移動目標的微波探測技術

常用的微波探測器是借助微波多普勒效應探測布防區(qū)域內是否存在移動目標。探測器內的主要微波組件為微波傳感器，其工作頻率多選擇在微波的S-波段，X-波 段，K-波段，常用微波傳感器的技術構成分為平面微帶型和波導諧振型。我們探討微波傳感的技術構成、頻段選擇對移動目標探測的影響，希望對探測器的選型和 使用有一定的幫助。

微波是指頻率在300MHz-300GHz范圍內極高頻電磁波，其波長范圍從1m到1mm。微波具有直線（視距）傳播，不受其他電磁波干擾，頻帶寬，系統(tǒng) 體積小等特點，首先在通信領域得到廣泛應用。微波技術另一最重要應用當屬雷達，使用微波雷達對遠距離飛行目標測速，測距，測方位早在第二次世界大戰(zhàn)中就已 成功應用。

隨著微波半導體技術的規(guī)?；瘧?，微波技術的物理實現(xiàn)不僅十分簡單、廉價，而且體積甚小，各種物體探測裝置中都可以放進火柴盒大小的微波傳感器，成為目標 探測裝置中常見的組件。不同于紅外探測器，這種微波組件對各種可以反射微波的物體都很敏感，且不受環(huán)境溫度的影響，因此廣泛用于工業(yè)、交通及民用裝置中， 如車輛測速、液位測定、自動門、自動燈、自動盥洗、生產線物料探測、倒車雷達等。報警產品中微波探測器使用這種微波傳感器組件，配合周邊的電子器件，基于 多普勒效應的應用就構成了移動目標微波探測器，即多普勒雷達。

微波探測器所使用的多普勒雷達主要類型為連續(xù)波（CW）多普勒雷達。

1、多普勒效應

1.1、多普勒頻移

電磁波或聲波頻率因饋元本身或/和目標物相對運動所引起的頻率改變稱為多普勒頻移，或稱多普勒效應。站在月臺聽到進站火車汽笛聲調變化的現(xiàn)象就是最好的多普勒效應體驗。當火車迎你而來時，汽笛的頻率會提高，聲音變尖，反之亦然。

由多普勒效應得知，固定安裝的雷達發(fā)出的固定頻率微波，遇到靜止物體產生的反射波其頻率并不改變，遇到運動物體產生的反射波將會發(fā)生多普勒頻移，頻率的改變類似相對速度的計算，圖1-1是多普勒頻移的計算。

圖中：V = 汽車行駛速度
C = 微波行進速度，300,000Km/S
λt = 發(fā)射波微波波長
λr = 反射波微波波長

1.2、多普勒信號和多普勒頻率

多普勒雷達在發(fā)射微波信號的同時接受反射波信號，并將兩者相混差頻產生一個新的低頻信號，稱多普勒信號，其頻率稱為多普勒頻率，是發(fā)射頻率和反射頻率之差。

多普勒頻率 = |發(fā)射頻率 – 反射頻率| = |1/λt - 1/λr| = |ft - fr|
報警器多普勒雷達如果檢測到多普勒信號則判定有移動目標存在。

針對不同的使用場合，可以選用不同頻段的多普勒雷達，常用報警器產品的多普勒雷達工作頻率選擇在X-頻段（10.525GHz），隨著技術進步，最新的產品其多普勒雷達開始使用更高頻段的K-波段頻率（24.125GHz）。對于這兩個頻段，如果目標移動速度不超過百公里，多普勒頻率的變化范圍是 0-5000Hz。在此范圍內多普勒頻率和目標移動速度大體呈線性關系。下面是K-波段（24.125GHz）和X-波段（10.525GHz）多普勒頻率與目標速度關系圖。

從圖中可以看出，對于同一運動目標，K-波段多普勒頻率是X-波段的2.3倍，這對于探測運動速度低于兩公里的目標十分有利。S-波段的雷達由于波長超過10CM，對于較小運動目標不產生多普勒信號，適合需要防止諸如鼠類引起誤報的場合使用。

2、連續(xù)波（CW）多普勒雷達

多普勒雷達有多種類型，其中脈沖多普勒雷達，調頻連續(xù)波多普勒雷達不但可以測出目標的速度、距離、方位，甚至能夠同時跟蹤、區(qū)分出多個目標的移動情況，這些雷達需要配合精密的伺服系統(tǒng)和后處理技術，系統(tǒng)復雜造價高，多用于軍事、航空、工業(yè)檢測等領域。

報警器采用的連續(xù)波多普勒雷達，只能測到目標的移動速度，不能測到目標距離和方位。這種雷達構成簡單，造價低廉，適合大規(guī)模推廣使用。從技術構成來看，多數(shù)產品使用的是經濟型平面微帶多普勒雷達，較好的產品則使用專業(yè)級波導諧振多普勒雷達。

3、平面微帶介質諧振多普勒雷達（平面微帶雷達）

報警器使用的平面微帶雷達生產成本低廉，勿需昂貴的檢測加工手段，適合裝配經濟型報警探頭。微帶雷達由三部分組成，傳感器模塊，多普勒信號調理電路，決策控制部分，見圖2-13。

圖2-11是平面微帶傳感器模塊結構照片，圖2-12是模塊的工作原理圖，圖2-13是微帶雷達的原理構成。

3.1、平面微帶雷達的微波場強分布

平面微帶傳感器天線設計的簡易性使得微波場強分布很難規(guī)則，安裝使用這一類型的探頭應給予特別的注意，盡可能避免誤報、漏報。

對于雙鑒探頭而言，我們希望微波探測范圍與紅外探測范圍盡可能吻合，圖3-11A實線區(qū)域是微帶天線水平方向場強分布，圖3-11B實線區(qū)域是微帶天線垂 直方向場強分布。顯而易見微波的場強分布與紅外探測區(qū)域（虛線）有較大出入，由此形成了微波探測可能的誤報區(qū)域和漏報區(qū)域。

微波對建筑物墻體有穿透能力，泄漏到墻外的微波對設防區(qū)域以外的移動目標發(fā)生作用時，可能造成隔墻誤報，安裝這類探頭時應認真選擇安裝位置，避免誤報。圖3-12是隔墻誤報的示意。

3.2、多普勒信號的處理

微波傳感器模塊輸出的多普勒信號十分微弱，需要放大數(shù)千倍才能做進一步的處理。此外，放大的同時還必須使信號通過一個低頻帶通濾波器，目的是去掉高頻和甚低頻干擾。

圖3-21示出多普勒信號、帶內干擾信號、高頻干擾信號、低頻干擾信號通過帶通濾波器前后的情況?？梢钥吹?，高、低頻干擾信號受帶通濾波器的阻隔不能通 過，但放大多普勒信號的同時，頻率落在帶內的干擾信號也被放大通過。為了分離有用的多普勒信號，決策控制部分通常會加入自適應門限控制算法來切除漏過帶通 濾波器的干擾信號，這種算法是通過分析信號幅度的大小來區(qū)分多普勒信號和干擾信號的。顯然，當多普勒信號的幅度不敵干擾信號時，就無法探測到運動目標了。

多普勒信號中干擾成分源自幾種可能：

電源及熱電噪音干擾?？梢該Q用低噪元件加以改善，成本因此增加。

振蕩器諧波混頻干擾。振蕩器品質因素（Q值）不好，會產生較強諧波成分，如果發(fā)射天線不做抑制，這些諧波成分相互混頻，會在低頻段產生虛假多普勒信號。平 面微帶雷達采用壓電陶瓷作為諧振介質，因陶瓷介質對電磁波造成損耗，其Q值不及波導諧振腔振蕩器。為了抑制虛假多普勒信號，配合平面微帶傳感器的工作，低 通濾波器低端截止頻率會取得高一些，有可能造成緩慢移動目標的漏報。

設防區(qū)域存在規(guī)則運動物體（如吊扇）造成的干擾。通常的門限算法對信號的幅值分析很難排除這樣的干擾，一種做法是對多普勒信號做進一步的頻域分析將干擾區(qū)分開來。

另外，正因為平面微帶雷達固有干擾較大，較遠回波不能測到，探測距離受到限制。

4、波導諧振多普勒雷達(波導諧振雷達)

波導諧振雷達的原理構成與平面微帶雷達相同，但傳感器、信號調理、決策控制等部件的技術設計有較大區(qū)別。

4.1、波導諧振傳感器

報警器使用的傳感器屬微功率微波部件，通常采用一體化結構，包含振蕩器、發(fā)射天線、接收天線、混頻器等四部分組成（參考圖2-12）。

作為微功率雷達饋源的核心，微波振蕩器多采用耿式振蕩器。利用砷化鎵耿式二極管在低壓電場下的負阻效應，很容易構成將直流電流轉換為微波段交變信號的振蕩 器。這種震蕩器的微波輸出功率可以做到從幾毫瓦到百毫瓦。實用中，數(shù)毫瓦的微波功率足可以使探測器的探測距離達十數(shù)米，這樣微弱的電磁輻射對人和物體不會 造成任何傷害，但在文博行業(yè)更愿意使用超聲雷達，以避免微波對文物微劑量持續(xù)輻射造成可能的積累作用傷害文物。

如果不加約束，耿式二極管工作于脈沖自由震蕩方式。為了獲得良好的震蕩參數(shù)，如頻率、頻率穩(wěn)定性、功率穩(wěn)定性、Q值（震蕩的簡諧性），要對振蕩源周邊部件做良好設計，特別是諧振體的技術設計至關重要?？梢赃x用的耿式振蕩器諧振方式有三種類型。

波導諧振型（Waveguide），諧振體是金屬空腔，腔體尺寸與微波波長相關。波導諧振腔振蕩器是各種振蕩器中技術指標最理想的。這種波導類型的諧振腔、天線等零件需要用不脹鋼精密鍛造，再配以鏡面碾壓工藝，生產、檢測成本很高，需要專業(yè)廠商提供。

同軸諧振型（Coaxial），仍然是諧振腔型，但加工工藝會簡單些，技術指標較波導諧振型略遜一籌，在報警探測器中未見采用。

平面微帶型（Planar Microstrip），設計原則是低成本條件下的適用性，這類模塊的生產成本不到波導諧振型模塊的1/40-1/60，但可以滿足使用要求不高的場合。 平面微帶型諧振體是圓柱形壓電陶瓷，陶瓷的介質損耗限制了震蕩源的技術指標。印板工藝蝕刻的銅箔天線平面排布，電磁波的場強分布很難控制（圖3-11）。 注意到個別產品將四片蝶型排布的天線化整為零，數(shù)百片微小銅箔排列成陣，規(guī)則相連，利用傳輸線延遲產生相控效應，來約束場強分布，但實效不大。

圖4-11是一種雙鑒探測器中使用的24.125GHz專業(yè)級波導諧振傳感器。圖4-12是該傳感器場強分布，可以看出與紅外探測范圍近乎擬合。

4.2、緩慢移動目標的探測

從圖1-2中看出K-波段多普勒頻率是X-波段的2.3倍，為什么提高微波頻率有利于探測緩慢移動目標，圖4-21用頻域分析圖示了其中的原因。

4.3、多普勒信號的頻域分析

使用波導諧振模塊所獲得的多普勒信號信噪比高，經過放大調理后的多普勒信號其干擾成分較其他類型傳感器明顯減少，這樣的信號送往決策控制部分不僅可以做更 好的自適應幅值控制，提高探測靈敏度，延伸探測距離，還可以對信號做進一步的頻域分析，了解移動目標深層次屬性，幫助排除現(xiàn)場規(guī)則運動物體造成的虛假警 情。

圖4-31將頻率為f1和 f3 的兩個正弦信號做線性疊加，產生了一個非正弦信號 f13 。由此逆推，圖3-21中所獲得的多普勒信號實際上是由 f1 和 f3 組成的，換言之，我們同時探測到了兩個移動的目標，并且，其中一個目標移動的速度是另一個目標的3倍，這就看出頻域分析的優(yōu)勢。

實用中可以采用快速富里葉變換專用DSP芯片來完成這一時域到頻域的變換。在探測器中可以更為簡單地采用鎖相環(huán)綜合器技術實現(xiàn)這一轉換，類似彩電自動搜索 頻道那樣將視纜中“單一模擬信號”的所有頻點找出來，將看似單一的多普勒信號的復雜組成描繪成頻譜，為進一步的分析奠定基礎。具體做法就是在決策控制器中 固化一個鎖向環(huán)綜合器算法，承擔多普勒信號的頻域轉換，并不斷地刷新這個頻譜分布，再將獲得的數(shù)據與固有的經驗數(shù)據資料比對，對移動目標作出正確的判斷。

圖4-32是目標、吊扇、目標加吊扇三種情況的多普勒信號波形（左邊）及相應的頻譜（右邊）。

圖4-23中，通過比較，在時域（左邊），借助信號幅度的大小來區(qū)分吊扇和吊扇加目標的復合信號是不容易的，但在頻域（右邊）則很容易將兩者區(qū)分開來。

以上我們較為深入地探討了微波探測器的工作原理、技術構成、工作頻率等，現(xiàn)在我們了解到，在要求各不相同工程實踐中，正確選擇類型、波段適用的微波探測器至關重要，同時要做到恰當安裝微波探測器，才能確保整個工程達到既定的技術指標。