CN109725305A - 一种低功耗高性能的超宽带雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗高性能的超宽带雷达系统，包括ARM控制器、超宽带信号发射电路和超宽带回波信号接收电路；所述超宽带信号发射电路包括脉冲发生器、超宽带发射机和发射天线，所述ARM控制器、脉冲发生器、超宽带发射机和发射天线依次连接；所述超宽带回波信号接收电路包括信号放大及采集单元、脉冲混频器、接收天线和本地脉冲发生器，所述接收天线、脉冲混频器、信号放大及采集单元、ARM控制器依次连接，所述本地脉冲发生器和脉冲混频器连接；所述ARM控制器通讯连接于成像显示装置。本发明实现了探地设备的低功耗、便携化，可应用到排爆探地领域。

Description

一种低功耗高性能的超宽带雷达系统

技术领域

本发明涉及雷达系统技术领域，具体涉及一种低功耗高性能的超 宽带雷达系统。

背景技术

在一些新疆喀什、和田等地区恐怖袭击案例中，存在犯罪分子在 公共场所地下埋藏大量炸药袭击公安干警、制造恐怖袭击的情况。通 过走访公安一线，发现目前公安领域尚未有探测地下深埋爆炸物(AT 坦克地雷、AP杀伤人员地雷、UXO未爆物)的装备。常规的X光背 散射无法在地下这种环境中使用，荧光淬灭技术、离子迁移谱等手段 需要有爆炸物分子挥发到空气中，而埋藏在地下的爆炸物无法采用接 触式的检测手段，所以该装备是一线特警急需的一种反恐排爆装备。

工程领域的探地雷达多采用高功率的发射设备，体积大、功耗高， 不太适用于便携场景。另一方面，当前排爆领域主要是金属探测雷达， 对于非金属为主的新型爆炸物探测能力较差，而且这些装备没有针对 公安的战术进行被探测物的专家库优化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种低功耗高性能的超宽 带雷达系统，实现探地设备的低功耗、便携化，可应用到排爆探地领 域。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低功耗高性能的超宽带雷达系统，包括ARM控制器、超宽带 信号发射电路和超宽带回波信号接收电路；所述超宽带信号发射电路 包括脉冲发生器、超宽带发射机和发射天线，所述ARM控制器、脉冲 发生器、超宽带发射机和发射天线依次连接；所述超宽带回波信号接 收电路包括信号放大及采集单元、脉冲混频器、接收天线和本地脉冲 发生器，所述接收天线、脉冲混频器、信号放大及采集单元、ARM控 制器依次连接，所述本地脉冲发生器和脉冲混频器连接；所述ARM控 制器通讯连接于成像显示装置；

所述脉冲发生器用于通过门电路对ARM控制器的脉冲信号进行 整形；

所述超宽带发射机用于将从脉冲发生器输入的脉冲信号转变为 超宽带信号；

所述发射天线用于对从超宽带发射机输入的超宽带信号进行电 波转换，从而将超宽带信号耦合到空间中；

所述接收天线用于对超宽带回波信号进行电波转换，从而将超宽 带回波信号从空间耦合到超宽带回波信号接收电路中；

所述本地脉冲发生器用于产生本地脉冲信号，脉冲混频器用于将 接收到的超宽带回波信号和本地脉冲信号进行混频，当超宽带回波信 号和本地脉冲信号在同一时间出现时，脉冲混频器将输出混频信号；

所述信号放大及采集单元用于当超宽带回波信号经脉冲混频器 混频输出混频信号后，通过运算放大电路进行混频信号放大并输出至 ARM控制器；

成像显示装置用于从ARM控制器接收混频信号，并根据混频信号 进行成像并将成像结果显示出来。

进一步地，所述成像显示装置采用PC机，其作为上位机与所述 ARM控制器通讯连接。

进一步地，所述ARM控制器通过串口通讯连接于所述成像显示装 置。

进一步地，所述脉冲混频器和接收天线之间设有低噪声放大器， 用于放大接收天线接收到的超宽带回波信号后再输出至所述脉冲混 频器。

进一步地，所述发射天线和接收天线均采用维瓦尔第超宽带天 线，其带宽为600MHz-5GHz。

进一步地，所述超宽带回波信号还包括有可调延时单元，所述可 调延时单元连接于所述本地脉冲发生器，用于调节本地脉冲发生器的 时延使得超宽带信号发射电路和超宽带回波信号接收电路保持同步。

本发明还提供一种利用上述低功耗高性能的超宽带雷达系统进 行探测的方法，包括如下步骤：

S1、ARM控制器输出脉冲信号，脉冲发生器对脉冲信号进行整形 后传输至超宽带发射机，所述超宽带发射机将接收到的脉冲信号转换 为超宽带信号然后输出至发射天线，所述发射天线对超宽带信号进行 电波转换，将超宽带信号耦合到空间中；

S2、超宽带信号在空间中遇到探测对象后会发生反射产生超宽带 回波信号，接收天线接收超宽带回波信号并进行电波转换，传输至脉 冲混频器中，本地脉冲发生器产生本地脉冲信号并传输至脉冲混频器 中，当超宽带回波信号和本地脉冲信号同时输入脉冲混频器中时，则 脉冲混频器产生混频信号输出至信号放大及采集单元，信号放大及采 集单元对混频信号放大后输出至ARM控制器，ARM控制器输出至上位 机；

S3、成像显示装置根据混频信号对探测对象进行成像，并将成像 结果显示在显示屏上。

本发明的有益效果在于：本发明可以克服传统探地雷达体积大、 功耗高等缺点，通过简洁有效的系统设计，实现探地设备的低功耗、 便携化。系统整体功耗小于10W，可以非常方便地采用便携式的锂电 池供电。在低功耗的情况下，实测探测深度不低于20厘米，分辨率 不低于10厘米，探测系统可以对典型的几种模拟目标进行二维成像。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实 施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过 程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

一种低功耗高性能的超宽带雷达系统，如图1所示，包括ARM控 制器、超宽带信号发射电路和超宽带回波信号接收电路；所述超宽带 信号发射电路包括脉冲发生器、超宽带发射机和发射天线，所述ARM 控制器、脉冲发生器、超宽带发射机和发射天线依次连接；所述超宽 带回波信号接收电路包括信号放大及采集单元、脉冲混频器和接收天 线、本地脉冲发生器，所述接收天线、脉冲混频器、信号放大及采集 单元、ARM控制器依次连接，所述本地脉冲发生器和脉冲混频器相连 接；所述ARM控制器通讯连接于成像显示装置。

所述ARM控制器作为主控单元，用于对超宽带信号发射电路和超 宽带回波信号接收电路进行控制，实现超宽带信号的发射和回波采 集。

所述脉冲发生器用于通过门电路对ARM控制器的脉冲信号进行 整形，并输出边沿陡峭的脉冲信号，以驱动超宽带发射机输出超宽带 信号。

所述超宽带发射机用于将从脉冲发生器输入的脉冲信号转变为 超宽带信号，并适配发射天线输出电波信号，是本实施例系统的激励 单元。

所述发射天线用于对超宽带信号进行电波转换，从而将超宽带信 号耦合到空间中。

所述接收天线用于对超宽带回波信号进行电波转换，从而将超宽 带回波信号从空间耦合到超宽带回波信号接收电路。

所述本地脉冲发生器用于产生本地脉冲信号作为本地参考信号， 脉冲混频器用于将接收天线接收到的超宽带回波信号和本地脉冲信 号进行混频，当超宽带回波信号和本地脉冲信号在同一时间出现时， 脉冲混频器将输出设定电平的混频信号。

所述信号放大及采集单元用于当超宽带回波信号经脉冲混频器 (采样保持)混频输出混频信号后，通过运算放大电路进行混频信号 的放大，提升了信号的驱动能力，有利于提升采集精度。

成像显示装置用于从ARM控制器接收混频信号，并根据混频信号 进行成像并将成像结果显示出来。使用人员可以根据成像结果判断是 否存在爆炸物。

进一步地，所述成像显示装置采用PC机，其作为上位机与所述 ARM控制器通讯连接；所述ARM控制器、超宽带信号发射电路和超宽 带回波信号接收电路组成了下位机。也可以将成像显示装置集成在下 位机中，组成一个一体化结构的超宽带雷达系统。

更进一步地，所述ARM控制器通过串口通讯连接于所述成像显示 装置，其内部实现串口通讯协议。另外，所述ARM控制器还可以采用 USB等通讯接口通讯连接于所述成像显示装置。

更进一步地，所述串口的内部，包括流控制和特定的波特率等参 数可以自由配置。

进一步地，所述脉冲混频器和接收天线之间设有低噪声放大器， 用于放大接收天线接收到的超宽带回波信号。设置低噪声放大器可以 提升信噪比，有利于提升系统的灵敏度，从而提高系统的探测距离和 精度。

进一步地，为实现系统的低功耗特性，所述ARM控制器的内部配 置为低功耗模式。其原理是通过配置超宽带信号发射电路和超宽带回 波信号接收电路的脉冲工作时间，可以有效调整系统的功耗水平。

进一步地，所述超宽带回波信号接收电路还包括有可调延时单 元，所述可调延时单元连接于所述本地脉冲发生器，用于调节本地脉 冲发生器的时延使得超宽带信号发射电路和超宽带回波信号接收电 路保持同步。

超宽带雷达信号在时域是极窄的高斯脉冲信号，只有超宽带信号 发射电路和超宽带回波信号接收电路工作在相同的时间基准，超宽带 回波信号接收电路才可以准确地判断发射信号的时间点，在获得回波 信号后，才能正确计算出回波信号和发射信号的时延。该时延是发射 信号在介质中传输，经目标物反射后，回波信号再经介质传输，最后 经接收天线被采集的过程。将该时延除以2，再乘以介质中的相速度， 即可计算出目标物的精确距离。

进一步地，所述发射天线和接收天线均采用维瓦尔第超宽带天 线，其带宽为600MHz-5GHz。

上述低功耗高性能的超宽带雷达系统。可以克服传统探地雷达体 积大、功耗高等缺点，通过简洁有效的系统设计，实现探地设备的低 功耗、便携化。系统整体功耗小于10W，可以非常方便地采用便携式 的锂电池供电。在低功耗的情况下，实测探测深度不低于20厘米， 分辨率不低于10厘米，探测系统可以对典型的几种模拟目标进行二 维成像。

利用上述低功耗高性能的超宽带雷达系统进行探测的方法，包括 如下步骤：

S1、ARM控制器输出脉冲信号，脉冲发生器对脉冲信号进行整形 并传输至超宽带发射机，所述超宽带发射机将接收到的脉冲信号转换 为超宽带信号然后输出至发射天线，所述发射天线对超宽带信号进行 电波转换，将超宽带信号耦合到空间中；

S2、超宽带信号在空间中遇到探测对象后会产生超宽带回波信 号，接收天线接收超宽带回波信号并进行电波转换，传输至脉冲混频 器中，本地脉冲发生器产生本地脉冲信号并传输至脉冲混频器中，当 超宽带回波信号和本地脉冲信号同时输入脉冲混频器中时，则脉冲混 频器产生混频信号输出至信号放大及采集单元，信号放大及采集单元 对混频信号放大后输出至ARM控制器，ARM控制器输出至上位机；

S3、成像显示装置根据混频信号对探测对象进行成像，并将成像 结果显示在显示屏上。

实施例1

本实施例提供一种低功耗高性能的超宽带雷达系统，包括ARM控 制器、超宽带信号发射电路和超宽带回波信号接收电路；所述超宽带 信号发射电路包括脉冲发生器、超宽带发射机和发射天线，所述ARM 控制器、脉冲发生器、超宽带发射机和发射天线依次连接；所述超宽 带回波信号接收电路包括信号放大及采集单元、脉冲混频器、接收天 线、可调延时单元、本地脉冲发生器，所述接收天线、脉冲混频器、 信号放大及采集单元、ARM控制器依次连接，所述可调延时单元、本 地脉冲发生器和脉冲混频器依次连接；所述ARM控制器通过串口通讯 连接于成像显示装置。

所述脉冲混频器和接收天线之间设有低噪声放大器，用于放大从 接收天线接收到的超宽带回波信号。设置低噪声放大器可以提升信噪 比，有利于提升系统的灵敏度，从而提高系统的探测距离和精度。

在本实施例中，所述成像显示装置为PC机，PC机中运行有成像 软件，所述成像软件可采用c#，Matlab，Labview等语言实现。

在本实施例中，串口作为实现和上位机通讯的接口，串口配置如 下，波特率：115200，比特位：8，校验位：无，流控制：none。

在本实施例中，所述ARM控制器采用STM32F401及同系列。

在本实施例中，所述脉冲发生器的门电路采用TI公司的74系列 门电路或同类逻辑电路，或采用CPLD逻辑集成电路。

在本实施例中，所述发射天线和接收天线均采用维瓦尔第超宽带 天线，其带宽为600MHz-5GHz。

在本实施例中，所述低噪声放大器的工作带宽为50MHz-3GHz， 增益大于15dB，噪声小于3dB。

在本实施例中，所述脉冲混频器采用二极管混频器。

在本实施例中，所述可调延时单元的指标为可调时延范围>50ns， 调节步进<500ps。

在本实施例中，所述信号放大及采集单元的运算放大电路比例为 2，最大满量程输出电压为3.3V。

在本实施例中，所述超宽带雷达系统的工作流程为：

S1、通过串口将下位机连接到上位机；

S2、启动上位机中运行的成像软件；

S3、上位机进行初始化并检测串口状态和数据；

S4、下位机上电后开始工作，ARM控制器输出脉冲信号，脉冲发 生器对脉冲信号进行整形并传输至超宽带发射机，所述超宽带发射机 将接收到的脉冲信号转换为超宽带信号然后输出至发射天线，所述发 射天线对超宽带信号进行电波转换，将超宽带信号耦合到空间中；

S5、超宽带信号在空间中遇到探测对象后会产生超宽带回波信 号，接收天线接收超宽带回波信号并进行电波转换，经过低噪声放大 器放大后传输至脉冲混频器中，本地脉冲发生器产生本地脉冲信号并 传输至脉冲混频器中，当超宽带回波信号和本地脉冲信号同时输入脉 冲混频器中时，则脉冲混频器产生混频信号输出至信号放大及采集单 元，信号放大及采集单元对混频信号放大后输出至ARM控制器，ARM 控制器通过串口输出至上位机；

S6、上位机的成像软件根据混频信号对探测对象进行成像，并将 成像结果显示在显示屏上。

上述方法中，通过所述可调延时单元调节时延使得超宽带信号发 射电路和超宽带回波信号接收电路保持同步。

本实施例的系统和方法可以对地下金属外壳未爆物进行探测。

实施例2

本实施例中的系统结构组成和实施例1基本相同，主要区别在 于，本实施例中，所述ARM控制器采用ARM Cortex芯片，上位机的 人机界面是采用基于Labview语言的虚拟仪器技术实现，成像算法调 用了MATLAB工具包，实现了采集数据可视化。本实施例结合labview高效的数据流设计模式和matlab强大的矩阵运算能力，实现超宽带 雷达的快速成像。其中matlab中的成像算法采用成熟的BP(Back Projection，后向投影)单站成像算法，其原理是对接收到的超宽带 回波信号进行距离向匹配，并累计信号相关相加后得到目标函数，实 现目标重建。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思， 给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括 在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低功耗高性能的超宽带雷达系统，其特征在于，包括ARM控制器、超宽带信号发射电路和超宽带回波信号接收电路；所述超宽带信号发射电路包括脉冲发生器、超宽带发射机和发射天线，所述ARM控制器、脉冲发生器、超宽带发射机和发射天线依次连接；所述超宽带回波信号接收电路包括信号放大及采集单元、脉冲混频器、接收天线和本地脉冲发生器，所述接收天线、脉冲混频器、信号放大及采集单元、ARM控制器依次连接，所述本地脉冲发生器和脉冲混频器连接；所述ARM控制器通讯连接于成像显示装置；

所述脉冲发生器用于通过门电路对ARM控制器的脉冲信号进行整形；

所述超宽带发射机用于将从脉冲发生器输入的脉冲信号转变为超宽带信号；

所述发射天线用于对从超宽带发射机输入的超宽带信号进行电波转换，从而将超宽带信号耦合到空间中；

所述接收天线用于对超宽带回波信号进行电波转换，从而将超宽带回波信号从空间耦合到超宽带回波信号接收电路中；

所述本地脉冲发生器用于产生本地脉冲信号，脉冲混频器用于将接收到的超宽带回波信号和本地脉冲信号进行混频，当超宽带回波信号和本地脉冲信号在同一时间出现时，脉冲混频器将输出混频信号；

所述信号放大及采集单元用于当超宽带回波信号经脉冲混频器混频输出混频信号后，通过运算放大电路进行混频信号放大并输出至ARM控制器；

成像显示装置用于从ARM控制器接收混频信号，并根据混频信号进行成像并将成像结果显示出来。

2.根据权利要求1所述的低功耗高性能的超宽带雷达系统，其特征在于，所述成像显示装置采用PC机，其作为上位机与所述ARM控制器通讯连接。

3.根据权利要求1或2所述的低功耗高性能的超宽带雷达系统，其特征在于，所述ARM控制器通过串口通讯连接于所述成像显示装置。

4.根据权利要求1所述的低功耗高性能的超宽带雷达系统，其特征在于，所述脉冲混频器和接收天线之间设有低噪声放大器，用于放大接收天线接收到的超宽带回波信号后再输出至所述脉冲混频器。

5.根据权利要求1所述的低功耗高性能的超宽带雷达系统，其特征在于，所述发射天线和接收天线均采用维瓦尔第超宽带天线，其带宽为600MHz-5GHz。

6.根据权利要求1所述的低功耗高性能的超宽带雷达系统，其特征在于，所述超宽带回波信号还包括有可调延时单元，所述可调延时单元连接于所述本地脉冲发生器，用于调节本地脉冲发生器的时延使得超宽带信号发射电路和超宽带回波信号接收电路保持同步。

7.一种利用上述任一权利要求所述的低功耗高性能的超宽带雷达系统进行探测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、ARM控制器输出脉冲信号，脉冲发生器对脉冲信号进行整形后传输至超宽带发射机，所述超宽带发射机将接收到的脉冲信号转换为超宽带信号然后输出至发射天线，所述发射天线对超宽带信号进行电波转换，将超宽带信号耦合到空间中；

S2、超宽带信号在空间中遇到探测对象后会发生反射产生超宽带回波信号，接收天线接收超宽带回波信号并进行电波转换，传输至脉冲混频器中，本地脉冲发生器产生本地脉冲信号并传输至脉冲混频器中，当超宽带回波信号和本地脉冲信号同时输入脉冲混频器中时，则脉冲混频器产生混频信号输出至信号放大及采集单元，信号放大及采集单元对混频信号放大后输出至ARM控制器，ARM控制器输出至上位机；

S3、成像显示装置根据混频信号对探测对象进行成像，并将成像结果显示在显示屏上。