정밀 탐지를 위한 근거리 연속파 레이더 시스템 연구
This paper thoroughly explores continuous-wave (CW) Doppler radar system for precision detection at short distance. A CW Doppler radar system operating at 915-MHz for vital-signs detection is presented. The proposed radar comprises a front-end module including an implemented complementary metal-oxide semiconductor low-noise amplifier (LNA) and fractal-slot patch antennas, whose area was reduced by 15.2%. Path-loss simulation based on the human layer model indicates that the reflected power of the 915-MHz radar could be higher than that of the 2.45-GHz radar. In a measurement with six subjects, the respiration and heart rate obtained at 0.8 m using the proposed radar exhibited mean accuracies of 99.4% and 97.6% respectively. A multi-phase continuous-wave (MPCW) Doppler radar with a multi-arc circle fitting (MACF) algorithm is proposed for improving the accuracy of small periodic displacement measurements. In the proposed radar architecture, local oscillator (LO) signals with different phases are incident to multiple I/Q mixers, to simultaneously generate multi-arcs for small periodic motions. The multi-arcs obtained from the synchronized data are used in the circle fitting method to provide DC offset compensation, for accurate phase demodulation. The proposed MACF algorithm, based on the Levenberg-Marquardt method, can more precisely compensate for the DC offset by combining multi-arcs generated from the proposed radar. A 5.8-GHz MPCW Doppler radar module with four-phased LO signals is implemented as a demonstration. Compared to conventional CW Doppler radar using a single arc, measurement results using the proposed radar show that the root-mean-square error (RMSE) can be effectively decreased in the periodic motion from 1 to 2 mm, at distances from 30 to 60 cm. The RMSE is reduced by more than 33% for a peak-to-peak displacement of 1 mm at 60 cm. A CW Doppler radar using two-tone frequencies is presented for the measurement of short-range distance. The envelope detection method is proposed to discriminate each frequency signal in the output waveform of the two-tone CW Doppler radar sensor. The phase difference in each frequency is obtained from the non-linearly demodulated I/Q baseband signals, following calibration of the I/Q imbalance and dc offset voltages. The absolute distance is derived from the phase differences at the two-tone frequencies with a 100-MHz spacing. The measurement results in the two-tone radar system show a maximum error of 2.5 cm in the 20 cm to 50 cm distance range.
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