UWB超宽带雷达传感器存在感应探测，UWB信号对植物、砖墙有较强的穿透能力，可在复杂环境下，如砖墙后部以及叶簇下面，检测隐藏目标；而超宽带信号在通讯时也具有较高的传输率，由于信息量大、抗多径干扰能力强等特点，UWB技术在目标检测与通信中得到了广泛的重视和深入的研究。基于扩展无线传感器网络(WSN)外部应用环境，研究了一种以穿墙探测为主要功能的超宽带雷达传感器。在实际应用中，可以利用传感器作为WSN节点布控，以提高WSN对隐蔽目标的检测能力。介绍了所研制的UWB雷达传感器的基本结构和工作原理，确定了其主要性能指标；接下来，重点研究了UWB雷达传感器的核心技术——超宽带脉冲信号的产生，对发送接收技术进行了深入的研究，设计了一种具有良好性能的超宽带脉冲信号发生装置和Vivaldi天线。分别通过仿真和试验对设计方法进行验证。根据UWB雷达方程，确定了接收天线的增益，包括接收面的反射系数、墙的透射系数等参数对雷达探测距离的影响；讨论了雷达传感器的系统构成、测距原理，并对其探测距离与脉冲信号发射功率的关系进行了探讨。2.分析比较了几种不同类型的脉冲信号发生器的优缺点，从提高脉冲信号的幅度和缩短脉冲信号持续时间的角度出发，在此基础上，研究设计了一种综合利用RF三极管雪崩特性和快速恢复二极管脉冲信号发生器。通过对脉冲信号发生器的仿真和试验，仿真结果表明，该脉冲信号发生器输出持续时间可达600ps，峰-4V周期脉冲，脉冲波形对称性好。实验结果表明，脉冲宽度约为3.2ns，大峰约3.4V，波形对称性好，有一定的拖尾和振铃作用。模拟和试验的结果有一定的偏差。3.Vivaldi天线的发展过程，分析了几种扩展天线带宽的方法。针对收发设计产生的脉冲信号，研究设计了一种传统型超宽带Vivaldi天线，改进了天线的微带线槽转换特性，讨论了不同指数渐变率对天线辐射性能的影响。实验结果表明，该天线具有0.25GHz的低频截止频率、超过3GHz的高频截止频率，具有良好的辐射特性和极化性能，可以满足对超宽带信号收发要求。根据所提出的超宽带雷达传感控制系统的要求，设计了一种基于ARM和延时的控制系统，并结合其功能对ARM和延时芯片进行了电路设计，给出了控制系统软件层的程序流程图，并结合雷达传感器测距原理，对流程的时序和时序进行论证。
WSN是一种无线传感网络，它是由大量的静止或移动传感器节点组成，旨在相互合作地探测、处理和传送网络覆盖区内感知物体的信息，并向用户报告探测所得信息。由于WSN史无前例地连接虚拟世界与真实世界的尺度，受到了广泛的关注与深入研究，在国防军事、交通管理、医疗卫生、太空探索等许多领域都被称为21世纪具影响力的科技。该实验室以WSN技术为基础，开发了地面传感器智能报警系统原理样机，它由探测节点和汇聚节点组成一组结点进行车辆检测，坦克车、低空飞机、舰船或持械人员等机动目标造成的地面振动、环境磁场强度和噪音变化；也可作为摄像机“触发装置”进入现有安全系统，为延长照相机的使用寿命，节约计算机的存储器空间；或作为一个独立目标监测系统，在岛屿、边防、在沿海地区，反恐缉毒、临时性野战等无人值班领域有着广阔的应用前景。但是，在城市或丛林这样的复杂环境中，通常需要一套地面感应器智能警报器能侦测到墙后或茂密叶丛中的物体，这给系统的探测节点带来新的挑战。为使地面感应器智能警戒系统能在城市、丛林等复杂的外部环境中有效运作，研究设计一种能穿透墙壁或浓密的叶丛来检测其下面隐藏物的传感器节点，是一个迫切需要解决的技术问题。相关文献显示，超宽带(UWB)信号同时出现了低频、宽频两种特性，其频谱可以从直流延伸到数千兆赫，对叶簇和表面有很强的穿透力。为此，设计一种利用UWB接收信号进行检测的传感器节点，可以有效地解决探测节点穿透探测能力不足的问题，从而满足城市、丛林等复杂外部应用环境对地面传感器智能报警系统的需求。美国联邦通讯委员会(FCC)于2002年更新了一种信号在-10dB的相对带宽大于20%或者超过500MHz带宽时，该信号可称为超宽带信号。
随着UWB信号的定义规范化，通信委员会和业界有关部门就UWB技术与现有窄带系统相互干扰及如何共存等问题，IEEE成立了专家小组，对UWB技术的某些技术标准作出了相关规定。于2002年2月，FCC同意将超宽带技术用于民用。自此以后，超宽带技术进入了发展高峰。UWB穿墙探测雷达是UWB技术在雷达领域的典型应用之一，它可以通过对UWB信号进行接收、成像、目标识别等功能。UWB穿墙探测雷达是一种可以收发超宽带信号的典型设备，近几年来的迅速研究与发展，为设计超宽带信号接收的传感器节点提供了理论和技术上的借鉴。借鉴UWB穿墙探测雷达的基本原理，为实现探伤目标，完成了超宽带雷达传感系统设计，并对其关键技术进行了研究，为了满足地面传感器智能报警系统的外部应用环境要求，设计一种节点检测前应做的准备工作。总之，研究和设计超宽带雷达传感器有两个重要意义：一是UWB雷达的传感穿透探测能力强，能满足城市、丛林等复杂外部应用环境下对地面传感器智能报警系统的需求；拓展了地面传感器智能报警系统的应用范围。二是利用超宽带信号作为无线传感网络节点，利用UWB信号作为无线传感网络节点，有效地解决了WSN技术在能量、安全性等方面存在的问题，实现了对WSN技术的能量、安全性等方面的研究。对WSN技术的发展具有重要的推动作用。
UWB雷达的发展历史及国内外研究现状从70年代初开始，美国罗姆航空中心研制了HEWB脉冲发生器，数年后，美国LosAlamos国家实验室再次对光导开关进行了突破，初步解决了UWB雷达系统中的脉冲产生问题。自20世纪90年代以来，UWB雷达系统已逐步走向实用。一九九三年，美国斯坦福研究中心(SRI)研制出一种超宽带合成孔径雷达(SAR)，证明该雷达可以穿透叶簇，并对隐蔽目标具有较强的识别和成像能力。一九九四年，美国加州大学与LLNL国家实验室合作开发出一种小型超宽带雷达(MIR)系统，这是一种小型系统的超宽带雷达系统，为UWB雷达系统小型化开辟了道路。后来，在1999年，在美国Duke大学的领导下，美国成立了地雷探测研究联盟(MURI)，这是由国防部提供资金的。结合声、电、生物、化学、红外、电磁学、核共振等技术，以超宽带雷达技术和应用为主体，进一步提高了UWB雷达系统探测地雷特别是非金属地雷的性能。MURI把研究结果直接用来改造现有系统，或者开发一个新系统。此后，美国已经有了发展UWB雷达的技术基础。进入21世纪后，UWB雷达呈现出小型化、便携、集成化的发展趋势。在2001年，美国TimeDomain公司推出了UWB系列穿墙雷达，在该雷达中，SV2000A1雷达的重频为10MHz，具有2.1~5.6GHz带宽，输出功率50μW，可穿透20cm后的混凝土墙，二维显示在20米外的实时运动方向和距离；其分辨能力也低于1m。此外，美国Akela公司还推出了UWB穿墙探测雷达，该雷达由单个独立的高程分辨力雷达传感器组成，每一个雷达传感器可固定使用或单独携带。试验结果表明，该雷达能够探测到距6.5米范围内混凝土静息者的呼吸响应信号。另外，在美国的EurekaAerospace公司和HighAdcancedElectromagneticTechnologyCenter技术中心也已经开发出一系列具有代表性的UWB雷达产品。目前，美国对其UWB雷达系统的积极行动引起了俄罗斯、英国、欧盟等其他国家的高度重视，并展开了相关研究。虽然俄罗斯的研究状况很少公开，但从其发表的学术论文、专论和进入市场的产品来看，其UWB雷达技术也已达到先进水平。俄罗斯超宽带组织(RussianUWBGroup)启动了反恐穿墙雷达，其带宽为400MHz，平均功率25μW，能够穿透墙壁探测到60m以内的目标，并且距离分辨率为0.3m。由英国剑桥咨询公司(CambridgeConsulants)设计制造的“Prism200”穿墙雷达可以在大约40厘米的距离内穿过砖墙。这种雷达以脉冲体制为基础，可在被测区域上显示目标的2D或3D图像。2008年，以色列公司卡米罗(Camero)开发了一种强力UWB穿墙成像雷达系统Xavr800，这种雷达系统可穿透玻璃、混凝土、石块等物质的介质，可探测20m以内人员的位置及运动信息，同时可对检测结果进行二维或三维实时成像。与国外相比，我国对UWB雷达的研究起步较晚，但多年来已经取得了很大进展。这些成果主要体现在第四军医大学、国防科技大学等科研成果中。一九九六年，国防科技大学开始研究叶簇穿入UWB-SAR系统的关键技术，经过5年不懈努力，终于于2000年。在国内一个地面轨道UWB-SAR系统研制成功，系统的瞬时带宽为300MHz，分辨率0.6×0.7m。并在国内实现了叶簇下高分辨率成像。然后，2002年，国防科技大学又成功研制出国内一台机载UWB-SAR，并在陕西进行了航空试验，取得了一些有价值的试验数据。第四军医大学生物工程系从1998年起就开始从事超宽带生命探测雷达的研究，并开发出多波段连续波生物雷达原型。有资料显示，该雷达原型在自由空间中远可被探测到50米远，并且可以通过2m厚的实体砖墙来探测人的呼吸信号。第四军医大学的雷达式“生命探测仪”于2004年通过总后勤部卫生部组织的专家鉴定，标志着我国一次生物探测雷达的研制。其后，第四军医大学与中国电波所、必肯科技有限公司等单位合作，在国家自然科学基金及相关军事部门的支持下，自主开发出“生命探测雷达”。在5.12汶川地震救灾中，雷达为抢救压埋人员提供了重要信息。除高等院校外，国内已有多台实用的UWB雷达，如江苏北方湖光光电股份有限公司研制的TDR-600UWB穿墙探测雷达，由四川华信科技公司和西安比肯科技公司共同开发的警视-3穿墙雷达具有优异的性能，并已进入市场。近几年来，基于脉冲体制的UWB雷达由于其结构简单、通用性好而逐渐成为主流，并且随着印刷技术和集成技术的不断发展，现有的脉冲体制体制中，宽带平面天线和高度集成的脉冲发射机、接收机等都是UWB雷达系统的主要组成部分。尽管，近几年来，成品UWB雷达系统很少出现，但脉冲信号发送器、接收器、宽频平面印刷天线有关，此外，在对关键器件，如功率放大器等方面的研究也有很大的进展，而这些关键器件的研制也将推动超宽带雷达系统性能的提高。并且正向小型化、高度一体化方向发展。
目前UWB天线技术研究现状有很多种，在平面天线方面，主要包括宽带平面极天线、宽带平面裂缝天线和宽带平面槽天线。在这些天线中，线槽天线具有良好的辐射性、高增益、定向性，且制作简单、加工方便，适用于用于穿墙探测的雷达系统。所以，本节结合研究内容，简要介绍了Vivaldi天线的发展过程及研究现状。Vivaldi天线是在沟槽天线的基础上逐步发展起来的。由Stephenson于1955年提出的一种端面槽线天线，它采用同轴向馈电，槽线上有矩形槽和线性渐变槽两种不同的形状，同轴线与槽线之间采用渐变结构的金属体过渡，为立体结构天线。在辐照方向图上，该天线具有良好的辐射性和增益，但受当时技术条件限制，天线的带宽并不够大。此后，Lewis于1974年提出了一种基于槽线天线馈电的渐变天线，实现了馈电结构和天线辐射体的集成；在此基础上，将槽线天线发展成平面结构，有效地减小了天线的体积，同时其馈源的频带也被有效地延长。70年代中后期，国内外学者将槽线天线的重点转向槽线的形状，并相继提出线性渐变槽天线(LinearlyTaperedSlotAntenna)，LTSA)，部分恒宽槽天线(ConstantWidthSlotAntenna,CSWA)和指数渐变槽天线(ExponentiallyTaperedSlotAntenna，ETSA)，其中的ETSA是Vivaldi天线。Vivaldi天线在辐射方向图、增益、宽频带等方面都有很好的应用前景。随后，随着UWB技术的发展，学者们逐步“发掘”Vivaldi天线在超宽带领域的应用潜力，并对Vivaldi天线结构进行了多次改进，使Vivaldi天线能适应超宽带系统的需要。
超宽带雷达传感器测距原理设计的超宽带雷达传感元件，以穿墙探测为主要功能，结合系统框图，对其工作流程进行了简要论述：系统启动后，一种方法是由控制器产生的方波触发信号，该触发信号经延时芯片分为两路，其中一路无延时，进入脉冲系统后，驱动UWB脉冲信号发生器输出UWB脉冲，UWB脉冲经功率放大后，再经UWB天线向自由空间辐射出去，以进行穿墙探测；而另外一路方波信号经过一定延时(延时的时间由控制器控制)进入接收系统，推动采样脉冲发生器产生采样脉冲。采样脉冲控制采样门电路的“开关”，当采样脉冲输入时，采样门电路处于“开启”状态，接收天线接收到的信号可以通过采样门；相反，在输入没有采样脉冲时，采样门电路处于关断状态，接收天线接收到的信号会被采样门阻断。这样，当脉冲信号在自由空间的传播时间等于延时片的延时，才能使采样门电路中的目标物体反射回波信号。当回波信号通过采样门之后，经过保持放大和带通滤波之后向电平检测部分传播，从而导致其电平翻转。当控制器被翻转后，控制器产生断开，开始读出延时芯片的延时，当得到延时，就可以计算出目标物体的距离。
UWB雷达传感器的主要性能指标对测距雷达来说，小和大探测距离是其主要性能指标。从测距原理的讨论可以看出，UWB雷达传感器的探测距离主要受时间延迟的影响。由于延迟时间取了单位延迟时，UWB雷达传感器理论上可以探测的距离小，相应地，当延迟时延取大时，UWB雷达传感器在理论上可探测距离大。高探测距离是衡量超宽带雷达传感器能够探测到目标的大距离的性能指标，当目标与雷达传感器之间的距离大于该值时，即使延迟取大值，接收系统也无法接收目标的回波信号，因此目标不可被检测。另外，超宽带雷达传感器的大探测距离也受到脉冲信号发射功率的影响，为保证超宽带雷达传感器的探测距离能达到大，因此，在系统设计时，必须保证脉冲信号有足够的发射功率，从而估计脉冲信号的发射功率。