危险品检测系统中超宽带脉冲发生器的设计

摘要

随着城市人口数量的不断增长，公共交通系统不断发展，然而近期发生的一系列公交车爆燃、砍杀等事件，给人民生命财产安全带来巨大损失。因此，针对公交车辆上的行人和行李做必要的易燃易爆物品、金属管制刀具等危险品的检测，对于避免安全隐患的发生具有十分重要的意义。近几年，超宽带技术取得了较快发展，超宽带技术凭借其低功耗、穿透力强、高探测精度、抗干扰、结构相对简单、对身体无害等特点，能较好地满足公交车危险品检测系统的要求。在所有的超宽带技术应用中，窄脉冲信号发生器是最关键的部分之一，本文就此做了深入分析和研究，主要工作如下:
　　首先说明了公交车危险品检测系统的研究背景与意义，对比了目前主流的X射线透视成像、金属探测仪、气相分析法等检测方式的工作原理和优缺点，说明了超宽带技术在公交车危险品检测中的适用性和优越性。
　　介绍了超宽带技术发展的四个不同时期和窄脉冲产生技术的发展历程，详细介绍了超宽带的定义及规范、时频特征、技术优势和应用领域。给出了超宽带技术实现应用的三种方式，说明了脉冲超宽带方式(IR-UWB)在危险品检测系统中的适用性。重点叙述了美国FCC、欧盟ETSI和中国工业和信息化部对各类超宽带设备的辐射掩蔽要求，为后续窄脉冲波形设计提供了指导标准。最后给出了超宽带危险品检测系统的总体结构设计和窄脉冲发生器预期的性能指标。
　　对几种超宽带窄脉冲波形进行了详细研究。基于从时域到频域的研究思想，重点研究了高斯脉冲及其n阶导数、正弦调制高斯包络窄脉冲、正弦调制三角包络窄脉冲、Morlet小波脉冲的时域、频域特性，通过Matlab仿真详细研究了脉冲形状因子对上述各类脉冲时域波形和频域的影响，以及上述各种脉冲功率谱密度对FCC和我国工信部超宽带设备辐射掩蔽要求的匹配情况。基于频域到时域的研究思想，采用直接频域法研究了升余弦脉冲的波形特性。最后统筹考虑，选用高斯脉冲一阶微分形式作为危险品检测系统的发射脉冲波形。
　　关于常用的窄脉冲产生技术的分析与研究。包括基于隧道二极管、阶跃恢复二极管、雪崩三极管、逻辑门电路竞争-冒险现象的产生技术，结合基本的产生电路详细分析了上述各类技术的工作原理。通过Multisim仿真设计了基于单个雪崩三极管BJT-NPNBFS17的窄脉冲产生电路，并通过串联升压电感进行优化，将脉冲幅度由16.2V提升到24.5V。对比了RC微分电路和LC振荡方式的优劣，负载输出端通过并联电感的LC振荡方式得到了宽度1.7ns，幅度22.5V的双极性高斯脉冲一阶微分形式。
　　设计了基于无源晶振HC-49/U和RC微分电路的触发方波-尖脉冲转换电路，得到了幅度6V，重复频率11MHz的触发尖脉冲，为雪崩三极管窄脉冲产生电路提供了触发激励源。
　　解决了超宽带脉冲宽度和脉冲幅度的相互制约问题。为了进一步减小宽度，提高幅度，通过串联升压电感，并借鉴Marx发生器“并联充电、串联放电”实现电压倍增的思想，设计了基于雪崩三极管四级并联的窄脉冲产生电路。通过Multisim不断仿真测试了偏置电压、储能电容、集电极电阻等元件取不同参数时对输出窄脉冲性能的影响，最后确定了最佳参数，得到了脉冲重复频率11MHz，脉冲宽度为643ps，脉冲幅度为35.032V的双极性高斯脉冲一阶微分形式，并完成了电路板的制作和测试验证。
　　该脉冲符合预期性能，且电路较简单，适合用于超宽带危险品检测系统。本文对超宽带脉冲波形的研究和窄脉冲发生器的设计对其他超宽带技术的应用也具有理论和实际意义。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 超宽带发展与研究现状

1．2．1 超宽带技术发展的四个时期

1．2．2 国内超宽带技术的研究发展

1．2．3 超宽带脉冲产生技术的研究发展

1．3 主要研究内容和论文结构

第2章 超宽带技术概述

2．1 超宽带的定义、规范和信号特征

2．1．1 美国FCC对超宽带信号的定义和频谱规范

2．1．2 欧盟对超宽带信号的要求和频谱规范

2．1．3 中国工信部对超宽带信号的要求和频谱规范

2．1．4 超宽带信号的时频特征

2．2 超宽带系统的实现方式

2．2．1 脉冲超宽带(IR-UWB)

2．2．2 单载波方式(DS-UWB)

2．2．3 多载波方式(MB-OFDM-UWB)

2．3 超宽带技术优势和应用领域

2．3．1 超宽带技术优势

2．3．2 超宽带技术主要应用领域

2．4 超宽带危险品检测系统设计思路

2．5 本章小结

第3章 超宽带窄脉冲信号波形的研究与选型

3．1 脉冲超宽带系统波形选型准则

3．2 从时域到频域研究超宽带信号波形

3．2．1 高斯脉冲及其n阶导函数的时频分析

3．2．2 正弦调制高斯、三角包络窄脉冲时频分析

3．2．3 Morlet小波脉冲时频分析

3．3 直接频域法研究升余弦脉冲

3．4 本章小结

第4章 超宽带窄脉冲产生技术研究

4．1 超宽带脉冲信号产生技术简介

4．2 储能元件的研究

4．2．1 储能电容的工作原理

4．2．2 储能电感的工作原理

4．3 产生超宽带脉冲的典型器件及基本电路

4．3．1 基于隧道二极管的窄脉冲产生技术

4．3．2 基于阶跃恢复二极管的窄脉冲产生技术

4．3．3 基于雪崩三极管的窄脉冲产生技术

4．3．4 基于门电路竞争-冒险现象的窄脉冲产生技术

4．4 各种脉冲产生方法的比较

4．5 本章小结

第5章 超宽带脉冲信号源系统的设计

5．1 一般超宽带脉冲信号源系统工作原理

5．2 输出窄脉冲信号性能指标的确定

5．2．1 窄脉冲宽度的确定

5．2．2 窄脉冲重复频率的确定

5．3 供电模块

5．4 触发脉冲产生电路

5．4．1 典型的晶体并联谐振电路

5．4．2 RC微分电路

5．4．3 基于无源晶振HC-49／U的尖脉冲触发电路

5．5 基于雪崩三极管的窄脉冲产生电路设计和仿真

5．5．1 设计软件Multisim简介

5．5．2 雪崩三极管的型号选择

5．5．3 基于单个雪崩三极管的窄脉冲电路设计与优化

5．5．4 Marx发生器原理

5．5．5 基于雪崩三极管四级并联的窄脉冲产生电路设计

5．5．6 电路元件参数选取

5．5．7 触发脉冲频率的确定

5．5．8 高斯脉冲一阶微分窄脉冲的产生

5．5．9 电路板的制作与测试

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果