穿墻雷達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中干擾信號(hào)的分析與應(yīng)對(duì)

葛兆斌　楊秀蔚　顏廣　楊傳法

摘 要： 穿墻雷達(dá)作為一種便攜式偵測(cè)雷達(dá)，可應(yīng)用于背景各異的環(huán)境中。在不同的場(chǎng)合，產(chǎn)生的與目標(biāo)信號(hào)相隨的其他非期望信號(hào)也不盡相同。首先分析了對(duì)目標(biāo)識(shí)別有影響的各種非期望信號(hào)，然后對(duì)其中影響較大的收發(fā)天線直接耦合信號(hào)和天線背向信號(hào)做了實(shí)驗(yàn)研究，依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，就如何在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用、取舍實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了闡述，為本類或相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 穿墻雷達(dá)； 產(chǎn)品設(shè)計(jì)； 干擾信號(hào)； 收發(fā)隔離； 背向輻射

中圖分類號(hào)： TN959.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）21?0052?04

Analysis and countermeasure against interference signal in design

process of through?the?wall radar

GE Zhaobin， YANG Xiuwei， YAN Guang， YANG Chuanfa

（Institute of Automation， Shandong Academy of Sciences， Jinan 250103， China）

Abstract： The through?the?wall radar as a portable surveillance radar can be applied in the environment with various backgrounds. In different environments， the unexpected signals generated with the target signal are different. All kinks of the unexpected signals affecting the target identification are analyzed. The experimental research was carried out for the direct coupling signal of the transceiving antenna and backward signal of the antenna. According to the criterion of product design， how to use and choose the experiment data in product structure design is elaborated， which provides a reference for the design of the same?class or relevant products.

Keywords： through?the?wall radar； product design； interference signal； transceiving isolation； backward radiation

0 引 言

超寬帶穿墻雷達(dá)是一種基于超寬帶（UWB）技術(shù)的短距離目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)，能夠?qū)w等建筑物后的目標(biāo)數(shù)量、位置、狀態(tài)等信息進(jìn)行探測(cè)、定位、成像、跟蹤及識(shí)別等，其“隔墻透視感知”能力在巷戰(zhàn)、反恐、人質(zhì)救援等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

與自由空間不同，超寬帶穿墻探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是目標(biāo)和探測(cè)系統(tǒng)之間存在墻體的阻擋，電磁波信號(hào)穿透墻體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衰減、反射、折射和速度變化等現(xiàn)象。

圖1是穿墻雷達(dá)工作示意圖。發(fā)射天線發(fā)出的信號(hào)穿過(guò)墻體后，碰到目標(biāo)發(fā)生散射，散射信號(hào)再次穿過(guò)墻體后被接收天線接收。發(fā)射信號(hào)的穿墻傳播過(guò)程比較復(fù)雜，可能經(jīng)歷多個(gè)路徑[1?2] 。發(fā)射信號(hào)到達(dá)與雷達(dá)同側(cè)的墻面（假定為A面）時(shí)會(huì)發(fā)生折射和反射；折射波到達(dá)墻的另一面（假定為B面）時(shí)又會(huì)發(fā)生折射和反射，其中折射波穿過(guò)墻面，遇到目標(biāo)和背景物發(fā)生散射，散射信號(hào)再次碰到墻后，在墻的B面和A面發(fā)生折射和反射，折射透過(guò)墻的信號(hào)被接收天線接收。在信號(hào)的發(fā)?收過(guò)程中，環(huán)境中的其他物體也會(huì)產(chǎn)生反射，因此，接收天線接收到的信號(hào)應(yīng)如圖1所示，包括目標(biāo)散射回波、背景雜波、墻的反射波、發(fā)射天線的耦合信號(hào)及噪聲等各種信號(hào)的混合。

根據(jù)上述分析，穿墻雷達(dá)的回波信號(hào)可表示為：

式中：[fr（t）]是穿墻雷達(dá)的回波信號(hào)；[fd（t）]是發(fā)射天線直接耦合波；[fw（t）]是墻體的反射回波；[fn（t）]為噪聲；[fb（t）]是儀器后的操作者及反射物的反射信號(hào)；[fc（t）]是目標(biāo)區(qū)背景反射雜波信號(hào)；[Sr（t）]為墻體后目標(biāo)的信號(hào)；[t]表示連續(xù)的時(shí)間。

作為實(shí)用的便于隨身攜帶的工具，穿墻雷達(dá)一般要求體積小、重量輕、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單，因此儀器的發(fā)射天線和接收天線的間距較近，發(fā)射天線的直接耦合信號(hào)較強(qiáng)[3]；相對(duì)于耦合信號(hào)、墻體反射信號(hào)、目標(biāo)背景信號(hào)等，目標(biāo)的散射回波信號(hào)是較弱的，在上述眾多信號(hào)中識(shí)別出特定目標(biāo)的散射回波信號(hào)是比較困難的，這也是穿墻雷達(dá)研發(fā)中的難點(diǎn)。而在眾多靜態(tài)物體的反射信號(hào)中，選擇目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)的散射回波信號(hào)可降低目標(biāo)信號(hào)的探測(cè)、識(shí)別難度。

穿墻雷達(dá)作為目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)，從基本的成像算法、應(yīng)用層面的目標(biāo)識(shí)別算法、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤等一直是重點(diǎn)研究方向，無(wú)論是硬件（數(shù)字采集電路），還是軟件（算法）的研究都很多，研究人員提出了各種各樣的方法，目的是為了實(shí)用化。

從實(shí)用化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度，結(jié)構(gòu)上某些適當(dāng)?shù)奶幚砜蓽p弱或消除干擾信號(hào)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的影響。

1 收發(fā)天線直接耦合信號(hào)的隔離實(shí)驗(yàn)

發(fā)射天線的直接耦合信號(hào)[fd（t）]從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上減弱或消除的方法有增大收發(fā)天線間距、加裝吸收性隔離板等。endprint

文獻(xiàn)[4]認(rèn)為天線的近場(chǎng)輻射產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合，天線的近場(chǎng)強(qiáng)度與天線間距離的三次方成反比，天線間距離是天線間耦合最主要的影響因素。但由于系統(tǒng)的小型化要求，天線間的距離受到空間位置的限制，不能無(wú)限制放大。

另一個(gè)措施是在收發(fā)天線間加裝U型金屬隔離板，對(duì)側(cè)向輻射進(jìn)行吸收，使兩個(gè)天線間的電磁波不能直接傳輸。文獻(xiàn)[5]分析了U型金屬隔離板阻擋電磁耦合通道，從而減少天線間耦合。文獻(xiàn)[6]通過(guò)理論計(jì)算和仿真，認(rèn)為兩個(gè)獨(dú)立天線間加隔離板后可以減小天線間的耦合系數(shù)，隔離板高出天線的高度變化影響耦合系數(shù)的增減趨勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示，在發(fā)射天線和接收天線正中間安裝一U型結(jié)構(gòu)隔離板，基體是0.5 mm厚的鋁板，左右兩面都粘附吸波材料。

實(shí)驗(yàn)使用了11.5 cm薄磚墻和24 cm厚磚墻兩種墻體，1 mm厚和3 mm厚兩種吸波材料，做了各種形狀鋁板。

實(shí)驗(yàn)方法是由SFM771C型T/R組件提供發(fā)射信號(hào)，角反射器作為目標(biāo)，用安捷倫8562EC型頻譜儀測(cè)量接收天線回波信號(hào)增益。

測(cè)試項(xiàng)目包括：收發(fā)天線間安裝不同形狀、尺寸的隔離板和不同厚度的吸波材料時(shí)的直耦信號(hào)值；無(wú)墻體、薄磚墻、厚磚墻時(shí)的直耦信號(hào)值。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，表2所示。

由表1和表2的數(shù)據(jù)直觀分析可以看出：

（1） 安裝吸波材料（及吸波材料的厚度）未提高直耦信號(hào)隔離度；

（2） 距發(fā)射天線較遠(yuǎn)的接收天線直耦信號(hào)較小，加和不加隔離板影響不大，說(shuō)明收發(fā)天線間距對(duì)信號(hào)隔離度影響很大，超過(guò)一定值，無(wú)需考慮加裝隔離板；

（3） 隔離板相對(duì)天線的長(zhǎng)度對(duì)直耦信號(hào)隔離度有較大的影響，實(shí)驗(yàn)中較好的比值約是1.5；

（4） 隔離板截面形狀對(duì)直耦信號(hào)隔離度影響不大，對(duì)寬度有較大的影響，對(duì)高度的影響未知。從實(shí)用的角度，隔離板截面形狀以簡(jiǎn)單的U型最佳。

2 天線背向輻射信號(hào)的隔離實(shí)驗(yàn)

穿墻雷達(dá)天線存在前后輻射比，天線工作時(shí)會(huì)存在背向輻射信號(hào)。公開(kāi)的文獻(xiàn)對(duì)天線背向輻射的研究主要集中在天線設(shè)計(jì)時(shí)如何減小輻射，而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，天線的背向輻射可能會(huì)產(chǎn)生預(yù)想不到的嚴(yán)重后果，需要采取措施減弱或消除。

用穿墻雷達(dá)樣機(jī)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，天線背面有人或者物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，回波中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，而且幅度較高，如圖4，圖5所示，在隨后的信號(hào)處理時(shí)與目標(biāo)信號(hào)混雜在一起，很難區(qū)分，儀器使用者被當(dāng)成目標(biāo)，判斷錯(cuò)誤而產(chǎn)生虛假目標(biāo)。這種情況無(wú)法從天線設(shè)計(jì)的角度消除，必須在結(jié)構(gòu)上做些改進(jìn)，以減低背向輻射的影響。

實(shí)驗(yàn)方案如圖3所示，在天線的背面安裝隔離結(jié)構(gòu)，其一是采用0.5 mm厚的鋁板，其二是粘附吸波材料。

實(shí)驗(yàn)條件與直耦信號(hào)隔離實(shí)驗(yàn)的相同，由T/R組件提供發(fā)射信號(hào)，使用頻譜儀測(cè)量、接收天線回波信號(hào)增益。

隔離度需通過(guò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的多普勒殘留值進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)對(duì)象（人）在天線背部1.5 m處左右晃動(dòng)，并盡量保持每次晃動(dòng)幅度相同；使用數(shù)據(jù)采集卡采集30組數(shù)據(jù)，計(jì)算分析每組數(shù)據(jù)的多普勒殘留值。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

對(duì)表3的數(shù)據(jù)直觀分析，可以看出：

（1） 相同尺寸的鋁板和吸波材料相比，鋁板隔離度較好；

（2） 對(duì)于不同尺寸的鋁板，相對(duì)接收天線的包圍程度越大，隔離度越好。

如圖4所示為天線背面未加隔離物，人在天線背面2 m處微動(dòng)的回波信號(hào)（天線正面方向無(wú)目標(biāo)），信號(hào)最大值的位置在2 m處，幅度值為4.28，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置的信號(hào)幅度。

如圖5所示為天線背面增加580 mm×400 mm尺寸鋁板效果，人同樣在天線背面方向2 m處微動(dòng)（天線正面方向無(wú)目標(biāo)），信號(hào)最大值的位置在2.286 m處，幅度值為1.732，雖然比其他位置的信號(hào)幅度高，但與圖4相比，此位置的信號(hào)幅度降低了7.8 dB，說(shuō)明此方法大大降低了天線背面運(yùn)動(dòng)物體對(duì)目標(biāo)探測(cè)的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文討論的是在產(chǎn)品樣機(jī)的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的對(duì)信號(hào)探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、路徑跟蹤等產(chǎn)生影響的不可忽視的問(wèn)題。問(wèn)題的解決要本著實(shí)用化的原則，即依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則——安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、美觀、環(huán)保，在確保安全第一、兼顧環(huán)保要求的前提下，根據(jù)產(chǎn)品的用途、使用環(huán)境、工作狀況等因素綜合考慮經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、美觀三者的排序和權(quán)重。穿墻雷達(dá)產(chǎn)品要求操作簡(jiǎn)單、使用方便、易于攜帶，因此小巧、輕便是設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重點(diǎn)。

收發(fā)天線直耦信號(hào)隔離度基本可以采用實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，如果天線間距較小，采用合適尺寸的U型鋁隔離板；如果天線的間距已足以將直耦信號(hào)的影響降到可接受的程度，就不用隔離措施，從而減少產(chǎn)品的重量。

天線背向輻射實(shí)驗(yàn)的結(jié)論給了啟示，但實(shí)驗(yàn)中采用的方案在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中都不理想，無(wú)論哪種方案，都會(huì)增加產(chǎn)品的重量。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，尤其是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須遵循基本準(zhǔn)則，這與實(shí)驗(yàn)、仿真等理論層面的做法有所不同。

注：本文通訊作者為楊傳法。

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