摘要：系統(tǒng)接收信號處理電路設(shè)計是微功率沖擊雷達技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵部分。設(shè)計了一種基于相關(guān)檢測和距離窗的雙門限檢測的微功率沖激雷達接收系統(tǒng)電路，具體分析了接收信號處理電路的工作原理。通過仿真和試驗，該接收系統(tǒng)電路可獲得具有平坦的3 dB通頻帶幅頻特性的帶通、低通和高通濾波器和Q值大于5的50 Hz陷波器，達到理論設(shè)計要求，電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能好，在超寬帶雷達技術(shù)中具有應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：微功率沖擊雷達；超寬帶(UWB)；接收電路；濾波器設(shè)計

    微功率沖擊雷達是國際上近年來發(fā)展起來的一種新型高技術(shù)雷達，作為超寬帶雷達類型的一種，沖激雷達直接發(fā)射無載波的基帶極窄脈沖，與傳統(tǒng)雷達不同的是沖激 雷達系統(tǒng)既不需要對發(fā)射信號進行載波調(diào)制，也不需要對接收信號進行載波解調(diào)，而是發(fā)射和接收無載波的極窄脈沖信號，并通過相應(yīng)的信號處理電路，獲得目標信 息。其突出的特點是功率小，壽命長，成本低，用途廣。
    一般脈沖雷達發(fā)射的信號是射頻脈沖串，而沖激雷達的發(fā)射信號直接是沖激脈沖串。沖擊雷達發(fā)射和接收超短脈沖來實現(xiàn)距離探測。雷達的距離分辨率正比于發(fā)射脈 沖寬度τ，即：距離分辨率d=τc／2，其中c為電磁波在空間的傳播速度。通常，沖激雷達發(fā)射的是納秒甚至皮秒量級的超短脈沖，所以，其距離分辨率可達幾 到幾十厘米。但雷達的穿透性能和高分辨率成像是一對矛盾。由于本文主要研究微功率沖激雷
達技術(shù)在穿墻生命探測方面的應(yīng)用，偏重于對墻壁的穿透性能，故選擇低頻工作頻段。微功率短程超寬帶雷達可穿透6 m厚的磚墻，天線直徑只有45 cm，發(fā)射機、接收機只有一部收音機大小。研究表明：在低頻段，在1～10 GHz范圍的電磁波在穿過混凝土墻壁時衰減很小，隨著頻率的降低，衰減也在減少。因此，低于10 GHz的頻率適合對磚塊和混凝土構(gòu)筑的墻壁穿透探測，在此范圍內(nèi)頻率越低穿透性能越好。

1 系統(tǒng)工作原理
    微功率沖擊雷達探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，此系統(tǒng)主要由脈沖發(fā)射機、接收機、信號處理電路和天線組成。
    圖1中，脈沖振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，一方面，此信號經(jīng)過脈沖整形后作為觸發(fā)脈沖，觸發(fā)窄脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生極窄脈沖，并通過寬帶天線發(fā)射出去，被目標反射的回 波信號傳送到接收采樣電路；另一方面，脈沖振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)過延時電路產(chǎn)生窄脈沖作為距離門對接收信號進行選擇，接收取樣輸出的信號，經(jīng)過積分電路對接 收信號進行積累，再經(jīng)過放大電路和帶通濾波電路檢測微弱的目標回波信號，最后經(jīng)過A／D采集卡送到計算機進行顯示和處理，利用數(shù)字信號處理技術(shù)對探測雷達 波門進行控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
    系統(tǒng)接收信號處理電路設(shè)計是微功率沖擊雷達接收機實現(xiàn)的基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由取樣積分電路、可變延遲單元、帶通濾波電路和放大濾波電路組成。

2．1 取樣積分單元
    積分取樣電路將接收到的被目標反射的UWB微弱脈沖信號和經(jīng)過延時后的參考脈沖信號進行相關(guān)檢測，即取樣積分，提高信噪比，然后經(jīng)過帶通 濾波電路和放大濾波電路實現(xiàn)對人體運動信息和生命特征信息的接收和檢測。這里可變延遲電路為取樣積分電路提供精確的同步參考脈沖信號，它的一個輸入是發(fā)射 端脈沖信號，另一個輸入由接收后端微控制單元的程序精確控制。
2．2 帶通濾波器設(shè)計
    經(jīng)過取樣積分后的信號中，混有高頻分量，需要將包含人體運動的上、下截止頻率為0．05～10 Hz的信號取出，為接收后端提取出呼吸和心跳信號奠定基礎(chǔ)。需設(shè)計上、下截止頻率為O．05～lO Hz帶通濾波器，其電路原理如圖3所示。可以看出，所設(shè)計帶通濾波器在0．05～10 Hz具有較平坦的通頻帶。

2．3 放大濾波電路設(shè)計
    放大濾波電路可對UWB沖擊雷達的前端輸出信號進行放大、濾波，并為人體生命參數(shù)檢測及距離信息的探測提供硬件平臺。針對UWB雷達輸出 信號特點，該放大濾波電路設(shè)計時必須注意電路的低頻響應(yīng)，電路對弱信號的放大，高倍數(shù)放大器的直流偏移量等問題。以上問題中，電路的低頻響應(yīng)可通過精確設(shè) 計濾波器的參數(shù)來解決。放大弱信號，則電路的放大倍數(shù)必須要高，但是放大倍數(shù)過大就會使電路產(chǎn)生直流量，使得基線發(fā)生漂移或產(chǎn)生失真；在電路中設(shè)置阻容耦 合電路，為各級電路的累積直流偏置電壓提供泄放回路。
    放大濾波電路是根據(jù)人體的呼吸率范圍(15～20次／min)和心率范圍(50～100次／min)，經(jīng)相關(guān)檢測電路的信號分為兩路，分別檢測呼吸和心跳 信號，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。其中放大電路主要包括前置放大電路、中間級放大電路和后級放大電路3部分。濾波電路主要有低通濾波、高通濾波和帶阻濾波。 其分別組成0．6 Hz的低通濾波器(CPF)、0．7 Hz的高通濾波器(HPE)及50 Hz的陷波器(BEF)。

    放大電路設(shè)計時，考慮到提高前級增益，有利于提高電路的共模抑制比，但前級的增益過高后，當輸入端引入極低頻率的信號、前級“零”點漂移或強信號引入時，易使后級電路飽和而引起“阻塞”現(xiàn)象。因此電路的增益設(shè)計如下：前置級放大增益為30 dB，中間級放大增益為10～100 dB，后級放大增益為30 dB，總增益范圍為300～30 000 dB。
    濾波電路在信號預(yù)處理器中起著重要作用，它決定了信號的通頻帶，同時也具有濾除干擾的作用。
2．3．1 低通濾波器設(shè)計
    人體的呼吸率和心率都小于10 Hz，因此前級放大器輸出信號先通過10 Hz低通濾波器濾除其他干擾信號，后級0．6 Hz的低通濾波器用于檢測人體呼吸信號。
    該低通濾波電路主要濾除干擾信號，并且要求幅頻特性中有最大的平坦區(qū)，為此選用四階壓控電壓源巴特沃斯But-terworth型濾波器。壓控電壓源型電 路結(jié)構(gòu)的濾波器特點是使用元件少，對放大器要求不高。在本級電路中，電阻器誤差小于0．01％，電容器誤差小于O．1％。由于電路中所選電阻值不在電阻序 列之內(nèi)，故實際電路中，用多個電阻串聯(lián)以求得到所需的阻值，電路中電容必須經(jīng)過嚴格挑選。電路原理如圖5所示。10 Hz，0．6 Hz四階Butterworth LPF電路的元件值如表1所示。

2．3．2 0．7Hz高通濾波器電路
    0．7 Hz的高通濾波器用來檢測心跳信號，這里采用2個二階壓控高通濾波器串聯(lián)形成的四階高通濾波器來構(gòu)成O．7Hz高通濾波器，其電路如圖6所示。

2．3．3 50 Hz陷波器電路
    50 Hz陷波器在電路中起著重要作用。在檢測過程中，直流電源、周圍環(huán)境中的輸電線路等都會對信號預(yù)處理電路產(chǎn)生50 Hz的工頻干擾。因此，在電路中加入50 Hz陷波器濾除由其他電路耦合進來的50 Hz干擾信號是非常必要的，其電路如圖7所示。50 Hz陷波器的設(shè)計要求為:fo=50 Hz；B≤4 Hz；Q≥10。
    電路采用50 Hz帶通濾波器和加法電路組成，一路經(jīng)10kΩ電阻進入加法器輸入端，一路經(jīng)增益為-1的50 Hz帶通濾波器，經(jīng)10 kΩ電阻耦合進入加法器輸入端。兩路信號相加，得到50 Hz陷波器。

3 試驗結(jié)果
    根據(jù)前面的設(shè)計電路，對0．05～1O Hz帶通濾波器、10 Hz和0．6 Hz的低通濾波器、0．7 Hz的高通濾波器及50 Hz的陷波器電路中各元件進行估值并通過Multisim仿真且反復調(diào)試，并通過電路試驗，獲得了較為理想的幅頻特性，各部分電路的幅頻特性測試結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，0．05～1O Hz帶通濾波器、10 Hz和0．6 Hz低通濾波器、0．7 Hz的高通濾波器都具有平坦的3 dB通頻帶，50 Hz陷波器的Q
值大于5。

4 結(jié)論
    本文設(shè)計了一種微功率沖擊雷達系統(tǒng)接收信號處理電路，給出了各子模塊電路的設(shè)計原理，以及主要模塊的仿真調(diào)試結(jié)果，仿真結(jié)果顯示：主要電路，即帶通濾波器 和放大濾波器的幅頻特性理想。按此仿真結(jié)果設(shè)計的電路經(jīng)測試實現(xiàn)了理論設(shè)計要求。依據(jù)該設(shè)計制作的電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能好的特點，在超寬帶技術(shù) 中具有一定的實用價值。