移動(dòng)目標(biāo)的微波探測(cè)技術(shù)

常用的微波探測(cè)器是借助微波多普勒效應(yīng)探測(cè)布防區(qū)域內(nèi)是否存在移動(dòng)目標(biāo)。探測(cè)器內(nèi)的主要微波組件為微波傳感器，其工作頻率多選擇在微波的S-波段，X-波 段，K-波段，常用微波傳感器的技術(shù)構(gòu)成分為平面微帶型和波導(dǎo)諧振型。我們探討微波傳感的技術(shù)構(gòu)成、頻段選擇對(duì)移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)的影響，希望對(duì)探測(cè)器的選型和 使用有一定的幫助。

微波是指頻率在300MHz-300GHz范圍內(nèi)極高頻電磁波，其波長(zhǎng)范圍從1m到1mm。微波具有直線（視距）傳播，不受其他電磁波干擾，頻帶寬，系統(tǒng) 體積小等特點(diǎn)，首先在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。微波技術(shù)另一最重要應(yīng)用當(dāng)屬雷達(dá)，使用微波雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)距離飛行目標(biāo)測(cè)速，測(cè)距，測(cè)方位早在第二次世界大戰(zhàn)中就已 成功應(yīng)用。

隨著微波半導(dǎo)體技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，微波技術(shù)的物理實(shí)現(xiàn)不僅十分簡(jiǎn)單、廉價(jià)，而且體積甚小，各種物體探測(cè)裝置中都可以放進(jìn)火柴盒大小的微波傳感器，成為目標(biāo) 探測(cè)裝置中常見(jiàn)的組件。不同于紅外探測(cè)器，這種微波組件對(duì)各種可以反射微波的物體都很敏感，且不受環(huán)境溫度的影響，因此廣泛用于工業(yè)、交通及民用裝置中， 如車輛測(cè)速、液位測(cè)定、自動(dòng)門、自動(dòng)燈、自動(dòng)盥洗、生產(chǎn)線物料探測(cè)、倒車?yán)走_(dá)等。報(bào)警產(chǎn)品中微波探測(cè)器使用這種微波傳感器組件，配合周邊的電子器件，基于 多普勒效應(yīng)的應(yīng)用就構(gòu)成了移動(dòng)目標(biāo)微波探測(cè)器，即多普勒雷達(dá)。

微波探測(cè)器所使用的多普勒雷達(dá)主要類型為連續(xù)波（CW）多普勒雷達(dá)。

1、多普勒效應(yīng)

1.1、多普勒頻移

電磁波或聲波頻率因饋元本身或/和目標(biāo)物相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的頻率改變稱為多普勒頻移，或稱多普勒效應(yīng)。站在月臺(tái)聽(tīng)到進(jìn)站火車汽笛聲調(diào)變化的現(xiàn)象就是最好的多普勒效應(yīng)體驗(yàn)。當(dāng)火車迎你而來(lái)時(shí)，汽笛的頻率會(huì)提高，聲音變尖，反之亦然。

由多普勒效應(yīng)得知，固定安裝的雷達(dá)發(fā)出的固定頻率微波，遇到靜止物體產(chǎn)生的反射波其頻率并不改變，遇到運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的反射波將會(huì)發(fā)生多普勒頻移，頻率的改變類似相對(duì)速度的計(jì)算，圖1-1是多普勒頻移的計(jì)算。

圖中：V = 汽車行駛速度
C = 微波行進(jìn)速度，300,000Km/S
λt = 發(fā)射波微波波長(zhǎng)
λr = 反射波微波波長(zhǎng)

1.2、多普勒信號(hào)和多普勒頻率

多普勒雷達(dá)在發(fā)射微波信號(hào)的同時(shí)接受反射波信號(hào)，并將兩者相混差頻產(chǎn)生一個(gè)新的低頻信號(hào)，稱多普勒信號(hào)，其頻率稱為多普勒頻率，是發(fā)射頻率和反射頻率之差。

多普勒頻率 = |發(fā)射頻率 – 反射頻率| = |1/λt - 1/λr| = |ft - fr|
報(bào)警器多普勒雷達(dá)如果檢測(cè)到多普勒信號(hào)則判定有移動(dòng)目標(biāo)存在。

針對(duì)不同的使用場(chǎng)合，可以選用不同頻段的多普勒雷達(dá)，常用報(bào)警器產(chǎn)品的多普勒雷達(dá)工作頻率選擇在X-頻段（10.525GHz），隨著技術(shù)進(jìn)步，最新的產(chǎn)品其多普勒雷達(dá)開始使用更高頻段的K-波段頻率（24.125GHz）。對(duì)于這兩個(gè)頻段，如果目標(biāo)移動(dòng)速度不超過(guò)百公里，多普勒頻率的變化范圍是 0-5000Hz。在此范圍內(nèi)多普勒頻率和目標(biāo)移動(dòng)速度大體呈線性關(guān)系。下面是K-波段（24.125GHz）和X-波段（10.525GHz）多普勒頻率與目標(biāo)速度關(guān)系圖。

從圖中可以看出，對(duì)于同一運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，K-波段多普勒頻率是X-波段的2.3倍，這對(duì)于探測(cè)運(yùn)動(dòng)速度低于兩公里的目標(biāo)十分有利。S-波段的雷達(dá)由于波長(zhǎng)超過(guò)10CM，對(duì)于較小運(yùn)動(dòng)目標(biāo)不產(chǎn)生多普勒信號(hào)，適合需要防止諸如鼠類引起誤報(bào)的場(chǎng)合使用。

2、連續(xù)波（CW）多普勒雷達(dá)

多普勒雷達(dá)有多種類型，其中脈沖多普勒雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波多普勒雷達(dá)不但可以測(cè)出目標(biāo)的速度、距離、方位，甚至能夠同時(shí)跟蹤、區(qū)分出多個(gè)目標(biāo)的移動(dòng)情況，這些雷達(dá)需要配合精密的伺服系統(tǒng)和后處理技術(shù)，系統(tǒng)復(fù)雜造價(jià)高，多用于軍事、航空、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域。

報(bào)警器采用的連續(xù)波多普勒雷達(dá)，只能測(cè)到目標(biāo)的移動(dòng)速度，不能測(cè)到目標(biāo)距離和方位。這種雷達(dá)構(gòu)成簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，適合大規(guī)模推廣使用。從技術(shù)構(gòu)成來(lái)看，多數(shù)產(chǎn)品使用的是經(jīng)濟(jì)型平面微帶多普勒雷達(dá)，較好的產(chǎn)品則使用專業(yè)級(jí)波導(dǎo)諧振多普勒雷達(dá)。

3、平面微帶介質(zhì)諧振多普勒雷達(dá)（平面微帶雷達(dá)）

報(bào)警器使用的平面微帶雷達(dá)生產(chǎn)成本低廉，勿需昂貴的檢測(cè)加工手段，適合裝配經(jīng)濟(jì)型報(bào)警探頭。微帶雷達(dá)由三部分組成，傳感器模塊，多普勒信號(hào)調(diào)理電路，決策控制部分，見(jiàn)圖2-13。

圖2-11是平面微帶傳感器模塊結(jié)構(gòu)照片，圖2-12是模塊的工作原理圖，圖2-13是微帶雷達(dá)的原理構(gòu)成。

3.1、平面微帶雷達(dá)的微波場(chǎng)強(qiáng)分布

平面微帶傳感器天線設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性使得微波場(chǎng)強(qiáng)分布很難規(guī)則，安裝使用這一類型的探頭應(yīng)給予特別的注意，盡可能避免誤報(bào)、漏報(bào)。

對(duì)于雙鑒探頭而言，我們希望微波探測(cè)范圍與紅外探測(cè)范圍盡可能吻合，圖3-11A實(shí)線區(qū)域是微帶天線水平方向場(chǎng)強(qiáng)分布，圖3-11B實(shí)線區(qū)域是微帶天線垂 直方向場(chǎng)強(qiáng)分布。顯而易見(jiàn)微波的場(chǎng)強(qiáng)分布與紅外探測(cè)區(qū)域（虛線）有較大出入，由此形成了微波探測(cè)可能的誤報(bào)區(qū)域和漏報(bào)區(qū)域。

微波對(duì)建筑物墻體有穿透能力，泄漏到墻外的微波對(duì)設(shè)防區(qū)域以外的移動(dòng)目標(biāo)發(fā)生作用時(shí)，可能造成隔墻誤報(bào)，安裝這類探頭時(shí)應(yīng)認(rèn)真選擇安裝位置，避免誤報(bào)。圖3-12是隔墻誤報(bào)的示意。

3.2、多普勒信號(hào)的處理

微波傳感器模塊輸出的多普勒信號(hào)十分微弱，需要放大數(shù)千倍才能做進(jìn)一步的處理。此外，放大的同時(shí)還必須使信號(hào)通過(guò)一個(gè)低頻帶通濾波器，目的是去掉高頻和甚低頻干擾。

圖3-21示出多普勒信號(hào)、帶內(nèi)干擾信號(hào)、高頻干擾信號(hào)、低頻干擾信號(hào)通過(guò)帶通濾波器前后的情況?？梢钥吹?，高、低頻干擾信號(hào)受帶通濾波器的阻隔不能通 過(guò)，但放大多普勒信號(hào)的同時(shí)，頻率落在帶內(nèi)的干擾信號(hào)也被放大通過(guò)。為了分離有用的多普勒信號(hào)，決策控制部分通常會(huì)加入自適應(yīng)門限控制算法來(lái)切除漏過(guò)帶通 濾波器的干擾信號(hào)，這種算法是通過(guò)分析信號(hào)幅度的大小來(lái)區(qū)分多普勒信號(hào)和干擾信號(hào)的。顯然，當(dāng)多普勒信號(hào)的幅度不敵干擾信號(hào)時(shí)，就無(wú)法探測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)了。

多普勒信號(hào)中干擾成分源自幾種可能：

電源及熱電噪音干擾?？梢該Q用低噪元件加以改善，成本因此增加。

振蕩器諧波混頻干擾。振蕩器品質(zhì)因素（Q值）不好，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)諧波成分，如果發(fā)射天線不做抑制，這些諧波成分相互混頻，會(huì)在低頻段產(chǎn)生虛假多普勒信號(hào)。平 面微帶雷達(dá)采用壓電陶瓷作為諧振介質(zhì)，因陶瓷介質(zhì)對(duì)電磁波造成損耗，其Q值不及波導(dǎo)諧振腔振蕩器。為了抑制虛假多普勒信號(hào)，配合平面微帶傳感器的工作，低 通濾波器低端截止頻率會(huì)取得高一些，有可能造成緩慢移動(dòng)目標(biāo)的漏報(bào)。

設(shè)防區(qū)域存在規(guī)則運(yùn)動(dòng)物體（如吊扇）造成的干擾。通常的門限算法對(duì)信號(hào)的幅值分析很難排除這樣的干擾，一種做法是對(duì)多普勒信號(hào)做進(jìn)一步的頻域分析將干擾區(qū)分開來(lái)。

另外，正因?yàn)槠矫嫖Ю走_(dá)固有干擾較大，較遠(yuǎn)回波不能測(cè)到，探測(cè)距離受到限制。

4、波導(dǎo)諧振多普勒雷達(dá)(波導(dǎo)諧振雷達(dá))

波導(dǎo)諧振雷達(dá)的原理構(gòu)成與平面微帶雷達(dá)相同，但傳感器、信號(hào)調(diào)理、決策控制等部件的技術(shù)設(shè)計(jì)有較大區(qū)別。

4.1、波導(dǎo)諧振傳感器

報(bào)警器使用的傳感器屬微功率微波部件，通常采用一體化結(jié)構(gòu)，包含振蕩器、發(fā)射天線、接收天線、混頻器等四部分組成（參考圖2-12）。

作為微功率雷達(dá)饋源的核心，微波振蕩器多采用耿式振蕩器。利用砷化鎵耿式二極管在低壓電場(chǎng)下的負(fù)阻效應(yīng)，很容易構(gòu)成將直流電流轉(zhuǎn)換為微波段交變信號(hào)的振蕩 器。這種震蕩器的微波輸出功率可以做到從幾毫瓦到百毫瓦。實(shí)用中，數(shù)毫瓦的微波功率足可以使探測(cè)器的探測(cè)距離達(dá)十?dāng)?shù)米，這樣微弱的電磁輻射對(duì)人和物體不會(huì) 造成任何傷害，但在文博行業(yè)更愿意使用超聲雷達(dá)，以避免微波對(duì)文物微劑量持續(xù)輻射造成可能的積累作用傷害文物。

如果不加約束，耿式二極管工作于脈沖自由震蕩方式。為了獲得良好的震蕩參數(shù)，如頻率、頻率穩(wěn)定性、功率穩(wěn)定性、Q值（震蕩的簡(jiǎn)諧性），要對(duì)振蕩源周邊部件做良好設(shè)計(jì)，特別是諧振體的技術(shù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要?？梢赃x用的耿式振蕩器諧振方式有三種類型。

波導(dǎo)諧振型（Waveguide），諧振體是金屬空腔，腔體尺寸與微波波長(zhǎng)相關(guān)。波導(dǎo)諧振腔振蕩器是各種振蕩器中技術(shù)指標(biāo)最理想的。這種波導(dǎo)類型的諧振腔、天線等零件需要用不脹鋼精密鍛造，再配以鏡面碾壓工藝，生產(chǎn)、檢測(cè)成本很高，需要專業(yè)廠商提供。

同軸諧振型（Coaxial），仍然是諧振腔型，但加工工藝會(huì)簡(jiǎn)單些，技術(shù)指標(biāo)較波導(dǎo)諧振型略遜一籌，在報(bào)警探測(cè)器中未見(jiàn)采用。

平面微帶型（Planar Microstrip），設(shè)計(jì)原則是低成本條件下的適用性，這類模塊的生產(chǎn)成本不到波導(dǎo)諧振型模塊的1/40-1/60，但可以滿足使用要求不高的場(chǎng)合。 平面微帶型諧振體是圓柱形壓電陶瓷，陶瓷的介質(zhì)損耗限制了震蕩源的技術(shù)指標(biāo)。印板工藝蝕刻的銅箔天線平面排布，電磁波的場(chǎng)強(qiáng)分布很難控制（圖3-11）。 注意到個(gè)別產(chǎn)品將四片蝶型排布的天線化整為零，數(shù)百片微小銅箔排列成陣，規(guī)則相連，利用傳輸線延遲產(chǎn)生相控效應(yīng)，來(lái)約束場(chǎng)強(qiáng)分布，但實(shí)效不大。

圖4-11是一種雙鑒探測(cè)器中使用的24.125GHz專業(yè)級(jí)波導(dǎo)諧振傳感器。圖4-12是該傳感器場(chǎng)強(qiáng)分布，可以看出與紅外探測(cè)范圍近乎擬合。

4.2、緩慢移動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)

從圖1-2中看出K-波段多普勒頻率是X-波段的2.3倍，為什么提高微波頻率有利于探測(cè)緩慢移動(dòng)目標(biāo)，圖4-21用頻域分析圖示了其中的原因。

4.3、多普勒信號(hào)的頻域分析

使用波導(dǎo)諧振模塊所獲得的多普勒信號(hào)信噪比高，經(jīng)過(guò)放大調(diào)理后的多普勒信號(hào)其干擾成分較其他類型傳感器明顯減少，這樣的信號(hào)送往決策控制部分不僅可以做更 好的自適應(yīng)幅值控制，提高探測(cè)靈敏度，延伸探測(cè)距離，還可以對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步的頻域分析，了解移動(dòng)目標(biāo)深層次屬性，幫助排除現(xiàn)場(chǎng)規(guī)則運(yùn)動(dòng)物體造成的虛假警 情。

圖4-31將頻率為f1和 f3 的兩個(gè)正弦信號(hào)做線性疊加，產(chǎn)生了一個(gè)非正弦信號(hào) f13 。由此逆推，圖3-21中所獲得的多普勒信號(hào)實(shí)際上是由 f1 和 f3 組成的，換言之，我們同時(shí)探測(cè)到了兩個(gè)移動(dòng)的目標(biāo)，并且，其中一個(gè)目標(biāo)移動(dòng)的速度是另一個(gè)目標(biāo)的3倍，這就看出頻域分析的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)用中可以采用快速富里葉變換專用DSP芯片來(lái)完成這一時(shí)域到頻域的變換。在探測(cè)器中可以更為簡(jiǎn)單地采用鎖相環(huán)綜合器技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，類似彩電自動(dòng)搜索 頻道那樣將視纜中“單一模擬信號(hào)”的所有頻點(diǎn)找出來(lái)，將看似單一的多普勒信號(hào)的復(fù)雜組成描繪成頻譜，為進(jìn)一步的分析奠定基礎(chǔ)。具體做法就是在決策控制器中 固化一個(gè)鎖向環(huán)綜合器算法，承擔(dān)多普勒信號(hào)的頻域轉(zhuǎn)換，并不斷地刷新這個(gè)頻譜分布，再將獲得的數(shù)據(jù)與固有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料比對(duì)，對(duì)移動(dòng)目標(biāo)作出正確的判斷。

圖4-32是目標(biāo)、吊扇、目標(biāo)加吊扇三種情況的多普勒信號(hào)波形（左邊）及相應(yīng)的頻譜（右邊）。

圖4-23中，通過(guò)比較，在時(shí)域（左邊），借助信號(hào)幅度的大小來(lái)區(qū)分吊扇和吊扇加目標(biāo)的復(fù)合信號(hào)是不容易的，但在頻域（右邊）則很容易將兩者區(qū)分開來(lái)。

以上我們較為深入地探討了微波探測(cè)器的工作原理、技術(shù)構(gòu)成、工作頻率等，現(xiàn)在我們了解到，在要求各不相同工程實(shí)踐中，正確選擇類型、波段適用的微波探測(cè)器至關(guān)重要，同時(shí)要做到恰當(dāng)安裝微波探測(cè)器，才能確保整個(gè)工程達(dá)到既定的技術(shù)指標(biāo)。