微波检测系统和方法

专利名称：微波检测系统和方法
技术领域：
一般来讲，本发明涉及微波检测系统。更具体来讲，本发明涉及 自动检测禁区中的入侵的系统和方法。
背景技术：
图1显示具有单铁路轨道102的典型先有技术铁路道口 100。第 一栅门104A和104B在火车接近轨道102时关闭，由此限制来自轨道 102相应一侧的交通流。在与第一栅门104A和104B相对的轨道102 的对面，第二栅门106A和106B关闭，以限制来自对侧的交通流。
在图2中，显示了类似的先有技术铁路道口 200，但是显示两条 轨道202和204作为道口 200。与上面显示的单轨配置100相似，第 一栅门206A和206B在火车接近轨道202或204时关闭，由此限制来 自轨道102该侧的交通流。在与栅门206A和206B相对的轨道202和 204的对面，第二栅门208A和208B关闭，以限制来自对侧的交通流。 在这些先有技术系统中，栅门在检测到接近的火车时关闭。为了 检测位于轨道附近已关闭栅门之间的障碍物， 一些先有技术系统依靠 发送器/接收系统响应障碍物自身对所发送信号的反射而不使用反射
器或检测来自反射器的信号的存在。参见美国专利号6,340,139和美国 专利号5,625,340。
其它先有技术系统则依靠反射调频雷达的反射器，利用发送和反 射信号之间的频率和幅度差别来确定监视区域内物体的存在。这些先 有技术系统检测信号幅度和信号相位的差别。后者得自由反射器处的 传输时间部件定义的信号传输时间确定的相移。但是，在这个已知实 现中，系统包含接收器、计算器、传输时间元件、定向分离滤波器以 及放大器，其中每一个都逐项i也递增系统的复杂性和成本。参见美国 专利号5,775,045。
已经开发了几种利用微波检测系统的系统。但是，先有技术系统 当前遇到了一些问题，例如障碍物误检测、障碍物检测不准确、检测 障碍物失败、回声检测、不当监视以及与初始安装和进行中操作相关


图1说明用于单轨交叉的先有技术铁路道口 。 图2说明用于双轨交叉的先有技术铁路道口 。 图3示意说明根据本发明一个方面的自动检测禁区中的入侵的微 波才全测系统。
图4示范性地说明用于^r测禁区中的入侵的系统的示范控制状态。
图5说明用于检测禁区中的入侵的系统的逻辑流程中的示范步骤。
图6说明用于检测禁区中的入侵的系统，例如具有单轨交叉的铁 路道口，并且指出收发信机、调制反射器和示范监视区域的布局的一
个示范实施例。
图7说明用于检测禁区中的入侵的系统，例如具有双轨交叉的铁 路道口，并且指出收发信机、调制反射器和示范监视区域的布局的一 个示范实施例。
图8说明用于检测禁区中的入侵的系统，例如具有双轨交叉'的铁
路道口，并且指出收发信机、调制反射器、无源反射器和示范监视区 域的布局的 一个示范实施例。
图9说明用于检测禁区中的入侵的系统，例如具有三轨交叉的铁 路道口，并且指出收发信机、多个调制反射器和示范相关监视区域的 布局的一个示范实施例。
图10说明用于检测禁区中的入侵的系统，例如由周界定义的区 域，并且指出收发信机、调制反射器和示范监视周界的布局的一个示 范实施例。
图11示意说明根据本发明方面自动调整检测阈值以检测禁区中 的入侵的微波检测系统。
图12显示用于图11的系统中的实例变量阈值。
图13显示相对用于图11的系统中的固定阈值的实例变量阈值。
在这些附图中，相应的参考字符和代号通常表示相应的部件。
详细i兌明
本发明方面针对微波冲全测系统，例如可使用调制的微波信号自动 检测禁区中的入侵的系统。以下说明将首先描迷一个实施例，例如可 用于自动检测铁路道口的禁区中障碍物的存在。然后，说明将描述另 一实施例，例如可用于自动检测通过定义禁区的一个或多个周界的入 侵，如用于机场。
图3是用于自动检测禁区中的入侵的系统300的一个实施例的筒 化框图，例如使用微波发送器"妾收器302和调制反射器308检测铁路 道口区域内障碍物的存在。发送器/接收器302配备天线304。如图所
示，发送器/接收器302可以是症且合收发信机302，或者可以是独立的 发送器302A和独立的接收器302B。在后一种情况下，发送器302A 和接收器302B可以各自配备天线304。收发信机302提供接收信号338 给前置放大器312，前置放大器312提供经处理的信号给解调器314。 解调器314提供解调的接收信号338给处理器316进行信号分析。
处理器316可以是单个处理器，或者在另一实施例中可以配置为 多个处理器316。在一个实施例中，处理器316是双核处理器316配 置。处理器316可由存储器(未示出)、硬件、软件和/或固件组成。关 于处理器316的所述功能可以由一个或多个软件、固件或硬件来配置 和执行。
发送信号332由发送器302A发送并且由一个或多个调制反射器 (MDR) 308接收。调制反射器308接收发送信号332并且引入特性以 创建调制信号330。调制信号330由调制反射器308发送或反射并且 由接收器302B接收。系统300才是供由收发信机302和调制反射器308 及相关发送信号332和调制信号330定义的监视区域334的增强定义。 发送信号332和调制信号330定义监视区域334使得监视区域334中 的障碍物检测是发送信号332或调制信号330的扰乱的功能(fiinction), 如下文进一步论述。
在一个实施例中，收发信机302在波段X中工作于9.2 GHz到10.6 的频率，如具有22.0 MHz FM扫描/带宽的10.0 GHz。在一个实施例 中，这是连续波微波信号。发送器302A的功率可以在10mW加或减 1 mW的范围内。发送器302A的其它功率电平可以在20 mW加或减2 mW的范围内。在一个实施例中，接收器302B可以是始发站，即收发 信机302。在另一实施例中，接收器302B与发送器302A分离。在又 一实施例中，可以使用双接收器302B,其中组合他们的接收信号338 并且对组合的信号进行分析。这后一实施例可能适用于发送信号332 的频率可导致例如由相移或造成发送信号332不利影响调制信号330 的其它信号模式造成的零位信号，从而不利影响检测调制信号330以
及由调制反射器308引入的任何特性的能力的情况。
在另一实施例中，收发信机i302发送调频的发送信号332而不是 连续或单个的频率信号。在这样的实施例中，带宽5.0和25.0 MHz之 间的频率调制可引M送器302A中。通过将频率调制引入发送信号 332，不希望的幅度调制的频率增大到可以实现接收信号338的峰值和 /或接收信号338中的边带的增强检测的水平。
在一个实施例中，天线304可以是定向天线，提供发送信号332 的形成以定义监视区域334。收发信机天线304的类型的选择取决于 所需监视区域334的形状、监视区域334的所需监视距离以及发送信 号332的频率。例如，抛物面天线可以提供5度的波束角，而喇叭天 线(hornantenna)可以提供30度的波束角。此外，在一个实施例中，收 发信机天线304的TX/RX 0=35 cm。
调制反射器308响应发送信号332。调制反射器308可能包含或 包括调制反射器天线336。在一个实施例中，调制反射器308是调制 喇叭反射器，带有大小为12.5 x 9.5 x 15 cm的喇叭反射器。在另一实 施例中，调制反射器308是角锥喇叭反射器，造成调制反射器308和 收发信机天线304之间IOO米的最大距离。在又一实施例中，调制反 射器308是抛物面反射器，提供调制反射器308和收发信机天线304 之间200米的最大距离。
在图3中所示的另一实施例中，设置无源反射器310从发送器 302A接收发送信号332A,并且将发送信号332B无源反射至调制反射 器308。此外，可设置无源反射器310从调制反射器308接收调制信 号330A并且将调制信号330B无源重定向至接收器302B。通过设置 无源反射器310,监视区域334可以针对特定铁路道口应用和设计进 行成形、扩展或设计，以更有效地监视所需监视区域334是否存在障 碍物。无源反射器310也可以用于形成定义两个独立监视区域334的 发送信号332的两个段。例如，在一个实施例中，无源反射器310定 义与笫一监视区域334成达60度角的第二监视区域334。在其它实施例中，无源反射器310创建的两个监视区域334之间的角度可超过60 度。在此类实施例中，反射的能量减少并且因此由发送信号332和调 制信号330定义的区域减小。但是，通过使用角度小于或等于60度的 无源反射器310,可以扩展发送信号332和调制信号330覆盖的总监 视区域，以便监视更复杂的区城并且提供更完整的监视覆盖。
收发信机304和调制反射器天线336的选择定义了监视区域334 的大小，包括收发信机302和调制反射器308之间的距离(或长度)。在 一个实施例中，收发信机天线304是喇p八天线并且调制反射器天线336 是喇叭，定义监视区域334的天线304和336之间的距离介于10到 28米之间。在另一实施例中，收发信机天线304是喇叭天线并且调制 反射器天线336是抛物面，距离介于18到28米之间。在又一实施例 中，收发信机天线304是抛物面天线并且调制反射器天线336是抛物 面，距离介于28到60米之间。同样，在系统中包括无源反射器310 时也是如此。在一实施例中，收发信机天线304是喇叭天线并且调制 反射器天线336是抛物面，距离介于10到25米之间。在又一实施例 中，收发信机天线304是抛物面天线并且调制反射器天线336是抛物 面，距离介于25到50米之间。
在一个实施例中，调制反射器308接收发送信号332。调制反射 器308调制接收的发送信号332并且通过反射将带有调制特性340的 调制信号330重新发送到接收器302B。在一个实施例中，调制特性可 以是相位调制。但是，应该理解，任何调制技术均可用于授予调制特 性给信号330。可以采用的模拟和数字调制技术的说明性实例包括以 下技术幅度调制(am)、频率调制(fin)、脉沖调制(pm)、脉冲编码调制 (pcm)、微分脉冲编码调制(dpcm)、增量调制(dm)、连续可变斜率增量 调制(cvsd)、最小频移键控(msk)等。调制反射器308可以是无源装置 也可以是有源装置。在一个示范实施例中，调制反射器308通过将特 性340如相位调制引入接收的发送信号332来产生调制信号330，在 频率约为10.0 KHz时相位调制介于0°和180°之间。调制频率可以是4.0KHz、 4.7KHz、 5.7KHz、 6.7 KHz、 9.0 KHz或12.0 KHz。也可以 使用4.0 KHz到13.0 KHz的其它频率进行相位调制。在又一个实施例 中，调制反射器308是带有八(8)个或更多不同相位的多相或连续相位 调制反射器。这样的实施例在消除调制信号330的不需要的幅度调制 时可能是有利的。
调制反射器308的调制造成提供障碍物检测的调制信号330中的 一个或多个唯一可识别特性340。例如，频率或相位调制可以创建发 送信号332如发送的载波信号中不存在的调制信号330中的边带。幅 度、能量、频率或边带量可以定义特性的各种实施例。
4^收器302B响应发送信号332和调制信号330的频率范围内的信 号。接收器302B接收的接收信号338可以包含也可以不包含由调制反 射器308引入的特性340。接收信号338使用来自收发信机302中的 发送器302A中的部分载波信号转换成基带。前置放大器和滤波器312 放大和过滤接收信号338并且将经调节的接收信号338传递给解调器 314。接收信号338由解调器314解调以由处理器316处理接收信号 338进行信号分析，从而分析由调制反射器308引入的特性340的量。 此量可以是监视区域334中的障碍物的表示。
在收发信机302中，发送信号332或其载波部分与接收信号338 混合，其中在一个示范实施例中，载波信号^皮抵消，由此让边带由处 理器316进行分析。可以分析边带以确定所需的特性340，并且由此 确定监视区域334中物体的存在或不存在。
在一个示范实施例中，处理器316进行的信号分析过程包括检测 和对比接收信号338的边带中的能量量，例如由边带峰值幅度表示。 接收信号338由前置放大器滤波器312过滤以去除可能造成来自移动 物体的多普勒效应的回声。在这样的过滤之后，在监视区域334内不 存在物体时，接收信号338仅包括由调制反射器308引入的特性340。 在一个示范实施例中，调制频率选择为高于由监视区域334内的物体 移动造成的多普勒效应频率的频率。如上所述，在使用10GHz的发送
信号332的载波频率时，可以使用4KHz、 4.7KHz、 5.7KHz或6.7KHz
的频率。
如以上示例中所述，所需特性340可以是接收信号338中包含的 边带的特定幅度、频率和/或相4立。可以分析接收信号及其边带并且与 预定义的值、阈值或模型进行对比。例如，如果接收信号的边带具有 超过预定义值的幅度峰值或能量水平，处理器316可以确定监视区域 334内不存在障碍物。但是，如果接收信号的边带的幅度峰值低于预 定义值或阈值，则处理器316将确定监视区域334内有障碍物。在一 个实施例中，可以确定第一边带的峰值幅度减小3 dB以上表示监视区 域334内有物体。
接收信号338中的边带的边带能量量也可以用于确定存在或不存 在物体。如果确定的能量水平^[氐于预定水平，处理器316可以确定监 视区域334内存在物体。在一个实施例中，系统可以检测和确定4妄收 信号338的第一、第二和第三边带中的总能量量。此类边带的总能量 水平与预定能量水平进行对比。在一个实施例中，在总能量水平为正 常水平的80%时，即减少20%，处理器316确定监视区域334内存在 障碍物。在其它实施例中，可以分析一个或多个边带和/或边带的能量 或峰值幅度偏差可介于5%至50%之间。
在一个示范实施例中，峰^_幅度或能量水平检测的预定对比水平 在产品开发、产品设计和/或产品部署期间根据测试和操作建立，并且 取决于发送频率。在一些实施例中，系统300包括可变输入功能(未示 出)，让操作员可以调节处理器316的灵敏度或阈值水平，用于确定接 收信号338是否包含所需的特性340并且由此确定是否在监视区域334 内检测到物体。
如果接收信号338包含如上所述由调制反射器308引入的所需量 的特性340，系统300会提供监视区域334无障碍物的指示。由调制 反射器308生成的所需量的特性340的存在表示接收信号338原本作 为发送信号332发送、由调制反射器308调制并且作为具有特性340
的调制信号330重新发送。调制信号330中所需量的特性340的接收 还确保接收的不当或错误信号不会提供监视区域334无障碍物的错误 指示。
在备选实施例中，系统300可以包含两个或更多收发信机302， 每个以各自的频率工作。在此实施例中，可以视作有两个单独的接收 信号338由接收器302B接收，或者一个接收信号338被接收，但接收 信号338具有一个以上的信号部分。从一种观点来看，两个发送信号 332由两个收发信机302发送，并且具有两种特性340的两个调制信 号330由调制反射器308生成。在任一情况下，对每个接收信号338 应用上述信号调节、解调和分析过程。处理器316作出的监视区域334 中有无障碍物的判决由每个接收信号338的信号分析组合确定。
在另一个示范实施例中，收发信机302单独检测来自多个调制反 射器308的多个调制信号330和特性340。在这样的实施例中，每个 调制反射器308 ^皮调整为在唯一和单独的调制频率对发送信号332进 行频率或相位调制。每个接收器302B被调整为解调信号以确定特性 340,由此确定每个定义的监视区域334内是否存在障碍物。在这样的 实施例中，每组发送器302A、调制反射器308和^接收器302定义单独 的监视区域334，可包括由每组通信发送器302A、调制反射器308和 接收器302B之间的区域定义的多条路径。例如，参见图9。
在另 一个示范实施例中，GPS系统322从全球定位卫星(GPS)系统 (未示出)接收数据信号。在此实施例中，系统300从接收的GPS数据 中接收时间和/或同步信号并且将其存储在存储器(未示出)中。处理器 316可以利用接收的GPS数据束增强系统300的报告、管理和/或诊断 能力。
在工作中，系统300的监视工作在从道口栅门系统324接收表示 栅门已关闭的栅门关闭信号时开始。在收到栅门关闭信号时，系统300 开始发送发送信号332并且接收接收信号338以监视监视区域334在 栅门关闭后道口中是否有障碍物。在一个实施例中，在轨道打开信号
激活后，系统300停止检测道口或监视区域334。在另一个实例例中， 如果监视区域334未被预期的障碍如通过的铁路车辆所阻碍，系统300 继续检查监视区域334。
在检测不到障碍时，系统300生成同意行动(consent action)326， 在一个实施例中是由处理器316发起的继电器(relay)初始化。在道口区 域或监视区域334检测到障碍物时，不会生成开放区域指示并且会采 取进一步动作。在一个这样的实施例中，处理器316发起警报动作328, 例如警报继电器的发起。在另一个示范实施例中，事件或动作数据存 储在存储器(未示出)中，使得可以在稍后的时间或由远程管理系统(未 示出)对数据事件进行分析。
在另一个优选实施例中，处理器316配置为4是供一个或多个操作 功能。这些包括接收有关栅门打开系统324的栅门降低或升高的信息。 在从栅门打开系统324收到指示栅门已经降低的信息或栅门关闭信号 时，处理器316可以发起由发送器302A进行的发送信号332的传输。 在解调器314收到经处理的接收信号338时，处理器316分析接收信 号是否具有特性340。在处理器316通过接收信号338确定上述所需 量的特性340时，处理器316可生成同意信号326。在处理器316确 定接收信号338不含所需量的特性340并且由此确定监视区域334中 有障碍物时，处理器316生成占用区域警报328。
在其它示范实施例中，处理器316可选地探测和验证系统300的 内部组件的完整性。处理器316还可以发起和提供自诊，并且检测所 有系统组件(参见320)的工作效率，包括提供发送器302A和接收器 302B的自动自测。处理器316还可以提供系统300的各种输入和输出 的控制和管理，例如通信端口/链路(未示出)，包括从GPS系统322获 取时间参考信号。处理器316还可以管理与包含发送器302A、接收器 302B、调制反射器308、无源反射器310及其它系统设备的系统300 设备机拒相关联的防入侵传感器。处理器316还可以将系统故障警报 作为本地警报提供或提供给远程管理实体或系统(未示出)。处理器316
结合存储器(未示出)可以按照处理器316的决定而记录或存储动作或 事件并且生成此类事件、动作和状态的通信至远程站点、系统或实体。 在图4中，显示了本发明的一个实施例的工作状态。第一状态是 系统关闭状态402。在开始为系统300供电时，处理器316转换到初 始化状态404。在此状态中，处理器316 ^r证其配置和工作状态。如 果配置不存在，处理器316转换到配置状态406以从外部来源获取配 置信息或数据。在一个实施例中，此信息可以经由通信链路(未示出) 从远程管理系统获取。如果正确的配置数据存在，处理器316控制在 处理器316的上次重设之前出现的反复性错误的存在。如果错误存在， 则处理器316转换到不可用状态408并且等待经由通信链路的外部命 令重启系统300进行的监测。如果系统中有错误，处理器316也可以 转换到不可用状态408，并且对外部系统或管理系统作出警报或通知 以指示需要修理。在另一实施例中，不可用状态408可以自动发起系 统重启(未示出)。
如果处理器316通过了初始化状态404的测试和配置诊断，处理 器316转换到待命状态410。在此状态中，系统可以工作并且等待外 部指示以进入分析状态412。在待命状态410期间，系统工作正常无 任何错误并且等待"栅门关闭"信号。处理器316监视系统的安全和自 诊以确定是否出现系统可操作性的变化。处理器316更新从GPS系统 322接收的时间和同步数据。在一个实施例中，进入分析状态412的 外部指示是从外部来源收到铁路道口栅门已经降低。
相应地，在待命状态410期间，处理器316从全球定位卫星(GPS) 接收器系统322接收信息。此信息可能包括任何可用GPS卫星提供的 信息。在一个实施例中，此信息包括时间和/或同步信息。 一旦系统接 收激活信号，例如栅门关闭信号，处理器316从待命状态410转换到 分析状态412。
在分析状态412中，处理器316设置定时器并且从发送器302发 起发送信号332的传输。在一个实施例中，定时器设置为5秒钟。系
统从接收器302接收信号，经分析以确定如上所述由调制反射器308 引入的特性340。如果接收器302收到包含所需量的特性340的调制 信号330，并且在定时器终止之前接收器302不断收到，处理器316 确定监视区域334无障碍物。当这种情况发生时，处理器316就转换 到区域"干净"状态414。区域"干净"状态414发起同意动作326，并 且在接收指示栅门已打开(未示出)的信号之后，处理器316返回待命状 态410。在一个示范实施例中，同意动作326是"全部干净，，继电器的设 置，但也可以是其它动作，包括经由通信链路(未示出)发送消息至远 程站点或系统。
处理器316分析来自接收器302的接收信号338,并且确定监视 区域334内是否存在障碍物。在一个示范实施例中， 一旦在定时器期 间确定了障碍物(如上所述)，系统就转换到区域^L占状态416。在区域 被占状态416中，继续监视接收信号338以确定障碍物是否继续位于 监视区域334中或者障碍物是否已移离监视区域334并且区域内不再 有障碍。如果确定是这样并且定时器已过期，系统转换到区域"干净，， 状态414。如果处理器316确定障碍物在监视区域334内移动(如下所 述)，系统继续监视障碍物的存在。为了这种确定，滤波器算法与监视 区域334的反复扫描结合使用。如果在定义的时间段之后，在一个实 例例中为定时器的时间之后，区域被占状态416发起警报动作328。 在一个实施例中，警报动作328可以是警报继电器(未示出)的激活。在 另一实施例中，警报动作328可以是其它动作，包括经由通信链路(未 示出)发送警报消息到远程站点或系统。
如果在分析状态410、区域-波占状态416或区域"干净"状态414 期间，处理器316接收栅门不再关闭的信号，处理器316就去激活任 何同意或警报动作，并且将系统返回待命状态410。
如果在待命状态410、分析^l犬态412、区域"干净"状态414或区域 被占状态416期间，在系统或系统操作中检测到或出现错误，系统转 换到致命错误状态418。无论何时系统自诊识别了发送器302A或接收 器302B、系统组件或控制逻辑或由处理器316操作的软件发生故障， 系统也转换到致命错误状态418。在致命错误状态418中，诊断的错 误会记录在存储器(未示出)中并且可能发起系统重启(未示出)。在另一 实施例中，系统转换到初始化状态404以进行进一步分析或系统重启 (未示出)。
图5A和5B统称为图5,其中说明了自动检测未授权区域入侵的 方法500的 一个示范实施例，例如检测与铁路道口相关的监视区域334 内障碍物的存在。处于空闲状态502的系统在高度、定期或连续基础 上从GPS系统332接收信息。系统等待启动事件或命令。在一个示范 实施例中，系统在栅门关闭时自动启动，例如在框506中收到栅门关 闭信号时。在收到栅门关闭信号506或从栅门关闭系统508收到指示 时，处理器316发起或设置定时器510。此外，处理器316在框512 发起由发送器302进行的发送信号332的传输。在一个示范实施例中， 发送信号332在框514由调制反射器308直接接收。在另一实施例中， 发送信号332由无源反射器310接收并且从无源反射器310反射到调 制反射器308。在任一情况下，调制反射器308在框514接收发送信 号332。调制反射器308在框518使用任何适当的调制技术调制接收 信号338并且在框520反射或发送调制信号330。
调制信号330反射回4^收器302B或作为调制信号330A发送到无 源反射器310，然后无源反射器310将包含特性340的调制信号330B 反射到接收器302B。在任一情况下，接收器302B可在框522接收包 含或不包含由调制反射器308引入的所需量的特性340的信号338。 在框528中处理接收信号338以确定接收信号338中是否如上所述存 在所需量的特性340。在一个可选实施例中，接收信号338在框526 中先由前置放大器和滤波器312处理以获得经处理的信号如基带信 号。
如果在框530中检测到所需量的特性340(如上所述)，处理器316 在框532中会检查定时器是否已过期。如果定时器未过期，处理器316
在框528中继续分析接收信号338。如果在框530中继续检测到所需 量的特性340并且在框532中定时器已过期，处理器316在框534中 发起"千净"区域同意动作。 一旦发起同意动作，系统在框544中返 回空闲状态。
如果在框528中的分析期间，处理器316在框530中确定不存在 所需量的特性340,处理器316会检查定时器以确保它未过期。如果 定时器在框536中已过期，处理器316在框542中发起警才艮动作328。 一旦在框542中发起警报动作328,系统在框544中返回空闲状态。
但是，如果在框528中的分析期间处理器316在框530中确定接 收信号338不包含所需量的特性340并且定时器未过期，处理器316 在框538确定检测到的物体或障碍在监视区域334内移动还是静止不 动。处理器316通过对比一个接收信号338B与另一接收信号338A并 且确定和分析两个信号之间的变化或差异来确定检测到的物体在监视 区域334中移动还是静止不动。第一接收信号338A可与第二接收信 号338B进行对比。第一接收信号338A和第二接收信号338B之间的 变化可与阈值、冲莫型或签章(signature)进行对比，以确定第二4矣收信号 338B中检测的物体是否为第一接收信号338A中检测到的同一物体， 如果是，变化可能表示物体在监视区域334内移动。例如，如果第一 边带的幅度变化在不到2秒时间段内低于阈值幅度，处理器316可确 定物体在监视区域334内移动。
在备选方案中，接收信号338的第一边带幅度峰值变化20%可能 表示移动物体。处理器316可以通过评估接收信号338 —段时间以识 别接收信号338中的边带幅度、频率或能量变化，从而进行此确定。 此外，在上述使用两个或更多收发信机定义单个监视区域334的实施 例中，可以分析两个或更多接收信号338。在这样的实施例中，可以 通过分析两个或更多调制信号330的两个或更多特性340来指示移动。
如果处理器316确定障碍或物体在监视区域334中移动或运动， 处理器316在框540会^r查定时器。如果定时器在框540已过期，处
理器316在框542中发起警报动作。但是，如果定时器在框540尚未 过期，系统在框528继续分析4妾收信号338。如果在框538确定物体 未在监视区域334中移动，系统在框528继续分析接收信号338以确 定调制特性。此过程会继续，直至定时器过期。
图6说明用于单轨交叉的示范铁路道口检测器系统，指示了收发 信机302、调制反射器308和结果监视区域334的布局的一个实施例。 单轨602由道口栅门604A和604B以及栅门606A和606B封闭。第一 收发信机608发送第一发送信号332A(未示出)至第一调制反射器610 并且调制反射器610反射第一调制信号330A(未示出)至第一收发信机 608,由此定义第一监^f见区域612。第二收发信机614发送第二发送信 号332B(未示出)至第二调制反射器616并且第二调制反射器616反射 第二调制信号330B至第二收发信机614,由此定义第二监视区域618。 在此单轨铁路道口中，系统定义的监视区域334是监视区域612和618。
图7说明用于双轨交叉的示范铁路道口检测器系统，指示了收发 信机302、调制反射器308和相关监视区域334的布局的一个实施例。 轨道702和704受栅门706A和706B以及栅门708A和708B保护。第 一收发信机710发送第一微波束714至调制反射器712。第一监视区 域334由束714定义。第二收发信机716发送第二微波束720至调制 反射器718。第二监视区域334由束720定义。在此双轨铁路道口中， 系统定义的监视区域334是由714和720定义的区域。
图8说明用于双轨交叉的示范铁路道口检测器系统，指示了收发 信机302、调制反射器308、无源反射器310和监^L区域334的布局的 一个实施例。轨道802和804受栅门806A和806B以及栅门808A和 808B保护。第一收发信机810发送第一微波束816由无源反射器812 接收。无源反射器812反射接收束816至调制反射器814，由此创建 第二束818。第一收发信机的结果监视区域是由束816和818定义的 区域。第二收发信机820发送第三微波束828至无源反射器822。无 源反射器822反射接收束828至调制反射器824，由此创建第四束826。第二收发信机的结果监视区域是由束828和826定义的区域。
图9说明用于三轨交叉的示范铁路道口检测器系统，指示了收发 信机302、调制反射器308和监视区域334的布局的一个实施例。轨 道902 、904和906受栅门卯8A和908B以及栅门910A和910B保护。 第一收发信机912发送三个微波束。收发信机912的第一束916发送 至第一调制反射器914。第一收发信机912的第二束920发送至笫二 调制反射器918。第一收发信机912的第三束924发送至第三调制反 射器922。这样，第一收发信机912的监视区域334是由束916、 920 和924定义的区域。第二收发信机926以类似方式发送三个微波束。 收发信机930的第一束926发送至第一调制反射器928。第二收发信 机926的第二束934发送至第二调制反射器932。第二收发信机926 的第三束938发送至第三调制反射器936。这样，第二收发信机926 的监视区域334是由束930、 934和938定义的区域。
在图9所示的实施例中，收发信机912和926分别发送一个以上 的发送信号332,每个发送信号332送往单独的调制反射器308。每个 调制反射器308配置为通过引入p舉一特性340唯一地调制发送信号332 以基于由每个调制反射器308接收的接收发送信号332而生成相关的 唯一调制信号330。接收器302B从一个或多个调制反射器308接收发 送信号。接收器302B、前置放大器312、解调器314和处理器316配 置为如上所述识别每个唯一的调制信号330和特性340以确定每个接 收的调制信号330中的唯一特性340并且由此确定物体的存在与否。 这些中的每一个分别确定，以〗更分别确定是否已接收每个和各个特性 340的所需量，由此确定每个和各个监视区域916、 920、 924、 930、 934和938中是否存在障碍物。在此示范实施例中，系统和方法工作 以为特定配置和实施例检测每个调制信号330中的每个和各个特性 340的量。在这样的实施例中，为每个和各个单独的调制信号执行图5 中定义的方法和过程。
图IO说明用于检测禁区1001中的入侵的系统，例如由周界定义的区域。图IO显示收发信机、调制反射器和结果监^f见周界的布局的一
个示范实施例。第一收发信机1002发送第一发送信号(未示出)至第一 调制反射器1004并且调制反射器1004反射第 一调制信号(未示出)至第 一收发信机1002,由此定义第一监视周界区域1006。第二收发信机 1012发送第二发送信号(未示出)至第二调制反射器1014并且第二调 制反射器1014反射第二调制信号至第二收发信机1012,由此定义第 二监视周界区域1016。第三收发信机1022发送第三发送信号至第三 调制反射器1024并且调制反射器1024反射第三调制信号(未示出)至第 三收发信机1022,由此定义笫三监视周界区域1026。第四收发信机 1032发送第四发送信号(未示出)至第四调制反射器1034并且调制反射 器1034反射第四调制信号(未示出)至第四收发信机1032，由此定义第 四监视周界区域1036。应该理解，此布局可用于许多监视应用，其中 禁区可由周界定义，如在机场、海港、桥梁、隧道、工业地点、军事 地点、住宅综合体等情况下。应该理解，禁区不需要完全被封闭周界 限制。此外，图10中所示的配置只是说明性的，因为禁区的形状可以 是任何地理配置。而且收发信才几、调制反射器和无源反射器的数量， 如有的话，将视任何指定应用的需要而有所不同。
在一个示范实施例中，微波入侵屏障，如图10中所示的示范屏障 1106,可能具有指定的80米的长度并且可能与邻近微波屏障重叠约 20米。应该理解，周界长度可以视任何指定应用如机场大小而有所不 同。例如，对于更大的机场，周界长度可以从数公里延伸至更长长度。
道口应用(如铁路道口、跑道道口、高速/>路道口等)与周界保护、 车辆地面移动控制和跑道侵入^呆护应用如机场、军事基地等之间的差 异在于，在此类应用中，要检测的目标可以是移动(如临时的)目标， 如经过的入侵者、移进或移出监视区域的车辆或移进监视跑道区域的 飞机，而在铁路道口中，问题是目标是否停留在道口。例如，在铁路 道口应用中，检测系统可以配置为仅在栅门关闭后打开微波屏障几秒 种，如约10秒钟，然后将信号水平，如信号幅度水平，与固定阈值检
测水平进行对比。例如，可以选择阈值检测水平以确定"空区域"，比 如不设障区域对设障区域。通过对比，在周界应用中，检测系统可以 配置为保持微波屏障连续打开，并且还可以使用可变阈值检测水平配 置，以在周界应用中提供改进的入侵检测。
图11示意说明根据本发明一方面自动变化检测阈值以检测禁区
中的入侵的微波检测系统1100。系统1100可包含用于图3所示系统 300中的元件。例如，图11的系统1100可包含微波发送器/接收器302 和调制反射器308。收发信机302提供接收信号338给前置放大器312, 前置放大器312提供经处理的信号给解调器314。解调器314提供解 调的接收信号338给处理器316,以进行信号分析。
发送信号332由发送器302A发送并且由一个或多个调制反射器 (MDR) 308接收。调制反射器308接收发送信号332并且引入特性以 创建调制信号330。调制信号330由调制反射器308发送或反射并且 由接收器302B接收。发送信号332和调制信号330定义监视区域334, 使得监视区域334中的障碍物检测M送信号332或调制信号330的 扰乱的功能，如上文所述。例如，如果接收信号的边带的幅度峰值低 于预定义值或固定阈值，此状况可能表示受保护周界中有入侵。
在一个示范实施例中，；险测系统1100的工作原理可如下所示调 制反射器308授予的调制造成调制信号中唯一可识别的特性。处理这 些特性允许检测入侵者的存在(或不存在)。例如，相位调制可以创建 发送信号，如原本由收发信机302发送的信号中不存在的调制信号中 的边带。来自调制反射器308的调制信号由收发信机302中的解调器 接收和解调，并且经过处理以量化由调制反射器308引入(并且在监视 区域内有入侵者时进一步受影响)的此类特性。此量化，如测量一个或 多个特性的峰值幅度水平，允许检测监视区域内入侵者的存在(或不存 在)。例如，如果接收信号的边带具有超过预定义值的幅度峰值或能量 水平，处理器316可以确定监视区域内不存在入侵者，而如果幅度峰 值或能量水平低于预定义值，则处理器316可以确定监视区域内存在 入侵者。
在本发明的一个方面，系统1100还包^^耦合到处理器316的阈值 调整单元344，用于例如响应系统1100的增益变化自动调整检测阈值。 此可变阈值可用于对相对更快的信号变化，如入侵者移入监视周界， 实现更高灵敏度的微波屏障。相对更快的信号变化可能包括相对典型 较慢发生的信号变化发生得更快的信号变化，例如可由于环境状况变 化或由于监视周界植物生长等发生的变化。在一个实例中，可变阈值 可基于在对微波屏障信号应用"平滑"算法(如低通滤波器)，并且减去补 偿接收信号中的慢信号变化以生成可变阈值时获得的接收信号幅度水 平。例如，在屏障信号水平低于此可变阈值(和/或低于固定阈值)时， 检测系统可配置为生成"入侵警才艮"消息，指示哪个屏障检测到入侵。 这可用于打开振铃器和/或适当定位的摄像机(如作为机场视频监视系 统的一部分)。这样，可以显示入侵图像。此信息还可用于在机场地图 上显示入侵位置，指示哪个微波屏障检测到入侵。因此，检测系统1100 可配置为与不同设备(如视觉监祸L设备)交互作用，以便在触发初始警 报时注意指定周界部分。
系统增益通常是指构成系统1100的电子链的幅度增益。在周界应 用中，—由于植被(如草)生长、温度变化、传感器外罩正面积水等因素， 可能会出现系统增益漂移。对于由积水造成的增益变化，可以提供允 许从包含天线304、 306的传感器外罩的正面调整天线距离的水校准装 置。已经发现，如果天线，如天线304和/或336，置于距传感器外罩 正面的适当距离，此表面上积水的影响变得可以忽略。例如，通过在 变化天线距正面的距离时测量信号电平，相对正面放置天线以最大化 信号电平，然后向传感器正面的方向移动天线直至测量到信号水平的 预定降低，如低于最大信号水平约10%,可以确定此距离。在使用特 定载波频率，如10GHz范围内的载波频率时，大气条件如雨或雾对系 统增益的影响可以忽略。
周界系统1100的入侵通常导致特定量的载波信号电平减小。相反
地，系统1100的增益增大导致屏障信号电平增大，从而在检测阈值固
定为预定值时可能导致系统1100检测入侵的灵敏度减小。例如，入侵
造成的屏障信号电平减小可能导致信号电平低于预定义的固定阈值， 但是在系统增益增大时可能不会导致信号电平下降到低于预定义的固 定阈值，也许会导致未能检测到入侵者。追踪系统增益变化的可变阈
值更能抵抗增大的增益影响。在图12所示的示范实施例中，可变阈值 1200可以变化以使得屏障信号电平1202和可变阈值1200之间的所需 差值1206保持响应系统增益。例如，可变阈值1200可响应增益增大 水平1208从虚线1204所示的之前水平上升，并且响应增益减小水平 1210下降以保持信号电平和检测阈值之间的所需差值1206。在图13 所示的另 一实施例中，可变阈值1300可用于从已经增大或减小的信号 电平1302分别减去或加上，以保持信号电平1302和固定检测阈值1306 之间的所需差值1304。
回到图11，测试调制器342可用于测试系统1100的电子增益。 在一个实施例中，测试调制器342可在检测系统1100的正常工作模式 中定期使用。测试调制器342对检测可能影响系统检测能力的增益漂 移很有帮助。如上所述，增益值增大会导致系统检测灵敏度增小。在 一个实施例中，测试调制器342可配置为将参考信号343注入系统 1100，如注入接收器302B。处理器316使用参考信号343在解调器输 出的电平来测量系统IIOO的电子增益。处理器316可为阈值调整单元 344提供表明系统1100的测量增益的增益测量信号346。根据增益测 量信号346,阈值调整单元344可以调整可变阈值以补偿系统1100的 增益变化。阈值调制单元344可为处理器316提供调整的可变阈值信 号以用于根据经由解调器314接收的信号电平而识别入侵。例如，处 理器316可以对比接收的信号电平和可变阈值，以确定信号电平是否 低于可变阈值，或者可以按变量阈值修改信号电平，然后对比修改的 信号和固定阈值以确定修改的信号电平是否低于固定检观'j阈值，即表 示入侵。
本领域的技术人员知道，本文中所示和所述的方法执行或进行顺 序不是必须的，除非另有说明。也就是说，预期方法的方面或步骤可 以用任何顺序执行，除非另有i兌明，所述方法可包括比本文中公开的 更多、更少或替代方面或步骤。
在不背离本发明范围的情况下，可以对上述示范结构和方法进行 各种更改，上述说明中包含或附图中显示的所有内容应视为说明性而 不是限制性的。例如，所述系统和方法可用于监视机场跑道以追踪和/ 或识别移入和移出跑道监视地l殳的飞机或其它车辆，从而帮助防止因 飞机或其它车辆闯入监视地段而造成事故。在另一示范实施例中，系 统可用于追踪进入或离开监视区域的车辆的移动。
在介绍本发明或其优选实施例的元件时，定语"一个"、"该"和"所 述"用于表示一个或多个元件。术语"包含"、"包括，，和"具有"是包含性 的，并且表示除了列出的元件可能还有其它元件。
权利要求
1.一种微波检测系统，包括发送器，配置为沿路径发送信号以检测到监视区域的入侵者；调制反射器，配置为接收所述发送信号以生成具有由所述调制反射器引入的特性的调制信号，所述调制反射器配置为发送所述调制信号；接收器，被定位以接收所述调制信号；自适应阈值调整单元，配置为用于响应所述系统增益变化而提供可变检测阈值；以及处理器，配置为用于处理由所述接收器提供的所述调制信号，并且配置为用于相应于由所述自适应阈值调整单元提供的所述可变检测阈值而测量已处理的调制信号中的特性。
2. 如权利要求l所述的系统，还包含测试调制器，配置为用于将 测试信号注入所述接收器以允许确定所述系统增益。
3. 如权利要求2所述的系统，其中所述处理器还配置为用于测量 所述测试信号以确定所述系统增益。
4. 如权利要求3所述的系统，其中所述处理器还配置为用于为所 述自适应阈值调整单元提供指示所述系统增益的增益测量信号。
5. 如权利要求4所述的系统，其中所述自适应阈值调整单元还配 置为用于为所述处理器提供阈值调整信号，以指示所述可变检测阈值。
6. 如权利要求5所述的系统，其中所述处理器还配置为用于在所 述系统增益减小时从所接收的调制信号中减去所述可变检测阈值。
7. 如权利要求5所述的系统，其中所述处理器还配置为用于在所 述系统增益增大时从所接收的调制信号加上所述可变检测阈值。
8. 如权利要求l所述的系统，其中所述自适应阈值调整单元还配 置为用于在所述系统增益增大时增大所述可变检测阈值。
9. 如权利要求l所述的系统，其中所述自适应阈值调整单元还配置为用于在所迷系统增益减小时减小所述可变检测阈值。
10. 如权利要求1所述的系统，其中所述监视区域是禁区，并且 所述系统配置为用于自动检测所述禁区中的入侵。
11. 如权利要求1所述的系统，其中所述监视区域是机场跑道， 并且所述系统配置为用于自动4企测所述跑道中的物体4曼入。
12. 如权利要求1所述的系统，其中所述系统配置为用于在一个 或多个监视区域中自动追踪物体的地面移动。
13. —种自动检测监视区域中的入侵的方法，所述方法包括 沿路径发送微波信号以检测到禁区的入侵者； 在调制反射器处接收所述微波信号；调制由所述调制反射器4^收的信号，以生成具有特性的调制信号。 发送所述调制信号以由接收器接收； 响应于所述系统的增益而调整检测阈值；以及 处理所述接收的调制信号，以相应于所述检测阈值来测量接收的 调制信号中的特性。
14. 如权利要求13所述的方法，还包括确定所述系统的增益。
15. 如权利要求14所述的方法，其中在所确定的增益指示相比之 前确定的增益有增益增大时，增大所述^r测阈值。
16. 如权利要求14所述的方法，其中在确定的增益指示相比之前 确定的增益有增益减小时，减小检测阈值。
17. 如权利要求14所述的方法，其中响应于所确定的增益而调整 检测阈值包括相应于所述系统增益增大而从所接收的调制信号中减去 信号电平量。
18. 如权利要求14所述的方法，其中响应于所确定的增益而调整 检测阈值包括相应于所述系统增益减小而向所接收的调制信号加上信 号电平量。
19. 如权利要求13所述的方法，还包括作为相应于所述检测水平阈值的所测量特性的功能而发起动作。
20. 如权利要求19所述的方法，其中所述动作包括生成入侵警报, 所述入侵警报指示已检测到所迷监视区域中的入侵。
21. 如权利要求13所述的方法，其中所述监视区域是禁区。
22. 如权刘要求13所述的方法，其中所述监视区域是机场跑道， 所述方法还包括自动检测所述跑道中的物体侵入。
23. 如权利要求13所述的方法，还包括响应于所述物体进入或离 开所述监视区域的检测而在一个或多个监视区域中自动追踪物体的地 面移动。
全文摘要
一种微波检测系统，包含发送器，配置为沿路径发送信号以检测受监控区域的入侵者；以及调制反射器，配置为接收发送的信号以生成具有由该调制反射器引入的特性的调制信号，调制反射器配置为发送所述调制信号。所述系统还包含定位以接收调制信号的接收器以及配置为用于提供可变检测阈值以响应系统增益变化的自适应阈值调整单元。所述系统还包含处理器，配置为用于处理由接收器提供的调制信号，并且配置用于根据由自适应阈值调整单元提供的可变检测阈值来测量已处理调制信号中的特性。
文档编号G01S7/292GK101346640SQ200680048671
公开日2009年1月14日 申请日期2006年12月18日 优先权日2005年12月23日
发明者M·M·扎德, M·皮拉利, P·托拉萨 申请人:通用电气公司