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警用穿墙雷达关键技术研究

一、穿墙雷达简介
在安防的各种场景中,一般采取各种传感器设备来拓展警察的能力,包括在听觉上引入了听力放大设备、在视频上的摄像头设备、一些红外、紫外、超声波的感应设备等等。但是视频等手段无法截获墙后面的情况,因此通过雷达手段来进行穿墙成像变成了一种有效的手段。基于UWB雷达技术的穿墙雷达在近10年来得到了快速的发展,特别是在反恐、城市攻坚战斗等环节,有着无法替代的作用。
UWB雷达技术的历史非常悠久,他是通过脉冲技术来实现发射的,原先主要是广泛用在军事的无线电通信、雷达、精确定位、成像、测距等方面。UWB就是超宽带,是指发射的脉冲信号在绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%的无线电技术。和传统的运营商的移动通信技术相比,具有抗干扰、大容量高速、功率低、抗多径等方面的优势。由于是脉冲发射,所以不需要载波,因此调制方式相比普通的移动通信技术要简洁。
二、穿墙雷达结构
穿墙雷达,首先要能穿墙,墙的厚度在小于等于30cm左右,其次是能够探测到内部一定距离范围内的人体信号,距离大约是小于5米。满足对室内多个人体探测的要求。通过发射和接收脉冲无线电信号在室内的反射,由于这种反射能够反应人体的呼吸、移动等动作,因此能够从这种信号中通过滤波等方式来分析出被探测的对象的情况。也可以说是一种人体活动的主动探测仪器,这种探测方式不会受到温度、湿度、声音、地下等因素的影响。下面就是一个完整的穿墙雷达的系统结构:



1、穿墙雷达发射机
发射机是UWB雷达系统的核心,UWB雷达的发射机是定时产生定向脉冲信号,因为脉冲信号的频宽直接影响了发射信号的频谱分量,而发射的频率决定了UWB雷达的穿透性能,频率越低,穿透性能越好,但是频率越低,会导致图像的分辨率变低,对测距和定位有影响。而脉冲的波幅决定了探测的距离,也就是说发射的功率越大,则穿透的距离越深,但是鉴于一般的建筑物的深度在4-6米之间,过大的发射功率意义不大。民用的器件由于成本的因素,决定了脉冲的频宽和发射功率相互制约的,在低功率的便携是UWB雷达的发射机可选用的有:隧道、阶跃恢复、双向负阻、雪崩晶体二级管,大功率ECL和电容等器件。

2、穿墙雷达接收机
接收机的性能直接决定了雷达的分辨率,UWB穿墙雷达的接收机是在一个时域上进行信号接受的,接收机的天线收到微弱的变周期的脉冲信号经过放大器和高速采样后送到模数变换器进行数字化,然后经过数字信号处理等步骤,然后再显示器上成像。因为是脉冲发射,不需要载波,所以省略了混频器和滤波的步骤。

当脉冲信号返回经过天线阵列接收到,经过收发器然后低噪放大之后,经过低通滤波然后是弄个如功率分配器变成2路信号,2路信号分布进行模拟采样,采样们输出信号后通过前置放大器放大并平滑波形,然后进行A/D模数变换和数字采样,组后处理完的数字信号经过信号处理模块进行处理。在这个过程中,对时钟的要求非常的高,要精确同步各个环节。

3、穿墙雷达天线
穿墙雷达的天线在工作的时候必须要紧贴在墙面上,不同频段的无线电在不同的材料中的传播能力不同,一般的经验数据,混凝土墙的穿透频率要求小于3GHz,而其他的墙的频率小于10GHz就行,因此,穿墙雷达的有效频率主要在3GHz以下就可以穿透所有的墙壁。当频率在2GHz以下时,常见墙体对无线电信号的衰减大约是4db左右。因为接收机最后需要收到反射的回波的,所以回波的衰减也是4db左右。UWB雷达的收发天线有如下要求:
天线对脉冲信号的支持度较强
天线的定向的能力强,波束宽度适中,天线的增益高
天线对雷达博的保真性支持比较好
天线能够承受比较大的发射功率
天线比较适合300HZ-3GHz的信号发射和接收



通过比较分析可以得知,UWB穿墙雷达对天线的适配情况是平面螺旋天线或者TEM喇叭状天线比较好,能够满足天线的发射要求、对宽频的支持力度好,而且设备可以便携性也比较好,UWB雷达不能像普通的军用雷达一样可以用很大的天线,所以必须在便携性上做出取舍。

三、穿墙雷达信号控制
考虑到雷达的分辨率和雷达的频宽,分布在0.3-3GHz以内的信号能够在穿墙之后有比较好的成像效果,分辨率相对比较高,但是这么宽的的频段上对采样的速度提出了很高的要求,基本上采样的带宽要接近6GHz,因此需要将信号的频宽进行缩小,这样降低采样器件的门槛要求。另外,采样的过程会引入噪声,所以需要通过多次的采样,然后对采样进行叠加变换可以去除绝大部分的噪声,以达到改善信噪比的结果。在这个过程中,对时钟晶振的选择也非常关键。

四、UWB雷达对人体的技术分析
UWB穿墙雷达的工作频段变化较宽,所以没法直接通过从回波中提取多普勒效应的频移来处理,多普勒效应适用在窄带雷达上进行物体检测,而UWB雷达需要考虑采用时域检测的方式,包括检测回波的多普勒时移技术等。通过在不同的时段上检测到的多普勒效应的变化来确定室内物体的位置和运动轨迹。在对穿墙雷达接收的的信号进行多普勒描绘,RCS序列分析、特征分析、一维成像、二维成像处理,在活动的物体或者在走动的物体就会被探测出来。在这部分的算法处理直接关系到屏幕上显示物体的清晰度和距离准确度。

五、总结
UWB穿墙雷达是UWB军用技术民用化的典型成功,这也是和采用DW1000这种UWB芯片的定位方案所不一样的地方,在定位的方案中只需要进行在时域上接收到脉冲信号,并且根据电磁波的速度和时间的公式进行计算,定位基站的天线是全向的天线,所以需要用3个定位基站来定位。而UWB雷达则需要对回波进行检测,所以发射功率要大很多,而且频宽也要大很多,在技术实现上还需要考虑多普勒效应等各种雷达成像技术,所以技术复杂度要高出定位几个数量级。
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