基于微功率脈沖雷達(Micro power Impulse Radar)的運動傳感器可作為防盜報警器,隱蔽地安裝在房屋的天花板上,它可以穿過天花板探測指定區(qū)域內(nèi)人體的移動。微功率脈沖雷達的微功率、低成本等特性要求其具體電路設(shè)計必須要有其自身的特點。 

1 MIR運動傳感器實現(xiàn)原理 

    MIR運動傳感器由發(fā)射單元、接收顯示單元和天線三部分組成,如圖1所示。發(fā)射部分是從脈沖振蕩產(chǎn)生(1.8MHz,占空比50%),窄脈沖成形(脈寬幾十納秒),最后經(jīng)階躍二極管成形脈寬為400ps左右的快脈沖,由偶極子超寬帶天線發(fā)射出去;接收部分采用相關(guān)取樣的辦法,提取從目標反射回來的超寬帶信號,由取樣延遲、取樣門信號產(chǎn)生、積分取樣、寬帶信號放大、帶通濾波和顯示部分組成。 

    取樣延遲是將發(fā)射部分的窄脈沖信號延遲,經(jīng)快脈沖成形后作為相關(guān)接收機的參考信號。取樣門寬的脈沖寬度決定傳感器的空間分辨率,根據(jù)具體需要可取100ps～400ps。積分取樣是將天線接收的微弱的、被目標反射的超寬帶信號進行積分,從而提高信噪比。對于重復(fù)頻率為1MHz的發(fā)射脈沖,如果積分時間常數(shù)取1毫秒,將有10000個脈沖在積分器被平均。被平均的接收信號經(jīng)過放大1000倍后,通過一個帶通濾波器就可以將信號檢測出來。對于人體運動的檢測,其上、下截止頻率可分別取0.1Hz和10Hz。 

    電路見圖2。圖2中較有特色的是發(fā)射端的“電感激勵快脈沖成形”和“相關(guān)檢測電路”。在該電路的印制板設(shè)計中,必需考慮分布參數(shù),并采用微帶工藝。 

1.1 電感激勵快脈沖成形  

    階躍恢復(fù)二極管是一種特殊的變?nèi)莨?又稱作階躍二極管。它在突變電壓激勵下,能產(chǎn)生持續(xù)時間極短的快脈沖,一般用于十倍以上的倍頻。 

    D1、D2為階躍二極管,L1、L2為微帶電感(nH級)。該電路可以激勵輸入為窄脈沖的方波,成形為皮秒級的快脈沖。其中一路用于發(fā)射脈沖,另一路延遲快成形后用于取樣門信號。在該電路的具體參數(shù)選擇中,脈沖寬度和脈沖幅度是一對矛盾,即為追求較窄的脈沖寬度,必須以犧牲輸出脈沖幅度為代價,降低輸出的平均功率。 

    經(jīng)過多次電路試驗,得到了上升沿小于350ps左右的脈沖源(見圖3),脈沖底寬小于800ps。在實際運動傳感器參數(shù)選擇中,主要考慮信號頻譜匹配于天線的帶寬(500MHz～1.4GHz),同時要考慮有盡可能大的輸出幅度。 

1.2 微功率脈沖雷達信號的相關(guān)檢測電路 

    是否能在微瓦級發(fā)射功率的條件下檢測到被測物體微弱的反射信號是接收系統(tǒng)的關(guān)鍵。相關(guān)檢測的優(yōu)點是它以相對于參考信號的形式積累被接受信號,可以產(chǎn)生大于噪聲電平輸出信號。 

    圖2中,當無天線信號時,A點電平為偏置基準電平,為50mV～150mV。當接收天線接收到物體反射信號時,信號在C₁偏置電平的基準上充電。此時取樣門的負信號經(jīng)Cp使D導(dǎo)通,物體的反射信號按信號的重復(fù)周期和取樣脈沖信號脈寬多次充放電,在A點平均并能很好地抑制外來噪聲,此電壓經(jīng)A1運放輸出,其波形時間關(guān)系如圖4所示。 

2 微功率脈沖雷達運動傳感器探測實驗 

    對所完成的運動傳感器系統(tǒng)主要做了兩種試驗:(1)不同材質(zhì)目標探測和分辯率試驗;(2)穿透性試驗。實驗(1)選用多種材質(zhì)(金屬、木材、人體等)。實驗表明:其探測靈敏度和材料的介電常數(shù)ε成正比,和目標的體積成正比。 

    穿透性試驗以檢驗傳感器系統(tǒng)的穿透性為目的,這也是超寬帶探測最為顯著的特點。用TEK602存儲示波器接MIR接收機的輸出,在實驗室穿透30cm磚墻能清楚地探測到走廊上人體運動穿過探測區(qū)域時,由該傳感器獲取的波形。 

    圖5是人在走廊上走過,MIR在實驗室里天線貼墻、方向向著走廊。從圖5中可以看出人進出探測區(qū)域一進一出的兩個波峰。