用于人机交互肢体运动探测的相控阵雷达关键技术研究

发布时间：2020-11-19 02:27

　　 从目前智能设备的普及趋势来看,未来人类的生活将被越来越多的电子消费产品所包围,智能系统在可见的未来虽然能在高概率上成功根据日常需求流程预测被服务对象的下一步指令实现部分智能自动化,但完全的无指令输入实现对智能系统的控制短期依然难以实现。因此,针对人机交互的相关技术的研究依然具有极强的现实意义。基于雷达的动作识别系统在实现对于肢体动作的有效探测和识别的同时,可以有效避免信息的过度采集对用户隐私和安全产生的潜在影响。本课题基于此应用场景,就用于人机交互的肢体动作探测系统的相控阵雷达所需关键技术进行了研究。本文主要研究内容如下:首先,根据人机交互肢体运动探测这一应用场景对相控阵天线阵列的设计需求进行了分析并设计了工作频率为12GHz的天线阵列,并在CST Microwave Studio中对设计方案进行了仿真验证,通过使用MATLAB天线阵列工具箱,对阵列进行加窗实现了对副瓣电平的有效抑制,在此基础上,以显示器为例对天线阵列的排布方案进行了设计,并进一步根据实际应用场景对人机交互肢体动作探测这一应用场景中相控阵雷达系统总体方案进行了设计。在此设计方案中所涉及的基本涉及流程和思路不仅适用于此频段的系统,还可用于进行更高频段的系统设计,因此,此论文所述内容具有较大的实际应用价值。本文在对阵列单元的相关研究的基础上,对用于人机交互肢体动作探测的相控阵雷达的其他关键结构和技术进行了分析,主要包括数字收发单元、移相系统和波束控制系统等。此外,对包括射频移相、中频移相、基带移相在内的相关技术进行了分析,并对包括射频移相和数字移相在内的移相方案进行了设计实现,通过设计电路并进行实物制作和测试实现了移相功能,此外,通过对波束控制系统的设计,实现了对阵列移相系统的有效控制。最后,本文对用于人机交互肢体动作探测的阵列天线波束控制系统进行了设计和测试,测试结果验证了硬件结构的有效性,符合预期设计指标,在人机交互系统的具体应用场景中将有效发挥作用,具有较强的现实意义。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN958.92
【部分图文】：

a)无源结构 b)有源结构图 1-1 波束扫描相控阵天线的基本结构[9]通过使用相控阵天线实现对于波束的灵活控制的相关研究早在上个世纪就已经开始，受限于移相器和衰减器等器件的制造水平，制造具有高性能的相控阵天线的实现方案需要使用极其巨大的阵列，因此有很多学者提出了混合阵列天线的概念，通过使用反射面与相控阵馈源实现较为灵活的波束控制[10]，七十年代后，微带天线迅猛发展，微带阵列天线开始发展起来，微带馈电的形式也流行起来。通常微带阵列天线的性能优于其他传统的天线阵列，因为微带阵列天线可以将馈电网络与阵元一起集成在同一介质板上。但是微带阵列天线也有一些缺点，这种天线通常来说带宽大多不是很宽，同时微带阵列天线的阵元所能承受的功率不是很大。尽管如此，微带阵列天线已经在各个领域广泛的应用起来。随着相关加工工艺技术的发展，微带阵列天线逐步解决了由于大型阵列中移相器和衰减器及功分网络整体尺寸过大，系统过于复杂从而难以实现等问题。微带阵列天线可以在大大减少多个天线占用空间的同时，避免天线因安装而产生误差所产生的影响。同时这种按照一定角度、一定距离所摆放的天线可以由信号处理后得到被测物体

方式发生了巨大的变化。肢体动作识别成为一种重要的人机交互方式。而具有增益的、小型化的微带阵列天线可以作为采集肢体动作的传感器，在这种识别法下，微带阵列天线优势主要如下：（1）在实现人机交互过程中可以保证肢体的自由，通过非接触方式来完成对作的采样。（2）在有效范围内更为灵活的追踪肢体运动目标，对多目标实现有效的区分识别。（3）准确性和灵敏度高，可实现对部分干扰信号的有效抑制。2 国内外研究现状与分析2018 年 Kerim Kibaroglu 等设计了可扩展的用于 5G 通信的阵列天线[16]，天线实现水平±50°范围，俯仰±25°范围的波束扫描，为了对系统方案进行更好的验证，计的系统整体结构如图 1-2 所示。并且在如图 1-3 所示的环境中对系统进行了通测试。

a)发射阵列 b)接收阵列图 1-3 天线外场测试环境[16]a)E 面方向图 b)H 面方向图图 1-4 天线实测方向图[16]ap 等人设计并实际验证了基于反射面的 K 波段相控阵位于抛物面反射天线焦点前。天线系统整体由反射面成网络以及数字控制单元组成。铝制的金属抛物面反由超过 100 个波导喇叭天线组成，每个波导喇叭天线及可控增益放大器相连，天线系统馈电网络以及天线
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本文编号：2889563