CN115728715A - 一种连续波生命探测雷达 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种连续波生命探测雷达，该连续波生命探测雷达包括：频综模块，用于产生线性调频射频信号；天线，用于发射和接收射频信号；环形器，用于将发射机、接收机及天线连接；天线根据环形器固定的方向性向外辐射放大的线性调频射频信号；射频对消模块，用于隔离发射机与接收机。通过采用线性调频连续波体制实现超宽带雷达信号收发，实现雷达的相参处理，能够进一步提升雷达的探测距离以及分辨率。使用单天线实现雷达的收发，具备体积小、重量轻等特点。并且采用环形器实现发射极和接收机的隔离，更进一步采用射频对消的方案，实现更好的收发隔离度，更有利于提升雷达的探测性能。雷达具备多台设备组网，实现三维或者更高精度的生命探测。

Description

一种连续波生命探测雷达

技术领域

本申请涉及雷达技术领域，尤其涉及一种连续波生命探测雷达。

背景技术

根据探测人体生命参数的不同，目前的生命探测技术主要有音频生命探测技术、视频生命探测技术、红外生命探测技术及电磁生命探测技术等，音频生命探测技术是使用高敏感度传感器探头对被困者发出的音频声波信号进行检测，视频生命探测技术是使用摄像头和能够随意弯曲的电缆对废墟下的情况进行可视化探测，红外生命探测技术是使用红外探测器和光学成像物镜将红外辐射能转换成电信号，经处理后成像。电磁生命探测技术包括超低频电磁生命探测技术和雷达式生命探测技术，超低频电磁生命探测技术采用被动工作方式对人体心肌跳动产生的超低频电磁能进行探测。音频、光学、红外等生命探测技术容易受环境噪音、温度和现场可见度等外界因素影响，超低频电磁生命探测技术的探测效果与遮蔽物性质和操作手的变动有很大关系。相比以上生命探测技术，雷达式生命探测技术将雷达技术应用到生物医学信号检测领域，基于雷达回波上产生的时域多普勒效应来分析判断有无生命体存在以及生命体的具体位置信息，具有良好的障碍物穿透能力以及环境适应性，在军事、灾后救援、安检、反恐和医疗领域等具有巨大的应用前景。

生命探测雷达是一种典型的近距离超宽带雷达，因此一般采用冲激信号或者连续波信号体制。冲激信号采用极窄的瞬时功率来减小盲区，并通过对回波的时域采样直接获得介质特性，因此具有系统结构和处理方式简洁和距离盲区小的优点。但是，冲激信号存在一些本质性的弱点，如平均功率很低，不利于微弱目标探测；直接时域采样所需的采样率很高，实现难度大，而顺序等效采样方式也存在时序精度要求高，以及扫描时间长的问题；冲激波形由于产生方式和天线调制的影响，会存在振荡和拖尾，且在时域校正效果不好，信号不相参，极大地限制了其分辨率和动态范围。

常见的连续波信号体制又分为步进频率连续波和线性调频连续波(FMCW)信号，其波形在时域始终连续，因此平均功率很高，且采用超外差固定中频接收方式，系统灵敏度高，具有优越的动态范围。步进频率连续波信号在每个脉冲期间发射点频信号，实质上是在频域进行采样，具有频率驻留时间长、频谱裁剪灵活和系统校正简便的优点，但这些特点是通过较长的扫描时间获得的，雷达的刷新率太低。FMCW信号体制采用线性调频信号同时完成频率域和距离域的扫描，虽然频率驻留时间较短，但避免了步进频率信号扫描时间长的问题，此外信号的产生和接收相对步进频率信号也更为简单，射频信号和接收信号之间始终保持相参，可通过相干积累，实现更大的探测距离。

由于生命探测仪本身是一种近距离雷达，而脉冲体制探测雷达，辐射功率大，容易造成对外部的电磁干扰，且由于收发分时，故而会存在近距离的盲区，同时还由于雷达的时宽带宽积固定，所以当距离分辨率提升时，速度分辨率必然会下降，无法兼顾，除非能够提升时宽带宽积；传统的连续波雷达一般采用收发天线分置的方式，一个天线用于发射电磁波，另一个天线用于接收反射回波信息，另外，雷达要穿透废墟，那么工作频率就会很低，在保证隔离度的情况下，收发天线的间距会被拉得很远，导致整机尺寸和重量都会比较大。单机就已经很大了，要实现三维定位，需要雷达在方位向和俯仰向都要有天线分布，以此来实现在方位向和俯仰向的分辨。那么整机将会很大、很重，不适用于废墟救援检测使用。

发明内容

本申请提供了一种连续波生命探测雷达，提供一种小型化的探测雷达。

本申请提供了一种连续波生命探测雷达，该连续波生命探测雷达包括：

频综模块，用于集成系统时钟和锁相环两部分，并提供连续波生命探测雷达的同步时钟，并产生线性调频射频信号；

发射机，用于将线性调频射频信号进行放大输出；

接收机，用于接收射频回波信号；

天线；用于发射和接收信号；

环形器，用于将所述发射机、接收机及天线连接；其中，所述天线根据所述环形器固定的方向性向外辐射放大的线性调频射频信号；

射频对消模块，用于隔离所述发射机与所述接收机。

在上述技术方案中，通过采用线性调频连续波体制实现超宽带雷达信号收发，实现雷达的相参处理，能够进一步提升雷达的探测距离以及分辨率。使用单天线实现雷达的收发，具备体积小、重量轻等特点。并且采用环形器实现发射极和接收机的隔离，更进一步采用射频对消的方案，实现更好的收发隔离度，更有利于提升雷达的探测性能。雷达具备多台设备组网，实现三维或者更高精度的生命探测。

在一个具体的可实施方案中，所述线性调频射频信号采用P波段的工作频段。

在一个具体的可实施方案中，所述连续波生命探测雷达还包括射频板；所述频综模块、所述发射机、所述接收机以及所述射频对消模块集成在所述射频板。

在一个具体的可实施方案中，所述连续波生命探测雷达还包括金属屏蔽罩，所述金属屏蔽罩将所述频综模块、所述发射机、所述射频对消模块及所述接收机接地屏蔽。

在一个具体的可实施方案中，所述环形器固定在所述天线的金属反射板，并与射频板和天线通过射频线缆连接。

在一个具体的可实施方案中，所述射频对消模块，用于提取检测发射机泄露至接收机的射频信号，并产生一个与泄露信号等幅反相的抵消信号，送入所述接收机，与所述发射机泄露至接收机的射频信号进行抵消。

在一个具体的可实施方案中，还包括信号处理模块，所述信号处理模块用于对所述接收机接收的射频回波信号进行采样、存储和计算分析，并给出雷达检测结果。

在一个具体的可实施方案中，所述接收机还用于将接收到的射频回波信号进行放大处理，并将射频信号进行下变频，完成中频采数。

在一个具体的可实施方案中，所述信号处理模块与所述天线的金属反射板固定连接，所述射频板与信号处理板对插固定。

在一个具体的可实施方案中，还包括电源模块，所述电源模块用于给所述频综模块、信号处理模块、发射机、射频对消模块以及接收机供电。

附图说明

图1为本申请提供的连续波生命探测雷达的结构框图；

图2为本申请提供的连续波生命探测雷达的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为方便理解本申请实施例提供的连续波生命探测雷达，首先介绍几个名词：

雷达工作频率：指雷达发射射频信号的频率(f)，一般为GHz，波长与频率的关系为λ＝c/f(c为光速)，所以频率越高，对应的波长λ越短。

超宽带雷达：雷达的工作频率带宽超过雷达工作频率的中心频点25％，则称为超宽带雷达。

矢量调制器：射频信号具有幅度大小和方向性，因此，可以称射频信号为一个矢量，矢量调制器的作用就是用来调节射频信号的幅度和相位，相位一般是从0～360°可调。

距离分辨率：雷达的距离分辨率只与雷达的工作带宽相关，带宽越宽，距离分辨率约精细。距离分辨率＝光速/(2*带宽)

速度分辨率：雷达对于目标物体速度的分辨能力。

本申请实施例提供的连续波生命探测雷达用于探测生物的生命特征。而当前的连续波生命探测雷达的尺寸比较大，为此本申请实施例提供了一种小型化的连续波生命探测雷达。下面结合具体的附图以及实施例对其进行详细的说明。

参考图1，图1示出了本申请实施例提供的生命探测雷达的结构示意图。

本申请实施例提供的连续波生命探测雷达的主要结构包括频综模块1、发射机2、接收机5、天线4、环形器3以及射频对消模块6等结构。下面详细说明各部分结构的作用。

继续参考图1，如图1所示，频综模块1用于集成系统时钟和锁相环两部分，并提供雷达的同步时钟，以及产生雷达系统所需要的线性调频射频信号。

发射机2用于将频率源提供的射频信号进行放大输出，也即将将线性调频射频信号进行放大输出。

接收机5用于接收射频回波信号。更具体的，接收机5还用于将接收到的射频回波信号进行放大处理，并将射频信号进行下变频，完成中频采数。

天线4用于发射和接收信号。也即在本申请实施例提供的雷达中，天线4同时作为发射天线和接收天线，即可辐射放大的线性调频射频信号，又可接收反射回来的射频信号。因此，本申请实施例提供的雷达采用一根天线4即可完成信号的发射以及接收。

环形器3用于将发射机2、接收机5及天线4连接；在环形器3将射频信号发送到天线4时，天线4根据环形器3固定的方向性向外辐射放大的线性调频射频信号。

继续参考图1所示，可看出环形器3为一个三端口器件，其三个端口分别与发射机2、接收机5和天线4连接，从而实现系统的单天线设计。另外，设置的环形器3还可给发射机2和接收机5提供一定的隔离度；此外，由于环形器3固定的方向性，可实现射频信号经天线4往外辐射，接收信号经天线4接收回来进入接收机5。

射频对消模块6用于隔离发射机2与接收机5。在具体实现隔离时，通过射频对消模块6提取、检测发射机2泄露至接收机5的射频信号(泄露信号)，并产生一个与泄露信号等幅反相的信号，送入接收机5，与泄露信号进行抵消，从而可进一步的提升发射机2与接收机5之间的隔离度。发射机2和接收机5之间通过环形器3以及射频对消模块6来提高两者的隔离度，确保接收机5不会由于隔离度不够而导致饱和，造成信号失真。

上述的射频对消模块6采用射频对消技术，该技术为：需要对消一个射频信号，此信号称为待对消信号。用矢量调制器产生一个与待对消信号幅度相等、相位相反的信号，再将两个信号进行合路相加(即矢量相加)，就能彻底对消掉待对消信号。

另外，本申请实施例提供的连续波生命探测雷达还可包括信号处理模块7，信号处理模块7用于对接收机5采射频回波信号进行采样、存储和计算分析，并给出雷达检测结果。具体的，信号处理模块7对接收机5采集的数据进行采样、存储和计算分析，经算法计算分析后，给出雷达检测结果，并送至上位机或者显示终端进行显示。

电源模块8，用于给雷达各电路模块进行供电。示例性的，用于给频综模块1、信号处理模块7、发射机2、射频对消模块6以及接收机5供电。以使得各个模块可正常工作。

在具体设置上述各个模块时，将上述各个模块进行集成。集成后，本申请实施例提供的连续波生命探测雷达包括射频板和信号处理板，其中，信号处理板即为信号处理模块。频综模块、发射机、接收机以及射频对消模块集成在射频板。

参考图2，图2示出了各个模块集成后的结构。射频板10上集成有频综模块、发射机、接收机和射频对消模块。在具体设置时，还可包括金属屏蔽罩，金属屏蔽罩将频综模块、发射机、射频对消模块及接收机接地屏蔽。以保证各个模块可独立的工作。

信号处理板20通过板间连接器与射频板10进行连接，传输电源模块和各类信号。

环形器30为三端口网络，将发射机、接收机和天线通过此模块进行连接，提供一定的收发隔离度，考虑射频板与天线之间的高度差，同时信号处理板相对于射频板10还有一定内缩空间，利用这空余出来的空间安装环形器30。

天线的金属反射板40，为天线提供一块反射板，同时还可以用于其余模块的固定。示例性的，环形器30可固定在天线的金属反射板40，并与射频板和天线通过射频线缆连接。另外，还可信号处理板20与天线的金属反射板40固定连接，射频板10与信号处理板20对插固定。

天线辐射板50，天线的辐射板50为天线上的辐射单元，用于将发射机输出的信号往空间辐射出去，同时，还将目标反射的回波信号进行接收，送入接收机中。

电池模块60通过板上的连接器，直接对雷达系统进行供电，保证最高的供电效率。

为了实现雷达的小型化，本申请通过结合“射频对消技术”，提升了发射机与接收机之间的隔离度，再加上环形器提供的隔离度，能保证单天线的这种方案，收发隔离度不影响接收机的正常工作。最终能够实现单天线的设计，相较于现有技术采用的双天线结构，天线面尺寸至少能够缩减2/3。通过这样的设计，极大减小了雷达的尺寸和重量，实现了雷达的小型化和轻型化。

另外，为了实现较好的废墟探测效果，可以采用P波段的工作频段。从而提高检测的结果。

通过上述描述可看出，本申请实施例提供的连续波生命探测雷达将频综模块、发射机、接收机和射频对消模块堆叠至一块射频板10上，各模块通过薄的金属屏蔽罩接地屏蔽处理。射频板10与信号处理板20通过板间对插座子进行连接，提供电源模块60和控制信号，保证设计布局的紧凑性，电源模块60供电的高效性，控制的稳靠性。环形器为一个独立模块，固定在天线的反射板40上，与射频板10和天线通过射频线缆进行连接。P波段频率的天线尺寸比较大，比射频板10和信号处理板20都要大许多。为了充分利用空间，信号处理板20先与天线的金属反射板40固定好，再将射频板10与信号处理板20对插固定。而环形器利用射频板10的尺寸小于天线金属板40的尺寸的特点，固定在射频板10与天线金属反射板40之间，最后整体安装至机壳中。电池模块60直接与信号处理板20上的座子对插实现供电，保证了最短供电路径，极大减小了供电路径的损耗。

另外，本发明的连续波生命探测雷达，采用线性调频连续波体制实现，集成了脉冲体制和连续波体制的双重优点。基于超宽带的工作带宽，实现了很好的距离分辨率；时宽带宽积可调，在保证距离分辨率的前提下，还能同步提升速度分辨率；脉冲周期短，相同时间内具有更多的脉冲积累增益，可以用更小的发射功率实现更远距离的探测，功耗相对偏低。

射频板10与信号处理板20通过对插座子连接在一起，射频板10的电源模块60和相应控制信号都是通过对插座子，由信号处理板20提供，射频板10上的系统同步时钟与ADC采回来的数字信号，也是通过座子传输至信号处理板20。

信号处理板20长度相对于射频板10有一定的内缩，利用射频板10与天线的金属反射板之间的高度差，以及信号处理板20内所预留下来的空间，进行环形器模块的安装，实现机芯布局的紧凑化。

多台单机通过外部线缆连接，形成了多机同步，形成分布式探测阵列，对于方位向和俯仰向都具备一定的检测能力，实现了更加精准的废墟检测定位，更有利于多目标的检测定位。

本发明的生命探测雷达，在使用“射频对消技术”解决收发隔离度的条件下，采用了单天线的架构进行设计，极大的缩减了雷达的尺寸，机芯内部连接简单，没有额外的固定结构件，整机重量也得到了显著的减小，实现了小型化、轻型化设计的目的；采用了线性调频连续波体制，极大提升了雷达的距离和速度分辨率；多机级联，实现了三维定位，提升了定位精度和多目标检测能力。

本发明的生命探测雷达，是一种单天线的线性调频连续波雷达。雷达系统采用线性调频连续波体制来实现，为了实现轻小型化，使用单发单收的架构，并且发射机和接收机共用一个天线。在发射机输出端、接收机输入端和天线连接端口，通过三端口环形器进行连接。

其中，环形器为定向性器件，也就是说，在环形器内部，信号只能沿着一个固定的方向传输，利用环形器的这种特性，就能提供18dB左右发射机与接收机的隔离度。这样的实现方式，电路简单，容易实现，单天线也决定了雷达探测面尺寸能做到最小化。在当前系统架构的基础上，限制雷达探测性能的最大障碍是发射机与接收机之间的隔离度，隔离度指的是发射机辐射信号泄露到接收机时的衰减量，比如射频信号为20dBm，隔离度为15dB，那么泄露到接收机的信号则为5dB。

为了进一步提升雷达性能，在本发明的生命探测雷达系统中，还加入了“射频对消技术”。射频对消指的是，产生一个与待对消信号幅度相等、相位相反的信号，再把两个信号通过合路器进行矢量相加，理论上，这时候待对消信号应该可以被完全抵消，通过这种技术，就能提升发射机与接收机之间的隔离度。通过多机级联的方式，实现多台单机的时钟和数据同步，再采用自由分布式的摆放，就可以实现方位向和俯仰向的分辨检测能力。

而现有生命探测雷达，主要以脉冲体制为主，频率源为超宽带脉冲信号，为了保证隔离度，使用双天线系统，发射与接收分时工作。这种体制雷达，由于辐射频率很宽，所以也要用超宽带天线进行匹配，天线尺寸很大，同时还要做双天线，导致最终雷达探测面尺寸很大。脉冲的重复周期也很大，扫描需要的时间周期长，占空比不高，最终对于目标在相同时间内的脉冲积累增益也很低。为了探测更远距离，辐射功率很高，整机功耗大，且容易对外产生强的辐射干扰。各模块之间独立屏蔽封装，通过线缆连接，连线复杂，质量重。

因此，通过上述对比可看出，本发明的生命探测雷达，是一种单天线的线性调频连续波雷达。雷达系统采用线性调频连续波体制来实现，为了实现轻小型化，使用单发单收的架构，并且发射机和接收机共用一个天线。在发射机输出端、接收机输入端和天线连接端口，通过三端口环形器进行连接。本发明主要有以下特点：

1、采用调频连续波体制实现超宽带雷达信号收发，实现雷达的相参处理，能够进一步提升雷达的探测距离以及分辨率。

2、使用单天线实现雷达的收发，具备体积小、重量轻等特点。

3、采用环形器实现收发天线的隔离，更进一步采用射频对消的方案，实现更好的收发隔离度，提升雷达的探测性能。

4、由于单机雷达具备体积小、重量轻的特点，具备多台设备组网，实现三维或者更高精度的生命探测。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种连续波生命探测雷达，其特征在于，包括：

频综模块，用于集成系统时钟和锁相环两部分，并提供雷达的同步时钟，并产生线性调频射频信号；

发射机，用于将线性调频射频信号进行放大输出；

接收机，用于接收射频回波信号；

天线；用于发射和接收信号；

环形器，用于将所述发射机、接收机及天线连接；其中，所述天线根据所述环形器固定的方向性向外辐射放大的线性调频射频信号；

射频对消模块，用于隔离所述发射机与所述接收机。

2.根据权利要求1所述的连续波生命探测雷达，其特征在于，所述线性调频射频信号采用P波段的工作频段。

3.根据权利要求1所述的连续波生命探测雷达，其特征在于，所述连续波生命探测雷达还包括射频板；所述频综模块、所述发射机、所述接收机以及所述射频对消模块集成在所述射频板。

4.根据权利要求3所述的连续波生命探测雷达，其特征在于，所述连续波生命探测雷达还包括金属屏蔽罩，所述金属屏蔽罩将所述频综模块、所述发射机、所述射频对消模块及所述接收机接地屏蔽。

5.根据权利要求4所述的连续波生命探测雷达，其特征在于，所述环形器固定在所述天线的金属反射板，并与射频板和天线通过射频线缆连接。

6.根据权利要求1所述的连续波生命探测雷达，其特征在于，所述射频对消模块，用于提取检测发射机泄露至接收机的射频信号，并产生一个与发射机泄露至接收机的射频信号等幅反相的抵消信号，送入所述接收机，与所述发射机泄露至接收机的射频信号进行抵消。

7.根据权利要求1～6任一项所述的连续波生命探测雷达，其特征在于，所述连续波生命探测雷达还包括信号处理模块，所述信号处理模块用于对所述接收机接收的射频回波信号进行采样、存储和计算分析，并给出雷达检测结果。

8.根据权利要求7所述的连续波生命探测雷达，其特征在于，所述接收机还用于将接收到的射频回波信号进行放大处理，并将射频信号进行下变频，完成中频采数。

9.根据权利要求7所述的连续波生命探测雷达，其特征在于，所述信号处理模块与所述天线的金属反射板固定连接，所述射频板与信号处理板对插固定。

10.根据权利要求7所述的连续波生命探测雷达，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块用于给所述频综模块、信号处理模块、发射机、射频对消模块以及接收机供电。

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