穿墙雷达产品设计中干扰信号的分析与应对
葛兆斌 杨秀蔚 颜广 杨传法
摘 要： 穿墙雷达作为一种便携式侦测雷达，可应用于背景各异的环境中。在不同的场合，产生的与目标信号相随的其他非期望信号也不尽相同。首先分析了对目标识别有影响的各种非期望信号，然后对其中影响较大的收发天线直接耦合信号和天线背向信号做了实验研究，依据产品设计的准则，就如何在产品结构设计中使用、取舍实验数据做了阐述，为本类或相关产品的设计提供借鉴。
关键词： 穿墙雷达； 产品设计； 干扰信号； 收发隔离； 背向辐射
中图分类号： TN959.1?34 文献标识码： A 文章编号： 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
超宽带穿墙雷达是一种基于超宽带（UWB）技术的短距离目标探测雷达，能够对墙体等建筑物后的目标数量、位置、状态等信息进行探测、定位、成像、跟踪及识别等，其“隔墙透视感知”能力在巷战、反恐、人质救援等领域具有重大的应用价值。
与自由空间不同，超宽带穿墙探测系统的一个特点是目标和探测系统之间存在墙体的阻挡，电磁波信号穿透墙体时，会产生衰减、反射、折射和速度变化等现象。
图1是穿墙雷达工作示意图。发射天线发出的信号穿过墙体后，碰到目标发生散射，散射信号再次穿过墙体后被接收天线接收。发射信号的穿墙传播过程比较复杂，可能经历多个路径[1?2] 。发射信号到达与雷达同侧的墙面（假定为A面）时会发生折射和反射；折射波到达墙的另一面（假定为B面）时又会发生折射和反射，其中折射波穿过墙面，遇到目标和背景物发生散射，散射信号再次碰到墙后，在墙的B面和A面发生折射和反射，折射透过墙的信号被接收天线接收。在信号的发?收过程中，环境中的其他物体也会产生反射，因此，接收天线接收到的信号应如图1所示，包括目标散射回波、背景杂波、墙的反射波、发射天线的耦合信号及噪声等各种信号的混合。
根据上述分析，穿墙雷达的回波信号可表示为：
式中：[fr（t）]是穿墙雷达的回波信号；[fd（t）]是发射天线直接耦合波；[fw（t）]是墙体的反射回波；[fn（t）]为噪声；[fb（t）]是仪器后的操作者及反射物的反射信号；[fc（t）]是目标区背景反射杂波信号；[Sr（t）]为墙体后目标的信号；[t]表示连续的时间。
作为实用的便于随身携带的工具，穿墙雷达一般要求体积小、重量轻、携带方便、操作简单，因此仪器的发射天线和接收天线的间距较近，发射天线的直接耦合信号较强[3]；相对于耦合信号、墙体反射信号、目标背景信号等，目标的散射回波信号是较弱的，在上述众多信号中识别出特定目标的散射回波信号是比较困难的，这也是穿墙雷达研发中的难点。而在众多静态物体的反射信号中，选择目标运动时的散射回波信号可降低目标信号的探测、识别难度。
穿墙雷达作为目前研究的一个热点，从基本的成像算法、應用层面的目标识别算法、运动目标跟踪等一直是重点研究方向，无论是硬件（数字采集电路），还是软件（算法）的研究都很多，研究人员提出了各种各样的方法，目的是为了实用化。
从实用化的产品设计角度，结构上某些适当的处理可减弱或消除干扰信号对目标信号的影响。
1 收发天线直接耦合信号的隔离实验
发射天线的直接耦合信号[fd（t）]从结构设计上减弱或消除的方法有增大收发天线间距、加装吸收性隔离板等。
文献[4]认为天线的近场辐射产生强烈的耦合，天线的近场强度与天线间距离的三次方成反比，天线间距离是天线间耦合最主要的影响因素。但由于系统的小型化要求，天线间的距离受到空间位置的限制，不能无限制放大。
另一个措施是在收发天线间加装U型金属隔离板，对侧向辐射进行吸收，使两个天线间的电磁波不能直接传输。文献[5]分析了U型金属隔离板阻挡电磁耦合通道，从而减少天线间耦合。文献[6]通过理论计算和仿真，认为两个独立天线间加隔离板后可以减小天线间的耦合系数，隔离板高出天线的高度变化影响耦合系数的增减趋势。
实验方案如图2所示，在发射天线和接收天线正中间安装一U型结构隔离板，基体是0.5 mm厚的铝板，左右两面都粘附吸波材料。
实验使用了11.5 cm薄砖墙和24 cm厚砖墙两种墙体，1 mm厚和3 mm厚两种吸波材料，做了各种形状铝板。
实验方法是由SFM771C型T/R组件提供发射信号，角反射器作为目标，用安捷伦8562EC型频谱仪测量接收天线回波信号增益。
测试项目包括：收发天线间安装不同形状、尺寸的隔离板和不同厚度的吸波材料时的直耦信号值；无墙体、薄砖墙、厚砖墙时的直耦信号值。
实验数据如表1，表2所示。
由表1和表2的数据直观分析可以看出：
（1） 安装吸波材料（及吸波材料的厚度）未提高直耦信号隔离度；
（2） 距发射天线较远的接收天线直耦信号较小，加和不加隔离板影响不大，说明收发天线间距对信号隔离度影响很大，超过一定值，无需考虑加装隔离板；
（3） 隔离板相对天线的长度对直耦信号隔离度有较大的影响，实验中较好的比值约是1.5；
（4） 隔离板截面形状对直耦信号隔离度影响不大，对宽度有较大的影响，对高度的影响未知。从实用的角度，隔离板截面形状以简单的U型最佳。
2 天线背向辐射信号的隔离实验
穿墙雷达天线存在前后辐射比，天线工作时会存在背向辐射信号。公开的文献对天线背向辐射的研究主要集中在天线设计时如何减小辐射，而在实际应用时，天线的背向辐射可能会产生预想不到的严重后果，需要采取措施减弱或消除。
用穿墙雷达样机测试时发现，天线背面有人或者物体运动时，回波中会产生相应的信号，而且幅度较高，如图4，图5所示，在随后的信号处理时与目标信号混杂在一起，很难区分，仪器使用者被当成目标，判断错误而产生虚假目标。这种情况无法从天线设计的角度消除，必须在结构上做些改进，以减低背向辐射的影响。
实验方案如图3所示，在天线的背面安装隔离结构，其一是采用0.5 mm厚的铝板，其二是粘附吸波材料。
实验条件与直耦信号隔离实验的相同，由T/R组件提供发射信号，使用频谱仪测量、接收天线回波信号增益。
隔离度需通过对移动目标的多普勒残留值进行分析，实验对象（人）在天线背部1.5 m处左右晃动，并尽量保持每次晃动幅度相同；使用数据采集卡采集30组数据，计算分析每组数据的多普勒残留值。
实验数据如表3所示。
对表3的数据直观分析，可以看出：
（1） 相同尺寸的铝板和吸波材料相比，铝板隔离度较好；
（2） 对于不同尺寸的铝板，相对接收天线的包围程度越大，隔离度越好。
如图4所示为天线背面未加隔离物，人在天线背面2 m处微动的回波信号（天线正面方向无目标），信号最大值的位置在2 m处，幅度值为4.28，远远大于其他位置的信号幅度。
如图5所示为天线背面增加580 mm×400 mm尺寸铝板效果，人同样在天线背面方向2 m处微动（天线正面方向无目标），信号最大值的位置在2.286 m处，幅度值为1.732，虽然比其他位置的信号幅度高，但与图4相比，此位置的信号幅度降低了7.8 dB，说明此方法大大降低了天线背面运动物体对目标探测的影响。
3 结 语
本文讨论的是在产品样机的测试中发现的对信号探测、目标识别、路径跟踪等产生影响的不可忽视的问题。问题的解决要本着实用化的原则，即依据产品设计的基本准则——安全、经济、实用、美观、环保，在确保安全第一、兼顾环保要求的前提下，根据产品的用途、使用环境、工作状况等因素综合考虑经济、实用、美观三者的排序和权重。穿墙雷达产品要求操作简单、使用方便、易于携带，因此小巧、轻便是设计时考虑的重点。
收发天线直耦信号隔离度基本可以采用实验的结论，如果天线间距较小，采用合适尺寸的U型铝隔离板；如果天线的间距已足以将直耦信号的影响降到可接受的程度，就不用隔離措施，从而减少产品的重量。
天线背向辐射实验的结论给了启示，但实验中采用的方案在产品的设计中都不理想，无论哪种方案，都会增加产品的重量。产品的设计，尤其是结构设计必须遵循基本准则，这与实验、仿真等理论层面的做法有所不同。
注：本文通讯作者为杨传法。
参考文献
[1] BARRIE G. UWB impulse radar characterization and proces?sing techniques [R]. Ottawa， Defence R&D， 2004.
[2] 陈小莉，白迪，田茂.一种穿墙雷达对多运动目标实时探测、分离的方法：中国，201510642301.9[P].2015?12?09.
[3] BARNES M A， NAG S， PAYMENT T. Covert situational awareness with handheld ultrawideband short?pulse radar [J]. Proceedings of the SPIE， 2001， 4374： 66?77.
[4] 陈念.紧耦合天线隔离方法研究[D].上海：上海交通大学，2011.
[5]吕波，郑秋容，袁乃昌.一种改善雷达收发隔离的新方法[J].系统工程与电子技术，2008，30（8）：1595?1597.
[6] 韩晓东.连续波雷达收发隔离问题的研究[D].南京：南京理工大学，2006.
摘 要： 穿墙雷达作为一种便携式侦测雷达，可应用于背景各异的环境中。在不同的场合，产生的与目标信号相随的其他非期望信号也不尽相同。首先分析了对目标识别有影响的各种非期望信号，然后对其中影响较大的收发天线直接耦合信号和天线背向信号做了实验研究，依据产品设计的准则，就如何在产品结构设计中使用、取舍实验数据做了阐述，为本类或相关产品的设计提供借鉴。
关键词： 穿墙雷达； 产品设计； 干扰信号； 收发隔离； 背向辐射
中图分类号： TN959.1?34 文献标识码： A 文章编号： 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
超宽带穿墙雷达是一种基于超宽带（UWB）技术的短距离目标探测雷达，能够对墙体等建筑物后的目标数量、位置、状态等信息进行探测、定位、成像、跟踪及识别等，其“隔墙透视感知”能力在巷战、反恐、人质救援等领域具有重大的应用价值。
与自由空间不同，超宽带穿墙探测系统的一个特点是目标和探测系统之间存在墙体的阻挡，电磁波信号穿透墙体时，会产生衰减、反射、折射和速度变化等现象。
图1是穿墙雷达工作示意图。发射天线发出的信号穿过墙体后，碰到目标发生散射，散射信号再次穿过墙体后被接收天线接收。发射信号的穿墙传播过程比较复杂，可能经历多个路径[1?2] 。发射信号到达与雷达同侧的墙面（假定为A面）时会发生折射和反射；折射波到达墙的另一面（假定为B面）时又会发生折射和反射，其中折射波穿过墙面，遇到目标和背景物发生散射，散射信号再次碰到墙后，在墙的B面和A面发生折射和反射，折射透过墙的信号被接收天线接收。在信号的发?收过程中，环境中的其他物体也会产生反射，因此，接收天线接收到的信号应如图1所示，包括目标散射回波、背景杂波、墙的反射波、发射天线的耦合信号及噪声等各种信号的混合。
根据上述分析，穿墙雷达的回波信号可表示为：
式中：[fr（t）]是穿墙雷达的回波信号；[fd（t）]是发射天线直接耦合波；[fw（t）]是墙体的反射回波；[fn（t）]为噪声；[fb（t）]是仪器后的操作者及反射物的反射信号；[fc（t）]是目标区背景反射杂波信号；[Sr（t）]为墙体后目标的信号；[t]表示连续的时间。
作为实用的便于随身携带的工具，穿墙雷达一般要求体积小、重量轻、携带方便、操作简单，因此仪器的发射天线和接收天线的间距较近，发射天线的直接耦合信号较强[3]；相对于耦合信号、墙体反射信号、目标背景信号等，目标的散射回波信号是较弱的，在上述众多信号中识别出特定目标的散射回波信号是比较困难的，这也是穿墙雷达研发中的难点。而在众多静态物体的反射信号中，选择目标运动时的散射回波信号可降低目标信号的探测、识别难度。
穿墙雷达作为目前研究的一个热点，从基本的成像算法、應用层面的目标识别算法、运动目标跟踪等一直是重点研究方向，无论是硬件（数字采集电路），还是软件（算法）的研究都很多，研究人员提出了各种各样的方法，目的是为了实用化。
从实用化的产品设计角度，结构上某些适当的处理可减弱或消除干扰信号对目标信号的影响。
1 收发天线直接耦合信号的隔离实验
发射天线的直接耦合信号[fd（t）]从结构设计上减弱或消除的方法有增大收发天线间距、加装吸收性隔离板等。
文献[4]认为天线的近场辐射产生强烈的耦合，天线的近场强度与天线间距离的三次方成反比，天线间距离是天线间耦合最主要的影响因素。但由于系统的小型化要求，天线间的距离受到空间位置的限制，不能无限制放大。
另一个措施是在收发天线间加装U型金属隔离板，对侧向辐射进行吸收，使两个天线间的电磁波不能直接传输。文献[5]分析了U型金属隔离板阻挡电磁耦合通道，从而减少天线间耦合。文献[6]通过理论计算和仿真，认为两个独立天线间加隔离板后可以减小天线间的耦合系数，隔离板高出天线的高度变化影响耦合系数的增减趋势。
实验方案如图2所示，在发射天线和接收天线正中间安装一U型结构隔离板，基体是0.5 mm厚的铝板，左右两面都粘附吸波材料。
实验使用了11.5 cm薄砖墙和24 cm厚砖墙两种墙体，1 mm厚和3 mm厚两种吸波材料，做了各种形状铝板。
实验方法是由SFM771C型T/R组件提供发射信号，角反射器作为目标，用安捷伦8562EC型频谱仪测量接收天线回波信号增益。
测试项目包括：收发天线间安装不同形状、尺寸的隔离板和不同厚度的吸波材料时的直耦信号值；无墙体、薄砖墙、厚砖墙时的直耦信号值。
实验数据如表1，表2所示。
由表1和表2的数据直观分析可以看出：
（1） 安装吸波材料（及吸波材料的厚度）未提高直耦信号隔离度；
（2） 距发射天线较远的接收天线直耦信号较小，加和不加隔离板影响不大，说明收发天线间距对信号隔离度影响很大，超过一定值，无需考虑加装隔离板；
（3） 隔离板相对天线的长度对直耦信号隔离度有较大的影响，实验中较好的比值约是1.5；
（4） 隔离板截面形状对直耦信号隔离度影响不大，对宽度有较大的影响，对高度的影响未知。从实用的角度，隔离板截面形状以简单的U型最佳。
2 天线背向辐射信号的隔离实验
穿墙雷达天线存在前后辐射比，天线工作时会存在背向辐射信号。公开的文献对天线背向辐射的研究主要集中在天线设计时如何减小辐射，而在实际应用时，天线的背向辐射可能会产生预想不到的严重后果，需要采取措施减弱或消除。
用穿墙雷达样机测试时发现，天线背面有人或者物体运动时，回波中会产生相应的信号，而且幅度较高，如图4，图5所示，在随后的信号处理时与目标信号混杂在一起，很难区分，仪器使用者被当成目标，判断错误而产生虚假目标。这种情况无法从天线设计的角度消除，必须在结构上做些改进，以减低背向辐射的影响。
实验方案如图3所示，在天线的背面安装隔离结构，其一是采用0.5 mm厚的铝板，其二是粘附吸波材料。
实验条件与直耦信号隔离实验的相同，由T/R组件提供发射信号，使用频谱仪测量、接收天线回波信号增益。
隔离度需通过对移动目标的多普勒残留值进行分析，实验对象（人）在天线背部1.5 m处左右晃动，并尽量保持每次晃动幅度相同；使用数据采集卡采集30组数据，计算分析每组数据的多普勒残留值。
实验数据如表3所示。
对表3的数据直观分析，可以看出：
（1） 相同尺寸的铝板和吸波材料相比，铝板隔离度较好；
（2） 对于不同尺寸的铝板，相对接收天线的包围程度越大，隔离度越好。
如图4所示为天线背面未加隔离物，人在天线背面2 m处微动的回波信号（天线正面方向无目标），信号最大值的位置在2 m处，幅度值为4.28，远远大于其他位置的信号幅度。
如图5所示为天线背面增加580 mm×400 mm尺寸铝板效果，人同样在天线背面方向2 m处微动（天线正面方向无目标），信号最大值的位置在2.286 m处，幅度值为1.732，虽然比其他位置的信号幅度高，但与图4相比，此位置的信号幅度降低了7.8 dB，说明此方法大大降低了天线背面运动物体对目标探测的影响。
3 结 语
本文讨论的是在产品样机的测试中发现的对信号探测、目标识别、路径跟踪等产生影响的不可忽视的问题。问题的解决要本着实用化的原则，即依据产品设计的基本准则——安全、经济、实用、美观、环保，在确保安全第一、兼顾环保要求的前提下，根据产品的用途、使用环境、工作状况等因素综合考虑经济、实用、美观三者的排序和权重。穿墙雷达产品要求操作简单、使用方便、易于携带，因此小巧、轻便是设计时考虑的重点。
收发天线直耦信号隔离度基本可以采用实验的结论，如果天线间距较小，采用合适尺寸的U型铝隔离板；如果天线的间距已足以将直耦信号的影响降到可接受的程度，就不用隔離措施，从而减少产品的重量。
天线背向辐射实验的结论给了启示，但实验中采用的方案在产品的设计中都不理想，无论哪种方案，都会增加产品的重量。产品的设计，尤其是结构设计必须遵循基本准则，这与实验、仿真等理论层面的做法有所不同。
注：本文通讯作者为杨传法。
参考文献
[1] BARRIE G. UWB impulse radar characterization and proces?sing techniques [R]. Ottawa， Defence R&D， 2004.
[2] 陈小莉，白迪，田茂.一种穿墙雷达对多运动目标实时探测、分离的方法：中国，201510642301.9[P].2015?12?09.
[3] BARNES M A， NAG S， PAYMENT T. Covert situational awareness with handheld ultrawideband short?pulse radar [J]. Proceedings of the SPIE， 2001， 4374： 66?77.
[4] 陈念.紧耦合天线隔离方法研究[D].上海：上海交通大学，2011.
[5]吕波，郑秋容，袁乃昌.一种改善雷达收发隔离的新方法[J].系统工程与电子技术，2008，30（8）：1595?1597.
[6] 韩晓东.连续波雷达收发隔离问题的研究[D].南京：南京理工大学，2006.
