室内低速目标入侵检测雷达装置及检测方法
【专利摘要】室内低速目标入侵检测雷达装置，包括信号收发部分、数字信号处理器、控制器和报警器；所述信号收发部分由混频器、天线、环形器、耦合器、波形产生器、信号转换支路组成，所述信号转换支路将混频器的输出信号转化为数字中频信号，输入到数字信号处理器，所述数字信号处理器包含存储器，并与控制器数据连接，所述控制器与报警器控制连接。本发明还公开了一种室内低速目标入侵检测方法。本发明相对现有技术，能够检测到室内低速运动的入侵目标；滤除室外目标的干扰，防止误报。
【专利说明】室内低速目标入侵检测雷达装置及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子通信领域，涉及一种室内低速目标入侵检测雷达装置及检测方法。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的快速发展，人们对室内安全的重视程度也日益提高。室内低速目标入侵检测雷达因其能全方位、全天候进行检测的特点，被作为室内低速目标入侵检测的首选工具。
[0003]当前，室内低速目标入侵检测雷达主要采用连续波多普勒雷达体制[张睿等，多普勒微波入侵报警探测技术现状及发展方向]。其基本原理是，雷达发射单频连续波信号，当目标相对于雷达存在一个径向运动速度时，雷达发射信号回波的载频相对发射信号的载频产生一个频率偏移，称为多普勒频率，记作& ;该频率包含了运动目标的径向速度信息，即^2νΓ/λ，其中』为雷达发射电磁波波长。信号处理通过对多普勒频率的提取即可获得入侵目标的径向速度信息，进而实现室内入侵目标的检测。
[0004]图1给出了一种连续波多普勒体制下的室内低速目标入侵检测雷达原理框图[《雷达系统》电子工业出版社(第三版)，张明友、汪学刚编著]。信号源产生单频连续波信号，经过耦合器后一路作为混频器的本地振荡信号，一路在环形器的控制下经由天线发射出去。当目标相对于雷达径向以速度^运动时，接收部分前端的混频器将天线接收到的回波信号与发射信号的副本进行差拍以形成频率为A -2νΓ/λ的差拍信号，其中』为雷达波长，A的正、负号由目标运动方向决定。该信号经多普勒滤波器提取后得到目标的多普勒频率，经计算得到目标的径向运动速度Kr，将结果送至显示器，实现对室内入侵目标的检测。
[0005]基于连续波多普勒体制下的室内低速目标入侵检测雷达有其自身的缺陷:(1)因为雷达在检测时依赖于运动目标回波的多普勒信息，所以当目标相对于雷达径向以很低的速率运动时，将难以被检测到；(2)由于微波具有较强的穿透能力，所以在安装雷达时若将其对准室内窗户等易被入侵部位，则易受到室外运动目标的干扰，增加系统的虚警概率。
[0006]针对上述缺陷，Foley, E等人在传统连续波多普勒体制的基础上，运用距离截止电路[Foley, E; Harman, K; Cheal, J.1mproving intrus1n radar detect1n]使得一定距离以外的目标不会被检测到，但并未克服对径向低速率运动目标的有效检测问题；Vladimir Skvortsov等人提出了距离像的概念,将距离像提取比对的思想运用在室内低速目标入侵检测领域:选取调频连续波(FM-CW)信号体制，通过FFT提取出室内环境的距离像特征，并与无目标入侵时的室内距离像特征相比较，运用汉明距离算法实现入侵目标的检测[Vladimir Skvortsov; KeunMyoung Lee.Radar network node: performancesanalysis and visualizat1n in indoor environment]。基于该思想进行室内低速目标入侵检测，并未利用运动目标的多普勒信息，因而能够实现对低速运动目标的检测。然而，Vladimir Skvortsov等人仅仅提出了可以利用距离像特征提取比对的思想进行室内低速目标入侵检测，并未给出FM-CW信号具体的频率调制方式，也并未分析不同频率调制方式下雷达所需的瞬时工作带宽；同时，该思想中未考虑室外目标会对检测造成干扰，从而造成雷达系统虚警概率的增加。
【发明内容】
[0007]针对现有技术难以实现对低速运动目标的检测，同时易受到室外移动目标干扰的缺点，本发明公开了一种室内低速目标入侵检测雷达装置及检测方法。
[0008]本发明所述室内低速目标入侵检测雷达装置，包括信号收发部分、数字信号处理器、控制器和报警器；
所述信号收发部分由天线、与天线连接的环形器、与环形器连接的耦合器与混频器、与耦合器连接的波形产生器、与混频器输出端连接的信号转换支路组成，所述耦合器还与混频器的本振输入端连接，所述环形器还与混频器的信号输入端连接；
所述信号转换支路将混频器的输出信号转化为数字中频信号，输入到数字信号处理器，所述数字信号处理器与控制器连接，所述控制器与报警器控制连接。
[0009]具体的，所述信号转换支路由依次连接的低通滤波器、中频放大器和AD转换器组成；所述低通滤波器的信号输入端和AD转换器的信号输出端分别与混频器和数字信号处理器连接。
[0010]具体的，所述波形产生器由依次连接的直接数字频率合成器、混频器、滤波器和放大器组成，还包括与混频器本振输入端连接的本地振荡器；所述控制器分别与直接数字频率合成器、本地振荡器和滤波器连接。
[0011]具体的，所述波形产生器由依次连接的频率综合器、倍频器、滤波器和放大器组成，所述频率综合器与控制器控制连接。
[0012]优选的，所述控制器上的启动按钮具备系统延时启动功能。
[0013]本发明还公开了一种室内低速目标入侵检测方法，利用如上所述的装置，包括如下步骤:
51.室内取样时，系统利用步进频率连续波生成多次室内距离像特征并取均值，得到室内距离像特征样本Ja ；
52.在工作阶段，雷达利用步进频率连续波提取当前室内环境的距离像特征Jc；
53.将Jc与Ja对消，将对消后的距离像特征的最大值与设定的检测门限匕比较，当戌^>6时，判决为有目标入侵；控制器控制报警器报警；
所述步骤S1、S2中利用步进频率连续波生成距离像特征的方法为:循环执行下述步骤Sll至S14 —次或多次，对全部结果取平均值；
511.波形产生器产生步进频率连续波，经过耦合器后分为A、B两路初始波；
512.A路通过天线发射后在被监测室内区域产生回波Al，回波Al与B路初始波分别作为输入信号和本振信号输入到信号收发部分中的混频器进行混频，通过信号转换支路转换为数字中频回波信号输入到数字信号处理器；
513.数字信号处理器对输入的数字中频回波信号进行距离门选通，滤除室外目标干扰；
514.对步骤S13中距离门选通后的数字中频回波信号的离散时间序列做逆离散傅里叶变换(IDFT)，SP
【权利要求】
1.室内低速目标入侵检测雷达装置，其特征在于，包括信号收发部分、数字信号处理器、控制器和报警器； 所述信号收发部分由天线、与天线连接的环形器、与环形器连接的耦合器与混频器、与耦合器连接的波形产生器、与混频器输出端连接的信号转换支路组成，所述耦合器还与混频器的本振输入端连接，所述环形器还与混频器的信号输入端连接； 所述信号转换支路将混频器的输出信号转化为数字中频信号，输入到数字信号处理器，所述数字信号处理器与控制器连接，所述控制器与报警器控制连接。
2.如权利要求1所述的室内低速目标入侵检测雷达装置，其特征在于，所述信号转换支路由依次连接的低通滤波器、中频放大器和AD转换器组成；所述低通滤波器的信号输入端和AD转换器的信号输出端分别与混频器和数字信号处理器连接。
3.如权利要求1所述的室内低速目标入侵检测雷达装置，其特征在于，所述波形产生器由依次连接的直接数字频率合成器、混频器、滤波器和放大器组成，还包括与混频器本振输入端连接的本地振荡器；所述控制器分别与直接数字频率合成器、本地振荡器和滤波器连接。
4.如权利要求1所述的室内低速目标入侵检测雷达装置，其特征在于，所述波形产生器由依次连接的频率综合器、倍频器、滤波器和放大器组成，所述频率综合器与控制器控制连接。
5.如权利要求1所述的室内低速目标入侵检测雷达装置，其特征在于，所述控制器上的启动按钮具备系统延时启动功能。
6.室内低速目标入侵检测方法，其特征在于，利用如权利要求1-5任意一项所述的装置，包括如下步骤: 51.室内取样时，系统利用步进频率连续波生成多次室内距离像特征并取均值，得到室内距离像特征样本Ja ； 52.在工作阶段，雷达利用步进频率连续波提取当前室内环境的距离像特征Jc； 53.将Jc与Ja对消，将对消后的距离像特征的最大值与设定的检测门限匕比较，当戌^>6时，判决为有目标入侵；控制器控制报警器报警； 所述步骤S1、S2中利用步进频率连续波生成距离像特征的方法为:循环执行下述步骤Sll至S14 —次或多次，对全部结果取平均值； 511.波形产生器产生步进频率连续波，经过耦合器后分为A、B两路初始波； 512.A路通过天线发射后在被监测室内区域产生回波Al，回波Al与B路初始波分别作为输入信号和本振信号输入到信号收发部分中的混频器进行混频，通过信号转换支路转换为数字中频回波信号输入到数字信号处理器； 513.数字信号处理器对输入的数字中频回波信号进行距离门选通，滤除室外目标干扰； 514.对步骤S13中距离门选通后的数字中频回波信号的离散时间序列做逆离散傅里叶变换(IDFT)，SP
对其幅度做归一化处理，分析正频率部分，并取绝对值，得到室内环境的一维距离像特征:
其中N为步进频率数，步进频率间隔为为监测距离，C为光速。
7.如权利要求6所述的室内低速目标入侵检测方法，其特征在于，所述步骤S13中的距离门选通具体为: 利用截止频率
在数字信号处理器中构建数字低通滤波器，将 频率高于截止频率的信号滤除，其中为步进频率间隔，为待监测区域的最大监测长度，c为光速。
8.如权利要求6所述的室内低速目标入侵检测方法，其特征在于，所述步骤Sll的初始阶段包括设定延时，延时时间大于系统设置人员退出被监控区域所需要的必要时间，延时之后再开始后续步骤。
9.如权利要求6所述的室内低速目标入侵检测方法，其特征在于，所述步骤S12中混频器接收回波时，忽略回波延时。
10.如权利要求6所述的室内低速目标入侵检测方法，其特征在于，所述步骤S3中对检测门限Vr的设定方法为:系统得到N幅室内距离像特征；将得到的N幅距离像特征依次取邻近两幅两两对消，得到N-1幅对消后的距离像特征，取均值得到Jd ;并取Jd最大值的2-3倍作为检测门限K,;所述N为大于十的正整数。
【文档编号】G01S13/88GK104181527SQ201410416107
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】陈祝明, 洪惠宇, 徐明璐, 陈文棵, 占凯 申请人:电子科技大学