一种10.525 GHz安防雷达中频信号处理电路设计

2017-09-03陈琳琳李军红钟仁海

科技与创新 2017年16期

关键词：示波器信号处理多普勒

陈琳琳，李军红，钟仁海

（南华大学电气工程学院，湖南衡阳421001）

一种10.525 GHz安防雷达中频信号处理电路设计

陈琳琳，李军红，钟仁海

（南华大学电气工程学院，湖南衡阳421001）

介绍了10.525 GHz安防雷达的优点与市场应用前景，并对该雷达中频信号处理电路进行了研究，设计了一种低成本的安防雷达前端供电控制电路、中频放大电路、滤波电路、迟滞比较电路。实验表明，该电路具有较好的抗干扰、节电能力，能够准确地检测出正对雷达前方10 m处、速度不低于0.5 m/s相对运动的人。通过单片机处理之后，可输出标准的TTL时序电平信号，用户可以根据该信号进行二次开发，可以扩展应用于安防、自动门等场所，具有广泛的应用领域和市场前景。

安防雷达；中频信号；传感器；热源

随着我国经济的发展，人们对人身安全、财产安全防范意识不断增强，安防行业发展速度明显加快。目前，安防产业总体趋势向着网络化、智能化、数字化和标准化的方向发展。安防传感器的应用也向着采用多种传感器复合感应的方向发展，目前，感应某个区域时，主要采用红外感应的方式。这种感应容易受到各种热源、热气流的干扰，且被动红外穿透力差，人体的红外辐射易被遮挡。当环境温度与人体温度接近时，易产生虚警。这就需要另一种传感器能够在此类情况下正常工作。高频微波传感器能够在人类能够承受的温度范围内正常工作，并对移动物体感应灵敏，能够作为一种辅助传感器使用，用来构成复合感应，从而使得整个安防的虚警率降低，具有广阔的应用前景。

本文采用深圳市天鼎微波科技有限公司生产的ZH100型10.525 GHz安防雷达前端设计了一种低成本的中频信号处理电路。

1 雷达前端与感应原理简介

该雷达前端频率源采用串联反馈型介质振荡器的方法设计，采用低噪声PHEMT晶体管作为振荡器的有源器件，高Q值、高介电常数的介质谐振器作为稳频元件确定振荡器的谐振频率，经过平面微带天线发射10.525 GHz电磁波，接收天线接收反射回来的电磁波。如果有物体相对雷达运动，则反射回来的电磁波会产生多普勒频移，经过混频电路输出中频信号，该信号实测在1～10 m的距离内电压峰峰值约为十几毫伏至几毫伏，需要设计后端的信号处理电路使得单片机能够处理这种信号。

2 雷达中频信号分析与处理电路设计

由于需要对混频器输出的微弱中频信号进行处理，需要分析其输出信号的频率范围。雷达多普勒频移计算公式为：

式（1）中：fd为多普勒频移量；fc为安防雷达发射电磁波的频率；vr为目标相对于雷达的速度；c为电磁波在空气中的传播速度。由式（1）计算出几种相对移动速度所对应的多普勒频移如表1所示。

表1 多普勒频移

从表1中可以看出，如果雷达感应到正常移动的人、车，其多普勒频移不超过3 kHz，该参数为后续的信号处理电路的设计提供了参考依据。实测该雷达中频信号很微弱，针对安防应用，可以采用一种低成本的设计方案。方案框图如图1所示。

图1方案框图

图1 中对中频信号采用三级放大的方案，由于采用低成本的运放，其带宽增益积较小，因此，每一级放大倍数不能太大，低价运放的噪声参数较大，经过三级放大之后需要进行滤波处理。低成本的单片机功能少，但基本都具有外部中断功能，要使得单片机能够处理这种信号，还需要把滤波之后的波形转换成方波，以便利用单片机的外部中断功能。相比于单门限比较电路，迟滞比较电路可提高抗干扰能力；而相比于双门限比较电路，迟滞比较电路只需1个运放，降低了成本。雷达前端采用单片机控制三极管饱和导通与截止的PWM方式供电，节电能力较好。主要电路如图2所示。对于图2的参数选择，N1选用三极管SS8550，R12取10k。A1，A2，A3构成带通反相放大，C1，C3，C5取值47 uf，R1，R3，R5取值470 Ω，C2，C4，C6取值3.3 nf，R2，R4，R6取值15 k，三级放大总增益约为90 dB，带通频率为3.2～7.2 kHz，R5和R6取10k，用于分压做偏置，C9取47 uf，用于消除电源电压纹波对运放同相输入端的干扰。

图2 电路

实测经过三级放大之后运放A3的输出峰峰值有1 V左右，此峰峰值过高，需加滤波电路滤掉一些高频噪声以降低峰峰值。本文采用一阶RC滤波电路，R7取100 Ω，C7取470 nf，截止频率约为3.38 kHz。运放A4做迟滞比较用，取R8为15k，R9为30k，R10取33k，R11取22k，C8取47 uf。如果以5 V电压供电，上门限电压为VT+=3.7 V，下门限电压为VT-=1.2 V，则ΔVT=2.5 V，具有一定的抗干扰裕量。放大器A4输出信号为迟滞比较之后的信号，如果感应到有移动的物体则输出方波，单片机外部中断口可以检测到该波形从而可以程序处理并对外输出TTL时序电平信号。

3 测试结果分析

当雷达前方没有移动物体时，用示波器测试出一阶RC滤波的波形如图3所示。

图3 一阶RC滤波的波形

经过三级放大之后，外界干扰信号易引起迟滞比较输出电平变化，导致虚警产生。从图3中可以看出经过一阶RC滤波电路之后的波形峰峰值降为520 mV，可以降低虚警率。

图4人从10 m处人以不低于0.5 m/s的速度靠近雷达时，示波器显示的波形

图4 为人从10 m处人以不低于0.5 m/s的速度靠近雷达时，示波器显示的波形。其中，示波器通道4显示波形为经过RC滤波之后，输入迟滞比较器的波形，示波器通道3显示波形为输入单片机的经过迟滞比较之后的放大器A4输出波形，可以看出经过迟滞比较电路之后波形成功转换成了方波，利用单片机的外部中断功能能够处理该方波。