生命探測微功率超寬帶雷達(dá)電路設(shè)計開題報告

1、畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 題目：生命探測微功率超寬帶雷達(dá)電路設(shè)計 院（系） 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 生物醫(yī)學(xué)工程 班 級 100420 姓 名 侯 博 學(xué) 號 100420104 導(dǎo) 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(dá)主要就用于探測生命信號，而生命探測技術(shù)在上世紀(jì)80年代就已經(jīng)是新興技術(shù)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(dá)到探測人體生命信息的目的。目前常用的生命探測雷達(dá)可分為窄帶系統(tǒng)連續(xù)波（Continuous Wave,

2、CW）雷達(dá)和超寬帶（Ultra-Wideband,UWB）系統(tǒng)微功率沖擊雷達(dá)（Micropower Impulse Radar,MIR）。CW雷達(dá)是向目標(biāo)體發(fā)射連續(xù)的電磁波，利用多譜勒效應(yīng)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(yù)處理電路和信號處理技術(shù)就能從這些變化中提取出相關(guān)人體生命參數(shù)信號。而超寬帶雷達(dá)檢測人體的生命參數(shù)是向目標(biāo)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(fù)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(guān)。通過對回波信號進(jìn)行解調(diào)、積分、放大濾波，再經(jīng)過微控制單元進(jìn)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(dá)的研究開展于20世紀(jì)90年代，其融合雷達(dá)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)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(dá)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(zāi)害醫(yī)學(xué)（地震、塌方傷員的搜救）、軍事醫(yī)學(xué)（傷員探尋）、城市反恐（解救人質(zhì)）等方面具有廣泛的應(yīng)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(shù)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(dá)起源于20世紀(jì)90年代中期，它是伴隨著傳統(tǒng)沖擊雷達(dá)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種高科技新型雷達(dá)，其應(yīng)用

4、相當(dāng)廣泛。它起初是由國外發(fā)展過來，國外對此技術(shù)的研究要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于國內(nèi)，目前該技術(shù)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(dá)應(yīng)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(dá)技術(shù)研究起步比較早，在20世紀(jì)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(jìn)行了探測研究。美國密歇根州立大學(xué)研究小組采用了L和S波段的不同頻率的雷達(dá)連續(xù)天線對模擬震災(zāi)后的生命信號進(jìn)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(shù)研究所研究出的手電筒式雷達(dá)“Radar Flashlight”,該雷達(dá)可對隱蔽在墻壁、鋼門、樹木后靜止和運動的人

5、進(jìn)行探測，它采用多普勒技術(shù)和高速信號處理技術(shù)，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(yīng)曲線陡的技術(shù)進(jìn)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(shè)計了一種“RASCAN”的生命探測雷達(dá)，此雷達(dá)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(dá)到了3-30cm。還有由日本研究的連續(xù)波探測性雷達(dá)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(yīng)用的局限性。超寬帶系統(tǒng)的微功率沖擊雷達(dá)技術(shù)的研究是從近十幾年才新興的一種雷達(dá)技術(shù)，而在生命探測上的應(yīng)用的研究開始于美國斯坦福尼亞大學(xué)，此大學(xué)在1994年開始將超寬帶雷達(dá)應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)上研究，并獲得了一項專利。1995年美國麻省理工學(xué)院開始著手雷達(dá)聽診器的研究。1996年美國斯坦福尼亞大學(xué)研制出一種特殊的超寬帶微功率沖擊雷達(dá)，此雷達(dá)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(shù)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(hù)儀上的應(yīng)用達(dá)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(dá)上面的研究無疑是我們學(xué)習(xí)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(dá)到了214項專利或應(yīng)用專利。1999年后，針對微功率沖擊雷達(dá)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(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如在心臟監(jiān)護(hù)、嬰兒監(jiān)護(hù)、障礙性睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)、腦出血監(jiān)護(hù)等等的研究。2002年美國聯(lián)邦通信委員會允許此雷達(dá)技術(shù)可以商用化，從而推動了很多公司開始投資研究此雷達(dá)的應(yīng)用，美國Time Domain公司利用該雷達(dá)技術(shù)研

8、制出雷達(dá)視力2000（Radar Domain）雷達(dá)供執(zhí)法部門使用和士兵視力（Soldier Vision）雷達(dá)供軍事部門使用。 另外還有美國休斯先進(jìn)電磁技術(shù)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(dá)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)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(jìn)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(jìn)行呼吸探測，實現(xiàn)搜救工作，為災(zāi)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(dá)天線之一，是世界上相對最先進(jìn)的探地雷達(dá)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(dá)的研究相對還是比較晚的，對其研究的應(yīng)用領(lǐng)域也主要是用作運動傳感器、報警器及定位器，對于應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也是近幾年才開始的。1995年，空軍導(dǎo)彈學(xué)院率先在國內(nèi)提出了MIR技術(shù)，從理論上深入分析了MIR核心技術(shù)，從實踐上對該技術(shù)做了大量實驗，最終在國內(nèi)首度提出了完整的

10、MIR的設(shè)計方案，成功研制出沖擊雷達(dá)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(jìn)行實驗研究，從而達(dá)到MIR動態(tài)目標(biāo)的檢測系統(tǒng)。第四軍醫(yī)大學(xué)從1998年起開始研究生命探測雷達(dá)，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(shù)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(dá)探測樣機，可以探測穿墻20cm，距離達(dá)到5m的人體生命信號。2003年該大學(xué)生物醫(yī)學(xué)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(dá)樣機，對

11、我國在雷達(dá)技術(shù)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(shù)也有很大成果，如國防科技大學(xué)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(xué)分析穿墻生命探測雷達(dá)的特點，研制了通過正弦調(diào)制，擴(kuò)頻連續(xù)波體制的探測實驗系統(tǒng)8，并做了相關(guān)實驗。2001年9月，國家在“十五”863計劃通信技術(shù)研究項目中，將UWB無線通信關(guān)鍵技術(shù)作為通信技術(shù)的研究的主要內(nèi)容，鼓勵國內(nèi)學(xué)者對該技術(shù)的研究工作，這將很大程度上提升我國雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)對用于生命探測儀上的超寬帶雷達(dá)天線并未做專門研究，這在一定程度上是微功率沖擊雷達(dá)發(fā)展史上的一個遺憾，但對探地雷達(dá)方面已有一些成就

12、，從而極速推動了微功率沖擊雷達(dá)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(xué)知識設(shè)計并研制一套完整的微功率超寬帶雷達(dá)，硬件部分包括發(fā)射、接受電路和單片機系統(tǒng)設(shè)計，單片機采用C8051F020。所設(shè)計的雷達(dá)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(shè)計包括兩部分，一是微功率沖擊雷達(dá)硬件電路設(shè)計，二是微功率沖擊雷達(dá)天線部分的設(shè)計。微功率沖擊雷達(dá)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(jìn)行數(shù)字處理得到生命信號。微功率沖擊雷達(dá)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(jìn)行分析設(shè)計，并采用Multisim軟件進(jìn)行仿真設(shè)計。微功率沖擊雷達(dá)天線則是通過分析雷達(dá)對天線的要求，比較各種超寬帶雷達(dá)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(dá)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(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、超寬帶收發(fā)天線的簡化模型與雷達(dá)的性能指標(biāo)。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(guān)?？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(biāo)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(dá)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(biāo)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(dá)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(dá)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(shè)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(dá)發(fā)射天線希望其達(dá)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(dá)中起著很大的作用，其直接影響雷達(dá)在應(yīng)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(dá)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(dá)技術(shù)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(biāo)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(shè)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(fù)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(fù)頻率表示為： 一般情況下有遠(yuǎn)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(yán)格分析，所以無法估計脈沖的前沿時間，只能說，雪崩效應(yīng)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(dá)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(xué)、計算機理論、信息論、物理學(xué)理論及生物醫(yī)學(xué)技術(shù)等理論知識。與一般的檢測技術(shù)相比，微弱信號的檢測技術(shù)主要關(guān)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(yīng)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(dāng)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(fù)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(jìn)行檢測，此方法又稱為門控相關(guān)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(jìn)行積分平均從而提高其信噪比，達(dá)到提取微弱信號的目的。 圖3.3微功率雷達(dá)接收電路原理框圖3.2.5 進(jìn)行電路仿真及調(diào)試完成微功率沖擊雷達(dá)整個系統(tǒng)的設(shè)計不僅只是設(shè)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(yīng)用中的問題并進(jìn)行改正，實現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計，從而可以使電路更好的應(yīng)用到實際生活中。4 設(shè)計的基本要求及進(jìn)度安排 第1-2周：認(rèn)真審題，搜集與題目有關(guān)的資料，理解相關(guān)背景知識。 第3-6周：熟悉相關(guān)電路原理，制定初步方案。 第7-10周：進(jìn)行電路設(shè)計，通過軟件仿真，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計。 第11-16

20、周:完成PCB制作，進(jìn)行調(diào)試。 第17-19周：總結(jié)經(jīng)驗，完成論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。參考文獻(xiàn)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

21、Single-chip Direct-conversion Doppler Radars for Remote Sensing of Vital SignsC.2002 IEEE Int Solid State Circuits Conf(ISSCC 2002 ). San Francisco:2002,1:348-349.3 Droitcour A D,Boric-Lubecke O and Lubecke V M,et al. Range Correlation Effect on ISM Band I/Q CMOS Radar for Non-Contact Cardiopulmonar

22、y MonitoringC.2003 IEEE MIT-S IMS Digest,Philadelphis.2003,3: 1945-1948.4 路國華,王健琪,楊國勝,等.生物雷達(dá)技術(shù)的研究現(xiàn)狀J.國外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊.2004,27（6）:368-383.5 謝成學(xué).微功率沖擊雷達(dá)J.現(xiàn)代電子.1997,4:1-5.6 黎海濤.超寬帶雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究D.成都:電子科技大學(xué).2001:5-6.7 王金龍,王呈桂,闞春容,等.無線超寬帶(UWB)通信原理與應(yīng)用M.北京:人民郵電出版社.2005:10-16,47-58.8 戴剛.穿墻探測雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集、目標(biāo)檢測與定位方法研究M.湖北:國防

23、科學(xué)技術(shù)大學(xué).2005:1-2.9 Yarovoy A G,Lighthart L P.UWB Radar for Human Being DetectionJ. IEEEA&E Systems Magazine.2006, 3:10-14.10左強.生命探測雷達(dá)信號處理硬件設(shè)計D.西安:西安電子科技大學(xué).2006:55-93.11 Chen Kunmu,Huang Yong, Norman A, et al. Microwave Life-Detection System for Detecting Human Subjects Through Barrier D.Hong Kong: Pr

24、ogress in Electromagnetic Research Symp.1997,1:6-9.12 Chen Kunmu,Huang Yong, Zhang Jianping, et al. Microwave Life-Detection System for Searching Human Subjects Under Earth- quake Rubble or Behind Barrier J.IEEE Transactions on Biomedical Engineering.2000,27(1): 105- 114.13 Sylvain S G, Walid C. Sur

25、veillance through concrete walls J.Proceedings of SPIE. 2004, 9:597-608.14 粟毅,黃春琳,雷太文.探地雷達(dá)理論與應(yīng)用M.北京:科學(xué)出版社.2006: 17-22,41-68.15 Mahfouz M,Fathy A.See-through-wall Imaging Using Ultra Wideband Pulse SystemesJ.2005 IEEE Applied Imagery and Pattern Recognition Work- shop.2005,10: 6.16 Ma lin,Zhang Zhongzhao,Tan Xuezhi. A Novel Through-Wall Imaging Method Using Ultra-WideBand Pulse System J.2006 IEEE Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing International Con- ference. 2006.17 付紅衛(wèi),王斌科,戴國憲,等.微功率沖激雷達(dá)的運動目標(biāo)檢測原理J.現(xiàn)