侯博毕业论文.docx

侯博毕业论文.docx

《侯博毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《侯博毕业论文.docx（60页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

侯博毕业论文

本科毕业设计（论文）

题目：

生命探测微功率超宽带雷达电路设计

院（系）：

电子信息工程学院

专业：

生物医学工程

班级：

100420

姓名：

侯博

学号：

指导老师：

倪原教授

2014年6月

本科毕业设计（论文）

题目：

生命探测微功率超宽带雷达电路设计

院（系）：

电子信息工程学院

专业：

生物医学工程

班级：

100420

姓名：

侯博

学号：

指导老师：

倪原教授

2014年6月

生命探测微功率超宽带雷达电路设计

摘要

本文研究的内容是超宽带（Ultra-Wideband，UWB）生命探测雷达的硬件实现。

生命探测雷达是近年来国内外学者提出的新概念雷达，在不接触生命体的情况下，隔一定的距离，隔一定的介质（砖墙、废墟），借助于外来能量（探测媒介）来探测生命体（人体）的生命特征信息（呼吸、心率），可用于灾难后的人员搜救、侦查隐蔽的犯罪分子、病人监护等场合。

在前人基础上，本文研究了超宽带生命探测雷达的整体构成并确定了整体设计方案；分析了UWB生命探测雷达的回波模型特性和回波时延的特点，确定了超宽带信号最佳形式；分析对比了超宽带脉冲的各种产生方案及接收机前端几种取样积分电路方案；研究了反射回波信号的模拟和检测及后续处理方案；简要分析了超宽带，高速PCB板设计及电磁兼容问题。

本文研究了双极性超宽带脉冲产生电路，用射频三极管的雪崩特性设计了峰峰值电压为2.432V，宽度为1438ps的超短、快速前沿的双极性脉冲放大电路并进行了仿真实验；完成了二极管桥式取样积分电路仿真设计初步完成延时电路设计；完成对回波信号进行取样积分后的后续处理电路设计，包括带通滤波器、带阻滤波器、高通滤波器、放大和低通滤波器；在电路仿真实验中采取反射回波模拟信号，验证了接受电路对回波信号的解调，获取了其所携带的信息，证明了所设计系统电路的可行性；完成了超宽带生命探测雷达的发射接收前端电路设计。

关键词：

超宽带生命探测雷达；双极性超宽带脉冲；射频三极管；桥式取样积分；反射回波信号

Uitra-widebandradardetectingmicropowercircuit

designlife

Abstract

ThepaperdealswiththeonUltra-Wideband（UWB）lifedetectionradar.Inrecentyears,thelifedetectionradarisanewconceptofradar,whichcanbeusedtodetectlifecharacteristicsofinformationsuchasrespirationandbeings,withouttouchingthebodyatsomedistance,separatedfromsomemediasuchaswallsandruins,throughtheuseofexternalenergylikedetectingmedia,whichcanbeusedtosearchsurvivals,spyconcealedcriminals,observepatientsandotherconditions.

BasedonthepreviousstudiesonUltra-Widebandlifedetectionradar,theoverallcompositionisstudiedandtheoveralldesignschemeiscompleted.ThenecholifemodelcharacteristicsandthecharacteristicsofechotimedelayareanalyzedandthebestformoftheUWBsignalisdetermined,themethodsofgeneratingUWBpulsesarecomparedandthereceiversonsamplingintegraltechnologyareanalyzed,thereflectionechosignalsimulation,testingandfurthertreatmentprogramarecarefullystudiedandcompleted,UWBandandelectromagneticcompatibilityproblemarebrieflyanalyzed.

ThispaperstudiesthedualpolarityofUWBpulsegeneratingcircuit,usingrftransistoravalanchefeaturesdesignedfengfengvaluevoltageof2.432V,widthis1438psultrashort,fastcuttingedgebipolarpulseamplificationcircuitandthesimulationexperiment;Completedthediodebridgetypesamplingintegralcircuitsimulationdesign,completedpreliminarydelaycircuitdesign;Completionofechosignalsamplingpointsafterthesubsequentprocessingcircuitisdesigned,includingtheband-passfilter,band-stopfilter,circuitsimulationexperimenttotheechosimulationsignal,thereceivingcircuitisverifiedforechosignaldemodulation,accesstotheinformationcarriedbythe,provethefeasibilityofthedesignedsystemcircuit;Completedthelaunchofultra-widebandlifedetectionradarreceivingfront-endcircuitdesign.

KeyWords:

UWBlifedetectionradar;bipolarUWBpulse;RF-BJT;bridgesamplinggate;reflectionechosignal

目录

中文摘要I

英文摘要II

主要符号表VII

1绪论1

1.1生命探测雷达技术简介1

1.2研究背景和意义1

1.3国内外研究现状2

1.3.1国外研究现状2

1.3.2国内研究现状3

1.4本文研究内容4

2微功率超宽带雷达的工作原理及天线6

2.1超宽带雷达工作基本原理6

2.1.1基本原理6

2.1.2理论分析6

2.2超宽带雷达参数选择9

2.2.1超宽带雷达主要参数选择的依据9

2.2.2超宽带生命探测雷达的工作频率11

2.2.3超宽带生命探测雷达的发射信号形式11

2.3微功率超宽带雷达天线的简介14

2.4本章小结15

3微功率超宽带雷达发射电路的设计与分析16

3.1雪崩三极管的工作原理16

3.1.1雪崩三极管的击穿机理16

3.1.2雪崩晶体管的击穿电压17

3.2雪崩三极管脉冲电路的产生19

3.3超宽带雷达脉冲产生电路20

3.3.1元器件的选择20

3.3.2单极性脉冲产生电路20

3.3.3双极性脉冲产生电路22

3.4本章总结24

4微功率超宽带雷达接收电路设计与分析25

4.1接收前端电路总体设计与分析25

4.2取样积分电路的设计与分析26

4.2.1取样积分原理介绍26

4.2.2取样积分电路的设计与分析27

4.2.3桥式二极管取样积分电路的设计与分析28

4.3可变延迟单元电路的设计与分析29

4.3.1延时芯片的原理介绍30

4.3.2延时电路设计的设计与分析32

4.4放大滤波电路的设计与分析33

4.4.1带通滤波的设计与分析35

4.4.2放大电路的设计与分析36

4.4.3滤波电路的设计与分析37

4.5本章小结40

5硬件电路的调试与PCB设计41

5.1微功率冲击雷达发射电路的调试41

5.2微功率冲击雷达接收电路的测试43

5.3PCB板设计44

5.3.1总体设计44

5.3.2PCB设计注意事项44

5.4本章小结44

6总结与展望45

6.1本文主要研究成果45

6.2后续研究工作的展望45

参考文献46

致谢49

毕业设计（论文）知识产权声明50

毕业设计（论文）独创性声明51

附录A52

附录B53

主要符号表

衰减常数

相位常数

导电系数

角频率

材料的相对介电常数

导磁率

电磁波在大气中的波长

电磁波在墙壁中的波长

相对带宽

电磁波在大气中的传播速度

雷达增益

晶体管的基极电流

晶体管的集电极电流

雷达接收功率

雷达发射功率

信噪比

晶体管的集电极-基极间电压

晶体管集电极－基极反向击穿电压

晶体管的集电极-发射级间电压

晶体管集电极－发射极反向击穿电压

电磁波在墙壁中的相速

电磁波在墙壁中的群

1绪论

1.1生命探测雷达技术简介

生命探测雷达特指探测生命体的雷达，是一种非接触式探测技术，是指在不接触人体的情况下，隔一定的距离，隔一定的介质（砖墙、废墟等），借助于外来能量（探测媒介）来探测人体生命特征信息（呼吸、心率等）的技术，是近年来国外学者提出的一种新概念雷达。

常用的生命探测雷达可分为窄带系统连续波（ContinuousWave，CW）雷达和超宽带（Ultra-Wideband，UWB）系统微功率冲击雷达（MicropowerImpulseRadar，MIR）。

本文所讨论的UWB生命探测雷达就是基于UWB雷达原理的MIR，又称无载波雷达、非正弦雷达，具有很大的相对带宽（信号的带宽与中心频率之比），一般大于25％。

它是美国斯坦福尼亚大学劳伦斯.利弗莫尔国家实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory，LLNL）的科学家在90年代中期发展起来的一种高技术新型雷达。

UWB雷达克服了传统冲激雷达成本高、灵敏度低、抗干扰能力差、易受波门抖动、偏压变化等影响的缺点，充分利用了现代雷达技术的最新成果，采用全新的设计方法，具有以下显著优点：

1）测距分辨率可高达厘米量级，可以获得足够高的分辨率；

2）具有能够识别和区分各目标的重要能力；

3）超宽带生物雷达发射的脉冲包含许多频率，因此它能够突破窄频段吸波材料的吸波效应；

4）具有对单个或多个目标的高分辨率成像能力；

5）具有较强的穿透植被、土壤和墙壁的能力；

6）能够通过距离选通技术抑制杂乱回波和减少多径干扰；

7）成本低，容易集成。

1.2研究背景和意义

本文所研究的MIR是一种功率极其微小、像其他超宽带雷达一样的脉冲雷达，是由美国劳伦斯.利弗莫尔国家实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory，LLNL）在Nova激光器的基础上发明并获得专利的一种新型雷达。

UWB雷达在克服传统冲击雷达弊端的同时，结合了现代雷达技术的优势，使其达到厘米量级的高分辨率、可识别和区别各目标的能力、可穿过墙壁等的高穿透力、发射多种频率时，对窄频段吸波材料的吸波效应具有抗拒作用、成本低且易于集成等优势。

微功率冲击雷达（MIR）技术的应用是极为广泛的，其在军事和民用的领域中都发挥了极大的作用。

MIR主要可用于灾后救助、反恐怖斗争和病人监护等领域。

MIR技术可以通过发射电磁波穿过墙壁、废墟等有形介质，作用于人体体表运动而使电磁波发生微小变化，从而进行探测。

主要用于在自然灾害后被埋在废墟中的幸存者的救助，近年来各地区的地震频频不断，微功率冲击雷达技术在探测寻找生命体，救助埋在废墟中的幸存者方面起到了很大的帮助；追捕潜伏在建筑物内的罪犯，提高了国家执法人员作战能力；监护医院病危的病人，在医院有些重病的伤员不宜接触，需隔衣服或远距离进行监测。

如美国911事件后，冲击雷达在灾后废墟上搜救起了很大作用，2008年汶川地震对震后人员的搜救都有很大帮助，诸如此类的例子还很多，MIR技术在社会各行各业的发展起了重要作用，因此对MIR的研究有重大意义。

1.3国内外研究现状

微功率冲击雷达起源于20世纪90年代中期，它是伴随着传统冲击雷达的发展而产生的一种高科技新型雷达，其应用相当广泛。

它起初是由国外发展过来，国外对此技术的研究要远远早于国内，目前该技术已经在国内开始推广研究，本文主要是将微功率冲击雷达应用于生命探测方面的研究。

1.3.1国外研究现状

国外对生命探测雷达技术研究起步比较早，在20世纪80年代开始美国就已经采用L频段的调制连续波信号对埋藏在雪地里的生命体进行了探测研究。

美国密歇根州立大学研究小姐采用了L和S波段的不同频率的雷达连续天线对模拟震灾后的生命信号进行了检测，都成功的检测出人体呼吸和心跳等生命信号，取得的一定的成就。

随后由美国佐治亚技术研究所研究出的手电筒式雷达“RadarFlashlight”,该雷达可对隐蔽在墙壁、钢门、树木后静止和运动的人进行探测，它采用多普勒技术和高速信号处理技术，对接收回来的生命信号则采用快速傅里叶变换（FFT）和频率响应曲线陡的技术进行滤波，从而得到我们所需要的人体生命信号，该系统采用的天线是市场上可以买到的一种天线，它将发射端输出的波束控制在20度以内的扇形区域内。

美国研究的同时，其它西方国家也对CW的研究有所成就，如俄罗斯RemoteSensingLab研究设计了一种“RASCAN”的生命探测雷达，此雷达系统可以探测10cm厚混凝土墙壁后的人体生命信号，它采用的工作频率为1-10GHz,其波长也就达到了3-30cm。

还有由日本研究的连续波探测性雷达是针对近距离（小于50cm）的探测，它主要是透过各种衣物、被褥等对股动脉、指尖脉搏、颈动脉及心率的探测，但由于其探测距离的有限性造成了其实际应用的局限性。

对比连续波雷达（CW）和微功率冲击雷达（MIR），微功率冲击雷达的结构相对比较简单，技术也比较成熟，近些年在国内外都有很大的发展前途，且成为生命探测雷达的主流。

微功率冲击雷达是一种功率极其微小，和其它超宽带雷达一样的脉冲形雷达，其技术包括尖脉冲产生技术、超宽带雷达天线技术、取样技术以及信号处理技术等。

美国佐治亚技术研究所还研制了抛物面天线结构的隔墙检测系统，该系统还被用于奥运会研究射箭和步枪运动员的心跳和呼吸对射击准确度的影响。

超宽带系统的微功率冲击雷达技术的研究是从近十几年才新兴的一种雷达技术，而在生命探测上的应用的研究开始于美国斯坦福尼亚大学，此大学在1994年开始将超宽带雷达应用在生物医学上研究，并获得了一项专利。

1995年美国麻省理工学院开始着手雷达听诊器的研究。

1996年美国斯坦福尼亚大学研制出一种特殊的超宽带微功率冲击雷达，此雷达高增益天线采用可以探测到人体呼吸及心跳的生命信号，并对距离内技术提取生命信号，最大限度的抑制了外界噪声的干扰。

同年，由美国McEwon先生研制的人体检测、成像系统，可以检测人体的心跳、呼吸、声带等信号并转换为声音信号，从而在人体生理参数的监护仪上的应用达到了不可逾越的突破，并获得了美国的一项专利。

McEwon先生在超宽带雷达上面的研究无疑是我们学习的典范，至今为止他研制的MIR已经在美国获得了56项专利，同时在全世界也达到了214项专利或应用专利。

1999年后，针对微功率冲击雷达的体积小、功率小、寿命长、成本低及分辨率高等特点，将其广泛应用于生物医学领域，如在心脏监护、婴儿监护、障碍性睡眠呼吸暂停监护、脑出血监护等等的研究。

2002年美国联邦通信委员会允许此雷达技术可以商用化，从而推动了很多公司开始投资研究此雷达的应用，美国TimeDomain公司利用该雷达技术研制出雷达视力2000（RadarDomain）雷达供执法部门使用和士兵视力（SoldierVision）雷达供军事部门使用。

另外还有美国休斯先进电磁技术研究中心（HughesAdvancedElectromagneticTechnologyCenter,HAETC）研制的“2-DConcretePenetrationRadar”具有强的穿透能力。

目前西方如美国、加拿大、英国和俄罗斯等多个国家已经投资大量人力和物力开始发展研究冲击雷达在生物医学方面的应用。

2004年美国航空航天局艾姆斯研究中心的MIR成员利用便携式MIR移动探测器进行试验，完成了搜救5位“受伤人员”的救助。

“9.11”事件后，该便携式MIR移动探测器在厚度数米的石砖下进行呼吸探测，实现搜救工作，为灾难营救上提供了很大帮助。

国外用于生命探测仪的天线是美国航空航天局（NASA）指定的火星探测器两种候选雷达天线之一，是世界上相对最先进的探地雷达天线，能够非常敏锐地捕捉到微弱的生命信号，且已获得美国专利。

1.3.2国内研究现状

国内对微功率冲击雷达的研究相对还是比较晚的，对其研究的应用领域也主要是用作运动传感器、报警器及定位器，对于应用于生物医学领域也是近几年才开始的。

1995年，空军导弹学院率先在国内提出了MIR技术，从理论上深入分析了MIR核心技术，从实践上对该技术做了大量实验，最终在国内首度提出了完整的MIR的设计方案，成功研制出冲击雷达信号发射源、取样脉冲源，分析MIR的电磁波信号抗干扰能力及外界电磁干扰的抵抗能力，并进行实验研究，从而达到MIR动态目标的检测系统。

第四军医大学从1998年起开始研究生命探测雷达，采用发射微波电磁信号，接收检测由人体活动而引起发射波的微小变化，通过信号处理技术提取到人体的呼吸和心跳信号。

已经成功研制出不同波段的连续波雷达探测样机，可以探测穿墙20cm，距离达到5m的人体生命信号。

2003年该大学生物医学小组研制了S2000-I型探测样机，随后该校与西安必肯科技合作研制了SJ-3000搜救样机，目前西安必肯科技有限公司已经研制了SJ-6000搜救雷达样机，对我国在雷达技术的发展有很大意义。

此外，国内其他高校对生命探测技术也有很大成果，如国防科技大学采用发射超宽带脉冲，穿过非金属的有形介质，探测其有形介质后3-5m的人体生命信号；南京理工大学分析穿墙生命探测雷达的特点，研制了通过正弦调制，扩频连续波体制的探测实验系统，并做了相关实验。

2001年9月，国家在“十五”863计划通信技术研究项目中，将UWB无线通信关键技术作为通信技术的研究的主要内容，鼓励国内学者对该技术的研究工作，这将很大程度上提升我国雷达技术的发展。

国内对用于生命探测仪上的超宽带雷达天线并未做专门研究，这在一定程度上是微功率冲击雷达发展史上的一个遗憾，但对探地雷达方面已有一些成就，从而极速推动了微功率冲击雷达的发展。

1.4本文研究内容

微功率冲击雷达通过发射极窄UWB脉冲，通过发射天线辐射电磁波，碰到人体胸腔的运动后而发生微小变化，接收天线接收反射电磁波，采用取样门提取生命信号，最后送到微处理单元进行数字处理得到生命信号。

微功率冲击雷达硬件电路包括：

窄脉冲信号产生电路；取样积分电路；带通滤波电路及放大滤波电路。

对电路进行分析设计，并采用Multisim软件进行仿真设计。

本文根据以上的研究内容而展开共六章,具体的安排如下：

第一章分析了课题研究的背景、研究意义及国内外研究现状，最后讲解了论文研究的主要内容及对整个论文的章节安排。

第二章分析电磁波的传输特性，介绍微功率冲击雷达的工作原理，超宽带雷达参数的选择，天线的重要功能。

第三章分析了硬件电路的发射部分，即超宽带脉冲电路的产生。

本节通过分析雪崩三极管的工作原理及其产生窄脉冲的基本电路，运用雪崩三极管的雪崩效应分析设计了单极性超宽带脉冲和双极性超宽带脉冲，并采用Multisim对电路进行仿真设计。

第四章分析了硬件电路的接收部分，即取样积分电路、延时电路以及放大滤波电路的设计。

本节通过分析取样积分的工作原理，完成取样积分电路分析设计；引出数字延时芯片，通过其芯片的外围电路及其性能进行讲解，完成延时电路的设计；最后通过分析回波信号的特征，完成信号处理电路包括其带通滤波电路和放大滤波电路的设计。

第五章分析了硬件电路的调试部分和PCB制作。

本章介绍了调试过程中的注意事项及电路的调试结果和PCB制作的注意事项。

第六章为结论部分。

在文章的最后一部分总结了本文的研究成果，并对今后研究工作进行展望。

2微功率超宽带雷达的工作原理及天线

2.1超宽带雷达工作基本原理

2.1.1基本原理

雷达之所以能够探测到生命特征信息是基于其对生命体活动的检测。

人的心跳和呼吸活动会使人体回波的频率、相位、振幅和到达时间发生变化。

一般而言，振幅的变化可以忽略，所以，在生命探测中只使用频率、相位和到达时间。

本文所研究的UWB生命探测雷达是利用UWB脉冲作为探测媒介，利用电磁波的穿透特性，通过对人体胸壁运动的反射回波信号进行取样积分、放大、滤波，然后再经过AD转换送入微控制单元进行处理，利用数字信号处理方法从反射的回波信号提取出微弱的生命特征信息（呼吸、心跳等）。

UWB生命探测雷达的原理框图如图2.1所示，脉冲振荡器产生10MHz的占空比为50%的方波信号，该信号经过脉冲整形、UWB脉冲成形电路产生ps级的UWB脉冲，并通过发射天线辐射出去，被人体胸壁运动反射的回波信号送到接收取样电路，脉冲振荡器产生的信号经过延时电路产生和发射端相同的UWB脉冲作为同步脉冲，通过取样门对接收信号进行选择，接收取样输出的信号经过积分电路对接收信号进行积累，经过成千上万个脉冲积累后将微弱的生命体征信息检测出来，再经过带通滤波电路和放大滤波电路检测出呼吸和心跳信号，最后经过AD转换后通过微控制单元进行处理。

图2.1UWB生命探测雷达的原理框图

2.1.2理论分析

本文所研究的UWB生命探测雷达是借助电磁波作为探测媒介穿透墙壁来探测生命特征信息，而人体胸腔运动是有一定规律可循的，这些特征信息加载在脉冲回波上会引起脉冲回波的重复周期发生变化，接收端采用相干接收就可以检测到这些生命特征信息。

下面我们就从电磁波对墙壁的穿透特性和反射回波的特性来具体分析目标回波的相干检测接收原理。

a电磁波对墙壁的穿透特性电磁波在墙壁中的传播和在自由空间的传播相比，色散和衰减要大得多，且传播系数为

（2.1）

式中，为衰减常数，为相位常数。

其中，

（2.2）

（2.3）

式中，—墙壁导电系数

—角频率

—墙壁介电常数

—墙壁导磁率

电磁波在墙壁中的相速为