微波探測技術(shù)

1、原創(chuàng)文章移動目標(biāo)的“微波探測技術(shù)”   移動目標(biāo)的微波探測技術(shù)    常用的微波探測器是借助微波多普勒效應(yīng)探測布防區(qū)域內(nèi)是否存在移動目標(biāo)。探測器內(nèi)的主要微波組件為微波傳感器，其工作頻率多選擇在微波的S-波段，X-波 段，K-波段，常用微波傳感器的技術(shù)構(gòu)成分為平面微帶型和波導(dǎo)諧振型。我們探討微波傳感的技術(shù)構(gòu)成、頻段選擇對移動目標(biāo)探測的影響，希望對探測器的選型和 使用有一定的幫助。    微波是指頻率在300MHz-300GHz范圍內(nèi)極高頻電磁波，其波長范圍從1m到1mm。微波具有直線（視距）傳播，不受其他電

2、磁波干擾，頻帶寬，系統(tǒng) 體積小等特點，首先在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。微波技術(shù)另一最重要應(yīng)用當(dāng)屬雷達(dá)，使用微波雷達(dá)對遠(yuǎn)距離飛行目標(biāo)測速，測距，測方位早在第二次世界大戰(zhàn)中就已 成功應(yīng)用。    隨著微波半導(dǎo)體技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，微波技術(shù)的物理實現(xiàn)不僅十分簡單、廉價，而且體積甚小，各種物體探測裝置中都可以放進(jìn)火柴盒大小的微波傳感器，成為目標(biāo) 探測裝置中常見的組件。不同于紅外探測器，這種微波組件對各種可以反射微波的物體都很敏感，且不受環(huán)境溫度的影響，因此廣泛用于工業(yè)、交通及民用裝置中， 如車輛測速、液位測定、自動門、自動燈、自動盥洗、生產(chǎn)線物料探測、倒車?yán)走_(dá)等。報警產(chǎn)品中微波

3、探測器使用這種微波傳感器組件，配合周邊的電子器件，基于 多普勒效應(yīng)的應(yīng)用就構(gòu)成了移動目標(biāo)微波探測器，即多普勒雷達(dá)。微波探測器所使用的多普勒雷達(dá)主要類型為連續(xù)波（CW）多普勒雷達(dá)。1、多普勒效應(yīng)1.1、多普勒頻移    電磁波或聲波頻率因饋元本身或/和目標(biāo)物相對運動所引起的頻率改變稱為多普勒頻移，或稱多普勒效應(yīng)。站在月臺聽到進(jìn)站火車汽笛聲調(diào)變化的現(xiàn)象就是最好的多普勒效應(yīng)體驗。當(dāng)火車迎你而來時，汽笛的頻率會提高，聲音變尖，反之亦然。    由多普勒效應(yīng)得知，固定安裝的雷達(dá)發(fā)出的固定頻率微波，遇到靜止物體產(chǎn)生的反射波其頻率并不改變，遇到運動

4、物體產(chǎn)生的反射波將會發(fā)生多普勒頻移，頻率的改變類似相對速度的計算，圖1-1是多普勒頻移的計算。圖中：V = 汽車行駛速度      C = 微波行進(jìn)速度，300,000Km/S      t = 發(fā)射波微波波長      r = 反射波微波波長1.2、多普勒信號和多普勒頻率    多普勒雷達(dá)在發(fā)射微波信號的同時接受反射波信號，并將兩者相混差頻產(chǎn)生一個新的低頻信號，稱多普勒信號，其頻率稱為多普勒頻率，是發(fā)射頻率和反射頻

5、率之差。    多普勒頻率 =  |發(fā)射頻率 反射頻率| = |1/t - 1/r| = |ft - fr|報警器多普勒雷達(dá)如果檢測到多普勒信號則判定有移動目標(biāo)存在。    針對不同的使用場合，可以選用不同頻段的多普勒雷達(dá)，常用報警器產(chǎn)品的多普勒雷達(dá)工作頻率選擇在X-頻段（10.525GHz），隨著技術(shù)進(jìn)步，最新的產(chǎn) 品其多普勒雷達(dá)開始使用更高頻段的K-波段頻率（24.125GHz）。對于這兩個頻段，如果目標(biāo)移動速度不超過百公里，多普勒頻率的變化范圍是0- 5000Hz。在此范圍內(nèi)多普勒頻率和目標(biāo)移動速度大體呈線性關(guān)系。下面

6、是K-波段（24.125GHz）和X-波段（10.525GHz）多普勒頻率與 目標(biāo)速度關(guān)系圖。    從圖中可以看出，對于同一運動目標(biāo)，K-波段多普勒頻率是X-波段的2.3倍，這對于探測運動速度低于兩公里的目標(biāo)十分有利。S-波段的雷達(dá)由于波長超過10CM，對于較小運動目標(biāo)不產(chǎn)生多普勒信號，適合需要防止諸如鼠類引起誤報的場合使用。 2、連續(xù)波（CW）多普勒雷達(dá)    多普勒雷達(dá)有多種類型，其中脈沖多普勒雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波多普勒雷達(dá)不但可以測出目標(biāo)的速度、距離、方位，甚至能夠同時跟蹤、區(qū)分出多個目標(biāo)的移動情況，這些雷達(dá)需要配合精密

7、的伺服系統(tǒng)和后處理技術(shù)，系統(tǒng)復(fù)雜造價高，多用于軍事、航空、工業(yè)檢測等領(lǐng)域。    報警器采用的連續(xù)波多普勒雷達(dá)，只能測到目標(biāo)的移動速度，不能測到目標(biāo)距離和方位。這種雷達(dá)構(gòu)成簡單，造價低廉，適合大規(guī)模推廣使用。從技術(shù)構(gòu)成來看，多數(shù)產(chǎn)品使用的是經(jīng)濟(jì)型平面微帶多普勒雷達(dá)，較好的產(chǎn)品則使用專業(yè)級波導(dǎo)諧振多普勒雷達(dá)。3、平面微帶介質(zhì)諧振多普勒雷達(dá)（平面微帶雷達(dá)）    報警器使用的平面微帶雷達(dá)生產(chǎn)成本低廉，勿需昂貴的檢測加工手段，適合裝配經(jīng)濟(jì)型報警探頭。微帶雷達(dá)由三部分組成，傳感器模塊，多普勒信號調(diào)理電路，決策控制部分，見圖2-13。 

8、;   圖2-11是平面微帶傳感器模塊結(jié)構(gòu)照片，圖2-12是模塊的工作原理圖，圖2-13是微帶雷達(dá)的原理構(gòu)成。3.1、平面微帶雷達(dá)的微波場強(qiáng)分布    平面微帶傳感器天線設(shè)計的簡易性使得微波場強(qiáng)分布很難規(guī)則，安裝使用這一類型的探頭應(yīng)給予特別的注意，盡可能避免誤報、漏報。    對于雙鑒探頭而言，我們希望微波探測范圍與紅外探測范圍盡可能吻合，圖3-11A實線區(qū)域是微帶天線水平方向場強(qiáng)分布，圖3-11B實線區(qū)域是微帶天線垂 直方向場強(qiáng)分布。顯而易見微波的場強(qiáng)分布與紅外探測區(qū)域（虛線）有較大出入，由此形成了微波探測可能的

9、誤報區(qū)域和漏報區(qū)域。    微波對建筑物墻體有穿透能力，泄漏到墻外的微波對設(shè)防區(qū)域以外的移動目標(biāo)發(fā)生作用時，可能造成隔墻誤報，安裝這類探頭時應(yīng)認(rèn)真選擇安裝位置，避免誤報。圖3-12是隔墻誤報的示意。3.2、多普勒信號的處理    微波傳感器模塊輸出的多普勒信號十分微弱，需要放大數(shù)千倍才能做進(jìn)一步的處理。此外，放大的同時還必須使信號通過一個低頻帶通濾波器，目的是去掉高頻和甚低頻干擾。    圖3-21示出多普勒信號、帶內(nèi)干擾信號、高頻干擾信號、低頻干擾信號通過帶通濾波器前后的情況。可以看到，高、低頻干擾信號

10、受帶通濾波器的阻隔不能通 過，但放大多普勒信號的同時，頻率落在帶內(nèi)的干擾信號也被放大通過。為了分離有用的多普勒信號，決策控制部分通常會加入自適應(yīng)門限控制算法來切除漏過帶通 濾波器的干擾信號，這種算法是通過分析信號幅度的大小來區(qū)分多普勒信號和干擾信號的。顯然，當(dāng)多普勒信號的幅度不敵干擾信號時，就無法探測到運動目標(biāo)了。多普勒信號中干擾成分源自幾種可能：    電源及熱電噪音干擾?？梢該Q用低噪元件加以改善，成本因此增加。    振蕩器諧波混頻干擾。振蕩器品質(zhì)因素（Q值）不好，會產(chǎn)生較強(qiáng)諧波成分，如果發(fā)射天線不做抑制，這些諧波成分相互混頻，會

11、在低頻段產(chǎn)生虛假多普勒信號。平 面微帶雷達(dá)采用壓電陶瓷作為諧振介質(zhì)，因陶瓷介質(zhì)對電磁波造成損耗，其Q值不及波導(dǎo)諧振腔振蕩器。為了抑制虛假多普勒信號，配合平面微帶傳感器的工作，低 通濾波器低端截止頻率會取得高一些，有可能造成緩慢移動目標(biāo)的漏報。    設(shè)防區(qū)域存在規(guī)則運動物體（如吊扇）造成的干擾。通常的門限算法對信號的幅值分析很難排除這樣的干擾，一種做法是對多普勒信號做進(jìn)一步的頻域分析將干擾區(qū)分開來。    另外，正因為平面微帶雷達(dá)固有干擾較大，較遠(yuǎn)回波不能測到，探測距離受到限制。    4、波導(dǎo)諧振多普勒

12、雷達(dá)(波導(dǎo)諧振雷達(dá))    波導(dǎo)諧振雷達(dá)的原理構(gòu)成與平面微帶雷達(dá)相同，但傳感器、信號調(diào)理、決策控制等部件的技術(shù)設(shè)計有較大區(qū)別。4.1、波導(dǎo)諧振傳感器    報警器使用的傳感器屬微功率微波部件，通常采用一體化結(jié)構(gòu)，包含振蕩器、發(fā)射天線、接收天線、混頻器等四部分組成（參考圖2-12）。    作為微功率雷達(dá)饋源的核心，微波振蕩器多采用耿式振蕩器。利用砷化鎵耿式二極管在低壓電場下的負(fù)阻效應(yīng)，很容易構(gòu)成將直流電流轉(zhuǎn)換為微波段交變信號的振蕩 器。這種震蕩器的微波輸出功率可以做到從幾毫瓦到百毫瓦。實用中，數(shù)毫瓦的微波

13、功率足可以使探測器的探測距離達(dá)十?dāng)?shù)米，這樣微弱的電磁輻射對人和物體不會 造成任何傷害，但在文博行業(yè)更愿意使用超聲雷達(dá)，以避免微波對文物微劑量持續(xù)輻射造成可能的積累作用傷害文物。    如果不加約束，耿式二極管工作于脈沖自由震蕩方式。為了獲得良好的震蕩參數(shù)，如頻率、頻率穩(wěn)定性、功率穩(wěn)定性、Q值（震蕩的簡諧性），要對振蕩源周邊部件做良好設(shè)計，特別是諧振體的技術(shù)設(shè)計至關(guān)重要?？梢赃x用的耿式振蕩器諧振方式有三種類型。    波導(dǎo)諧振型（Waveguide），諧振體是金屬空腔，腔體尺寸與微波波長相關(guān)。波導(dǎo)諧振腔振蕩器是各種振蕩器中技術(shù)指標(biāo)最理想

14、的。這種波導(dǎo)類型的諧振腔、天線等零件需要用不脹鋼精密鍛造，再配以鏡面碾壓工藝，生產(chǎn)、檢測成本很高，需要專業(yè)廠商提供。    同軸諧振型（Coaxial），仍然是諧振腔型，但加工工藝會簡單些，技術(shù)指標(biāo)較波導(dǎo)諧振型略遜一籌，在報警探測器中未見采用。    平面微帶型（Planar Microstrip），設(shè)計原則是低成本條件下的適用性，這類模塊的生產(chǎn)成本不到波導(dǎo)諧振型模塊的1/40-1/60，但可以滿足使用要求不高的場合。 平面微帶型諧振體是圓柱形壓電陶瓷，陶瓷的介質(zhì)損耗限制了震蕩源的技術(shù)指標(biāo)。印板工藝蝕刻的銅箔天線平面排布，電磁波的場強(qiáng)

15、分布很難控制（圖3-11）。 注意到個別產(chǎn)品將四片蝶型排布的天線化整為零，數(shù)百片微小銅箔排列成陣，規(guī)則相連，利用傳輸線延遲產(chǎn)生相控效應(yīng)，來約束場強(qiáng)分布，但實效不大。    圖4-11是一種雙鑒探測器中使用的24.125GHz專業(yè)級波導(dǎo)諧振傳感器。圖4-12是該傳感器場強(qiáng)分布，可以看出與紅外探測范圍近乎擬合。4.2、緩慢移動目標(biāo)的探測    從圖1-2中看出K-波段多普勒頻率是X-波段的2.3倍，為什么提高微波頻率有利于探測緩慢移動目標(biāo)，圖4-21用頻域分析圖示了其中的原因。4.3、多普勒信號的頻域分析   

16、; 使用波導(dǎo)諧振模塊所獲得的多普勒信號信噪比高，經(jīng)過放大調(diào)理后的多普勒信號其干擾成分較其他類型傳感器明顯減少，這樣的信號送往決策控制部分不僅可以做更 好的自適應(yīng)幅值控制，提高探測靈敏度，延伸探測距離，還可以對信號做進(jìn)一步的頻域分析，了解移動目標(biāo)深層次屬性，幫助排除現(xiàn)場規(guī)則運動物體造成的虛假警 情。    圖4-31將頻率為f1和 f3 的兩個正弦信號做線性疊加，產(chǎn)生了一個非正弦信號 f13 。由此逆推，圖3-21中所獲得的多普勒信號實際上是由 f1  和 f3  組成的，換言之，我們同時探測到了兩個移動的目標(biāo)，并且，其中一個目標(biāo)移動的速度是另一個目標(biāo)的3倍，這就看出頻域分析的優(yōu)勢。    實用中可以采用快速富里葉變換專用DSP芯片來完成這一時域到頻域的變換。在探測器中可以更為簡單地采用鎖相環(huán)綜合器技術(shù)實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，類似彩電自動搜索 頻道那樣將視纜中“單一模擬信號”的所有頻點找出來，將看似單一的多普勒信號的復(fù)雜組成描繪成頻譜，為進(jìn)一步的分析奠定基礎(chǔ)。具體做法就是在決策控制器中 固化一個鎖向環(huán)綜合器算法，承擔(dān)多普勒信號的頻域轉(zhuǎn)換，并不斷地刷新這個頻譜分布，再將獲得的數(shù)據(jù)與固有的經(jīng)驗數(shù)據(jù)資料比對，對移動目標(biāo)作出正確的判斷。