一款輕小型化微功率微多普勒超寬帶雷達探測系統的設計與實現

孫 浩 ，謝義方 ，馬淑香

（1.中國科學院國家空間科學中心，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049）

0 引 言

目標的運動會使雷達接收機接收到的回波信號頻率相對于發射信號的頻率發生偏移，這種現象稱為多普勒效應。除了目標主體移動外，目標或目標上的某些部分若存在相對于目標主運動方向的機械振動或擺動，則回波信號的頻率將被調制，這種現象就稱為微多普勒效應。微多普勒效應從頻率上體現目標微動的雷達特征，反映多普勒頻移的瞬時特性，表征目標微動的瞬時徑向速度[1]。

雷達探測技術在無線傳感中的應用已有多年，自從微多普勒效應被發現以后，針對微動目標識別的雷達技術的研究不斷取得新的進展。經過研究者們辛勤的探索，微多普勒效應在雷達中的應用已經非常廣泛，包括對噴氣式飛機目標的探測[2]、對行人擺臂動作的識別[3]以及對非視距環境下生命體征的監測[4?5]等。

相對于傳統的窄帶雷達，超寬帶雷達具有空間分辨率高、抗多徑干擾能力強、穿透能量強、平均功耗低等優點[6?7]。脈沖超寬帶雷達采用脈沖技術，使用占空比低、寬度極窄的高頻脈沖信號作為探測媒介，可以獲得更大的微多普勒頻移，幫助獲得目標更多的物理特征[8?12]。本文設計了一種超寬帶雷達系統，探測精度高達毫米級，在減小體積和降低功耗等方面不斷優化，實現了輕小型化、微功耗的技術要求，并綜合雷達系統完整性的考慮，設計了一款上位機軟件，可對雷達功能參數進行靈活地配置和調整，并且可實時顯示雷達回波圖像和微動信息。

1 系統設計

1.1 系統總體結構

傳統的雷達探測系統采用既笨重又龐大的波導器件，不便于集成到智能設備或自動化系統中[10]，而隨著微波與射頻技術的不斷發展，雷達探測的性能不但得到提升，而且信號產生與接收等功能都可以集成在一個芯片上，大大減輕了系統重量并且降低了成本。本文采用挪威Xethru 公司生產的X2 芯片作為脈沖超寬帶雷達的發射和接收單元。芯片的系統結構如圖1 所示。

圖1 X2 的系統結構圖

該芯片可通過四線串行外設接口（SPI）進行配置，并具有可通過SPI 訪問的存儲器緩沖區，用來輸出接收的回波數據。該系統的接收機包括一個低噪聲放大器（LNA），一個數模轉換器（DAC），256 個 1 bit 高速模數轉換器（ADC）和256 個32 位數字積分器。X2 的發射機包含一個高階高斯近似脈沖發生器，該脈沖發生器能夠在6～10.2 GHz 頻率范圍內產生和傳輸高帶寬脈沖，重復頻率高達100 MHz。接收機采用多取樣器并聯延時采樣的方法提高采樣率，并且與發射機緊密集成，旨在對接收到的能量進行相干積分。X2 的系統功耗低至120 mW 以下，并且理論上可達毫米級的距離分辨率，符合微功耗高精度的技術要求。

本文設計的超寬帶雷達系統框圖，如圖2 所示。

首先由主控制單元（MCU）控制和協調各個模塊間的工作，由電源管理單元負責各個模塊的電源供應。接收到MCU 發出的指令后，X2 產生超寬帶脈沖，經發射電路處理送往發射天線輻射到空間中，輻射電磁波照射到目標后返回部分散射波，再由接收天線捕捉到。接收到的回波由接收電路處理和模數轉換成為數字信號，存儲到RAM 中并發送至PC 機。最終，上位機軟件對雷達的接收幀數據進行數字濾波處理和圖形化顯示，實現對微動目標探測的目的。

圖2 系統框圖

1.2 硬件電路設計

1.2.1 硬件頂層設計

本系統的硬件部分主要包括MCU、射頻（RF）模塊和電源（POWER）模塊，在Cadence OrCAD 中的頂層設計圖如圖3 所示。MCU 除了連接USB 接口與I/O 擴展口外，還采用四線SPI、外部時鐘和中斷信號線控制RF 模塊，再通過使能端以及線性時鐘和數據端口控制POWER 模塊。RF 模塊分別通過2 個SMA 射頻頭發射和接收脈沖超寬帶信號。

圖3 硬件頂層設計

1.2.2 射頻前端設計

射頻前端主要包括超寬帶發射模塊和接收模塊。在發射電路的設計中，由X2 芯片輸出的射頻脈沖信號先經過衰減器，再由寬帶低噪放大器放大，最后經帶通濾波器濾波輸出，鏈路中分別由3 個電容做隔直處理。其中，低噪放大器選用安華高科技公司的VMMK3803，該放大器的工作頻率范圍是3～11 GHz，對小信號的增益有20 dB，并且芯片的長寬僅為1 mm 和0.5 mm。帶通濾波器選用 Mini?Circuit 公司的 BFCN?732，工作頻率范圍為6.6～8 GHz，尺寸僅為2 mm×1.2 mm。

接收電路與發射電路有相似之處，都用到了VMMK3803 作為低噪放大器，不同之處在于接收鏈路中的濾波器選擇HFCN?6010 作為高通濾波器，工作頻率范圍為6～8.5 GHz，尺寸為3.2 mm×1.6 mm。

射頻前端電路選用的電子元器件尺寸非常小，大大減小了整個硬件系統的體積。

1.2.3 電源模塊設計

由于系統需要為ARM、RAM、X2、放大器、濾波器等器件供電，需要多個幅值的電壓供給?？紤]到硬件系統的輕小型化和低功耗的要求，本設計選用TI 公司的電源管理芯片LP8725，該芯片集成了2 個高效率的DC?DC轉換器、3 個數字 LDO、3 個低噪模擬 LDO 和 2 個 LILO 穩壓器，滿足本系統所需多幅值的電源供給需求。并且LP8725 可通過線性接口配置電源啟動序列，便于調整各個模塊的上電順序。通過對電源管理單元外圍電路的設計與調整，可實現對本系統各個器件供電的目的。

1.2.4 PCB 設計

在整個PCB 的設計中，集中對緊湊性和線寬線距這一平衡的把握，盡可能地縮小PCB 板的面積和厚度，同時也注意到擴展性的要求，實現了可集成程度高的優勢。PCB成品如圖4所示，尺寸為45 mm×45 mm，重量為7 g。

圖4 電路板實物圖

1.3 軟件設計

1.3.1 微多普勒特征提取

目標物體的微動可對照射到該物體表面的電磁波進行頻率調制，通過對接收回波頻移分量的提取，實現對目標微動特征的識別。對于物體距離雷達的徑向距離，可以用R(t)表示：

式中：R0為目標距雷達的初始距離；vR是目標相對雷達的徑向速度；x(t)為目標或目標上的某些部分相對于目標主運動方向的機械振動或擺動的時變偏離。而對于一般的雷達發射信號來說，可以用sT表征：

式中：A(t)為發射信號的幅度；f0為發射信號的載頻；φ0為初始相位。那么接收到的回波信號為：

式中：τ(t)為回波相對于發射波的延時時間；φ(t)為回波相位。此時，令回波的瞬時頻率為finst，則：

從結果中可以看出，瞬時頻率被分解為載頻、多普勒頻移和微多普勒頻移。將接收信號微多普勒頻移通過數字濾波的辦法提取出來，便可有效地分析和識別目標的微動特征。

1.3.2 下位機工作流程

本系統下位機由基于ARM 的智能緩存MCU 芯片ATSAM4E16EA 作為主控制單元，完成配置X2、LP8725以及RAM 等芯片的任務，協調各個硬件模塊之間的工作，以及提供雷達接收幀數據的存儲與傳輸接口，實現與上位機通信的功能。具體的工作流程如圖5 所示。

圖5 下位機工作流程

首先初始化ARM 主控制單元，令MCU 發送使能序列至PMU，配置供給電源，再初始化ARM 的SPI 和GPIO模塊，根據指令配置X2 的相關寄存器，調整工作參數，如發射信號的中心頻率和脈沖重復頻率等；然后X2 開始工作，發射機發射超寬帶脈沖信號并通過射頻前端電路處理后輻射到空間中，接收機再接收目標物體的反射波，進行濾波放大處理以及模數轉換后成為雷達接收幀數據；最后ARM 通過SPI 訪問X2 的存儲區，獲取雷達接收幀，并存儲至SRAM 中，直至SRAM 存滿。

1.3.3 上位機軟件設計

針對下位機的工作流程，以及操作界面簡潔美觀的要求，本文開發了一款人機友好的上位機軟件，用來實現對下位機的配置和接收數據處理與圖形化顯示等功能。開發平臺選用 Linux（Ubuntu 16.04）環境下的 Qt 5.9，編程語言使用C++，程序流程如圖6 所示。

圖6 上位機軟件程序流程

程序從線程的角度主要分為主線程和工作線程。主線程主要實現相關數據和圖像的顯示和上位機工作指令的下達；工作線程處理比較耗時的程序內容，提供了與下位機交互的接口，包括參數值的傳輸、接收雷達數據的獲取以及對該數據進行微多普勒頻移分離處理。

軟件的具體功能包括兩個：

1）配置下位機的工作參數，包括脈沖重復頻率、發射波中心頻率和探測范圍（0～10 m 可調）等，然后實現對雷達回波數據的實時采集和圖像顯示。

2）對錄制的雷達回波數據進行回放和深入分析，可選擇顯示原始波形和處理后的雷達波形，并且可導出雷達數據幀文件。

2 系統測試及結果分析

2.1 目標位置測試

在雷達輻射方向上的不同位置放置A4 紙大小、厚度為1 cm 的書本，可以從上位機軟件上觀測到相應的回波信號圖像，得到的測試結果截圖如圖7 所示。

圖7 目標距離測試結果截圖

由雷達回波圖像可以看出，左側的回波為由發射機直接耦合到接收機的超寬帶脈沖，右側的回波為發射機輻射到書本反射回來的脈沖。將雷達回波的時間尺度轉換為距離尺度，可知該圖像反映的書本距雷達的距離在0.55～0.6 m 的范圍內，有效地表征出目標的位置信息。

通過多次測量與調整，可以測得本系統探測目標的距離分辨率可達到毫米級，符合高分辨率的要求。

2.2 目標微動檢測

由于人體的呼吸會使胸腔具有起伏的微動特征，因此針對系統的微動測試實驗，選擇測量成人呼吸的特征參數。首先使目標坐在距雷達40 cm 處，靜止面向發射與接收天線，在其正常呼吸的狀態下，獲取1 min 內的雷達采集數據。經過濾波分離可得呼吸的信號圖像，如圖8 所示。

圖8 呼吸信號圖像

經計算，呼吸頻率為15 次/min，與實際結果相同。實驗證明，該微多普勒雷達系統可以實現目標微動特征的提取與識別。

3 結 語

本文基于脈沖超寬帶技術設計了一款輕小型化的微功率微多普勒雷達系統，通過對關鍵性能指標進行改進，能夠準確地探測和識別微動目標的位置及微動特征。測試結果表明，該雷達具有分辨率高、功耗低、便于集成等優點，為探測領域提供了一套精良的微動目標識別系統。