微波探测技术

[原创文章]移动目标的“微波探测技术”

移动目标的微波探测技术

常用的微波探测器是借助微波多普勒效应探测布防区域内是否存在移动目标。探测器内的主要微波组件为微波传感器，其工作频率多选择在微波的S-波段，X-波段，K-波段，常用微波传感器的技术构成分为平面微带型和波导谐振

型。我们探讨微波传感的技术构成、频段选择对移动目标探测的影响，希望对探测器的选型和使用有一定的帮助。

微波是指频率在300MHz-300GHz范围内极高频电磁波，其波长范围从1m 到1mm。微波具有直线（视距）传播，不受其他电磁波干扰，频带宽，系统体

积小等特点，首先在通信领域得到广泛应用。微波技术另一最重要应用当属雷达，使用微波雷达对远距离飞行目标测速，测距，测方位早在第二次世界大战中就已成功应用。

随着微波半导体技术的规模化应用，微波技术的物理实现不仅十分简单、

廉价，而且体积甚小，各种物体探测装置中都可以放进火柴盒大小的微波传感器，成为目标探测装置中常见的组件。不同于红外探测器，这种微波组件对各种可以反射微波的物体都很敏感，且不受环境温度的影响，因此广泛用于工业、交通及民用装置中，如车辆测速、液位测定、自动门、自动灯、自动盥洗、生产线物料探测、倒车雷达等。报警产品中微波探测器使用这种微波传感器组件，配合周边的电子器件，基于多普勒效应的应用就构成了移动目标微波探测器，即多普勒雷达。

微波探测器所使用的多普勒雷达主要

类型为连续波（CW）多普勒雷达。

1、多普勒效应

1.1、多普勒频移

电磁波或声波频率因馈元本身或/和目标物相对运动所引起的频率改变称为多普勒频移，或称多普勒效应。站在

月台听到进站火车汽笛声调变化的现象就是最好的多普勒效应体验。当火车迎你而来时，汽笛的频率会提高，声音变尖，反之亦然。

由多普勒效应得知，固定安装的雷达发出的固定频率微波，遇到静止物体产生的反射波其频率并不改变，遇到运动物体产生的反射波将会发生多普勒频移，频率的改变类似相对速度的计算，图1-1是多普勒频移的计算。

图中：V = 汽车行驶速度

C = 微波行进速度，300,000Km/S

λt = 发射波微波波长

λr = 反射波微波波长

1.2、多普勒信号和多普勒频率

多普勒雷达在发射微波信号的同时接受反射波信号，并将两者相混差频产

生一个新的低频信号，称多普勒信号，其频率称为多普勒频率，是发射频率和反射频率之差。

多普勒频率 = |发射频率–反射频率| = |1/λt - 1/λr| = |ft - fr|

报警器多普勒雷达如果检测到多普勒信号则判定有移动目标存在。

针对不同的使用场合，可以选用不同频段的多普勒雷达，常用报警器产品的多普勒雷达工作频率选择在X-频段（10.525GHz），随着技术进步，最新的产品其多普勒雷达开始使用更高频段的K-波段频率（24.125GHz）。对于这两个频段，如果目标移动速度不超过百公里，多普勒频率的变化范围是0- 5000Hz。在此范围内多普勒频率和目标移动速度大体呈线性关系。下面是K-波段（24.125GHz）和X-波段（10.525GHz）多普勒频率与目标速度关系图。

从图中可以看出，对于同一运动目标，K-波段多普勒频率是X-波段的2.3倍，这对于探测运动速度低于两公里的目标十分有利。S-波段的雷达由于波长超过10CM，对于较小运动目标不产生多普勒信号，适合需要防止诸如鼠类引起误报的场合使用。

2、连续波（CW）多普勒雷达

多普勒雷达有多种类型，其中脉冲多普勒雷达，调频连续波多普勒雷达不

但可以测出目标的速度、距离、方位，甚至能够同时跟踪、区分出多个目标的移动情况，这些雷达需要配合精密的伺服系统和后处理技术，系统复杂造价高，多用于军事、航空、工业检测等领域。

报警器采用的连续波多普勒雷达，只能测到目标的移动速度，不能测到目

标距离和方位。这种雷达构成简单，造价低廉，适合大规模推广使用。从技术构成来看，多数产品使用的是经济型平面微带多普勒雷达，较好的产品则使用专业级波导谐振多普勒雷达。

3、平面微带介质谐振多普勒雷达（平面微带雷达）

报警器使用的平面微带雷达生产成本低廉，勿需昂贵的检测加工手段，适合装配经济型报警探头。微带雷达由三部分组成，传感器模块，多普勒信号调理电路，决策控制部分，见图2-13。

图2-11是平面微带传感器模块结构照片，图2-12是模块的工作原理图，

图2-13是微带雷达的原理构成。

3.1、平面微带雷达的微波场强分布

平面微带传感器天线设计的简易性使得微波场强分布很难规则，安装使用这一类型的探头应给予特别的注意，尽可能避免误报、漏报。

对于双鉴探头而言，我们希望微波探测范围与红外探测范围尽可能吻合，图3-11A实线区域是微带天线水平方向场强分布，图3-11B实线区域是微带天

线垂直方向场强分布。显而易见微波的场强分布与红外探测区域（虚线）有较大出入，由此形成了微波探测可能的误报区域和漏报区域。

微波对建筑物墙体有穿透能力，泄漏到墙外的微波对设防区域以外的移动目标发生作用时，可能造成隔墙误报，安装这类探头时应认真选择安装位置，避免误报。图3-12是隔墙误报的示意。

3.2、多普勒信号的处理

微波传感器模块输出的多普勒信号十分微弱，需要放大数千倍才能做进一

步的处理。此外，放大的同时还必须使信号通过一个低频带通滤波器，目的是去掉高频和甚低频干扰。

图3-21示出多普勒信号、带内干扰信号、高频干扰信号、低频干扰信号

通过带通滤波器前后的情况。可以看到，高、低频干扰信号受带通滤波器的阻隔不能通过，但放大多普勒信号的同时，频率落在带内的干扰信号也被放大通过。为了分离有用的多普勒信号，决策控制部分通常会加入自适应门限控制算法来切除漏过带通滤波器的干扰信号，这种算法是通过分析信号幅度的大小来区分多