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1、毕业设计(论文)开题报告 题目：生命探测微功率超宽带雷达电路设计 院（系） 电子信息工程学院 专 业 生物医学工程 班 级 100420 姓 名 侯 博 学 号 100420104 导 师 倪 原 2014年 3月 3 日1 研究背景和意义本课题所研究的微功率超宽带雷达主要就用于探测生命信号，而生命探测技术在上世纪80年代就已经是新兴技术了，它利用电磁波穿透性强的特点，在不接触生命体的情况下，对穿过墙壁、废墟等有形介质后，遇到人体胸腔震动而发生微小变化，再从回波信号中提取微弱的生命信号，从而达到探测人体生命信息的目的。目前常用的生命探测雷达可分为窄带系统连续波（Continuous Wave,
2、CW）雷达和超宽带（Ultra-Wideband,UWB）系统微功率冲击雷达（Micropower Impulse Radar,MIR）。CW雷达是向目标体发射连续的电磁波，利用多谱勒效应原理，被人体生命活动引起的体表微动所调制，使得回波信号的某些参数（如频率、相位）发生改变，选择合适的信号预处理电路和信号处理技术就能从这些变化中提取出相关人体生命参数信号。而超宽带雷达检测人体的生命参数是向目标体发射脉冲形式的电磁波，穿过有形介质后，被人体反射后的回波信号脉冲序列重复周期发生变化，这种变化与人体生命的活动速度和频率有关。通过对回波信号进行解调、积分、放大滤波，再经过微控制单元进行数据处理和分析
3、得到人体生命信号。生命探测微功率冲击雷达的研究开展于20世纪90年代，其融合雷达技术、生物医学工程技术于一体，借助外来能量，在一定距离，隔着一定介质，不接触人体的情况下探测人体生命信息，比起传统的连续波生命探测雷达具有不需要载波、较好的穿透力、受环境影响小的优点，该系统在灾害医学（地震、塌方伤员的搜救）、军事医学（伤员探寻）、城市反恐（解救人质）等方面具有广泛的应用前景。目前全世界多个国家和国防研究机构都在大力开展这一方面的研究，因此对这一技术的研究具有很重要的现实意义。2 国内外研究现状 微功率冲击雷达起源于20世纪90年代中期，它是伴随着传统冲击雷达的发展而产生的一种高科技新型雷达，其应用
4、相当广泛。它起初是由国外发展过来，国外对此技术的研究要远远早于国内，目前该技术已经在国内开始推广研究，本文主要是将微功率冲击雷达应用于生命探测方面的研究。2.1 国外研究现状 国外对生命探测雷达技术研究起步比较早，在20世纪80年代开始美国就已经采用L频段的调制连续波信号对埋藏在雪地里的生命体进行了探测研究。美国密歇根州立大学研究小组采用了L和S波段的不同频率的雷达连续天线对模拟震灾后的生命信号进行了检测，都成功的检测出人体呼吸和心跳等生命信号，取得的一定的成就。随后由美国佐治亚技术研究所研究出的手电筒式雷达“Radar Flashlight”,该雷达可对隐蔽在墙壁、钢门、树木后静止和运动的人
5、进行探测，它采用多普勒技术和高速信号处理技术，对接收回来的生命信号则采用快速傅里叶变换（FFT）和频率响应曲线陡的技术进行滤波，从而得到我们所需要的人体生命信号，该系统采用的天线是市场上可以买到的一种天线，它将发射端输出的波束控制在20度以内的扇形区域内。美国研究的同时，其它西方国家也对CW的研究有所成就，如俄罗斯Remote Sensing Lab研究设计了一种“RASCAN”的生命探测雷达，此雷达系统可以探测10cm厚混凝土墙壁后的人体生命信号，它采用的工作频率为1-10GHz,其波长也就达到了3-30cm。还有由日本研究的连续波探测性雷达是针对近距离（小于50cm）的探测，它主要是透过各
6、种衣物、被褥等对股动脉、指尖脉搏、颈动脉及心率的探测，但由于其探测距离的有限性造成了其实际应用的局限性。超宽带系统的微功率冲击雷达技术的研究是从近十几年才新兴的一种雷达技术，而在生命探测上的应用的研究开始于美国斯坦福尼亚大学，此大学在1994年开始将超宽带雷达应用在生物医学上研究，并获得了一项专利。1995年美国麻省理工学院开始着手雷达听诊器的研究。1996年美国斯坦福尼亚大学研制出一种特殊的超宽带微功率冲击雷达，此雷达高增益天线采用可以探测到人体呼吸及心跳的生命信号，并对距离内技术提取生命信号，最大限度的抑制了外界噪声的干扰。同年，由美国McEwon先生研制的人体检测、成像系统，可以检测人体
7、的心跳、呼吸、声带等信号并转换为声音信号，从而在人体生理参数的监护仪上的应用达到了不可逾越的突破，并获得了美国的一项专利。McEwon先生在超宽带雷达上面的研究无疑是我们学习的典范，至今为止他研制的MIR已经在美国获得了56项专利，同时在全世界也达到了214项专利或应用专利。1999年后，针对微功率冲击雷达的体积小、功率小、寿命长、成本低及分辨率高等特点，将其广泛应用于生物医学领域，如在心脏监护、婴儿监护、障碍性睡眠呼吸暂停监护、脑出血监护等等的研究。2002年美国联邦通信委员会允许此雷达技术可以商用化，从而推动了很多公司开始投资研究此雷达的应用，美国Time Domain公司利用该雷达技术研
8、制出雷达视力2000（Radar Domain）雷达供执法部门使用和士兵视力（Soldier Vision）雷达供军事部门使用。 另外还有美国休斯先进电磁技术研究中心（Hughes Advanced Electromagnetic Technology Center,HAETC）研制的“2-D Concrete Penetration Radar”具有强的穿透能力。目前西方如美国、加拿大、英国和俄罗斯等多个国家已经投资大量人力和物力开始发展研究冲击雷达在生物医学方面的应用。2004年美国航空航天局艾姆斯研究中心的MIR成员利用便携式MIR移动探测器进行试验，完成了搜救5位“受伤人员”的救助。“
9、9.11”事件后，该便携式MIR移动探测器在厚度数米的石砖下进行呼吸探测，实现搜救工作，为灾难营救上提供了很大帮助。国外用于生命探测仪的天线是美国航空航天局（NASA）指定的火星探测器两种候选雷达天线之一，是世界上相对最先进的探地雷达天线，能够非常敏锐地捕捉到微弱的生命信号，且已获得美国专利。2.2 国内研究现状国内对微功率冲击雷达的研究相对还是比较晚的，对其研究的应用领域也主要是用作运动传感器、报警器及定位器，对于应用于生物医学领域也是近几年才开始的。1995年，空军导弹学院率先在国内提出了MIR技术，从理论上深入分析了MIR核心技术，从实践上对该技术做了大量实验，最终在国内首度提出了完整的
10、MIR的设计方案，成功研制出冲击雷达信号发射源、取样脉冲源，分析MIR的电磁波信号抗干扰能力及外界电磁干扰的抵抗能力，并进行实验研究，从而达到MIR动态目标的检测系统。第四军医大学从1998年起开始研究生命探测雷达，采用发射微波电磁信号，接收检测由人体活动而引起发射波的微小变化，通过信号处理技术提取到人体的呼吸和心跳信号。已经成功研制出不同波段的连续波雷达探测样机，可以探测穿墙20cm，距离达到5m的人体生命信号。2003年该大学生物医学小组研制了S2000-I型探测样机6，随后该校与西安必肯科技合作研制了SJ-3000搜救样机，目前西安必肯科技有限公司已经研制了SJ-6000搜救雷达样机，对
11、我国在雷达技术的发展有很大意义。此外，国内其他高校对生命探测技术也有很大成果，如国防科技大学采用发射超宽带脉冲7，穿过非金属的有形介质，探测其有形介质后3-5m的人体生命信号；南京理工大学分析穿墙生命探测雷达的特点，研制了通过正弦调制，扩频连续波体制的探测实验系统8，并做了相关实验。2001年9月，国家在“十五”863计划通信技术研究项目中，将UWB无线通信关键技术作为通信技术的研究的主要内容，鼓励国内学者对该技术的研究工作，这将很大程度上提升我国雷达技术的发展。国内对用于生命探测仪上的超宽带雷达天线并未做专门研究，这在一定程度上是微功率冲击雷达发展史上的一个遗憾，但对探地雷达方面已有一些成就
12、，从而极速推动了微功率冲击雷达的发展。3 研究的主要内容和方案3.1研究的主要内容 根据所学知识设计并研制一套完整的微功率超宽带雷达，硬件部分包括发射、接受电路和单片机系统设计，单片机采用C8051F020。所设计的雷达具有很大的相对带宽（信号的带宽和中心频率之比），一般大于25，所发射的脉冲极窄（p秒级）、峰值功率很高、平均功率极底、频谱分布广泛，具有很高的分辨率。 本课题只要设计包括两部分，一是微功率冲击雷达硬件电路设计，二是微功率冲击雷达天线部分的设计。微功率冲击雷达通过发射极窄UWB脉冲，通过发射天线辐射电磁波，碰到人体胸腔的运动后而发生微小变化，接收天线接收反射电磁波，采用取样门提取
13、生命信号，最后送到微处理单元进行数字处理得到生命信号。微功率冲击雷达硬件电路包括：窄脉冲信号产生电路；取样积分电路；带通滤波电路及放大电路。对电路进行分析设计，并采用Multisim软件进行仿真设计。微功率冲击雷达天线则是通过分析雷达对天线的要求，比较各种超宽带雷达天线，采用HFSS11仿真分析天线。3.2研究的方案3.2.1 了解超宽带雷达工作原理 主要有：电磁波传播的基本规律与介质的电性质、超宽带冲激雷达系统结构、超宽带收发天线的简化模型与雷达的性能指标。电磁波穿透墙壁时会发生反射和透射，其特性不仅受介质的影响，还与波的极化方式有关。可以用线性模型来表示，即近似表示为： （2.6）其中为天
14、线接收回波；为发射波遇到目标物后的反射波；为收发天线之间的耦合波；为发射波遇到墙壁后的反射波；为环境杂波。 超宽带雷达使用超宽带脉冲信号作为探测信号，利用电磁波穿透性穿过墙壁等介质，碰到人体后而反射，根据目标检测原理，实现对人体生命信号的定位和识别。 图3.1微功率冲击雷达原理框图3.2.2 了解天线部分的工作原理 微功率冲击雷达的极窄脉冲的发射与接收都是通过天线完成的，因此天线性能的好坏直接决定系统的性能。在设计天线时要尽可能的考虑天线的空间特性和时间特性。对雷达发射天线希望其达到将发射信号无畸变的辐射出去，而接收天线则要求其灵敏度高，从而更好的接收回波信号。其实发射天线就是将超宽带脉冲信号
15、辐射出去，而接收天线则是将人体反射的回波接收回来，我们可以将发射、接收天线看作滤波，其滤波效果直接影响系统的探测结果。 由此可看出天线在微功率冲击雷达中起着很大的作用，其直接影响雷达在应用过程中的探测效果，从而对天线的研究成为微功率冲击雷达研究的重点之一。3.2.3 研究硬件电路的发射部分 目前国内外对超宽带雷达技术的研究显示，超宽带脉冲产生的方法大致有两种：一是采用数字电路的逻辑器件产生极窄脉冲；二是采用高速元器件，利用储能元件的充放电特性，结合脉冲整形电路产生系统所需脉冲。由于方法一产生的极窄脉冲脉宽太宽，且幅值较低，难以满足系统的要求，故通常都采用第二种方法，目前可采用的高速元器件有阶跃二极管、隧道二极管及雪崩三极管等，不同元器件产生脉冲的指标也各有差异。其中常用的是阶跃二极管和雪崩三极管，采用阶跃二极管可以产生产 ps极的窄脉冲，其产生的窄脉冲幅值太小，一般只有毫伏级，且产生的脉冲中有较多的低频分量及脉冲拖尾现象，故结合本系统的要求，本课题选择采用雪崩三极管设计产生超宽带脉冲。图3.2雪崩三极管基本形成电路由图3.2电路可以得出，三极管集-射电压增大到临界状态时，负载电阻上的电流可
