小型移動目標微波探測系統設計

杭州電子科技大學電子信息學院　張　磊　高惠芳

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小型移動目標微波探測系統設計

杭州電子科技大學電子信息學院張磊高惠芳

【摘要】基于微波雷達的多普勒效應，設計了一種基于微波傳感器和PIC12F675微控制器的小型探測系統。該系統由微波傳感器、信號放大濾波電路和單片機采樣處理電路三部分構成。詳細分析了該探測系統的工作原理和微波傳感器、信號處理電路的設計。在此基礎上進行了實驗，結果表明：該系統在一定范圍內實現了對移動目標的實時探測，并且具有小體積、低成本、隱蔽性好、易于安裝等優點。

【關鍵詞】微波傳感器；多普勒效應；移動目標探測

0　引言

本文設計了一個工作于10.52GHz的小型微波探測系統，該系統基于多普勒效應，可實現對移動目標的實時探測。該系統主要包括微波傳感器、信號放大濾波電路和單片機采樣處理電路。微波探測傳感器設計部分，采用介質柱（DR）和高頻FET管組成的介質振蕩器為系統提供頻率源，采用電容直接耦合，第一路信號由發射天 線發射出去，第二路信號送往混頻器； 混頻器采用U型傳輸線和二極管組成的反相單平衡混頻器；收發天線分別采用矩形貼片天線單元。信號放大處理部分，選用集成運放芯片LM358設計兩級放大電路，同時實現帶通濾波， 對傳感器輸出的中頻信號進行放大，濾除高頻干擾；信號采樣部分，以 PIC12F675單片機為處理器，將采樣到的信號電壓與設定的門限電壓3V進行比較，超過門限電壓表示移動物體存在，點亮警示燈，以完成移動目標的探測。

1　工作原理

微波傳感器是微波探測系統的核心，它的工作原理是多普勒效應。電磁波或聲波頻率因饋元本身或/和目標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。

聲源的波長定義為=Csound/f，此處Csound是聲波在給定介質中的傳播速度，f是聲源的頻率。如果聲源和觀察者都移動，則觀察者接收的頻率為[1]：

發生多普勒頻移時，混頻器將發射信號和反射信號進行混頻，輸出一中頻信號，即多普勒信號，探測系統檢測到該信號則可判定有移動目標存在。

2　系統總體設計

本文設計了一個X波段微波探測系統，實現對移動目標的實時探測。微波傳感器模塊包括：介質振蕩器、混頻器和微波收發天線三部分。后續處理電路主要包括信號放大濾波電路和單片機采樣電路。系統總體結構如圖1所示。

圖1　系統結構圖

3　系統硬件設計

3.1微波傳感器的設計

傳感器射頻前段由四部分組成，包括介質振蕩器、混頻器和收發天線。本文設計的傳感器工作頻率為10.52GHz，原理圖如圖2所示，其中ANT101為發射天線，ANT1022為接收天線，IF為傳感器輸出的模擬電壓。

圖2　 傳感器原理圖

微波傳感器為了增大天線增益和減小天線副瓣，大多采用天線陣列作為收發天線[2]。為了減小前端尺寸，實現小型化，本設計采用矩形貼片天線用于發射和接收信號。

介質振蕩器采用介質柱（DR）和高頻場效應管搭建。本設計選取砷化鎵場效應管NE3210S01作為高頻場效應管，不僅可以工作在10.52GHz頻率，而且相噪系數比較小。振蕩電路采取串聯反饋型、共源極電路結構，諧振器放置在場效應管的柵極，信號從漏極輸出，在源極加入反饋使電路工作在非穩定狀態。小功率傳感器中大量使用的是微帶線結構形式的分布參數功率分配器[3]，這種傳感器需要占據一定的平面尺寸，本設計采用集總參數功率分配器的LC式，直接通過電容耦合來分配。混頻器采用單平衡設計[4]，選用集成電路芯片HSMS-8202，內部由兩個相同的二極管串聯構成，該集成芯片在10GHz到14GHz范圍內工作性能達到最佳狀態，而且它的變頻損耗、封裝電阻、電容等都比較低。

射頻電路與收發天線之間的結構是背靠背式的，從而使射頻信號由金屬饋電柱傳遞到天線，提高整體的抗過載性能。傳感器輸出的中頻信號在毫伏級，需要外接放大電路。根據多普勒頻移公式，設定移動目標速度的范圍確定放大電路的帶寬，濾除高頻干擾。放大電路板和天線板、射頻板也采取背靠背式結構，整個傳感器的尺寸為27mm× 16mm，實物圖如圖3所示。

圖3　 射頻前端電路、貼片天線和整體結構圖

3.2信號放大濾波電路

中頻信號的輸出頻率和移動目標的速度關系為fd=2vrf0/C，其中f0為探測器發射頻率，在這里取10.52G來計算，C為電磁波在空氣中的傳播速度，近似可以認為是光速。針對不同速度的移動目標，引起的多普勒頻移也有一個范圍，在幾赫茲到幾千赫茲不等。本文探測目標的移動速度在1m/s—20m/s范圍，對應的多普勒頻移為70Hz—1.5KHz。根據放大倍數和通頻帶范圍，所設計的放大濾波電路如圖4所示。

圖4　 放大電路圖

3.3單片機模塊

BMI、TG、FBG、FCP 是 T2DM 并發 NAFLD 的高危因素（OR＞1），HDL-C、AST、ALT、GGT、2 hCP 與 T2DM并發NAFLD無明確相關性（OR＜1）。見表2。

出于低功耗、低成本等的綜合考慮，選擇PIC12F675單片機做為控制器。PIC12F675是Microchip公司推出的一款高性能8位8引腳超低功耗RISC單片機，片上資源豐富，非常適合于追求低功耗、低成本儀器的需要[5]。傳感器輸出的模擬電壓經由單片機的A/D模塊轉換，將轉換后的數字電壓與提前設定的3v門限電壓相比較，輸出一控制警示燈亮滅的開關信號，從而可判定在檢測范圍內是否有移動目標的出現。

4　軟件設計

單片機對放大濾波電路輸出的電壓采樣，采樣后與設置的門限電壓3.0V作比較，采樣電壓超過設定門限值，將連接信號LED的引腳GPIO5置0，警示燈被點亮，采樣值小于3.0V，將GPIO5置1，警示燈將熄滅。單片機軟件設計的程序流程圖如圖5所示。

圖5　程序流程圖

5　測試結果

5.1傳感器功能測試

傳感器前端沒有移動目標情況下，接收天線未能接收到回波信號，此時傳感器輸出的是穩定的2.5v直流電壓，如圖6中（a）所示；前端有移動目標情況下，傳感器輸出電壓幅值在0V和3.7V之間波動，如圖6中（b）所示。測試結果表明縮小尺寸后的傳感器能基本實現探測移動目標。

圖6　傳感器輸出波形

5.2徑向最遠距離探測

將傳感器和單片機采樣板放進模擬裝置，實驗分別選取人和矩形金屬板為目標，金屬板長1.4米，寬1.0米。沿著裝置徑向方向以正常步行速度（1.3米/秒）移動，記錄能探測的最遠距離。從圖7中看出距離傳感器5米左右時，人移動引起的多普勒信號最高幅值略大于3V，能被單片機檢測出，警示燈閃爍。距離增大時，人移動引起的多普勒信號幅值降低，略低于3V，此時單片機檢測出信號的幅值大小，判斷小于設置的門限電壓，認為沒有移動物體存在，警示燈一直處于熄滅狀態。實驗結果表明：最遠能探測到人的距離為5米左右，能探測到金屬板的距離為20米左右。

圖7　示波器輸出波形

6　結束語

本課題設計了一個基于多普勒效應的小型微波探測系統，探測系統發射一個高頻信號，發射信號遇到移動目標障礙物，反射回一個帶多普勒頻移的回波信號，經混頻器混頻輸出頻率較低的中頻信號，經放大濾波電路處理，被單片機檢測識別并顯示預警信號。經過實驗測試，可實時精確檢測到20米范圍內的物體。

參考文獻

[1]吳順君等.雷達中的微多普勒效應[M].電子工業出版社,2013.

[2]張福云.基于小型化天線的多普勒傳感器研究[D].電子科技大學,2013.

[3]雷振亞,明正峰,李磊等.微波工程導論[M].科學出版社,2010:93-103.

[4]陳智勇.微波厚膜集成電路的設計與應用[D].南京理工大學,2007.

[5]梁亞林,張永立,沈天健.基于PIC12F675的低誤報智能入侵探測器設計[J].測控術,2003,22(9):22-24.