移動(dòng)目標的微波探測技術(shù)

常用的微波探測器是借助微波多普勒效應探測布防區域內是否存在移動(dòng)目標。探測器內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)構成分為平面微帶型和波導諧振型。我們探討微波傳感的技術(shù)構成、頻段選擇對移動(dòng)目標探測的影響，希望對探測器的選型和 使用有一定的幫助。

微波是指頻率在300MHz-300GHz范圍內極高頻電磁波，其波長(cháng)范圍從1m到1mm。微波具有直線(xiàn)（視距）傳播，不受其他電磁波干擾，頻帶寬，系統 體積小等特點(diǎn)，首先在通信領(lǐng)域得到廣泛應用。微波技術(shù)另一最重要應用當屬雷達，使用微波雷達對遠距離飛行目標測速，測距，測方位早在第二次世界大戰中就已 成功應用。

隨著(zhù)微波半導體技術(shù)的規?；瘧?，微波技術(shù)的物理實(shí)現不僅十分簡(jiǎn)單、廉價(jià)，而且體積甚小，各種物體探測裝置中都可以放進(jìn)火柴盒大小的微波傳感器，成為目標 探測裝置中常見(jiàn)的組件。不同于紅外探測器，這種微波組件對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(chē)輛測速、液位測定、自動(dòng)門(mén)、自動(dòng)燈、自動(dòng)盥洗、生產(chǎn)線(xiàn)物料探測、倒車(chē)雷達等。報警產(chǎn)品中微波探測器使用這種微波傳感器組件，配合周邊的電子器件，基于 多普勒效應的應用就構成了移動(dòng)目標微波探測器，即多普勒雷達。

微波探測器所使用的多普勒雷達主要類(lèi)型為連續波（CW）多普勒雷達。

1、多普勒效應

1.1、多普勒頻移

電磁波或聲波頻率因饋元本身或/和目標物相對運動(dòng)所引起的頻率改變稱(chēng)為多普勒頻移，或稱(chēng)多普勒效應。站在月臺聽(tīng)到進(jìn)站火車(chē)汽笛聲調變化的現象就是最好的多普勒效應體驗。當火車(chē)迎你而來(lái)時(shí)，汽笛的頻率會(huì )提高，聲音變尖，反之亦然。

由多普勒效應得知，固定安裝的雷達發(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(lèi)似相對速度的計算，圖1-1是多普勒頻移的計算。

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

1.2、多普勒信號和多普勒頻率

多普勒雷達在發(fā)射微波信號的同時(shí)接受反射波信號，并將兩者相混差頻產(chǎn)生一個(gè)新的低頻信號，稱(chēng)多普勒信號，其頻率稱(chēng)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|
報警器多普勒雷達如果檢測到多普勒信號則判定有移動(dòng)目標存在。

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

從圖中可以看出，對于同一運動(dòng)目標，K-波段多普勒頻率是X-波段的2.3倍，這對于探測運動(dòng)速度低于兩公里的目標十分有利。S-波段的雷達由于波長(cháng)超過(guò)10CM，對于較小運動(dòng)目標不產(chǎn)生多普勒信號，適合需要防止諸如鼠類(lèi)引起誤報的場(chǎng)合使用。

2、連續波（CW）多普勒雷達

多普勒雷達有多種類(lèi)型，其中脈沖多普勒雷達，調頻連續波多普勒雷達不但可以測出目標的速度、距離、方位，甚至能夠同時(shí)跟蹤、區分出多個(gè)目標的移動(dòng)情況，這些雷達需要配合精密的伺服系統和后處理技術(shù)，系統復雜造價(jià)高，多用于軍事、航空、工業(yè)檢測等領(lǐng)域。

報警器采用的連續波多普勒雷達，只能測到目標的移動(dòng)速度，不能測到目標距離和方位。這種雷達構成簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，適合大規模推廣使用。從技術(shù)構成來(lái)看，多數產(chǎn)品使用的是經(jīng)濟型平面微帶多普勒雷達，較好的產(chǎn)品則使用專(zhuān)業(yè)級波導諧振多普勒雷達。

3、平面微帶介質(zhì)諧振多普勒雷達（平面微帶雷達）

報警器使用的平面微帶雷達生產(chǎn)成本低廉，勿需昂貴的檢測加工手段，適合裝配經(jīng)濟型報警探頭。微帶雷達由三部分組成，傳感器模塊，多普勒信號調理電路，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構照片，圖2-12是模塊的工作原理圖，圖2-13是微帶雷達的原理構成。

3.1、平面微帶雷達的微波場(chǎng)強分布

平面微帶傳感器天線(xiàn)設計的簡(jiǎn)易性使得微波場(chǎng)強分布很難規則，安裝使用這一類(lèi)型的探頭應給予特別的注意，盡可能避免誤報、漏報。

對于雙鑒探頭而言，我們希望微波探測范圍與紅外探測范圍盡可能吻合，圖3-11A實(shí)線(xiàn)區域是微帶天線(xiàn)水平方向場(chǎng)強分布，圖3-11B實(shí)線(xiàn)區域是微帶天線(xiàn)垂 直方向場(chǎng)強分布。顯而易見(jiàn)微波的場(chǎng)強分布與紅外探測區域（虛線(xiàn)）有較大出入，由此形成了微波探測可能的誤報區域和漏報區域。

微波對建筑物墻體有穿透能力，泄漏到墻外的微波對設防區域以外的移動(dòng)目標發(fā)生作用時(shí)，可能造成隔墻誤報，安裝這類(lèi)探頭時(shí)應認真選擇安裝位置，避免誤報。圖3-12是隔墻誤報的示意。

3.2、多普勒信號的處理

微波傳感器模塊輸出的多普勒信號十分微弱，需要放大數千倍才能做進(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、帶內干擾信號、高頻干擾信號、低頻干擾信號通過(guò)帶通濾波器前后的情況?？梢钥吹?，高、低頻干擾信號受帶通濾波器的阻隔不能通 過(guò)，但放大多普勒信號的同時(shí)，頻率落在帶內的干擾信號也被放大通過(guò)。為了分離有用的多普勒信號，決策控制部分通常會(huì )加入自適應門(mén)限控制算法來(lái)切除漏過(guò)帶通 濾波器的干擾信號，這種算法是通過(guò)分析信號幅度的大小來(lái)區分多普勒信號和干擾信號的。顯然，當多普勒信號的幅度不敵干擾信號時(shí)，就無(wú)法探測到運動(dòng)目標了。

多普勒信號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)生較強諧波成分，如果發(fā)射天線(xiàn)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。平 面微帶雷達采用壓電陶瓷作為諧振介質(zhì)，因陶瓷介質(zhì)對電磁波造成損耗，其Q值不及波導諧振腔振蕩器。為了抑制虛假多普勒信號，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)目標的漏報。

設防區域存在規則運動(dòng)物體（如吊扇）造成的干擾。通常的門(mén)限算法對信號的幅值分析很難排除這樣的干擾，一種做法是對多普勒信號做進(jìn)一步的頻域分析將干擾區分開(kāi)來(lái)。

另外，正因為平面微帶雷達固有干擾較大，較遠回波不能測到，探測距離受到限制。

4、波導諧振多普勒雷達(波導諧振雷達)

波導諧振雷達的原理構成與平面微帶雷達相同，但傳感器、信號調理、決策控制等部件的技術(shù)設計有較大區別。

4.1、波導諧振傳感器

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

作為微功率雷達饋源的核心，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)下的負阻效應，很容易構成將直流電流轉換為微波段交變信號的振蕩 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，數毫瓦的微波功率足可以使探測器的探測距離達十數米，這樣微弱的電磁輻射對人和物體不會(huì ) 造成任何傷害，但在文博行業(yè)更愿意使用超聲雷達，以避免微波對文物微劑量持續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，如頻率、頻率穩定性、功率穩定性、Q值（震蕩的簡(jiǎn)諧性），要對振蕩源周邊部件做良好設計，特別是諧振體的技術(shù)設計至關(guān)重要?？梢赃x用的耿式振蕩器諧振方式有三種類(lèi)型。

波導諧振型（Waveguide），諧振體是金屬空腔，腔體尺寸與微波波長(cháng)相關(guān)。波導諧振腔振蕩器是各種振蕩器中技術(shù)指標最理想的。這種波導類(lèi)型的諧振腔、天線(xiàn)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)、檢測成本很高，需要專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)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)指標較波導諧振型略遜一籌，在報警探測器中未見(jiàn)采用。

平面微帶型（Planar Microstrip），設計原則是低成本條件下的適用性，這類(lèi)模塊的生產(chǎn)成本不到波導諧振型模塊的1/40-1/60，但可以滿(mǎn)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。印板工藝蝕刻的銅箔天線(xiàn)平面排布，電磁波的場(chǎng)強分布很難控制（圖3-11）。 注意到個(gè)別產(chǎn)品將四片蝶型排布的天線(xiàn)化整為零，數百片微小銅箔排列成陣，規則相連，利用傳輸線(xiàn)延遲產(chǎn)生相控效應，來(lái)約束場(chǎng)強分布，但實(shí)效不大。

圖4-11是一種雙鑒探測器中使用的24.125GHz專(zhuān)業(yè)級波導諧振傳感器。圖4-12是該傳感器場(chǎng)強分布，可以看出與紅外探測范圍近乎擬合。

4.2、緩慢移動(dòng)目標的探測

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緩慢移動(dòng)目標，圖4-21用頻域分析圖示了其中的原因。

4.3、多普勒信號的頻域分析

使用波導諧振模塊所獲得的多普勒信號信噪比高，經(jīng)過(guò)放大調理后的多普勒信號其干擾成分較其他類(lèi)型傳感器明顯減少，這樣的信號送往決策控制部分不僅可以做更 好的自適應幅值控制，提高探測靈敏度，延伸探測距離，還可以對信號做進(jìn)一步的頻域分析，了解移動(dòng)目標深層次屬性，幫助排除現場(chǎng)規則運動(dòng)物體造成的虛假警 情。

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

實(shí)用中可以采用快速富里葉變換專(zhuān)用DSP芯片來(lái)完成這一時(shí)域到頻域的變換。在探測器中可以更為簡(jiǎn)單地采用鎖相環(huán)綜合器技術(shù)實(shí)現這一轉換，類(lèi)似彩電自動(dòng)搜索 頻道那樣將視纜中“單一模擬信號”的所有頻點(diǎn)找出來(lái)，將看似單一的多普勒信號的復雜組成描繪成頻譜，為進(jìn)一步的分析奠定基礎。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，承擔多普勒信號的頻域轉換，并不斷地刷新這個(gè)頻譜分布，再將獲得的數據與固有的經(jīng)驗數據資料比對，對移動(dòng)目標作出正確的判斷。

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

圖4-23中，通過(guò)比較，在時(shí)域（左邊），借助信號幅度的大小來(lái)區分吊扇和吊扇加目標的復合信號是不容易的，但在頻域（右邊）則很容易將兩者區分開(kāi)來(lái)。

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