CN110907931A - 一种在中频输出端添加移相器的双边带多普勒雷达结构 - Google Patents

一种在中频输出端添加移相器的双边带多普勒雷达结构 Download PDF

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Abstract

一种在中频输出端添加移相器的双边带多普勒雷达结构，目的是当雷达与被测物之间的距离发生变化时，无需再调节压控振荡器的频率，从而降低双边带多普勒雷达的复杂度及实现成本更低，该发明简化了双边带多普勒雷达的操作方法，只需要改变移相器的移相值即可，这要比调节压控振荡器的频率操作更加简单。

Description

一种在中频输出端添加移相器的双边带多普勒雷达结构
技术领域
本发明涉及微波多普勒雷达领域，尤其涉及一种在中频输出端添加移相器的双边带多普勒雷达结构。
背景技术
微波多普勒雷达作为无线传感器从1970年开始就应用于生命体征探测[1]。早期的雷达使用笨重且昂贵的元器件实现，随着集成电路技术的进步，微波多普勒雷达的体积越来越小以至于可以集成到单片芯片上[2]。利用体积更小、成本更低的电路，多普勒雷达可以应用于非常多的生命体征检测领域，如家庭监护、儿童睡眠呼吸暂停、灾后救援等等。
为了尽量减小多普勒雷达的体积与成本，最初在接收机部分采用单信道混频器结构，但是通过实验验证发现该结构存在零点问题，这会使雷达的测量精度严重降低[3]。为了解决零点问题，人们提出了正交混频的接收机结构[4]和基于发射双边带的频率调节技术[5]。前者需要产生正交的本振信号，而在实际的电路结构中产生的正交信号都是存在一定误差的，这会导致测量结果不准确。针对正交混频的缺点，有人提出了基于双边带的频率调节技术，该技术无需产生正交的本振信号，也无需镜像抑制滤波器和中频滤波器[6]。但是该双边带多普勒雷达结构依然存在缺点，当雷达与被测物之间的距离发生改变时，需要调节中频压控振荡器的频率，而调节该压控振荡器的频率在硬件实现上比较复杂，成本较高。
基于现有技术中的不足，有必要提出一种改进型的双边带多普勒雷达结构，以解决现有双边带雷达结构的缺点。
【参考文献】
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发明内容
针对现有技术存在的难题，本发明提出了一种在中频输出端添加移相器的双边带多普勒雷达结构，目的是当雷达与被测物之间的距离发生变化时，无需再调节压控振荡器的频率，从而降低双边带多普勒雷达的复杂度及实现成本更低。
一种在中频输出端添加移相器的双边带多普勒雷达结构，如图1所示。在该图中，首先利用第一个压控振荡器产生频率为f1的射频信号L1(t)，该信号经过功分器，一路用作发射信号，另外一路用作本振信号；之后利用第二个压控振荡器产生频率为f2的射频信号L2(t)，该信号经过功分器，一路用作本振信号，另外一路用作发射信号，并与第一个压控振荡器产生的信号进行混频；混频后的信号通过天线发射出去；在接收端，天线接收到经过身体调制的信号后，先经过低噪声放大器放大，然后与第二个压控振荡器产生的本振信号L2(t)下混频，混频后的信号先经过移相器，最后与第一个压控振荡器产生的本振信号L1(t)混频而产生基带信号；产生的基带信号利用模数转换器采样转换成数字信号，并发送到计算机中进行处理。
设第一个压控振荡器产生的本振信号频率为
Figure 189940DEST_PATH_IMAGE001
，如公式（1）所示：
Figure 975494DEST_PATH_IMAGE002
（1）
设第二个压控振荡器产生的本振信号频率为f 2，如公式（2）所示：
Figure 838408DEST_PATH_IMAGE003
（2）
在发射机部分，两个压控振荡器产生的本振信号进行混频，得到的混频信号的频率分别为f 2-f 1和f 2+f 1，如公式（3）所示：
Figure 171038DEST_PATH_IMAGE004
（3）
令f H = f 2+f 1，f L = f 2-f 1，λ H =c/f H ，λ L =c/f L ；
在接收机部分，经过第一次下变频后，接收信号如式（4）所示：
Figure 170218DEST_PATH_IMAGE005
（4）
在式（4）中，d 0为雷达与被测物之间的距离，x(t)为人体的胸腔运动；
如图1所示，R 1(t)将经过一个移相器，之后输出的信号R 2(t)如式（5）所示：
Figure 392252DEST_PATH_IMAGE006
（5）
经过第二次下变频后，输出的基带信号如式（6）所示：
Figure 650451DEST_PATH_IMAGE007
（6）
根据文献[6]，令
Figure 22658DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 640459DEST_PATH_IMAGE009
可得如下式（7）的分析结果：
Figure 298973DEST_PATH_IMAGE010
（7）
当
Figure 870900DEST_PATH_IMAGE011
等于式（7）的结果时，测量结果在最优点的位置，即测量结果最准确；
当
Figure 374693DEST_PATH_IMAGE011
的值不等于式（7）的结果时，可以通过调节移相器的移相值ϕ而使
Figure 115510DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 413767DEST_PATH_IMAGE013
相比于之前调节压控振荡器的频率，直接调节移相器的移相值ϕ操作更加简单，成本也更低。
本发明具有以下几点优势，第一点，低频压控振荡器的频率值不再需要调节，因此简化了低频压控振荡器的设计，降低了整体雷达结构的复杂度，也使雷达的实现成本更低。第二点，简化了双边带多普勒雷达的操作方法，当雷达与被测物之间的距离发生改变时，只需要改变移相器的移相值即可，这要比调节压控振荡器的频率操作更加简单。
附图说明
图1是本发明改进型双边带多普勒雷达结构原理图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图1所示，首先利用第一个压控振荡器产生频率为f1的射频信号L1(t)，该信号经过功分器，一路用作发射信号，另外一路用作本振信号；之后利用第二个压控振荡器产生频率为f2的射频信号L2(t)，该信号经过功分器，一路用作本振信号，另外一路用作发射信号，并与第一个压控振荡器产生的信号进行混频；混频后的信号通过天线发射出去。在接收端，天线接收到经过身体调制的信号后，先经过低噪声放大器放大，然后与第二个压控振荡器产生的本振信号L2(t)下混频，下混频后的信号先经过移相器，最后与第一个压控振荡器产生的本振信号L1(t)混频而产生基带信号。为了尽量减小混频后基带信号的残余相位噪声，两个压控振荡器芯片使用同一块晶振驱动。
本发明中具体使用元器件的型号如下描述：两块压控振荡器都采用AnalogDevices公司的LTC6948IUFD，利用该压控振荡器产生的频率f1为1.2GHz的频率，f2为2.14GHz的频率；功分器采用Anaren公司的PD0409J7575S2HF；功率放大器采用AnalogDevices公司的HMC8205；低噪声放大器采用Analog Devices公司的HMC639；混频器采用Analog Devices公司的LT5522EUF#PBF;移相器采用Analog Devices公司的HMC936A，模数转换器采用NI USB-6211。

Claims (2)

1.一种在中频输出端添加移相器的双边带多普勒雷达结构，其特征在于：首先利用第一个压控振荡器产生频率为f1的射频信号L1(t)，经过功分器，一路用作发射信号，另外一路用作本振信号；之后利用第二个压控振荡器产生频率为f2的射频信号L2(t)，经过功分器，一路用作本振信号，另外一路用作发射信号，并与第一个压控振荡器产生的信号进行混频；混频后的信号通过天线发射出去；在接收端，天线接收到经过身体调制的信号后，先经过低噪声放大器放大，然后与第二个压控振荡器产生的本振信号L2(t)下混频，下混频后的信号先经过移相器，最后与第一个压控振荡器产生的本振信号L1(t)混频而产生基带信号；产生的基带信号利用模数转换器采样转换成数字信号，并发送到计算机中进行处理。
2.根据权利要求1所述一种在中频输出端添加移相器的双边带多普勒雷达结构，其特征在于：
设第一个压控振荡器产生的本振信号频率为
Figure 343747DEST_PATH_IMAGE001
，如公式（1）所示：
Figure 481467DEST_PATH_IMAGE002
（1）
设第二个压控振荡器产生的本振信号频率为f 2，如公式（2）所示：
Figure 802727DEST_PATH_IMAGE003
（2）
在发射机部分，两个压控振荡器产生的本振信号进行混频，得到的混频信号的频率分别为f 2-f 1和f 2+f 1，如公式（3）所示：
Figure 25898DEST_PATH_IMAGE005
（3）
令f H = f 2+f 1，f L = f 2-f 1，λ H =c/f H ，λ L =c/f L ；
在接收机部分，经过第一次下变频后，接收信号如式（4）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（4）
在式（4）中，d 0为雷达与被测物之间的距离，x(t)为人体的胸腔运动；
如图1所示，R 1(t)将经过一个移相器，之后输出的信号R 2(t)如式（5）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（5）
经过第二次下变频后，输出的基带信号如式（6）所示：
Figure 638276DEST_PATH_IMAGE010
（6）
根据文献[6]，令
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
可得如下式（7）的分析结果：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（7）
当
Figure DEST_PATH_IMAGE014
等于式（7）的结果时，测量结果在最优点的位置，即测量结果最准确；
当
Figure 942087DEST_PATH_IMAGE014
的值不等于式（7）的结果时，可以通过调节移相器的移相值ϕ而使
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
相比于之前调节压控振荡器的频率，直接调节移相器的移相值ϕ操作更加简单，成本也更低。
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