孫 浩 ，謝義方 ，馬淑香

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)會(huì)使雷達(dá)接收機(jī)接收到的回波信號(hào)頻率相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的頻率發(fā)生偏移，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。除了目標(biāo)主體移動(dòng)外，目標(biāo)或目標(biāo)上的某些部分若存在相對(duì)于目標(biāo)主運(yùn)動(dòng)方向的機(jī)械振動(dòng)或擺動(dòng)，則回波信號(hào)的頻率將被調(diào)制，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為微多普勒效應(yīng)。微多普勒效應(yīng)從頻率上體現(xiàn)目標(biāo)微動(dòng)的雷達(dá)特征，反映多普勒頻移的瞬時(shí)特性，表征目標(biāo)微動(dòng)的瞬時(shí)徑向速度[1]。

雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在無(wú)線傳感中的應(yīng)用已有多年，自從微多普勒效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以后，針對(duì)微動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的雷達(dá)技術(shù)的研究不斷取得新的進(jìn)展。經(jīng)過(guò)研究者們辛勤的探索，微多普勒效應(yīng)在雷達(dá)中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，包括對(duì)噴氣式飛機(jī)目標(biāo)的探測(cè)[2]、對(duì)行人擺臂動(dòng)作的識(shí)別[3]以及對(duì)非視距環(huán)境下生命體征的監(jiān)測(cè)[4?5]等。

相對(duì)于傳統(tǒng)的窄帶雷達(dá)，超寬帶雷達(dá)具有空間分辨率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、穿透能量強(qiáng)、平均功耗低等優(yōu)點(diǎn)[6?7]。脈沖超寬帶雷達(dá)采用脈沖技術(shù)，使用占空比低、寬度極窄的高頻脈沖信號(hào)作為探測(cè)媒介，可以獲得更大的微多普勒頻移，幫助獲得目標(biāo)更多的物理特征[8?12]。本文設(shè)計(jì)了一種超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)，探測(cè)精度高達(dá)毫米級(jí)，在減小體積和降低功耗等方面不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了輕小型化、微功耗的技術(shù)要求，并綜合雷達(dá)系統(tǒng)完整性的考慮，設(shè)計(jì)了一款上位機(jī)軟件，可對(duì)雷達(dá)功能參數(shù)進(jìn)行靈活地配置和調(diào)整，并且可實(shí)時(shí)顯示雷達(dá)回波圖像和微動(dòng)信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)采用既笨重又龐大的波導(dǎo)器件，不便于集成到智能設(shè)備或自動(dòng)化系統(tǒng)中[10]，而隨著微波與射頻技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)探測(cè)的性能不但得到提升，而且信號(hào)產(chǎn)生與接收等功能都可以集成在一個(gè)芯片上，大大減輕了系統(tǒng)重量并且降低了成本。本文采用挪威Xethru 公司生產(chǎn)的X2 芯片作為脈沖超寬帶雷達(dá)的發(fā)射和接收單元。芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 X2 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該芯片可通過(guò)四線串行外設(shè)接口（SPI）進(jìn)行配置，并具有可通過(guò)SPI 訪問(wèn)的存儲(chǔ)器緩沖區(qū)，用來(lái)輸出接收的回波數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的接收機(jī)包括一個(gè)低噪聲放大器（LNA），一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），256 個(gè) 1 bit 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和256 個(gè)32 位數(shù)字積分器。X2 的發(fā)射機(jī)包含一個(gè)高階高斯近似脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器能夠在6～10.2 GHz 頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生和傳輸高帶寬脈沖，重復(fù)頻率高達(dá)100 MHz。接收機(jī)采用多取樣器并聯(lián)延時(shí)采樣的方法提高采樣率，并且與發(fā)射機(jī)緊密集成，旨在對(duì)接收到的能量進(jìn)行相干積分。X2 的系統(tǒng)功耗低至120 mW 以下，并且理論上可達(dá)毫米級(jí)的距離分辨率，符合微功耗高精度的技術(shù)要求。

本文設(shè)計(jì)的超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)框圖，如圖2 所示。

首先由主控制單元（MCU）控制和協(xié)調(diào)各個(gè)模塊間的工作，由電源管理單元負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的電源供應(yīng)。接收到MCU 發(fā)出的指令后，X2 產(chǎn)生超寬帶脈沖，經(jīng)發(fā)射電路處理送往發(fā)射天線輻射到空間中，輻射電磁波照射到目標(biāo)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(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)到RAM 中并發(fā)送至PC 機(jī)。最終，上位機(jī)軟件對(duì)雷達(dá)的接收幀數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理和圖形化顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)微動(dòng)目標(biāo)探測(cè)的目的。

圖2 系統(tǒng)框圖

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件頂層設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)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(shè)計(jì)圖如圖3 所示。MCU 除了連接USB 接口與I/O 擴(kuò)展口外，還采用四線SPI、外部時(shí)鐘和中斷信號(hào)線控制RF 模塊，再通過(guò)使能端以及線性時(shí)鐘和數(shù)據(jù)端口控制POWER 模塊。RF 模塊分別通過(guò)2 個(gè)SMA 射頻頭發(fā)射和接收脈沖超寬帶信號(hào)。

圖3 硬件頂層設(shè)計(jì)

1.2.2 射頻前端設(shè)計(jì)

射頻前端主要包括超寬帶發(fā)射模塊和接收模塊。在發(fā)射電路的設(shè)計(jì)中，由X2 芯片輸出的射頻脈沖信號(hào)先經(jīng)過(guò)衰減器，再由寬帶低噪放大器放大，最后經(jīng)帶通濾波器濾波輸出，鏈路中分別由3 個(gè)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(duì)小信號(hào)的增益有20 dB，并且芯片的長(zhǎng)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(fā)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(gè)硬件系統(tǒng)的體積。

1.2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)需要為ARM、RAM、X2、放大器、濾波器等器件供電，需要多個(gè)幅值的電壓供給。考慮到硬件系統(tǒng)的輕小型化和低功耗的要求，本設(shè)計(jì)選用TI 公司的電源管理芯片LP8725，該芯片集成了2 個(gè)高效率的DC?DC轉(zhuǎn)換器、3 個(gè)數(shù)字 LDO、3 個(gè)低噪模擬 LDO 和 2 個(gè) LILO 穩(wěn)壓器，滿足本系統(tǒng)所需多幅值的電源供給需求。并且LP8725 可通過(guò)線性接口配置電源啟動(dòng)序列，便于調(diào)整各個(gè)模塊的上電順序。通過(guò)對(duì)電源管理單元外圍電路的設(shè)計(jì)與調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)各個(gè)器件供電的目的。

1.2.4 PCB 設(shè)計(jì)

在整個(gè)PCB 的設(shè)計(jì)中，集中對(duì)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(shí)也注意到擴(kuò)展性的要求，實(shí)現(xiàn)了可集成程度高的優(yōu)勢(shì)。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(shí)物圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 微多普勒特征提取

目標(biāo)物體的微動(dòng)可對(duì)照射到該物體表面的電磁波進(jìn)行頻率調(diào)制，通過(guò)對(duì)接收回波頻移分量的提取，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)微動(dòng)特征的識(shí)別。對(duì)于物體距離雷達(dá)的徑向距離，可以用R(t)表示：

式中：R0為目標(biāo)距雷達(dá)的初始距離；vR是目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的徑向速度；x(t)為目標(biāo)或目標(biāo)上的某些部分相對(duì)于目標(biāo)主運(yùn)動(dòng)方向的機(jī)械振動(dòng)或擺動(dòng)的時(shí)變偏離。而對(duì)于一般的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以用sT表征：

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

式中：τ(t)為回波相對(duì)于發(fā)射波的延時(shí)時(shí)間；φ(t)為回波相位。此時(shí)，令回波的瞬時(shí)頻率為finst，則：

從結(jié)果中可以看出，瞬時(shí)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(hào)微多普勒頻移通過(guò)數(shù)字濾波的辦法提取出來(lái)，便可有效地分析和識(shí)別目標(biāo)的微動(dòng)特征。

1.3.2 下位機(jī)工作流程

本系統(tǒng)下位機(jī)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(wù)，協(xié)調(diào)各個(gè)硬件模塊之間的工作，以及提供雷達(dá)接收幀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸接口，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的功能。具體的工作流程如圖5 所示。

圖5 下位機(jī)工作流程

首先初始化ARM 主控制單元，令MCU 發(fā)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(jù)指令配置X2 的相關(guān)寄存器，調(diào)整工作參數(shù)，如發(fā)射信號(hào)的中心頻率和脈沖重復(fù)頻率等；然后X2 開(kāi)始工作，發(fā)射機(jī)發(fā)射超寬帶脈沖信號(hào)并通過(guò)射頻前端電路處理后輻射到空間中，接收機(jī)再接收目標(biāo)物體的反射波，進(jìn)行濾波放大處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后成為雷達(dá)接收幀數(shù)據(jù)；最后ARM 通過(guò)SPI 訪問(wèn)X2 的存儲(chǔ)區(qū)，獲取雷達(dá)接收幀，并存儲(chǔ)至SRAM 中，直至SRAM 存滿。

1.3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)下位機(jī)的工作流程，以及操作界面簡(jiǎn)潔美觀的要求，本文開(kāi)發(fā)了一款人機(jī)友好的上位機(jī)軟件，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的配置和接收數(shù)據(jù)處理與圖形化顯示等功能。開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用 Linux（Ubuntu 16.04）環(huán)境下的 Qt 5.9，編程語(yǔ)言使用C++，程序流程如圖6 所示。

圖6 上位機(jī)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(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像的顯示和上位機(jī)工作指令的下達(dá)；工作線程處理比較耗時(shí)的程序內(nèi)容，提供了與下位機(jī)交互的接口，包括參數(shù)值的傳輸、接收雷達(dá)數(shù)據(jù)的獲取以及對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行微多普勒頻移分離處理。

軟件的具體功能包括兩個(gè)：

1）配置下位機(jī)的工作參數(shù)，包括脈沖重復(fù)頻率、發(fā)射波中心頻率和探測(cè)范圍（0～10 m 可調(diào)）等，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和圖像顯示。

2）對(duì)錄制的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和深入分析，可選擇顯示原始波形和處理后的雷達(dá)波形，并且可導(dǎo)出雷達(dá)數(shù)據(jù)幀文件。

2 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 目標(biāo)位置測(cè)試

在雷達(dá)輻射方向上的不同位置放置A4 紙大小、厚度為1 cm 的書(shū)本，可以從上位機(jī)軟件上觀測(cè)到相應(yīng)的回波信號(hào)圖像，得到的測(cè)試結(jié)果截圖如圖7 所示。

圖7 目標(biāo)距離測(cè)試結(jié)果截圖

由雷達(dá)回波圖像可以看出，左側(cè)的回波為由發(fā)射機(jī)直接耦合到接收機(jī)的超寬帶脈沖，右側(cè)的回波為發(fā)射機(jī)輻射到書(shū)本反射回來(lái)的脈沖。將雷達(dá)回波的時(shí)間尺度轉(zhuǎn)換為距離尺度，可知該圖像反映的書(shū)本距雷達(dá)的距離在0.55～0.6 m 的范圍內(nèi)，有效地表征出目標(biāo)的位置信息。

通過(guò)多次測(cè)量與調(diào)整，可以測(cè)得本系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)的距離分辨率可達(dá)到毫米級(jí)，符合高分辨率的要求。

2.2 目標(biāo)微動(dòng)檢測(cè)

由于人體的呼吸會(huì)使胸腔具有起伏的微動(dòng)特征，因此針對(duì)系統(tǒng)的微動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，選擇測(cè)量成人呼吸的特征參數(shù)。首先使目標(biāo)坐在距雷達(dá)40 cm 處，靜止面向發(fā)射與接收天線，在其正常呼吸的狀態(tài)下，獲取1 min 內(nèi)的雷達(dá)采集數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)濾波分離可得呼吸的信號(hào)圖像，如圖8 所示。

圖8 呼吸信號(hào)圖像

經(jīng)計(jì)算，呼吸頻率為15 次/min，與實(shí)際結(jié)果相同。實(shí)驗(yàn)證明，該微多普勒雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)微動(dòng)特征的提取與識(shí)別。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于脈沖超寬帶技術(shù)設(shè)計(jì)了一款輕小型化的微功率微多普勒雷達(dá)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，能夠準(zhǔn)確地探測(cè)和識(shí)別微動(dòng)目標(biāo)的位置及微動(dòng)特征。測(cè)試結(jié)果表明，該雷達(dá)具有分辨率高、功耗低、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，為探測(cè)領(lǐng)域提供了一套精良的微動(dòng)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)。