文摘
一部小说,低成本、可穿戴、低重量的多普勒雷达系统由纺织材料和能够检测运动物体背后的一个障碍。系统运行在2.35 GHz和可积成的衣服,使其适合于使用在困难访问地形,如灾区或燃烧的建筑物。耐磨性是最大化依靠灵活,重量轻,透气材料制造系统的关键部分。低多普勒雷达系统利用一个数组的四个textile-transmit天线扫描周围的环境。这个数组发出的光束右旋圆偏振所有扫描角和提供了一个测量9.2 dBi的增益。在接收端,纺织材料是用于开发一个活跃的可穿戴的接收天线,15.7 dBi增益,噪声图1.1 dB,左旋圆偏振和3 dB轴向比率波束宽度大于50°。几个测量设置演示onbody系统能够检测多个移动对象在室内环境中,包括穿墙的场景。
1。介绍
通过整合纺织天线到服装、耐磨、低重量,可以创建无线系统。这些系统有一个好处,那就是它们舒适的穿,不限制用户的能力。这种系统可以部署到收集环境(空气湿度、温度)或生物数据(心率、呼吸数据),提供用户的位置信息(GPS),通知用户有关危险情况,等等。
这样的系统可以部署的一个重要领域是应用程序安全性和救援。可能探测和跟踪人类行动者通过墙壁和封闭的大门是一个有趣的功能安全、监控、救援系统(1]。这种能力可以用来定位幸存者在自然灾害或事故(如地震,人们在一个着火的大楼)或提供信息的位置和数量的罪犯或敌对势力在市区。
为部署在救援行动中,是至关重要的穿墙雷达系统、低重量的紧凑,和舒适的穿2]。用户的运动不应该阻碍和运输系统的额外的努力应该保持最小。因此,本文的主要动机是设计一个轻量级的,耐磨,穿墙雷达系统。它利用纺织原料制造一个被动传输数组,扫描周围的环境,再加上一个活跃的接收天线。纺织材料使系统透气、灵活、适合融入衣服。
广泛的研究已经完成开发穿墙雷达和全面的文档的最先进的可以在文献中找到。系统依赖于合成孔径雷达(SAR)成像的仿真通过移动一个小的更大孔径天线增强系统解决方案(3,4]。其他人都是基于多点传感器或数组和利用这些天线以组成的不同视角图像(5]。这些系统往往是重,大,能源消耗,需要车载他们,使他们不适合实际应用中很难获得地形,例如灾区或燃烧的建筑物2]。其他系统中设计为有限尺寸和重量(6,7]仍然受到用户携带的问题,他们需要额外的设备。这阻碍了人的运动,会导致额外的齿轮在敏捷性的情况下是关键。
采用纺织天线在无线系统中越来越重要。几个案例研究表明,他们是适合作为空间应用程序或在手机天线,无线通信链接(8- - - - - -10),因为它们提供良好的性能,与传统的天线,加上有趣的属性如重量轻,低成本,高水平的可积性服装(11]。他们可以部署在类似的方式为传统的天线,允许构建数组(12,13)或有源天线14]。
摘要小说、低重量的高度可积,可穿戴的雷达系统能够检测运动物体背后的障碍,如一个封闭的门,设计,制造,全面测试。另外几个重要的设计选择,具体如下。(我)环境的扫描是由一系列右旋圆偏振传输生产使用的材料在消防员的衣服随处可见。(2)一个活跃的纺织天线部署系统的接收端。这种有源天线是左旋圆偏振最小化发射机和接收机之间的相互耦合,降低多路径的负面影响。此外,集成低噪声放大器(LNA)增加了整体系统的灵敏度。(3)实现波束扫描通过权力分隔器,电子相移,单片机。电路由这些元素可能是一个灵活的聚酰亚胺衬底上实现的,直接集成在传递数组或有源天线。
本文组织如下。首先,全球雷达系统中讨论部分2。操作和设计选择解释的原则,以及波束形成电路的布局。特别注意致力于(i)集成电路的可能性在数组为了进一步提高系统的耐磨性和(2)time-multiplexed测量方法。部分3致力于纺织天线的设计标准和发展:一个右旋圆偏振传输数组和一个活跃的接收天线,基于[14),有额外的左旋圆偏振的特性。节4,并给出了仿真和测量结果。纺织天线的性能验证和雷达系统全面测试。系统显示有能力检测多个目标关起门来在一个空间和一个off-body设置。
2。雷达系统
纺织天线有大量的应用程序。在这里,他们作为重要组成部分的设计低成本、耐磨,穿墙多普勒雷达系统。系统利用被动和主动纺织天线高度可积,使它们非常适合于一个可穿戴的雷达系统。限制系统的功耗和整体的复杂性,一个简单的多普勒部署架构和数据处理是保持到最低限度。图1显示了穿墙雷达设计的框图。传输方面依赖于四相控阵RHCP(右旋圆偏振)无源天线电子扫描周围的环境。转向实现波束的波束形成电路组成的相移(jsphs - 2484 +),一个功率分配器(BP4U +),和一个微控制器,所有从Mini-Circuits15]。在接收端,LHCP(左旋圆偏振)有源天线是用来探测反射信号。这个信号解调的混合器(从Mini-Circuits ADE-35 +)和低通(LP)滤波器来提取多普勒频移,然后由便携式计算机处理。选择偏振消除之间的直接路径传输和接收天线,拒绝二阶反射,减少多路径的影响。系统传输连续波信号频率为2.35 GHz,避免2.45 GHz频率的干扰ISM波段,提供良好的墙渗透(16,17)并保持纺织材料可接受的损失。
波束形成电路是由上面的描述,小,SMT-components低重量,本原理设计的,它是意识到在一个刚性FR4基板。FR4基板的选择允许简单的测量和测试在开发阶段。很明显,整体系统的灵活性和耐磨性可以很容易地通过实现内存占用较小的电路进一步提高被动互联在柔性衬底上。聚酰亚胺是非常适合于这个目标,因为它是一个薄,重量轻,灵活的衬底材料,可以粘织物层,放置在地平面的传输数组或接收天线。波束形成的集成电路在地平面保持整个系统的表面小,限制的长度interconnects-and相关损失和减少电磁辐射的屏蔽电路寄生耦合。该方法实现一个电子电路混合polyimide-textile衬底上下面本文采用天线后(部分3所示。2)生产有源接收天线。
检测移动目标进行一次采用多路复用的方法。环境扫描的传输方向的离散数字数组。这发生在高速扫描,期间一个扫描相比是小的时期获得多普勒信号。在每个扫描、多普勒信号采样,每个样本对应一个离散传播角度。通过结合后续的样品扫描的方向,波形形成。每个波形对应于接收到的信号从一个方向,好像所有的不同方向同时扫描”。“离散采样角度的扫描频率和数量限制最大可探测的多普勒频移。检测人体行走,这上频率不会造成问题,因为多普勒频移仍足够低。
3所示。天线设计
一个可穿戴的雷达系统需要使用轻量级天线构造的,透气,和灵活的材料。材料提出了消防员的衣服下面是常见的,这使得它们非常适合于目标应用程序。接收和发射天线都是基于一个同轴馈电矩形环型拓扑(18]。这导致天线易于构建和允许获得圆偏振通过一个录像。圆极化天线有很多非常有用的属性对雷达系统的设计,如增加隔离接收机和发射机和容易拒绝不必要的反射,使系统不太敏感的多路径的负面影响。
3.1。传输数组
纺织天线阵由相同的矩形贴片天线。的进行补丁和地平面天线通过Flectron元素是捏造的,镀铜尼龙织物,表面电阻率在2.35 GHz。生产的聚氨酯泡沫保护深色的狮子用于消防员西装,叫蓝衣军团,应用作为衬底材料。它有一个3.55毫米的厚度、介电常数,损耗角正切。这些天线需要圆偏振和匹配的50Ω信号源,所以要求个人的轴比和反射系数仍低于3 dB和−10 dB,分别。
数组本身是一个相控阵,这允许简单、低功耗波束形成。这个传输数组必须提供足够的增益和一个几乎恒定的波束宽度不同的扫描角度。为了解决数组元素的数量,一个高方向性和低旁瓣之间的权衡是一方面,可用空间和较低的元素之间相互耦合的另一方面。元素之间的一个隔离20 dB执行。最后设计标准的数组是一个常数RHCP极化扫描。这就要求释放辐射依然RHCP最大增益的控制波束的方向。
根据这些标准,设计研制出均匀线性阵列,其几何形状和维度呈现在图2和表1。元素之间的间距是8.5厘米,提供一个数组33厘米的孔允许它被安装到人类佩戴者的胸部图11。
3.2。有源接收天线
有源接收天线由一个矩形环补丁直接连接,不匹配网络、地面的飞机下面一个放大器。这种设计方法避免了损失在组件与匹配网络和互连损失低,降低整个系统的噪声性能和,因此,雷达灵敏度。雷达系统要求放大器具有良好的噪声性能,同时保持足够的增益。有源接收天线作为一个整体应该LHCP增加发射机和接收机之间的隔离和最小化的负面影响二阶反射和多路系统的性能。为实现这一目标,采用设计策略:首先,选择一个合适的放大器设计,提供良好的噪声性能和足够的放大器增益。在下一步中,天线参数适应实现LHCP和所需的阻抗放大器噪声最优性能。
对放大器的atf - 54143 + e-PHEMT安华高科技应用有源元件的接地源拓扑(19]。采用基质是多层次的。铜足迹铭刻到25μm聚酰亚胺薄膜,粘在上面的芳族聚酰胺层(400年)μm。这种设计提供了一个稳定的放大器有足够的增益,线性以及低噪声图。
类似于被动传输数组,天线基板聚氨酯泡沫和地平面和补丁又依赖Flectron制造。天线和放大器有这共同的地平面都是由给水管路连接。这个有源天线的几何结构显示在图中3和表1介绍了天线尺寸。
接收天线的设计标准需要在一个乐队在透射波的频率。这个乐队的宽度取决于移动物体产生的多普勒频移(或人在这种情况下)。如果最大速度为6米/秒(20.),这多普勒频移仍远低于1 kHz和设计criteria-good噪声性能、足够的增益和LHCP-only需要在一个非常小的乐队在中央2.35 GHz的频率。
4所示。模拟和测量数据
4.1。传输数组
首先,传送阵的散射参数。图4显示了天线的模拟和测量反射系数数组元素的边缘和隔离的直接邻居。在2.35 GHz,反射系数显示的天线小于−10 dB,表明天线元素匹配50Ω信号源。测量相互耦合之间的元素低于−20 dB,确认这两个元素之间的隔离是足够高的。其他的模拟和测量结果数组元素类似于图所示的结果4。
阵列辐射系统的模式是另一个重要参数,获得模式变化的主瓣,梁的变形和旁瓣的大小对其性能有很大的影响(例如,最大能得到的扫描分辨率)。图5介绍了模拟和测量增益模式的主瓣波束是同时在0°在方位平面上,也就是说,XY飞机(图2)。显示的模式很大程度上相似,但9.2 dBi的增益测量值小于13.8 dBi的模拟获得。这是由于这样的事实,仿真并没有把损失控制电路和相移的插入损耗,这是测量加起来3.9 dBi 0°方向盘角度,考虑。测量3 dB波束宽度一半是9°,沿着所有考虑转向角保持不变。
相移限制的最大角沿梁可以带领,没有大变形形状。梁的转向角范围从−15°+ 15°和图6显示了操舵角测量增益模式−10°,0°和15°。最高旁瓣增益测量时2 dBi梁一起带领一个角度±15°,导致7 dB的旁瓣抑制,这是很重要的在避免“幽灵回声。“探测范围可以进一步增强通过级联使用相移。模拟表明,梁的变形的最大转向角±30°仍然很低和旁瓣抑制大于8.5 dB,所以可能会增加扫描范围覆盖−30°+ 30°没有系统性能损失。
系统的另一个重要功能的偏振光束。图7可视化测量轴向比率为不同的转向角度。可以看出,数组仍然RHCP沿着这些角度。
4.2。有源接收天线
有源接收天线设计有一个阻抗匹配模拟最优噪声放大器的阻抗,也就是说,,最大化的噪音性能。这个天线没有采用多次测量增益,7.3 dBi的主要方向。模拟和测量增益模式,和轴向比率有源接收天线在图所示8。最大的模拟和测量获得18.6 dBi和15.7 dBi,分别。测量3 dB波束宽度的增加超过60°和3 dB轴比圆偏振的波束宽度大于50°。获得的差异和轴向比率测量和模拟进化的手工制造过程和在测量失调。
放大器是无条件稳定的,,当连接到接收天线,展品模拟传感器增益为11.3 dB,噪声指数为0.9 dB在操作2.35 GHz的频率,当连接到接收天线。实际的传感器获得,放大器不能直接测量,由于集成到有源天线,但它可以扣除以下关系: 在哪里测量有源天线的增益和吗测量无源天线的增益是相同的尺寸。这将导致dB。的知识可以计算的噪声系数测量噪声功率密度被称为290 K (21]: 与有效的噪声温度(286.3 K)。噪声图以一个消声室在2.35 GHz 1.1分贝,这是在良好的协议与模拟。
总之,有源天线的性能突出,使它适合使用接收天线的雷达系统。
4.3。雷达系统
为了验证雷达的性能,进行一系列的测量。首先,他们进行了雷达在无线环境中,也就是说,没有人体的存在。接下来,该系统所穿的一个人。两个配置,执行测量的两个系列。首先,喇叭生产一个音在检测到一个固定的频率,这个收益率稳定和可重复的结果。接下来,人类被试被用作移动目标。
4.3.1。无线测量
发射机和接收机都放在空间的距离相距约20厘米。因此,它们之间的隔离测量大于40分贝,这是足够的雷达系统的正常运行。有源天线放大器的低耦合避免饱和透射波的力量,这是5 dBm。
第一个实验中使用了一个扬声器,产生一个固定的语气低频率(10 Hz),这样的移动锥足够大来衡量。演讲者被放置在0°方位角,3 m远离雷达和锥是由铜带增加反射。每个角是可视化的收到了频谱图9。10 Hz峰清晰可见只有收到噪声以及其他扫描角度。
图10显示了第二个实验的频谱。有两个不同的目标:一个人接近雷达在0°角和扬声器放在−15°角,现在生产15赫兹的基调。人类的目标是检测到的峰值频率24赫兹,对应于一个正常的走路速度1.5米/秒。演讲者在−15°。还有一个小“回波”,源自15°的扫描波束旁瓣。
4.3.2。对身体测量
佩戴者的影响对系统探测目标的能力背后的一个封闭的木门,由阻燃涂料,进行了分析。图11给出了系统如何被定位在一个人类的代表佩戴者。数组连接到用户的胸部为了最小化数组的变形和它下面的有源天线放置在一个足够大的距离,以限制发射机和接收机之间的相互耦合。波束形成电路连接到后面的西装。
人穿着雷达分离目标的障碍,在我们的实验中一个封闭的木门。实验中使用的目标包括扬声器生产15赫兹语气放置在大约1.5米,一个人走向雷达在门的另一边。频率光谱测量在这些测试图所示12(扬声器)和图13分别(人)。实验,结果类似于空间频率成分与演讲者和人类的运动目标清晰可见。这表明系统性能没有显著降低当部署到一个人类佩戴者甚至检测仍可能存在的障碍,如门或墙上,雷达和移动物体之间的。
部署雷达对人体如本文所述限制区域对象可以检测到额叶半球。然而,某些情况下可能需要佩戴者的知识他/她背后发生了什么。time-multiplexed扫描检测的方法允许简单的扩展区域,包括落后的半球,通过添加一个额外的传送阵和接收机天线后方的观察者,但是不需要额外的数据处理硬件。这个扩展探测范围之际,额外的扫描角度和成本可能需要增加采样频率扫描和维持一个可用的(即。足够高的)最大可探测的多普勒频移。前后的系统依赖于这样一个数组来增加其性能提出了(22]。
5。结论和未来的研究
小说、低重量的可穿戴的雷达系统,能够检测运动人体背后的障碍,如门、墙,或建筑物的碎片,提出了。
耐磨性是最大化利用纺织原料制造接收和发送天线。RHCP传递数组允许扫描环境和维持一个圆偏振以及所有操舵角。系统灵敏度增强使用LHCP有源接收天线,针对噪声性能进行了优化。使用相反的天线偏振提高接收机和发射机之间的隔离,使得容易拒绝二阶反射和最小化不必要的多路径的影响。此外,波束形成电路很小,可以很容易地发现在柔性衬底上,如聚酰亚胺,可以粘在数组来提高耐磨性和限制系统的大小。透气的广泛使用,重量轻和灵活的材料在雷达系统的设计很适合被集成到救援人员所穿的服装,消防员,或执法人员操作粗糙,难以获得,或危险的地形。
主要的雷达系统的各个组件,也就是说,传送阵和活跃的接收天线,以及系统本身,已经彻底测试,验证设计。主要新奇,这项工作的重点是,然而,系统的耐磨性和这是一个深思熟虑的设计选择保持雷达数据处理简单,省电。
更好的性能可以很容易地得到更广泛的数据处理或工作可以作为一个起点与成像技术可穿戴的雷达系统。进一步研究包括测量场景背后的目标是多层结构,如混凝土或复合墙,需要进一步描述系统的性能是一个穿墙雷达系统。这样未来的工作还可以包括系统的性能研究时穿更加动态的情况下可能会导致更多的弯曲或变形的传送阵和接收机天线(如蹲)。