CN106646461A - 穿墙雷达滤波器的设计方法、滤波器、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种穿墙雷达滤波器的设计方法、滤波器、系统及方法。其中，穿墙雷达滤波器的设计方法，包括确定穿墙雷达滤波器的技术指标，所述技术指标包括通频带及截止频率；选择穿墙雷达滤波器为切比雪夫带通LC滤波器，根据穿墙雷达滤波器的技术指标，求出切比雪夫带通LC滤波器的特征函数；根据切比雪夫带通LC滤波器的特征函数，求取特征函数的极点，进而得到切比雪夫带通LC滤波器的阶数和LC器件数量。

Description

穿墙雷达滤波器的设计方法、滤波器、系统及方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种穿墙雷达滤波器的设计方法、滤波器、系统及方法。
背景技术
穿墙雷达(through-the-wall radar)运动人体目标检测与跟踪主要采用超宽带微波雷达实现对墙体、烟雾等非电磁透明介质屏障的穿透探测，利用运动人体回波的多普勒调制效应，实现对屏障后运动人体目标的检测、定位和跟踪。穿墙雷达可广泛应用于公安、武警、消防等领域，具有重要的研究价值和广泛的应用前景。
穿墙雷达发射接收都是超宽带信号，回波信号功率微弱，容易淹没在直达波和噪声中。直达波包括收发天线之间的直接耦合和墙面反射。由于发射天线和接收天线都有旁瓣存在，发射信号有部分能量直接耦合到接收天线，形成收发天线之间的直接耦合。穿墙雷达工作于障碍物之后。由于介质的不连续性，发射天线发射的电磁波到达障碍物后会产生折射，折射后的电磁波直接到达接收天线，形成墙面反射。
直达波的特点是：(1)同频RFI。从频率上看直达波和目标反射的回波信号处于相同频带，用频率选择性滤波器并不能消除或抑制直达波的影响。(2)功率高。由于传播路径短，电磁波在传播过程大气吸收引起的信号衰减小，即使位于天线主瓣之外直达波功率也高于两次穿墙之后的目标反射回波。然而，现有的穿墙雷达的接收信号功率太高会导致接收机饱和，接收机前端的LNA可能会因发热而烧毁。
目前，针对穿墙雷达的接收信号的滤波环节，亟需设计一种特定的穿墙雷达滤波器，来保证穿墙雷达滤波器的滤波效果及提高接收机的使用寿命。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一目的是提供一种穿墙雷达滤波器的设计方法。
本发明的一种穿墙雷达滤波器的设计方法，包括：
确定穿墙雷达滤波器的技术指标，所述技术指标包括通频带及截止频率；
选择穿墙雷达滤波器为切比雪夫带通LC滤波器，根据穿墙雷达滤波器的技术指标，求出切比雪夫带通LC滤波器的特征函数；
根据切比雪夫带通LC滤波器的特征函数，求取特征函数的极点，进而得到切比雪夫带通LC滤波器的阶数和LC器件数量。
本发明通过将穿墙雷达滤波器设计成为切比雪夫带通LC滤波器，提高了穿墙雷达滤波器中参数调节的精度，保证了穿墙雷达滤波器的滤波效果，减小了穿墙雷达的接收信号功率，提高了接收机的使用寿命。
进一步的，该方法还包括：
构造切比雪夫带通LC滤波器的幅度响应斜率函数，求解当前阶数和器件数量条件下使得斜率最大化的截止频率；
根据求得的新截止频率重新计算极点，确定最优参数的LC器件，最终得到穿墙雷达滤波器的拓扑结构。
这样做的好处是，能够获得更好的边带抑制效果，减小过渡带带宽，而且是在不增加滤波器硬件复杂度的条件下。
进一步的，该方法还包括：采用环氧板对穿墙雷达滤波器进行封装。
其中，环氧板：玻璃纤维布用环氧树脂粘合而成加温加压制作，其优点是在中等温度下机械性能好，在高湿度条件下电气性能稳定，适用于机械、电器及电子用高绝缘结构零部件，具有高的机械和介电性能较好的耐热性和耐潮性。
本发明的第二目的是提供一种穿墙雷达滤波器。
本发明的一种穿墙雷达滤波器，采用上述所述的方法设计而成。
本发明的第三目的是提供一种目标检测系统。
本发明的一种目标检测系统，其应用所述的穿墙雷达滤波器。
进一步的，该系统还包括：
耦合器，其用于将基于线性调频连续波信号的穿墙雷达及接收目标反射的电磁波进行耦合，得到耦合信号；及
混频器，其用于将耦合信号与本地载波通进行混频，得到混频信号；所述混频信号传送至穿墙雷达滤波器进行滤波，并传送至控制器内进行处理，完成目标估计和距离测量。
本发明通过信号耦合及混频，最后经过滤波处理后，能够准确估计目标及与目标之间的距离测量。
进一步的，该系统还包括：发射天线和接收天线，所述发射天线用于发射基于线性调频连续波的穿墙雷达信号；所述接收天线用于接收由发射天线发射后经目标反射后的信号。
这样提高了信号发射和接收的效率，提高了信号传输的速度。
进一步的，所述控制器还与预警器相连，所述预警器用于实时提示检测到的目标。
本发明的第四目的是提供一种目标检测系统的工作方法。
本发明的一种目标检测系统的工作方法，包括：
基于线性调频连续波信号的穿墙雷达与接收目标反射的电磁波经耦合器进行耦合，得到耦合信号；
混频器将耦合信号与本地载波通进行混频，得到混频信号；
混频信号再传送至穿墙雷达滤波器进行滤波，并传送至控制器内进行处理，得到目标估计和距离测量。
进一步的，该方法还包括：当控制器检测到目标时，向预警器输出预警信号进行实时预警。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过将穿墙雷达滤波器设计成为切比雪夫带通LC滤波器，提高了穿墙雷达滤波器中参数调节的精度，保证了穿墙雷达滤波器的滤波效果，减小了穿墙雷达的接收信号功率，提高了接收机的使用寿命。
(2)本发明的穿墙雷达滤波器结构简单、插损低。切比雪夫LC滤波结构在通带低端和高端都实现了较好的带外抑制效果，避免了低通滤波器和高通滤波器级联的复杂结构，有效降低了滤波器插入损耗，尤其是针对多倍频程宽带带通滤波的应用需求。
(3)本发明的穿墙雷达滤波器采用通用化、模块化设计。作为一个组成穿墙雷达的必要部件，在系统设计时规划好滤波器的技术参数，固定其封装。针对不同型号雷达的具体需求，合理设计滤波器参数实现通用化。
(4)本发明的穿墙雷达滤波器成本低。用硬件方法最大程度有效改善差频信号质量，避免使用复杂的数字滤波器，避免占用数字信号处理所需的逻辑资源。
(5)本发明的穿墙雷达滤波器灵活性好。可通过调整相关电缆长度对信号通过频带进行微调，将通带平移到更高或更低频段，克服微波器件差异带来的影响。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的一种穿墙雷达滤波器的设计方法流程图；
图2是本发明的一种穿墙雷达滤波器结构示意图；
图3是本发明的一种基于穿墙雷达的目标检测系统结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是本发明的一种穿墙雷达滤波器的设计方法流程图。
如图1所述，本发明的一种穿墙雷达滤波器的设计方法，包括：
(1)确定穿墙雷达滤波器的技术指标，所述技术指标包括通频带及截止频率；
(2)选择穿墙雷达滤波器为切比雪夫带通LC滤波器，根据穿墙雷达滤波器的技术指标，求出切比雪夫带通LC滤波器的特征函数；
(3)根据切比雪夫带通LC滤波器的特征函数，求取特征函数的极点，进而得到切比雪夫带通LC滤波器的阶数和LC器件数量。
在另一实施例中，该方法还包括：
构造切比雪夫带通LC滤波器的幅度响应斜率函数，求解当前阶数和器件数量条件下使得斜率最大化的截止频率；
根据求得的新截止频率重新计算极点，确定最优参数的LC器件，最终得到穿墙雷达滤波器的拓扑结构。
这样做的好处是，能够获得更好的边带抑制效果，减小过渡带带宽，而且是在不增加滤波器硬件复杂度的条件下。
在另一实施例中，该方法还包括：采用环氧板对穿墙雷达滤波器进行封装。
其中，环氧板：玻璃纤维布用环氧树脂粘合而成加温加压制作，其优点是在中等温度下机械性能好，在高湿度条件下电气性能稳定，适用于机械、电器及电子用高绝缘结构零部件，具有高的机械和介电性能较好的耐热性和耐潮性。
例如：穿墙雷达滤波器具体指标为：
(1)输出滤波频率范围：25KHz～500KHz；
(2)输出滤波器1dB带宽：≥485KHz；
(3)带外抑制：≥-35dBc@5K；≥-35dBc@600K。
图1是本发明的一种穿墙雷达滤波器结构示意图。
如图1所示，本发明的一种穿墙雷达滤波器，其中，所述穿墙雷达滤波器为切比雪夫带通LC滤波器。
穿墙雷达滤波器焊接于电路板上，且采用表贴环氧板封装。
滤波器采用模块化设计，封装采用表贴环氧板(无帽)封装，增强了滤波器的通用性。
本发明的表贴封装的好处是，将滤波器作为一个器件焊接于电路板上，相对比于同轴封装，有效减少了连接器数量，因此插损更小，并且接地效果更好；
其中，环氧板：玻璃纤维布用环氧树脂粘合而成加温加压制作，其优点是在中等温度下机械性能好，在高湿度条件下电气性能稳定，适用于机械、电器及电子用高绝缘结构零部件，具有高的机械和介电性能较好的耐热性和耐潮性。
带通滤波器等于低通和高通的级联，其中高通滤波解决的问题有：
直达波抑制；
收发天线直接耦合抑制；
发射和本振泄露抑制。
低通滤波解决的问题有：
谐波抑制；
杂散抑制；
抗混叠滤波。
本发明的穿墙雷达滤波器，采用下述技术方案：
(1)切比雪夫LC滤波器结构。根据技术条件选择LC类型进行设计，由于通带的频率跨度较大，足有25个倍频程，所以需要用到以切比雪夫高低通为基本类型的设计理念。
(2)通带高端椭圆极点优化。由于频带外高端的衰减要求比较高，滤波器在设计时还要考虑高端实现较好的带外抑制满足技术指标要求，因此加入椭圆极点对高端进行优化。
(3)使用高Q值电容和高性能电感以减小损耗。而且为了使参数更容易实现展现的更加完美需要采用0805高Q电容和高性能电感，要求电容Q值＞1000，电感Q值＞200。
(4)表贴环氧板封装。滤波器采用模块化设计，封装采用表贴环氧板(无帽)封装，增强了滤波器的通用性。
表贴封装的好处是，将滤波器作为一个器件焊接于电路板上，相对比于同轴封装，有效减少了连接器数量，因此插损更小，并且接地效果更好，
环氧板：玻璃纤维布用环氧树脂粘合而成加温加压制作，其优点是在中等温度下机械性能好，在高湿度条件下电气性能稳定，适用于机械、电器及电子用高绝缘结构零部件，具有高的机械和介电性能较好的耐热性和耐潮性。
环氧板用于滤波器封装的好处有：
形式多样。各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。
固化方便。选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在0～180℃温度范围内固化。
粘附力强。环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。
收缩性低。环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性(小于2％)。力学性能。固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能。
图3是本发明的一种基于穿墙雷达的目标检测系统结构示意图。
如图3所示，本发明的一种目标检测系统，其应用所述的穿墙雷达滤波器。
进一步的，该系统还包括：
耦合器，其用于将基于线性调频连续波信号的穿墙雷达及接收目标反射的电磁波进行耦合，得到耦合信号；及
混频器，其用于将耦合信号与本地载波通进行混频，得到混频信号；所述混频信号传送至穿墙雷达滤波器进行滤波，并传送至控制器内进行数字信号处理，完成目标估计和距离测量。
其中，该系统还包括：发射天线和接收天线，所述发射天线用于发射基于线性调频连续波的穿墙雷达信号；所述接收天线用于接收由发射天线发射后经目标反射后的信号。
所述控制器还与预警器相连，所述预警器用于实时提示检测到的目标。
其中，线性调频连续波信号的目标估计原理。
基于线性调频连续波(LFMCW)信号的穿墙雷达通过接收目标反射的电磁波与本地载波混频的方式完成脉冲压缩，输出差频信号经过滤波后进行数字信号处理，完成目标估计和距离测量。
LFMCW信号起始频率为f0，信号带宽为B，最高频率为f0+B，脉冲宽度为T0，脉冲间隔为T。调频斜率为
发射信号由发射天线发射后经目标反射后到达接收天线，测量电磁波的双向传输时延τ可以计算目标和天线之间的距离r，二者之间的关系为
其中c为光速。
混频器输出的差频fd与双向传输时延τ成正比，其关系为
fd＝kτ
因此目标距离r为
接收通道中，带通滤波器，通带范围是(f1～f2)，通带起点f1，通带终点f2。
另外带通滤波器通带范围还与探测距离有关，通带起点f1决定了近距离盲区终点r1，通带终点f2决定了远距离盲区起点r2。
本发明还提供了一种基于如图3所示的基于穿墙雷达的目标检测系统的工作方法，包括：
基于线性调频连续波信号的穿墙雷达与接收目标反射的电磁波经耦合器进行耦合，得到耦合信号；
混频器将耦合信号与本地载波通进行混频，得到混频信号；
混频信号再传送至穿墙雷达滤波器进行滤波，并传送至控制器内进行处理，得到目标估计和距离测量。
在另一实施例中，该方法还包括：当控制器检测到目标时，向预警器输出预警信号进行实时预警。
本发明的效果为：
(1)本发明通过将穿墙雷达滤波器设计成为切比雪夫带通LC滤波器，提高了穿墙雷达滤波器中参数调节的精度，保证了穿墙雷达滤波器的滤波效果，减小了穿墙雷达的接收信号功率，提高了接收机的使用寿命。
(2)本发明的穿墙雷达滤波器结构简单、插损低。切比雪夫LC滤波结构在通带低端和高端都实现了较好的带外抑制效果，避免了低通滤波器和高通滤波器级联的复杂结构，有效降低了滤波器插入损耗，尤其是针对多倍频程宽带带通滤波的应用需求。
(3)本发明的穿墙雷达滤波器采用通用化、模块化设计。作为一个组成穿墙雷达的必要部件，在系统设计时规划好滤波器的技术参数，固定其封装。针对不同型号雷达的具体需求，合理设计滤波器参数实现通用化。
(4)本发明的穿墙雷达滤波器成本低。用硬件方法最大程度有效改善差频信号质量，避免使用复杂的数字滤波器，避免占用数字信号处理所需的逻辑资源。
(5)本发明的穿墙雷达滤波器灵活性好。可通过调整相关电缆长度对信号通过频带进行微调，将通带平移到更高或更低频段，克服微波器件差异带来的影响。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种穿墙雷达滤波器的设计方法，其特征在于，包括：
确定穿墙雷达滤波器的技术指标，所述技术指标包括通频带及截止频率；
选择穿墙雷达滤波器为切比雪夫带通LC滤波器，根据穿墙雷达滤波器的技术指标，求出切比雪夫带通LC滤波器的特征函数；
根据切比雪夫带通LC滤波器的特征函数，求取特征函数的极点，进而得到切比雪夫带通LC滤波器的阶数和LC器件数量。
2.如权利要求1所述的穿墙雷达滤波器的设计方法，其特征在于，该方法还包括：
构造切比雪夫带通LC滤波器的幅度响应斜率函数，求解当前阶数和器件数量条件下使得斜率最大化的截止频率；
根据求得的新截止频率重新计算极点，确定最优参数的LC器件，最终得到穿墙雷达滤波器的拓扑结构。
3.如权利要求1所述的穿墙雷达滤波器的设计方法，其特征在于，该方法还包括：采用环氧板对穿墙雷达滤波器进行封装。
4.一种穿墙雷达滤波器，其特征在于，所述穿墙雷达滤波器采用如权利要求1-3中任一所述的方法设计而成。
5.一种目标检测系统，其特征在于，包括如权利要求4所述的穿墙雷达滤波器。
6.如权利要求5所述的一种目标检测系统，其特征在于，该系统还包括：
耦合器，其用于将基于线性调频连续波信号的穿墙雷达及接收目标反射的电磁波进行耦合，得到耦合信号；及
混频器，其用于将耦合信号与本地载波通进行混频，得到混频信号；所述混频信号传送至穿墙雷达滤波器进行滤波，并传送至控制器内进行处理，完成目标估计和距离测量。
7.如权利要求5所述的一种目标检测系统，其特征在于，该系统还包括：发射天线和接收天线，所述发射天线用于发射基于线性调频连续波的穿墙雷达信号；所述接收天线用于接收由发射天线发射后经目标反射后的信号。
8.如权利要求5所述的一种目标检测系统，其特征在于，所述控制器还与预警器相连，所述预警器用于实时提示检测到的目标。
9.一种如权利要求5-8中任一项所述的目标检测系统的工作方法，其特征在于，包括：
基于线性调频连续波信号的穿墙雷达与接收目标反射的电磁波经耦合器进行耦合，得到耦合信号；
混频器将耦合信号与本地载波通进行混频，得到混频信号；
混频信号再传送至穿墙雷达滤波器进行滤波，并传送至控制器内进行处理，得到目标估计和距离测量。
10.如权利要求9所述的一种目标检测系统的工作方法，其特征在于，该方法还包括：当控制器检测到目标时，向预警器输出预警信号进行实时预警。
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