1、隐藏目标的超宽带雷达接收技术探讨 邓洪高 1夏彬彬 2耿光仁 2 （桂林电子工业学院 通信与信息工程系 541004） 摘 要：该文基于低频电磁波对非金属介质的强穿透性和UWB脉冲信号在距离向的高分辨特性，采用超宽带 （UWB）脉冲信号的低频部分实现穿墙探测的设想，研究了超宽带穿墙探测雷达的运动目标回波信号模型， 根据运动物体的多普勒频移原理，探讨采用相关接收技术实现非金属墙壁后面的运动物体的检测问题。 关键词：穿墙探测；模型；相关检测 The discussion of ultra-wideband radar receiver for hidden target detection Den
2、g Honggao Xia Binbin Geng Guangren ( Guilin university of electronic technology, communication and information Engineering department, 541004) Abstract： This paper firstly analyzes the property of the low frequency electromagnetic wave，which can penetrate many types of nonmetallic materials，and the
3、ability of Ultrawideband(UWB) impulse signal which has high range resolution Then the methods are discussed for conducting surveillance through walls， detecting and locating the moving persons behind the partitionsThe schematic diagram of ThroughWall Detecting Radar(TWDR)and the pulse-echo models of
4、 moving target are shown .Finally detection of moving target by detection of the Doppler shift of radiation scattered or reflected by the target when illuminated by such radiation is discussed，which implements by correlate detection technology. Key words： ThroughWall Detection；model；correlate detect
5、ion 引言： 超宽带雷达是正在研究中的一种雷达,它的应 用是比较广泛的.穿墙探测(Through wall Radar, TWR) 1 就是其中的一种，它可以对建筑或掩体内的 可疑目标（人）进行外部的非入侵式探测，并对建 筑物内的运动目标进行监测，因而能较大程度地提 高作战人员的侦察与探测、态势感知和生存能力。 本文首先根据UWB脉冲信号的低频部分对非金属墙 壁的穿透特性确定雷达的工作频率和发射信号形 式，其次讨论了超宽带信号照射到点目标和复杂目 标时的回波模型，然后根据相关检测理论设计该接 收机的关键部分，最后简单讨论了动目标的检测算 法。 一、雷达的工作频率和发射信号形式 图1所示是超宽
6、带雷达穿墙探测的工作示意 图， 单天线紧贴非金属墙壁， 由此可建立如下的TWR 回波模型 2 ： r(t)=m(t)+s(t)+n(t) （1） 其中：r(t)是天线接收的信号;m(t)是墙壁后面隐 藏运动目标的反射号;s(t)是墙壁后面隐藏静止目 标的反射信号;n(t)是空间杂波。 根据HAETC(Hughes Advanced Electro- 图1 穿墙探测的工作示意图 magnetic Technology Center)对电磁波在多种介 质中的穿透特性的测量研究 3 ，可知:在低频段，在 110GHz范围的电磁波在穿过混凝墙壁时衰减很 小，并且随着频率的降低，衰减也在减少，其中在 8
7、GHz时衰减大约为10dB，在2GHz时衰减将下降到 5dB以下。因此，低于10GHz的频率适合对砖块和混 凝土构筑的墙壁进行穿透探测，而在此范围内频率 越低穿透性能越好。 本设计采用无载频的脉冲信号，表示式如下： f(t)=6A 2 6() 3 t et e （2） http:/ 1上式中：A为脉冲的峰值振幅； 是决定脉冲时宽 的参数，本文中为1ns.其时域和频域的波形如图2 所示： -1 -0.5 0 0.5 1 x 10 -9 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 UWB Gaussian Monopulse in the time dom
8、ain Time in nanoseconds Unity-Amplitude 0 2 4 6 x 10 10 -80 -60 -40 -20 0 20 40 UWB Gaussian monopulse in the frequency domain Frequency in GHz Unity-Amplitude图2 发射脉冲的时域、频域波形 二、回波信号模型 假设雷达平台静止，点目标运动径向速度为v， 雷达发射信号f(t),接收到的回波信号r(t),信号 收发时刻时间延时 ，则有 4 ： r(t)=f(t- ) （3） 又因为运动的目标相对于雷达来说会产生多普勒 频移，即使反射回的信号载
9、时间尺度上发生变化， 设时间的变化因子为s，则回波信号： r(t)= s f(s(t- ) （4） 式中时间尺度s= v c v c + ,多普勒频移 d c v f。 然而对于穿墙雷达回波信号非常复杂 , 接收 机接收到的信号不再是发射信号的延迟和多普勒 频移, 而是整个目标的多个散射中心不同时延的 叠加。发射信号先经过一次墙面滤波, 穿透墙壁照 射到目标上, 再经过目标表面的多点散射, 散射 中心合成后再一次穿过墙壁, 和墙面及地面直达 波及外界噪声一起进入接收机。UWB雷达一般都具 有很高的分辨率, 在准光学区复杂目标被高分辨 探测信号照射时, 满足局部性原理, 即散射体的 散射点可以是
10、孤立的, 孤立的散射点称为多散射 中心, 散射体总的散射场可由各散射中心的散射 场叠加而成.基于散射中心的目标模型可表示为 5 ) ( ( ) ( ) , ( 1 1 i L i i t t a t h = =, (5) c l t / 0 max 式中: ) ( i a 和 ) ( i t 分别为散射中心信号的 强度和时延； 为观测方位角；L 为散射中心数； 为雷达目标最大纵向尺寸；c 为光速。 max l 目标模型式(5)并不能完整描述穿墙雷达回波 信号, 必须加入墙面滤波作用及外界噪声。改进的 雷达回波信号模型可表示为 212 r(t, )=f(t)* h ( t, )* h ( t,
11、)*h ( t, )+n(t) （6） 式中：f(t)为发射信号波形； ( t, 2 h )为等效 墙面滤波器；n(t)为外加噪声。 三、接收机的设计 本设计中的超宽带雷达接收机 6 的大概框图如 图3所示： 图3 接收机框图 图中：U1为模拟乘法器；Z1为低通滤波器；Z2为高通滤波 器；A1为积分放大器；U1和Z1构成相位检测器 设计思想：用准备好的模板波形(发射端经过一系列延时 后的脉冲波形)乘以接收到的射频信号，通过低通滤波器 Z1(削弱高次谐波或高频干扰和噪声)、高通滤波器Z2(削 弱直流分量和低频成分)，再积分。如果在雷达工作区内 没有运动的物体，信号被静止的物体和一些基本的表面散
12、射，此时相位检测器的输出端的参考信号将在每个重复脉 冲周期内保持相同的幅度和极性。这种目标放大器检测出 的这些脉冲将表现为一定值部分。如果一个运动物体出现 在雷达工作区，被物体散布的信号和参考信号间的相位的 不同与物体的速度成比例，并且每个周期都不同。在相位 检测输出端，脉冲的幅度和极性也都将变化。目标放大器 U1-Z2将这些脉冲分开。同时一个符号变化的信号也就在 放大器输出端形成。这个信号的频率与物体的速度成比 例。 相乘和积分只发生在脉冲持续时间内， 间歇期则没有。 处理过程一般在不到1ns的时间内完成。模板波形匹配时 的输出结果量度了接收到的单周期脉冲和模板波形的相 对时间位置差，从而可
13、得到非金属墙壁后隐藏活动目标 距离雷达天线的距离。 http:/ 2关键部分设计： 1、 延时器的实现 根据需要，要实现纳秒级的延时(至多1ns)， 用一般的门电路式很难实现的；CMOS电路的延时也 在3个纳秒左右；利用可编程器件(FPGA,CPLD等)， 由于其本身的条件的限制，也是很难实现。这样我 们在这里提出了一种变相实现纳秒级延时的方法， 如图4所示： 图4 纳秒级延时器 2、 滤波器的实现 由于人体的运动速度一般在10m/s的范围内， 当探测雷达静止时， 运动中的人体 （隐藏活动目标） 相对于雷达的多普勒频移应该在 30Hz 左右，所以 滤波器的设计我们采用有源滤波器，如图5所示：
14、图5 滤波器的设计 3、 模拟乘法器的实现 乘法器的种类很多，现在市场上也出现了很多成 品，在这里我们采用的是相关接收理论中最常用的 一种模拟乘法器：吉尔伯特乘法器 7 ，其大体框架 如图6所示: 图6 吉尔伯特乘法器 经过U1、Z1、Z2后的波形已经是低频信号， 频率在 30Hz 左右，所以对于积分放大器和 A/D 转 换器是很容易实现的，在这里不做介绍。 四、结束语 超宽带穿墙探测雷达是国内外学者研究的热 点之一。在国内，发射部分已经比较成熟，但是接 收部分还是比较欠缺，尽管很多高校和科研机构都 做了一些关于这方面的接收机，但是相关接收却一 直很难实现，还有待进一步的探讨。 参 考 文 献
15、 1 “RadarVision”, Time Domain Corporation, 6 Mar 2005, . 2宋华,李禹. 超宽带穿墙探测雷达的运动目标 检测技术. 电讯技术,2004,134-138. 3 DavidDFerrisJr，Nicholas CCurrie， Microwave and millimeterwave systems for wall penetration，Part of the SPIE COUference on Targets and Backgrounds：Characterization and Representation IV，Orlando，
16、Florida，SPIE Vo13375，1998，269279. 4黎海涛, 徐继麟. 超宽带线性调频雷达回波模 型J .电波科学学报, 1999, 14 (4) : 440- 444. 5 朱亚平,沈庭芝等. 穿墙雷达系统中信号检测 的新算法.北京理工大学学报,2005,79-83. 6 Iqor Ya.Immoreev. Ultra Wide Band Radar for Remote Detection and Measuring Parameters of Moving Targets at Short Distances. www.uwbgroup.ru/eng/ourworks/uwbradar_2/ch apt1.htm 7 Chunjiang Tu, Boan Liu, Hongyi Chen. An Analog correlator for ultra-wideband receiver. EURASIP Journal on Applied Signal Processing 2005:3, 455461. 邓洪高 男，1979 年出生，桂林电子工业学院在读 研究生。研究方向：基于UWB的隐藏活动目标检测 接收装置 http:/ 3
