反射，根據(jù)目標檢測原理，實現(xiàn)對人體生命信號的定位和識別。 圖3.1微功率沖擊雷達原理框圖3.2.2 了解天線部分的工作原理 微功率沖擊雷達的極窄脈沖的發(fā)射與接收都是通過天線完成的，因此天線性能的好壞直接決定系統(tǒng)的性能。在設計天線時要盡可能的考慮天線的空間特性和時間特性。對雷達發(fā)射天線希望其達到將發(fā)射信號無畸變的輻射出去，而接收天線則要求其靈敏度高，從而更好的接收回波信號。其實發(fā)射天線就是將超寬帶脈沖信號

15、輻射出去，而接收天線則是將人體反射的回波接收回來，我們可以將發(fā)射、接收天線看作濾波，其濾波效果直接影響系統(tǒng)的探測結(jié)果。 由此可看出天線在微功率沖擊雷達中起著很大的作用，其直接影響雷達在應用過程中的探測效果，從而對天線的研究成為微功率沖擊雷達研究的重點之一。3.2.3 研究硬件電路的發(fā)射部分 目前國內(nèi)外對超寬帶雷達技術的研究顯示，超寬帶脈沖產(chǎn)生的方法大致有兩種：一是采用數(shù)字電路的邏輯器件產(chǎn)生極窄脈沖；二是采用高速元器件，利用儲能元件的充放電特性，結(jié)合脈沖整形電路產(chǎn)生系統(tǒng)所需脈沖。由于方法一產(chǎn)生的極窄脈沖脈寬太寬，且幅值較低，難以滿足系統(tǒng)的要求，故通常都采用第二種方法，目前可采用的高速元器件有階躍

16、二極管、隧道二極管及雪崩三極管等，不同元器件產(chǎn)生脈沖的指標也各有差異。其中常用的是階躍二極管和雪崩三極管，采用階躍二極管可以產(chǎn)生產(chǎn) ps極的窄脈沖，其產(chǎn)生的窄脈沖幅值太小，一般只有毫伏級，且產(chǎn)生的脈沖中有較多的低頻分量及脈沖拖尾現(xiàn)象，故結(jié)合本系統(tǒng)的要求，本課題選擇采用雪崩三極管設計產(chǎn)生超寬帶脈沖。圖3.2雪崩三極管基本形成電路由圖3.2電路可以得出，三極管集-射電壓增大到臨界狀態(tài)時，負載電阻上的電流可表示為： 其中為集-射擊穿電壓。雪崩三極管產(chǎn)生高幅度脈沖的要求是：三極管擊穿后，電容放電的時間必須大于觸發(fā)脈沖的相鄰兩脈沖之間的時間間隔。故電流可允許的最高重復頻率表示為： 一般情況下有遠小于，故

17、對于對電容充電時間的影響這里不做考慮。由于對于雪崩三極管的二次擊穿目前還沒有一個定向的嚴格分析，所以無法估計脈沖的前沿時間，只能說，雪崩效應越強，其前沿時間越短，而后沿時間則由來決定。3.2.4 研究硬件電路的接收部分 本課題主要研究的是運用微功率沖擊雷達來探測墻壁后面的人體生命信號，但由于人體生命信號是極其微弱的信號，所以檢測接收的回波信號必須要提高信噪比。目前，對提高信噪比的方法有很多，集中起來主要運用了電子學、計算機理論、信息論、物理學理論及生物醫(yī)學技術等理論知識。與一般的檢測技術相比，微弱信號的檢測技術主要關注的是抑制噪聲和提高信噪比的方法，而不是傳感器物理模型和傳感器原理、相應的信號

18、轉(zhuǎn)換電路和儀表的實現(xiàn)方法，故這就要求我們要靈活運用上述的理論知識提高信噪比，從而檢測出良好的微弱信號。接收回波信號的方法有很多種，而人體的生命信號一般可看為是正弦信號。通過查閱資料可知，鎖定放大器可以檢測淹沒在噪聲中的正弦信號，但發(fā)射波為超寬帶脈沖波形，而脈沖波形的前沿和后沿都含有非常豐富的高次諧波，當反射回來含有人體生命信號的脈沖波形通過鎖定放大器輸出后，其后端的低通濾波器在濾掉高頻分量的同時會濾掉脈沖邊沿的高頻分量，從而使接收的回波信號發(fā)生畸變，故鎖定放大器不可取。取樣積分適合復雜的寬帶周期信號波形的檢測。本課題將采用取樣積分對接收回來的信號進行檢測，此方法又稱為門控相關檢測，此方法是針對

19、噪聲的隨機性，對接收回來的回波信號進行積分平均從而提高其信噪比，達到提取微弱信號的目的。 圖3.3微功率雷達接收電路原理框圖3.2.5 進行電路仿真及調(diào)試完成微功率沖擊雷達整個系統(tǒng)的設計不僅只是設計硬件電路及制作電路板，更重要的是對電路板的調(diào)試。通過對電路板的調(diào)試可以確定電路的可行性，也會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在實際應用中的問題并進行改正，實現(xiàn)電路的優(yōu)化設計，從而可以使電路更好的應用到實際生活中。4 設計的基本要求及進度安排 第1-2周：認真審題，搜集與題目有關的資料，理解相關背景知識。 第3-6周：熟悉相關電路原理，制定初步方案。 第7-10周：進行電路設計，通過軟件仿真，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設計。 第11-16

20、周:完成PCB制作，進行調(diào)試。 第17-19周：總結(jié)經(jīng)驗，完成論文，準備畢業(yè)答辯。參考文獻1 Droitcour A D,Lubecke V M and Lin J,et al.A Microwave Radio for Doppler Radar Sensing of Vital SignsC.2001 IEEE MIT-S International Microwave Symposium. Phoenix:2001,1:175-178.2 Droitcour A D,Boric-Lubecke O and Libecke V M,et a1.0.25um CMOS and BiCMOS

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