专利名称：一种基于混合波形的建筑物透视探测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及雷达技术，特别涉及建筑物透视探测技术。
背景技术：
建筑物透视探测是指透过建筑物墙体对建筑 物内部隐蔽人体目标的检测、定位、跟踪、成像和识别。满足此类应用需求唯一可行的探测装置为微波雷达，采用对建筑物墙体具有穿透能力的特定频率的电磁波，通过对隐蔽人体目标回波进行信号处理，提取人体目标的位置、状态和生命特征等信息，实现建筑物透视探测。现有基于微波雷达的建筑物透视探测装置主要实现运动人体定位与跟踪和静止人体微弱呼吸生命特征探测，其中，运动人体定位与跟踪要求探测装置在穿透墙体条件下具备很高的距离分辨能力和一定的探测距离，因此，要求雷达探测装置采用大时宽-带宽积的信号波形，典型代表为步进频率连续波信号和线性调频连续波信号，如美国AKELA公司、英国THALES公司和加拿大国防研究与发展中心DRDC研制的建筑物透视探测装置都采用了步进频率连续波信号；而对于静止人体微弱呼吸生命特征探测，雷达接收机要求具备很高的灵敏度，即具备很窄的工作带宽，由于步进频率连续波和线性调频连续波两种波形体制下的接收机工作带宽较宽，接收机灵敏度不利于微弱呼吸生命特征的稳健探测，因此，雷达探测装置通常采用单载频连续波信号，对应的接收机具备很窄的工作带宽，保证很高的接收机灵敏度实现微弱呼吸生命特征的稳健探测，如美国的Hawaii大学和Michigan大学研制的建筑物透视探测装置都采用了单载频连续波信号。综上所述，现有的建筑物透视探测装置都是单一波形体制，基于不同体制优点针对性地实现不同的探测功能，单一探测装置无法实现多种探测功能，降低了装置的集成度和适用性。

实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够实现运动人体定位与跟踪以及生命特征探测的建筑物透视探测装置。本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于混合波形的建筑物透视探测装置，其特征在于，包括发射机、两通道接收机、数据采集与时序控制模块、信号处理机、显控终端、电源模块、发射天线和双接收天线；发射机的本振信号输出端与两通道接收机的本振信号输入端相连，发射机的输出端与发射天线相连，接收机的输入端与双接收天线相连，数据采集与时序控制模块的数据输入端与两通道接收机的数据输出端相连，数据采集与时序控制模块的控制参数输入端与显控终端的控制参数输出端相连，显控终端与信号处理机相连，数据采集与时序控制模块的数据输出端与信号处理机的数据接收端相连，数据采集与时序控制模块的控制指令输出端分别与发射机的控制指令接收端、两通道接收机的控制指令接收端相连，电源模块分别与发射机、两通道接收机、数据采集与时序控制模块、信号处理机、显控终端、电源模块、发射天线和双接收天线相连；所述发射机包括参考晶振RIF、直接数字频率合成器DDS、现场可编程门阵列FPGA、两个倍频滤波放大链路、功率分配器和衰减器；RIF的输出端与第一个倍频滤波放大链路的输入端相连，第一个倍频滤波放大链路的输出端与DDS的参考信号输入端相连，FPGA的控制指令输入端与数据采集与时序控制的控制指令输出端相连，FPGA的控制指令输出端分别与DDS的控制指令输入端和衰减器的控制指令输入端相连，DDS的输出端与第二个倍频滤波放大链路的输入端相连，第二个倍频滤波放大链路的输出端与功率分配器的输入端相连，功率分配器的一个输出端与衰减器的输入端相连，功率分配器的另一个输出端分别与接收机的两个IQ两路解调器的本振输入端相连，衰减器的输出端与发射天线相连；DDS输出步进频率连续波和单载频连续波；所述双通道接收机包括2个低噪声放大器LNA 、2个带通滤波器BPF、2个IQ解调器、4个切换开关、4个步进频率低通滤波器、4个单载频低通滤波器；两个LNA的输入端分别与两个接收天线相连，两个LNA的输出端分别与两个BPF的输入端相连，两个BPF的输出端分别与两个IQ解调器的输入端相连，IQ解调器的I路输出端、Q路输出端分别与对应的切换开关的输入端相连，切换开关的两个输出端分别连接I个步进频率低通滤波器和I个单载频低通滤波器，步进频率低通滤波器和单载频低通滤波器的输出端与数据采集与时序控制模块的模数转换器ADC的数据输入端相连；所述的数据采集与时序控制模块包括4个模数转换器ADC、现场可编程门阵列FPGA、USB外设；ADC的输入端与接收机的低通滤波器的输出端相连，FPGA的数据输入端与ADC的输出端相连，FPGA的控制指令输出端与发射机的FPGA的控制指令输入端相连，FPGA的数据输出端和控制参数输入端与USB外设相连，USB外设的数据输出端与信号处理机相连，USB外设的控制参数输入端与显控终端相连。具体的，所述倍频滤波放大链路为九倍频滤波放大链路。具体的，所述直接数字频率合成器DDS输出88. 89MHz-200MHz的步进频率连续波以及在88. 89MHz、144. 45MHz和200MHz三个频率驻留的单载频连续波，88. 89MHz-200MHz的步进频率连续波经九倍频滤波放大链路输出O. 8至I. 8GHz的步进频率连续波；88. 89MHz、144. 45MHz和200MHz的单载频连续波经九倍频滤波放大链路输出O. 8GHz、I. 3GHz、和I. 8GHz的单载频连续波；所述步进频率低通滤波器为截止频率IMHz的低通滤波器，所述单载频低通滤波器为截止频率IOHz的低通滤波器。本实用新型发射机能够产生步进频率连续波和单载频连续波两种信号波形，采用切换开关融合了两种波形接收机要求的两种不同截止频率的低通滤波器，实现了步进频率连续波和单载频连续波两种波形体制接收机结构的融合。保证单一探测装置既可以采用步进频率连续波实现运动人体定位与跟踪，又可以采用单载频连续波实现稳健的静止人体微弱呼吸生命特征探测，在提高系统集成度的同时能够根据不同的探测场景采用不同的信号波形实施更为有效的探测，提升探测装置在复杂建筑物探测场景下的适用性。本实用新型的有益效果是，实现运动人体定位与跟踪和静止人体微弱呼吸生命特征探测两个探测功能，提高了装置的集成度和适用性。

图I为本实用新型的结构框图。图2为本发射机和接收机的结构框图。[0015]图3为基于混合波形的建筑物透视探测装置实例以及探测场景。
具体实施方式
本实用新型基于混合波形的建筑物透视探测装置，其发射机能够产生步进频率连续波和单载频连续波两种波形，同时接收机融合了两种波形体制下的接收机结构，单一探测装置即能够采用步进频率连续波工作，大时宽-带宽积保证很高的距离分辨能力和一定的探测距离，实现运动人体定位与跟踪；也能够采用单载频连续波工作，很窄的接收机工作带宽保证很高的接收机灵敏度，实现静止人体微弱呼吸生命特征探测。本实用新型主要包括发射机、两通道接 收机、数据采集与时序控制模块、信号处理机、显控终端、电源模块、发射天线和双接收天线；如图I所示，发射机的本振信号输出端与两通道接收机的本振信号输入端相连，发射机的输出端与发射天线相连，接收机的输入端与双接收天线相连，数据采集与时序控制模块的数据输入端与两通道接收机的数据输出端相连，数据采集与时序控制模块的控制参数输入端与显控终端的控制参数输出端相连，显控终端与信号处理机相连，数据采集与时序控制模块的数据输出端与信号处理机的数据接收端相连，数据采集与时序控制模块的控制指令输出端分别与发射机的控制指令接收端、两通道接收机的控制指令接收端相连，电源模块分别与发射机、两通道接收机、数据采集与时序控制模块、信号处理机、显控终端、电源模块、发射天线和双接收天线相连；各个模块的主要功能如下显控终端通过显控图形化界面实现人机交互，实时接收并显示信号处理机输入的建筑物透视探测结果数据，响应用户操作，包括探测开始和终止等基本操作和工作波形体制选择等配置参数更改操作。发射机根据显控终端输出的工作波形体制，接收数据采集与时序控制模块的控制指令，按指令产生指定信号参数的步进频率连续波或者单载频连续波信号，同时为两通道接收机提供两路本振信号。数据采集与时序控制模块接收显控终端输出的配置参数，并将配置参数译码为控制指令发送给数据采集与时序控制模块调整其工作参数；接收两通道接收机形成的两组四路IQ基带模拟信号，进行数字化处理后输出至信号处理机。信号处理机接收来自数据采集与时序控制模块的数据，针对当前工作波形体制，开放运动人体定位与跟踪信号处理通道或者静止人体微弱呼吸生命特征探测信号处理通道，对相应波形的两组四路IQ基带数字信号进行处理，形成建筑物透视探测结果，包括运动人体跟踪航迹和静止人体生命特征谱图。两通道接收机接收两个接收天线收集的两组回波信号，通过低噪声放大器进行信号放大，利用带通滤波器抑制带外干扰信号，基于发射机提供的两路本振信号分别对两组回波信号进行IQ两路解调，最后，针对当前工作波形体制，通过开关控制开放对应的低通滤波器滤除解调产生的高频干扰成分形成两组四路IQ基带模拟信号。电源模块提供多种稳定的电压和足够的电流保证装置各模块正常工作。一发两收天线进行步进频率连续波或者单载频连续波的辐射和收集。其中，显控终端、数据采集与时序控制模块、信号处理机、电源模块、接收与发射天线的结构均为现有，不在此赘述。[0027]本实用新型在现有探测装置的发射机、接收机的基础上对发射机工作模式和接收机结构进行了改进，如图2所示。所述发射机包括参考晶振RIF、直接数字频率合成器DDS、现场可编程门阵列FPGA、两个倍频滤波放大链路、功率分配器和衰减器；RIF的输出端与第一个倍频滤波放大链路的输入端相连，第一个倍频滤波放大链路的输出端与DDS的参考信号输入端相连，FPGA的控制指令输入端与数据采集与时序控制的控制指令输出端相连，FPGA的控制指令输出端分别与DDS的控制指令输入端和衰减器的控制指令输入端相连，DDS的输出端与第二个倍频滤波放大链路的输入端相连，第二个倍频滤波放大链路的输出端与功率分配器的输入端相连，功率分配器的一个输出端与衰减器的输 入端相连，功率分配器的另一个输出端分别与接收机的两个IQ两路解调器的本振输入端相连，衰减器的输出端与发射天线相连；DDS输出步进频率连续波和单载频连续波；改进工作模式的发射机能够产生步进频率连续波和单载频连续波两种信号波形，分别实现运动人体定位与跟踪和静止人体微弱呼吸生命特征探测两个探测功能。由于步进频率连续波由较短驻留时间的单载频连续波通过频率离散渐进形成，因此，通过数据采集与时序控制模块的控制指令，控制发射机的直接数字频率合成器进行频率离散渐进或者在某一设定频率持续驻留，形成步进频率连续波或者特定频率的单载频连续波。双通道接收机包括2个低噪声放大器LNA、2个带通滤波器BPF、2个IQ解调器、4个切换开关、4个作为步进频率低通滤波器的截止频率为IMHz的低通滤波器LPF、4个作为单载频低通滤波器的截止频率为IOHz的低通滤波器LPF ;两个LNA的输入端分别与两个接收天线相连，两个LNA的输出端分别与两个BPF的输入端相连，两个BPF的输出端分别与两个IQ解调器的输入端相连，IQ解调器的I路输出端、Q路输出端分别与对应的切换开关的输入端相连，切换开关的两个输出端分别连接I个步进频率低通滤波器和I个单载频低通滤波器，步进频率低通滤波器和单载频低通滤波器的输出端与数据采集与时序控制模块的模数转换器ADC的数据输入端相连。针对步进频率连续波和单载频连续波两种信号波形，改进的接收机结构采用切换开关融合了两种波形体制接收机要求的两种不同截止频率的低通滤波器，共用低噪声放大器、带通滤波器和IQ两路解调器，实现了步进频率连续波和单载频连续波两种波形体制接收机结构的融合。工作过程中根据不同的信号波形控制切换开关开放对应的LPF对解调后的基带信号进行滤波处理，对于步进频率连续波，由于步进频率连续波单个频率基带信号具有较短的驻留时间，造成零中心频率的基带信号频谱具备较宽的频谱宽度，因此需要开放截止频率较高(IMHz)的LPF在滤除解调产生的高频干扰信号同时有效保留基带信号，步进频率连续波的大时宽-带宽积保证了高的测距精度和一定的探测距离，适用于运动人体定位与跟踪；对于单载频连续波，为了保证对静止人体低频微弱呼吸特征的稳健探测和分辨，要求较长的探测时间，造成零中心频率的基带信号频谱具备较窄的频谱宽度，因此开放截止频率较低(IOHz)的LPF便可以在滤除解调产生的高频干扰信号同时有效保留基带信号，而且较低的LPF造成窄的接收机工作带宽，提高了接收机灵敏度，适用于微弱呼吸生命特征的探测。一个混合波形体制的建筑物透视探测装置实例以及探测场景如图3所示，探测装置采用一发两收天线，发射天线居中，收发天线间距为O. 5m ;笔记本电脑PC作为装置的信号处理机和显控终端；操作人员通过更改显控界面配置参数由PC显控终端发送给发射机控制产生O. 8GHZ-1. 8GHz的步进频率连续波信号或者O. 8GHz、l. 3GHz和I. 8GHz三种频率的单载频连续波信号，其中发射机中的倍频滤波放大链路为九倍频滤波放大链路，RIF为IOOMHz的晶振，DDS的型号为AD9858，发射机FPGA的型号为XC3S200 ;接收机中IQ解调器采用的型号为ADL5382，截止频率IMHz的LPF对应步进频率低通滤波器，截止频率IOHz的LPF对应单载频低通滤波器；数据采集与时序控制模块包括4个模数转换器ADC、FPGA、USB接口，模数转换器、USB接口分别与数据采集与时序控制模块的FPGA相连，ADC的具体型号为AD7537、数据采集与时序控制模块的FPGA的型号采用XC3S1000，数据采集与时序控制模块通过USB接口与PC信号处理机和显控终端进 行通信。探测装置的具体工作流程如下(I)针对运动人体定位与跟踪或者静止人体微弱呼吸生命特征探测的应用需求，操作人员通过PC显控终端修改显控界面的配置参数，选择装置工作在步进频率连续波体制或者单载频连续波体制，向数据采集与时序控制模块发送配置参数。(2)数据采集与时序控制模块的FPGA将配置参数译码为两部分控制指令，第一部分发送给发射机FPGA进行指令编译，控制DDS产生步进频率连续波或者单载频连续波，并且控制数控衰减器调整发射功率；第二部分发送给接收机控制开关开放截止频率为IMHz的LPF对步进频率连续波解调后IQ两路模拟基带信号进行滤波，或者开放截止频率为IOHz的LPF对单载频连续波解调后IQ两路模拟基带信号进行滤波。(3)发射机FPGA接收到来自数据采集与时序控制模块FPGA的控制指令，经过指令编译后控制DDS进行频率离散渐进产生88. 89MHz-200MHz的步进频率连续波，进一步经过九倍频滤波放大链路后形成O. 8GHz-l. 8GHz的步进频率连续波，或者控制DDS在88. 89MHz、144. 45MHz和200MHz三个频率驻留并经过九倍频滤波放大链路后形成O. 8GHz、I. 3GHz、和
I.8GHz的单载频连续波，形成的信号通过功率分配器一部分送入接收机作为本振，一部分通过数控衰减器进行发射功率调整后送入发射天线向探测区域定向辐射。(4)发射天线辐射的电磁波信号穿透建筑物墙体到达人体目标，经过人体目标散射，散射信号再次穿透建筑物墙体后由两个接收天线同时收集。(5)两个接收天线收集的回波信号，送入两通道接收机分别同时进行放大和滤波，利用发射机的同步本振进行IQ两路解调，对于步进频率连续波解调后的信号，数据采集与时序控制模块的控制指令控制开关开放IMHz的LPF进行滤波处理，对于单载频连续波解调后的信号开放IOHz的LPF进行滤波处理，每个接收天线回波对应形成一组IQ两路模拟基
带信号。(6)数据采集与时序控制模块接收来自接收机的IQ两路模拟基带信号进行AD采样，转换为IQ两路数字基带信号，然后FPGA将两个接收天线对应的两组IQ两路数字基带信号按规则封装后通过USB发送给PC信号处理机。(5)PC作为信号处理机和显控终端，显控图像化人机交互界面集成了信号处理算法，通过设置配置参数在更改装置工作波形的同时选择开放显控界面中相应的信号处理通道，对于步进频率连续波的两组IQ两路数字基带信号，开放运动人体定位与跟踪信号处理通道，进行包括分离、重采样、去直流、加窗、IFFT脉压、检测、定位和跟踪的典型处理流程，形成运动人体跟踪航迹；对于单载频连续波的两组IQ两路数字基带信号，开放静止人体微弱呼吸生命特征探测信号处理通道，进行包括分离、去直流、重采样、加窗、FFT和联乘融合的典型处理流程，形成包含呼吸频率的静止人体生命特征谱图。(6) PC显控终端的显控图像化人机交互界面将当前工作波形下的信号处理结果进行图像化显示，对于步进频率连续波，显示运动人体跟踪航迹；对于单载频连续波，显示静
止人体生命特征谱图。
权利要求1.一种基于混合波形的建筑物透视探测装置，其特征在于，包括发射机、两通道接收机、数据采集与时序控制模块、信号处理机、显控终端、电源模块、发射天线和双接收天线；发射机的本振信号输出端与两通道接收机的本振信号输入端相连，发射机的输出端与发射天线相连，接收机的输入端与双接收天线相连，数据采集与时序控制模块的数据输入端与两通道接收机的数据输出端相连，数据采集与时序控制模块的控制参数输入端与显控终端的控制参数输出端相连，显控终端与信号处理机相连，数据采集与时序控制模块的数据输出端与信号处理机的数据接收端相连，数据采集与时序控制模块的控制指令输出端分别与发射机的控制指令接收端、两通道接收机的控制指令接收端相连，电源模块分别与发射机、两通道接收机、数据采集与时序控制模块、信号处理机、显控终端、电源模块、发射天线和双接收天线相连； 所述发射机包括参考晶振RIF、直接数字频率合成器DDS、现场可编程门阵列FPGA、两个倍频滤波放大链路、功率分配器和衰减器；RIF的输出端与第一个倍频滤波放大链路的输入端相连，第一个倍频滤波放大链路的输出端与DDS的参考信号输入端相连，FPGA的控制指令输入端与数据采集与时序控制的控制指令输出端相连，FPGA的控制指令输出端分别与DDS的控制指令输入端和衰减器的控制指令输入端相连，DDS的输出端与第二个倍频滤波放大链路的输入端相连，第二个倍频滤波放大链路的输出端与功率分配器的输入端相连，功率分配器的一个输出端与衰减器的输入端相连，功率分配器的另一个输出端分别与接收机的两个IQ两路解调器的本振输入端相连，衰减器的输出端与发射天线相连；DDS输出步进频率连续波和单载频连续波； 所述双通道接收机包括2个低噪声放大器LNA、2个带通滤波器BPF、2个IQ解调器、4个切换开关、4个步进频率低通滤波器、4个单载频低通滤波器；两个LNA的输入端分别与两个接收天线相连，两个LNA的输出端分别与两个BPF的输入端相连，两个BPF的输出端分别与两个IQ解调器的输入端相连，IQ解调器的I路输出端、Q路输出端分别与对应的切换开关的输入端相连，切换开关的两个输出端分别连接I个步进频率低通滤波器和I个单载频低通滤波器，步进频率低通滤波器和单载频低通滤波器的输出端与数据采集与时序控制模块的模数转换器ADC的数据输入端相连； 所述的数据采集与时序控制模块包括4个模数转换器ADC、现场可编程门阵列FPGA、USB外设；ADC的输入端与接收机的低通滤波器的输出端相连，FPGA的数据输入端与ADC的输出端相连，FPGA的控制指令输出端与发射机的FPGA的控制指令输入端相连，FPGA的数据输出端和控制参数输入端与USB外设相连，USB外设的数据输出端与信号处理机相连，USB外设的控制参数输入端与显控终端相连。
2.如权利要求I所述一种基于混合波形的建筑物透视探测装置，其特征在于，所述倍频滤波放大链路为九倍频滤波放大链路。
3.如权利要求2所述一种基于混合波形的建筑物透视探测装置，其特征在于，所述直接数字频率合成器DDS输出88. 89MHz-200MHz的步进频率连续波以及在88. 89MHz、144. 45MHz和200MHz三个频率驻留的单载频连续波，88. 89MHz-200MHz的步进频率连续波经九倍频滤波放大链路输出O. 8至I. 8GHz的步进频率连续波;88. 89MHz、144. 45MHz和200MHz的单载频连续波经九倍频滤波放大链路输出O. 8GHz、I. 3GHz、和I. 8GHz的单载频连续波;所述步进频率低通滤波器为截止频率IMHz的低通滤波器，所述单载频低通滤波器为截止频率IOHz的低通滤波器。
专利摘要本实用新型提供一种基于混合波形的建筑物透视探测装置，包括发射机、两通道接收机、数据采集与时序控制模块、信号处理机、显控终端、电源模块、发射天线和双接收天线；发射机能够产生步进频率连续波和单载频连续波两种信号波形，采用切换开关融合了两种波形接收机要求的两种不同截止频率的低通滤波器，实现了步进频率连续波和单载频连续波两种波形体制接收机结构的融合。保证单一探测装置既可以采用步进频率连续波实现运动人体定位与跟踪，又可以采用单载频连续波实现稳健的静止人体微弱呼吸生命特征探测，在提高系统集成度的同时能够根据不同的探测场景采用不同的信号波形实施更为有效的探测，提升探测装置在复杂建筑物探测场景下的适用性。
文档编号G01S13/88GK202583456SQ20122019072
公开日2012年12月5日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者孔令讲, 贾勇, 杨晓波 申请人:电子科技大学