CN101013159B - 目标探测设备和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种目标探测设备和系统。通过使用所述目标探测设备的切换装置以时分方式对多个传感器与发送/接收装置之间的连接进行切换，可以覆盖宽监视区域。当在定位目标过程中仅使用两个目标探测设备时，可以根据对有关由所述两个设备覆盖的两个角度范围公共的区域的信息、或者从一个设备经过各目标到另一个设备的总传播距离信息来确定目标的位置。

Description

目标探测设备和系统

技术领域

本发明涉及一种用于对侵入监视区域的诸如人、动物、物体等的目标进行探测的设备和系统。

背景技术

通常使用摄像机、激光装置、单脉冲雷达装置等对侵入如图1A所示的预定监视区域的任何数量的目标T进行探测。目标T的位置例如由笛卡尔坐标系(正交坐标系)中的(x，y)以及极坐标系中的(r，θ)来表示。

然而，由于光学系统的探测设备(诸如激光装置等)通常具有很窄的束宽，因此尽管其能够对一个目标进行精确定点，但必须设置如图1B所示的多个探测设备来探测多个目标。在图1B所示的示例中，围绕监视区域设置有六个激光装置11至16，以通过在这些装置之间发射激光来探测目标T₁和T₂。

虽然使用了设置有扫描机构的探测设备，但是在暴露环境中特别是在相交处、交叉处等由于蜘蛛网、灰尘等而弄脏的光学部分导致探测能力显著降低。因此，需要频繁地进行维护。此外，周边环境的光学特性随着时间的变化会成为保证性能方面的严重问题。

另一方面，无线电系统的探测设备(诸如雷达装置等)在抵抗环境方面是有利的，但是在性能方面存在问题，这是因为通常要将目标定位为极坐标系中的点。例如，单脉冲雷达装置具有相对宽的每装置角度测量范围，但是仅获得单个目标的角度。具有阵列天线的雷达装置可以计算多个目标的角度，但其是窄的每装置角度测量范围，并需要很高的信号处理成本。

还存在一种方法：简单地使用多个雷达装置仅测量目标的视距距离信息，根据所获得的信息求解圆方程组，并计算目标在正交坐标系中的位置。在仅根据距离信息通过三角测量法唯一地定位目标时，例如在如图1C所示的监视区域是矩形的情况下、必须在围绕该监视区域的三个不同点处安装具有π/2(90°)的角度测量范围的探测设备。因此，需要至少三个探测设备。

在图1C所示的示例中，探测设备21至23安装在监视区域的三个顶点处，并通过三角测量法确定目标T₁和T₂的位置。在从各探测设备观看时，目标T₁和T₂位于以下圆弧上。

1.探测设备21  T₁：圆弧24  T₂：圆弧25

2.探测设备22  T₁：圆弧26  T₂：圆弧27

3.探测设备23  T₁：圆弧28  T₂：圆弧29

然而，由于目前单脉冲雷达装置的角度测量范围至多为π/6(30°)，因此必须由三个雷达装置来构成每个探测设备，以利用上述结构唯一地定位多个目标，由此需要总共九个或更多个雷达装置。

以下专利文献1涉及使用扩谱系统的雷达对要监视的物体进行探测的方法。

[专利文献1]日本已公开专利申请No.H9-257919

然而，上述传统目标探测设备具有以下问题。

(1)光学系统的探测设备(诸如激光装置等)受到周围环境的影响，在将其安装于户外时，难以保证性能。另外，必须安装多个探测设备来探测多个目标。

(2)存在以下规则：一个单脉冲雷达装置探测一个目标。因此，为了探测大量目标并根据角度信息和距离信息定位各目标，必须安装数量与目标的数量相等的雷达装置。另外，存在以下方法：将各个分别具有三个单脉冲雷达装置的组排列在围绕监视区域的三个点中的各点处，并仅根据距离信息通过三角测量法来计算目标的位置。然而，由于构成雷达装置的部件是昂贵的，因此期望使用最小可能数量的装置来在宽范围中实现角度测量。

因此，为了减少雷达装置的数量，例如如图1D所示，各自包括三个雷达装置的探测设备31和32安装在两个点处，并检查是否可以使用该结构来定位目标。在从各探测设备观看时，真实目标T₁和T₂位于以下圆弧上。

1.探测设备31  T₁：圆弧41  T₂：圆弧42

2.探测设备32  T₁：圆弧43  T₂：圆弧44

假设从探测设备31到T₁和T₂的距离分别为r₁₁和r₁₂，从探测设备32到T₁和T₂的距离分别为r₂₁和r₂₂，通过正确地对所测量的距离进行配对的圆的简单联立方程(诸如T₁(r₁₁，r₂₁)和T₂(r₁₂，r₂₂)等)来确定各目标的坐标。然而，错误的配对将计算出虚像51和52的坐标。

假设通过测量该系统中的目标T₁和T₂的视距距离获得如图1E所示的结果。在图1E中，水平轴表示距离指数，垂直轴表示基带信号的功率。探测设备31中的基带信号示出了两个峰61和62，而探测设备32中的基带信号示出了两个峰63和64。与这些峰的位置相对应的距离指数表示到目标T₁和T₂的距离。

此时，由于可以将峰63或64与峰61和62中的每一个相组合，而可以存在两个组合，因此在监视区域中可以获得总共四个点的坐标。即，它们是目标T₁和T₂、以及虚像51和52的坐标。

联立圆方程的解的数量与目标数量的平方成正比地增大。因此，随着对于这两个探测设备的目标数量的增大，需要更高的计算成本来消除检测误差，并且如果减少设备的数量，则立即会出现问题。

(3)在大量目标侵入监视区域时，期望将各目标的位置定位为正交坐标系或极坐标系中的点，以正确地辨别目标。然而，仅使用光学系统或雷达系统中的传统探测设备中的自主定位仪很难在预定时间内进行辨别大量目标的处理。

发明内容

本发明的第一问题是提供一种适合于诸如户外区域等的暴露环境的低成本目标探测设备或目标探测系统。

本发明的第二问题是高精度地对侵入监视区域的多个目标进行高速探测。

根据本发明的目标探测设备包括发送/接收装置、多个传感器以及切换装置。所述发送/接收装置产生用于目标探测的发送信号，并从接收到的信号中提取有关目标的距离信息。所述多个传感器将发送信号发送到不同的角度范围，接收被所述目标反射的信号，并将所述接收到的信号传送到所述发送/接收装置。所述切换装置以时分方式对所述发送/接收装置与所述多个传感器之间的连接进行切换。

根据本发明的第一、第二和第三目标探测系统中的每一个都包括第一目标探测设备、第二目标探测设备以及处理设备。

在所述第一目标探测系统中，所述第一目标探测设备具有多个传感器，该多个传感器用于向不同的角度范围发送第一发送信号并接收被目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的第一距离信息。所述第二目标探测设备具有多个传感器，该多个传感器用于向不同的角度范围发送第二发送信号并接收被目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的第二距离信息。

所述处理设备使用以下条件、根据所述第一和第二距离信息来计算所述目标的位置：所述目标的位置包含在这样的范围内，即，所述范围对于所述第一目标探测设备提取所述第一距离信息时的第一角度范围和所述第二目标探测设备提取所述第二距离信息时的第二角度范围是公共的。

在所述第二目标探测系统中，所述第一目标探测设备发送第一发送信号，接收被目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的第一距离信息。所述第二目标探测设备发送第二发送信号，接收被所述目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的第二距离信息。

所述处理设备使得所述第一目标探测设备和所述第二目标探测设备能够以收发合置模式针对多个目标进行操作，并获得从所述第一目标探测设备到各目标的所述第一距离信息以及从所述第二目标探测设备到各目标的所述第二距离信息。所述处理设备还使得所述第一目标探测设备和所述第二目标探测设备能够以收发分置模式进行操作(在该收发分置模式中，所述第一目标探测设备是发送器且所述第二目标探测设备是接收器)，并且获得针对各目标的、从所述发送器经过各目标到所述接收器的总传播距离信息。然后，所述处理设备通过将各目标的所述第一距离信息和所述第二距离信息之和与所述总传播距离信息进行比较来确定所述多个目标的位置。

在所述第三目标探测系统中，所述第一目标探测设备发送第一发送信号，接收被目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的第一距离信息。所述第二目标探测设备发送第二发送信号，接收被所述目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的第二距离信息。

所述处理设备使得所述第一目标探测设备和所述第二目标探测设备能够针对多个目标进行操作，获得从所述第一目标探测设备到各目标的所述第一距离信息以及从所述第二目标探测设备到各目标的所述第二距离信息，从四个圆的方程获得交点的坐标，并使用所述交点的坐标确定所述多个目标的位置范围，所述四个圆以所述多个目标的所述第一距离信息的最小值和最大值以及所述多个目标的所述第二距离信息的最小值和最大值为半径。

附图说明

图1A示出了监视区域和目标；

图1B示出了激光装置的排列；

图1C示出了利用雷达装置的三角测量法；

图1D示出了三角测量法中的目标和虚像；

图1E示出了基带信号的峰的位置；

图2A示出了根据本发明的目标探测设备的原理；

图2B示出了目标探测设备的结构；

图3是第一操作时序图；

图4示出了监视区域的划分方法；

图5是第二操作时序图；

图6示出了使用五个天线的结构；

图7是第一定位方法的流程图；

图8示出了公共定位方法；

图9示出了以收发合置模式进行的操作；

图10示出了以收发分置模式进行的操作；

图11是第二定位方法的流程图；

图12示出了混合系统的结构；

图13示出了间接调制的激光光源；

图14示出了单脉冲雷达装置的结构；

图15示出了阵列雷达装置的结构；

图16是第三定位方法的流程图；

图17示出了三个目标的第一位置范围；

图18示出了三个目标的第二位置范围；以及

图19是N个目标的定位处理的流程图。

具体实施方式

下面通过参照附图详细地描述具体实现本发明的最佳模式。

图2A示出了根据本发明的目标探测设备的原理。图2A所示的目标探测设备包括发送/接收装置101、传感器102-1至102-m以及切换装置103。发送/接收装置101产生用于目标探测的发送信号，并从接收到的信号中提取有关目标的距离信息。传感器102-1至102-m将发送信号发送到不同的角度范围中的每一个，接收被该目标反射的信号，并将所述接收到的信号传送到发送/接收装置101。切换装置103以时分方式对发送/接收装置101与传感器102-1至102-m之间的连接进行切换。

传感器102-1至102-m例如可以是用于发送/接收雷达信号的天线，或用于发送/接收声波的声敏元件。通过切换装置103以时分方式将传感器102-1至102-m连接到发送/接收装置101来进行信号处理，可以在传感器102-1至102-m之间共享单个发送/接收装置101。因此，可以使用具有总数减少的信号处理部分的低成本结构来覆盖宽监视区域。

发送/接收装置101例如对应于图2B所示的发送/接收单元200、射频振荡器209以及基带振荡器210，传感器102-1至102-m例如对应于图2B所示的天线A1至A4，或图6所示的天线601至605。切换装置103例如可以是图2B所示的双极双掷(DPDT)开关201和202，或图6所示的双向开关606。

此外，根据本发明的第一和第二目标探测系统设置有第一和第二目标探测设备以及处理设备。

在第一目标探测系统中，第一目标探测设备具有多个传感器，该多个传感器用于将第一发送信号发送到不同的角度范围并接收被目标反射的信号，并且从接收到的信号中提取有关该目标的第一距离信息。第二目标探测设备具有多个传感器，该多个传感器用于将第二发送信号发送到不同的角度范围并接收被目标反射的信号，并且从接收到的信号中提取有关该目标的第二距离信息。

处理设备使用以下条件、根据第一和第二距离信息来计算目标的位置：该目标的位置包含在这样的范围内，即，该范围对于第一目标探测设备提取第一距离信息时的第一角度范围和第二目标探测设备提取第二距离信息时的第二角度范围是公共的。

与使用三个目标探测设备的情况相比，在仅使用两个目标探测设备定位目标时，可以切实降低设备成本。通过设置有多个传感器的第一和第二目标探测设备中的每一个，可以将各设备的角度测量范围划分为多个角度测量范围。因此，在两个目标探测设备捕获同一目标时，可以将该目标的位置限制在对于各角度范围公共的区域中。因此，可以将该公共区域中的真实目标与不包含在该公共区域中的虚像分辨开，由此抑制了错误探测该目标的可能性。

在第二目标探测系统中，第一目标探测设备发送第一发送信号，接收被目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关该目标的第一距离信息。第二目标探测设备发送第二发送信号，接收被目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关该目标的第二距离信息。

处理设备使得第一目标探测设备和第二目标探测设备能够以收发合置模式针对多个目标进行操作，并获得从第一目标探测设备到各目标的第一距离信息以及从第二目标探测设备到各目标的第二距离信息。该处理设备还使得第一目标探测设备和第二目标探测设备能够以收发分置模式进行操作(在该收发分置模式中，第一目标探测设备是发送器且第二目标探测设备是接收器)，并且获得针对各目标的、从发送器经过各目标到接收器的总传播距离信息。然后，该处理设备通过将各目标的第一距离信息和第二距离信息之和与总传播距离信息进行比较来确定该多个目标的位置。

如同第一目标探测系统，与使用三个目标探测设备的情况相比，在仅使用两个目标探测设备定位目标时，可以切实降低设备成本。另外，通过以收发分置模式进行测量来获得从第一目标探测设备经过各目标到第二目标探测设备的总传播距离信息，除了可以获得从各设备到各目标的距离信息之外，还可以获得有关目标的附加距离信息。

在可以获得有关该多个目标中的每一个的第一和第二距离信息时，如果针对特定目标的第一和第二距离信息的组合是正确的，则其和必须与有关该目标的总传播距离信息相匹配。因此，通过将第一和第二距离信息之和与总传播距离信息进行比较，可以辨别该第一和第二距离信息的组合是否是正确的。然后，通过使用正确的组合来确定各目标的位置，可以抑制错误探测目标的可能性。

根据本发明，使用具有较少数量的部分的低成本结构的目标探测设备或系统可以覆盖宽监视区域。

在仅在围绕监视区域的两个不同点处安装目标探测设备之后，可以通过简单处理抑制将虚像错误探测为目标的可能性，并且可以高精度地高速探测多个目标。

在本实施例中，在围绕监视区域的适当位置处安装有两个或更多个目标探测设备，并使得该两个或更多个目标探测设备能够协同操作，以通过三角测量法来定位目标。为了提高精度，期望使用三个或更多个目标探测设备，其中的两个用于以下示例中，并针对各实现层次详细描述了该系统。

首先，描述了该设备的电路结构。图2B示出了使用雷达的目标探测设备的结构的示例。图2B所示的目标探测设备包括用于发送和接收的天线A1至A4，双极双掷(DPDT)开关201和202，分支单元(HYB)203、204和208，低噪声放大器205，混频器206，高功率放大器207，射频振荡器209以及基带振荡器210。在它们之中，低噪声放大器205、混频器206、高功率放大器207以及分支单元208包含在发送/接收单元200中。

基带振荡器210产生三角波并将其输出到射频振荡器209。射频振荡器209例如可以是压控振荡器，产生被三角波频率调制的发送信号。分支单元208将该发送信号输出到高功率放大器207以及混频器206。高功率放大器207对该发送信号进行放大。分支单元204将经放大的发送信号输出到开关201和202。

开关201具有将来自分支单元204的发送信号选择性地输出到天线A3或A4的功能，以及对从天线A3或A4接收的信号进行选择并将其输出到分支单元203的功能。相似的是，开关202具有将来自分支单元204的发送信号选择性地输出到天线A1或A2的功能，以及对从天线A1或A2接收的信号进行选择并将其输出到分支单元203的功能。

因此，从天线A1至A4中的任何一个发送的信号被监视区域中的目标反射，并被天线接收。分支单元203将从开关201或202接收的信号输出到低噪声放大器205，并且低噪声放大器205对接收到的信号进行放大。然后，混频器206通过将经放大的接收信号与发送信号的一部分进行混合而产生包括有关该目标的距离信息、速度信息以及角度信息的基带(BB)信号。

在使用雷达装置的情况下，系统结构中最昂贵的部分是射频电路。因此，发送/接收单元200、射频振荡器209以及基带振荡器210在多个天线A1至A4之间是共享的。此外，为了减少天线的总数并提高设备的每孔径单位天线的增益，使用双向开关201和202将天线A1至A4连接到发送/接收单元200，并以时分方式覆盖必要的角度测量范围。

由于在该示例中使用了四个天线，因此在使用相邻的两个天线(一个用于发送、一个用于接收)进行定位时，将角度测量范围划分为三个部分，而在使用相邻的三个天线(一个用于发送、两个用于接收等)进行定位时，将角度测量范围划分为两个部分。

在各天线用于发送或接收时所进行的时分操作例如在图3中示出。首先，在时隙t1中，天线A1发送信号，天线A2接收该信号。在时隙t2中，天线A2发送该信号，天线A3接收该信号。在时隙t3中，天线A3发送该信号，天线A4接收该信号。在时隙t4至t6中进行相似的操作。在该结构示例中，例如在时隙t1中，双向开关202按通过细分t1而获得的循环在从分支单元204到天线A1的发送信号与从天线A2到分支单元203的接收信号之间适当地进行切换。

因此，通过使用双向开关以时分方式将多个天线连接到一个发送/接收单元，可以使用具有较少数量的部分的低成本结构覆盖整个监视区域。

下面描述了监视区域的空间划分。如图4所示，根据各天线的角度测量范围，对该系统要监视的范围进行适当的划分，以使得作为用于在特定时间段内获得目标的坐标的联立方程的限制条件，仅有关特定区域的空间信息可以是有效的。然后，根据有效方程的组合计算目标的位置。因此，可以在两个目标探测设备的情况下解决虚像的问题是非常可能的。

在图4所示的示例中，在监视区域的两个顶点处安装目标探测设备S₁和S₂，并通过将各π/2的角度测量范围划分为三个区域SR₁₁至SR₁₃或SR₂₁至SR₂₃来监视所述各π/2的角度测量范围。因此，整个监视区域被划分为九个伪专用区域SR₁₁至SR₁₃ SR₂₁至SR₂₃。

将处理单元401连接到目标探测设备S₁和S₂，并且处理单元401包括快速傅立叶变换单元、CPU(中央处理单元)、存储器等。该存储器预先存储关于监视区域划分方法的信息以及关于各专用区域的位置和形状的信息。在该信息中，关于各专用区域的信息可以是表示该区域中的坐标的不等式等。

处理单元401控制目标探测设备S₁和S₂的操作，对从各目标探测设备输出的基带信号进行快速傅立叶变换，并提取有关目标的距离信息和速度信息。然后，根据所提取的距离信息来计算该目标的位置。

目标探测设备S₁和S₂例如可以是图2B所示的设备，并且两个相邻的天线测量各角度范围。此时，处理单元401通过在预定时隙中切换开关201和202来控制天线A1至A4的时分操作。

该示例中的时分操作例如在图5中示出。首先，在时隙t1中，目标探测设备S₁测量SR₁₁。然后，在时隙t2至t4中，目标探测设备S₂依次测量SR₂₁至SR₂₃。接着，在时隙t5中，目标探测设备S₁测量SR₁₂。然后，在时隙t6至t8中，目标探测设备S₂依次测量SR₂₁至SR₂₃。

在时隙t9中，目标探测设备S₁测量角度范围SR₁₃。在接下来的时隙t10至t12中，目标探测设备S₂依次测量SR₂₁至SR₂₃。由此，重复时分操作。

在进行如图4所示的空间划分时，天线的数量不限于四个。例如，在使用如图6所示的五个天线601至605时，天线601至603覆盖角度范围SR₁₁，天线602至604覆盖角度范围SR₁₂，天线603至605覆盖角度范围SR₁₃。通过双向开关606将这些天线连接到发送/接收单元200。双向开关606例如可以是双极双掷开关与双极三掷(DP3T)开关的组合。

下面描述基于图4所示的空间划分的目标定位算法。在图4中，假设目标探测设备S₁的位置是xy坐标系的原点(0，0)，横坐标和纵坐标分别定义为x轴和y轴，目标探测设备S₂的坐标为(0，y₀)。

还假设在根据图5所示的时序图操作目标探测设备S₁和S₂之后，由目标探测设备S₁测量的到目标T₁和T₂的视距距离分别为r₁₁和r₁₂，由目标探测设备S₂测量的到目标T₁和T₂的视距距离分别为r₂₁和r₂₂。

当目标T₁和T₂的坐标是(x₁，y₁)和(x₂，y₂)时，获得以下四个方程作为圆联立方程。

$x_1^2+y_1^2=r_{11}^2---\left(1\right)$

$x_2^2+y_2^2=r_{12}^2---\left(2\right)$

$x_1^2+{(y_1-y_0)}^2=r_{21}^2---\left(3\right)$

$x_2^2+{(y_2-y_0)}^2=r_{22}^2---\left(4\right)$

假设在SR₁₂和SR₂₁的公共区域402(SR₁₂ SR₂₁)被激活的时间段(时隙t5和t6)中进行数据测量，通过参考距离的范围，有效的方程组合是方程(2)和(4)的组合，由以下方程唯一确定T₂的坐标。

$y_2=-(r_{22}^2-r_{12}^2-y_0^2)/2y_0---\left(5\right)$

$x_2=\sqrt{r_{12}^2-y_2^2}---\left(6\right)$

图7示出了针对该情况下的目标T₂的定位方法的流程图的示例。首先，处理单元401使得目标探测设备S₁能够测量SR₁₂的范围，并获得目标T₂的视距距离r₂₂(步骤701)。接下来，处理单元401使得目标探测设备S₂能够依次测量SR₂₁至SR₂₃的范围，并在SR₂₁的范围内获得目标T₂的视距距离r₂₂(步骤702)。

接下来，通过参考预先存储在存储器中的关于公共区域402的信息，来求解圆联立方程并获得T₂的坐标(步骤703)。此时，由于获得了两个点的坐标作为两个圆的交点，因此验证各点是否包含在公共区域402中(步骤704)。

然后，将包含在公共区域402中的点确定为T₂的位置，并从圆联立方程的应用目标中排除r₁₂和r₂₂(步骤706)。另一方面，将不包含在公共区域402中的点作为杂波丢弃(步骤705)。

因此，如果通过分配要在各时隙中测量的专用区域的空间信息来求解圆联立方程，则尽管接收到来自另一目标的影响，但也可以降低由于不清楚的方程组合而导致的探测虚像的可能性，并且可以增加唯一地获得目标的坐标的可能性。

不仅可以基于时间、而且可以基于频率或代码来进行监视区域的空间划分。例如，在使用码分方法时，对各专用区域添加特定代码，并且角度范围SR₁₁至SR₁₃以及SR₂₁至SR₂₃中的每一个范围都被分配包含在该范围中的多个专用区域的代码。通过分配给由S₁和S₂测量的两个角度范围的代码，来确定该目标所处的专用区域。

在以上示例中，为简化说明，将目标探测设备S₁和S₂的坐标设置为特定值。然而，即使将它们设置在如图8所示的任意位置O₁((x₀₁，y₀₁)和O₂(x₀₂，y₀₂)处，也可以仅根据有关到目标的视距距离的信息来计算圆的交点I₁(x₁，y₁)和I₂(x₂，y₂)。

在图8中，经过O₁和O₂的直线与经过I₁和I₂的直线的交点R₁的坐标为(x_R，y_R)，且这些点之间的距离为：O₁与O₂之间的距离d；O₁与I₁之间的距离r₁；O₁与R₁之间的距离s；O₂与I₁之间的距离r₂；I₁与R₁之间的距离t(＝I₂与R₁之间的距离)；R₂与I₂之间的距离dx；R₂与R₁之间的距离dy。此时，通过以下方程获得与真实目标或虚像相对应的两个点I₁和I₂的坐标。R₂为从R₁平行于y轴引出的直线与从I₂平行于x轴引出的直线的交点，R₃为从O₂平行于y轴引出的直线与从O₁平行于x轴引出的直线的交点。

$s=-\frac{1}{2d}(r_2^2-r_1^2-d^2),t=\sqrt{r_1^2-s^2}$

$x_R=x_{01}+(x_{02}-x_{01})s/d,y_R=y_{01}+(y_{02}-y_{01})s/d$

$\mathrm{\Δ}{R}_1{R}_2{I}_2\∝\mathrm{\Δ}{O}_1{O}_2{R}_3\→\left\{\begin{array}{c}\mathrm{dx}=(y_{02}-y_{01})t/d\\ \mathrm{dy}=(x_{02}-x_{01})t/d\end{array}\right.$

$\stackrel{.}{..}{I}_1(x_R-\mathrm{dx},y_R+\mathrm{dy}),I_2(x_R+\mathrm{dx},y_R-\mathrm{dy})---\left(7\right)$

监视区域的空间划分方法并不限于划分为如图4所示的九个部分，并且根据目标探测设备S₁和S₂的结构使用了适当的划分方法。

接下来，解释同步定位方法。在该定位方法中，如图9所示，首先将目标探测设备S₁和S₂作为收发合置模式中的普通收发合置雷达进行操作，测量到目标T₁/T₂的视距距离r₁₁/r₁₂和r₂₁/r₂₂。

然后，如图10所示，彼此分离的目标探测设备S₁和S₂构成收发分置模式中的发送/接收系统，并且该系统作为收发分置雷达进行操作。例如，在收发分置模式中，S₂对作为T₁和T₂反射来自S₁的发送信号的结果而获得的分量进行测量，并对作为各路径S₁ T₁ S₂和S₁ T₂ S₂的总传播距离的r₁₁₂(＝r₁₁+r₂₁)和r₁₂₂(＝r₁₂+r₂₂)进行测量。显然，将S₁和S₂的功能交换，可以按相反的传播次序进行该测量。

最后，使用从上述圆方程组计算出的监视区域中的T₁和T₂的坐标(包括两个虚像在内的四个点的坐标)来计算四个总传播距离。在将它们与r₁₁₂(＝r₁₁+r₂₁)和r₁₂₂(＝r₁₂+r₂₂)的测量值进行比较时，可以获得T₁和T₂的正确坐标。例如，从(1)和(3)的方程组计算出的值容易知道T₁的正确坐标。

此时，可以进行以下优化处理来获得各目标的坐标：将距离之差的绝对值用作以下方程中的目标函数。通过适当地组合方程(1)至(4)可以计算各目标的坐标的初始值。在方程(8)中，p代表适当的实数。

$J=\mathrm{\Σ}{|(r_{\mathrm{ii}}+r_{\mathrm{ji}})-[\sqrt{x_i^2+y_i^2}+\sqrt{x_i^2+(y_i^2-y_0^2)}\left]\right|}^{1/p}---\left(8\right)$

因此，通过将在收发合置模式中得到的信息与在收发分置模式中得到的信息进行组合，可以确定目标的正确坐标。

图11是目标T₁和T₂的使用同步定位的定位方法的流程图。首先，处理单元401使得目标探测设备S₁和S₂能够作为普通收发合置雷达进行操作，并获得视距距离r₁₁、r₁₂、r₂₁和r₂₂(步骤1101)。然而，在该阶段，未确定r₁₁或r₁₂的哪一个是到T₁的正确距离。相似的是，还假设未确定r₂₁或r₂₂的哪一个是到T₂的正确距离。

接下来，S₁和S₂作为收发分置雷达进行操作(分别以S₁和S₂为发送器和接收器)，并获得S₁→T₁→S₂和S₁→T₂→S₂的总传播距离r₁₁₂和r₁₂₂(步骤1102)。

然后，为了通过联立圆方程计算目标T₁的位置，确定半径的临时组合(步骤1103)。在该实施例中，例如使用r₁₁和r₂₁作为临时组合。

接下来，使用小阈值ε来检查以下两个不等式是否得到满足(步骤1104)。

|(r₁₁+r₂₁)-r₁₁₂|＜ε以及(r₁₂+r₂₂)-r₁₂₂＜ε    (9)

如果这些不等式得到满足，则根据r₁₁和r₂₁的组合计算目标T₁的坐标，并根据r₁₂和r₂₂的组合计算目标T₂的坐标(步骤1106)。如果这些不等式中的一个未得到满足，则根据r₁₁和r₂₂的组合计算目标T₁的坐标，并根据r₁₂和r₂₁的组合计算目标T₂的坐标(步骤1105)。

然后，检查计算出的目标T₁和T₂的坐标是否是有效的值(步骤1107)。在该实施例中，例如，当监视区域是各边为y0的正方形时，如果x和y坐标都是区间[0，y0]中的正实数，则确定该坐标是有效的。否则确定它们是无效的。如果目标T₁和T₂的坐标是有效的值，则定位终止(步骤1108)。否则，重复步骤1101及其后的操作，并再次进行测量。在强调安全性的应用中，如果通过重复进行预定适当次数的测量不能获得合理的值，则例如仅使用收发合置测量的结果，将出现在监视区域中的所有的点的坐标处理为现存的目标点(在未特别强调安全性的适当情况下，可以将该值处理为杂波)。

下面描述了使用光学系统传感器(诸如激光器和摄像机等)和激光雷达/雷达装置的混合定位方法。如上所述，从对侵入者进行精确定点的观点来看，存在激光器优于雷达的情况。因此，雷达通常用于以宽角度监视模式监视宽范围，而激光器通常用于在例如就时间而言预期侵入者进入紧急区域时正确地探测该侵入者，由此准备了混合系统。

在该系统中，使用适当的信号源来直接或间接调制单个激光光源，将经调制的光信号分配给各装置，并且在各装置中使用光电探测器等来重新获得雷达信号所需的同步源振荡。

图12示出了混合系统的结构的示例。该系统包括激光光源1201、光隔离器1202、光带通滤波器1203、分光器1204、延迟装置1205、激光探测单元1206、雷达发送/接收单元1207和1210、发送天线1208和1211以及接收天线1209和1212。经由稳相光纤将分光器1204和延迟装置1205、延迟装置1205和雷达发送/接收单元1207以及分光器1204和雷达发送/接收单元1210彼此连接。

激光光源1201包括基带振荡器1221、射频振荡器1222以及分布式反馈激光器1223。由基带振荡器1221和射频振荡器1222产生的发送信号直接调制分布式反馈激光器1223的输出光，并将该输出光作为光信号输出。分光器1204将经过光隔离器1202和光带通滤波器1203的光信号分支为三个部分。

将第一光信号传送到激光探测单元1206，将第二光信号传送到雷达发送/接收单元1207，将第三光信号传送到雷达发送/接收单元1210。设置延迟装置1205的延迟量τ，使得光信号可以同时到达雷达发送/接收单元1207和雷达发送/接收单元1210。

激光探测单元1206包括参考反射镜1231、半透半反镜1232、透镜1233以及光电探测器(PD)1234，并将从激光光源1201发送的光通过半透半反镜1232和透镜1233发射到监视区域。然后，激光探测单元1206通过光电探测器1234探测从目标反射的、通过透镜1233和半透半反镜1232的光。

激光探测单元1206的结构的另一示例可以是电镜型光扫描器与光电探测器阵列的组合。

雷达发送/接收单元1207包括光电探测器1241、分支单元(HYB)1242、高功率放大器1243、混频器1244以及低噪声放大器1245。雷达发送/接收单元1210包括光电探测器1251、分支单元1252、高功率放大器1253、混频器1254以及低噪声放大器1255。各雷达发送/接收单元通过光电探测器将从激光光源1201传送的光信号转换为发送信号，并进行如同图2B所示的发送/接收单元200的操作。

例如，使用雷达发送/接收单元1207、发送天线1208以及接收天线1209作为图4所示的目标探测设备S₁。使用雷达发送/接收单元1210、发送天线1211以及接收天线1212作为图4所示的目标探测设备S₂。

在该系统中，使用单个激光光源1201作为源振荡来产生用于在两个雷达装置中使用的电磁波。因此，例如在图10所示的收发分置模式中，例如在测量通过S₁ T₁ S₂的路径的总传播距离时，可以提高S₁和S₂的局部光源的相干性以及测量精度。

雷达装置的天线部分的结构可以是图2B所示的用于发送/接收的多个天线。

图13示出了图12所示的激光光源1201的结构的另一示例。该激光光源包括分布式反馈激光器1301、马赫-曾德耳调制器(MZM)1302、法布里-珀罗(FP)激光器1303、射频振荡器1304以及基带振荡器1305。马赫-曾德耳调制器1302通过由基带振荡器1305和射频振荡器1304产生的发送信号来间接调制分布式反馈激光器1301的输出光。来自马赫-曾德耳调制器1302的光通过法布里-珀罗(FP)激光器1303输出。

在相对于证据完整性强调精确定点探测时，期望在该混合系统中使用摄像机来代替激光器。在该情况下，通常使用雷达以宽角度监视模式对监视区域进行监视，而在预期侵入紧急区域时，由摄像机捕获侵入者以保留证据。当在监视期间要对毁坏或破坏任何用于在物理上划分监视区域的设备或机构的目标进行确定时等，也使用该方法。

在上述实施例中，采用具有图2B或图12所示的电路结构的雷达装置作为目标探测设备S₁和S₂，但是显然可以采用其他电路结构。例如，可以采用图14所示的单脉冲雷达装置以及图15所示的阵列雷达装置作为目标探测设备。

图14所示的单脉冲雷达装置包括接收天线1401和1402、单极双掷(SPDT)开关1403、低噪声放大器1404、混频器1405、发送天线1406、高功率放大器1407、分支单元(HYB)1408、射频振荡器1409以及基带振荡器1410。该单脉冲雷达装置具有宽角度测量范围，但是仅可以测量一个目标的角度。

图15所示的阵列雷达装置包括N个接收天线1501-1至1501-N、单极N掷(SPNT)开关1502、低噪声放大器1503、混频器1504、发送天线1505、高功率放大器1506、分支单元(HYB)1507、射频振荡器1508以及基带振荡器1509。该阵列雷达装置可以使用包括接收天线1501-1至1501-N的阵列天线来对大量目标进行定位，但是角度测量范围通常较窄。

在使用图4所示的空间划分时，期望安装三个单脉冲雷达装置或阵列雷达装置作为目标探测设备S₁和S₂中的每一个。在该情况下，基于时间、频率、代码等对监视区域进行空间划分。

此外，目标探测设备可以是诸如声纳(包括超声波)装置的其他装置等，来代替雷达装置。例如，在使用声纳装置作为图2B所示的目标探测设备时，可以用声敏元件(压电元件)代替天线A1至A4用于发送/接收声波，并且可以用声纳振荡器代替射频振荡器209。

相似的是，在使用声纳装置代替图12所示的雷达装置时，可以用声敏元件代替发送天线1208和1211以及接收天线1209和1212，并且可以用声纳振荡器代替射频振荡器1222。

在将三个或更多个目标探测设备用于图4、9和10所示的系统中时，处理单元401可以通过结合至少两个适当的目标探测设备、使用相似的算法来进行定位处理。

接下来，以下对在监视区域中存在N个目标T₁～T_N时使用的定位方法进行说明。例如，图16示出了图9和10所示的使用两个目标探测设备的定位方法的流程图。

首先，处理单元401使得目标探测设备S₁和S₂能够作为普通收发合置雷达，并获得从S₁到T₁～T_N的视距距离r₁₁～r_1N以及从S₂到T₁～T_N的视距距离r₂₁～r_2N(步骤1601)。然后，确定目标的数量N是否是指可以由处理单元401处理的目标数量(步骤1602)。假设预先在存储器中存储目标数量的上限。

如果目标的数量N是指可以处理的目标数量，则分别使用S₁和S₂作为发送器和接收器的收发分置雷达进行操作，并获得N个路径S₁→T₁→S₂～S₁→T_N→S₂的总传播距离r₁₁₂～r_1N2(步骤1607)。然后，检查所有已获得的值r₁₁₂～r_1N2是否都是不同的(步骤1608)。

如果r₁₁₂～r_1N2都是不同的值，则使用这些值计算目标T₁～T_N的坐标(步骤1609)，由此终止定位处理(步骤1610)。

在步骤1602中，如果目标的数量N超过可以处理的目标数量，则按升序排序视距距离r₁₁～r_1N和r₂₁～r_2N，并按升序对符号r₁₁～r_1N和r₂₁～r_2N进行重新赋值(步骤1603)。因此，自S₁的视距距离的最小值r_1min是r₁₁，最大值r_1max是r_1N。相似的是，自S₂的视距距离的最小值r_2min是r₂₁，最大值r_2max是r_2N。

接下来，求解具有半径组合(r_1min，r_2min)、(r_1min，r_2max)、(r_1max，r_2min)和(r_1max，r_2max)的圆的联立方程，并确定目标T₁～T_N的区域(步骤1604)。然后，检查所有的方程是否都有解，并且这些解是否在监视区域内(步骤1605)。如果可以获得这样的解，则终止定位操作(步骤1610)。

例如，如图17所示，当在监视区域内存在三个目标T₁～T₃时，可以在排序之后针对以视距距离r₁₁～r₁₃和r₂₁～r₂₃为半径的各圆1701～1703和1711～1713分别考虑圆方程。在它们之中，通过求解具有半径组合(r₁₁，r₂₁)、(r₁₁，r₂₃)、(r₁₃，r₂₁)和(r₁₃，r₂₃)的圆的联立方程，可以获得四个交点1721～1724的坐标。目标T₁～T₃包含在由这些交点包围的区域中。然后，例如将以这些交点为顶点的矩形区域确定为目标T₁～T₃的位置范围。

在步骤1605中，如果方程的一部分无解或者解不在监视区域内，则改变指定该方程的半径组合，并重新计算交点(步骤1606)，并且进行步骤1605及其后的处理。

例如，如图18所示，可以在排序之后针对以目标T₁～T₃的视距距离r₁₁～r₁₃和r₂₁～r₂₃为半径的各圆1801～1803和1811～1813考虑圆方程。在它们之中，通过求解具有半径组合(r₁₁，r₂₃)、(r₁₃，r₂₁)和(r₁₃，r₂₃)的圆的联立方程，可以获得三个交点1821～1823的坐标。

然而，由于具有半径组合(r₁₁，r₂₁)的圆1801和1811没有交点，因此不能从该组合获得解。然后，使用第二最小视距距离r₁₂和r₂₂，重新求解具有半径组合(r₁₁，r₂₂)和(r₁₂，r₂₁)的圆的联立方程。因此，可以获得作为最靠近目标探测设备S₁和S₂的交点的目标T₁和T₃的坐标。在该情况下，例如将以交点1821～1823以及T₁和T₃的位置为顶点的多边形区域确定为目标T₁～T₃的位置范围。

在步骤1608中，如果总传播距离r₁₁₂～r_1N2的一部分具有相同的值，则进行步骤1603及其后的处理。

在上述定位方法中，即使大量目标进入监视区域，并且在考虑了处理单元401的性能的情况下，在预定时间内不能定位所有的目标，也可以将这些目标的位置范围确定和识别为临界区域。

图19是图16所示的步骤1609中的目标T₁～T_N的定位处理。首先，处理单元401将视距距离r₁₁～r_1N和r₂₁～r_2N以及总传播距离r₁₁₂～r_1N2作为数据存储在存储器中，并将控制变量m和n设置为0(步骤1901)。然后，将m与目标的数量N进行比较(步骤1902)。

如果m小于N，则m＝m+1(步骤1903)，并将n与N进行比较(步骤1906)。

如果n小于N，则n＝n+1(步骤1907)，并使用小阈值ε来检查以下不等式是否得到满足(步骤1908)。

|(r_1m+r_2n)-r_1m2|＜ε    (10)

如果该不等式得到满足，则从具有半径组合(r_1m，r_2n)的圆的联立方程计算目标T_m的坐标(步骤1911)，并检查该坐标是否是有效的值(步骤1912)。如果目标T_m的坐标不是有效的值，则将该坐标作为无效坐标存储在存储器中(步骤1913)，并重复步骤1906及其后的处理。如果目标T_m的坐标是有效的值，则将该坐标作为有效的值存储在存储器中(步骤1914)，并重复步骤1902及其后的处理。在步骤1908中，如果不等式未得到满足，则重复步骤1906及其后的处理。

在步骤1906中，如果n已达到N，则检查是否已在1≤n≤N的范围中获得了针对当前m值的有效的值(步骤1909)。如果存储器中存储了有效坐标，则重复步骤1902及其后的处理。如果存储器中未存储这样的有效坐标，则将针对当前m值的、最靠近无效坐标的监视区域的边界的坐标作为目标T_m的无效坐标存储在存储器中(步骤1910)，由此重复步骤1902及其后的处理。

在步骤1902中，如果m已达到N，则检查是否已针对1≤m≤N的范围中的所有m值获得了有效坐标(步骤1915)。如果存储器中存储了所有有效坐标，则终止计算(步骤1918)。

如果存储器中存储了针对任何m值的无效坐标，则检查由有效坐标包围的区域是否包含由无效坐标包围的区域(步骤1916)。如果前者包括后者，则在计算结果中加入警告信息(步骤1919)，由此终止计算(步骤1918)。如果前者不包括后者，则重复图16所示的步骤1601及其后的操作，并进行重新测量(步骤1917)。

在图16所示的步骤1607至1609中，代替将目标探测设备S₁和S₂操作为收发分置雷达，可以如图4所示地对监视区域进行空间划分，从而获得N个目标T₁～T_N的坐标。

Claims (13)

1.一种目标探测设备，该目标探测设备包括：

发送/接收装置，其用于产生用于探测目标的发送信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的距离信息；

多个传感器装置，其用于向各不同的角度范围发送所述发送信号，接收被所述目标反射的信号，并将所接收到的信号传送到所述发送/接收装置；以及

切换装置，其用于以时分方式对所述发送/接收装置与所述多个传感器之间的连接进行切换。

2.根据权利要求1所述的目标探测设备，该目标探测设备还包括：

光学系统传感器，其中

所述多个传感器通常进行宽角度的监视处理，并且在预期所述目标侵入紧急区域时，所述光学系统传感器探测所述目标。

3.一种目标探测系统，该目标探测系统包括：

具有多个传感器的第一目标探测设备，该多个传感器用于向各不同的角度范围发送第一发送信号并接收被目标反射的信号，并且从接收到的信号中提取有关所述目标的第一距离信息；

具有多个传感器的第二目标探测设备，该多个传感器用于向各不同的角度范围发送第二发送信号并接收被所述目标反射的信号，并且从接收到的信号中提取有关所述目标的第二距离信息；以及

处理设备，其用于使用以下条件、根据所述第一和第二距离信息来计算所述目标的位置：所述目标的位置包含在公共区域内，所述第一目标探测设备提取所述第一距离信息时的第一角度范围和所述第二目标探测设备提取所述第二距离信息时的第二角度范围均包括所述公共区域。

4.根据权利要求3所述的目标探测系统，其中

将所述第一和第二目标探测设备安装在围绕监视区域的不同位置处，所述第一目标探测设备的所述多个传感器按以时分方式分配的各时隙扫描各角度范围，并且所述第一目标探测设备在对所述公共区域进行扫描的时隙中从接收到的信号中提取所述第一距离信息，所述第二目标探测设备的所述多个传感器按以时分方式分配的各时隙扫描各角度范围，并且所述第二目标探测设备在对所述公共区域进行扫描的时隙中从接收到的信号中提取所述第二距离信息。

5.根据权利要求3所述的目标探测系统，其中

将所述第一和第二目标探测设备安装在围绕监视区域的不同位置处，通过所述第一目标探测设备的所述多个传感器的所述角度范围和所述第二目标探测设备的所述多个传感器的所述角度范围将所述监视区域划分为多个专用区域，所述处理设备将包含在所述第一角度范围中的各专用区域的代码与包含在所述第二角度范围中的各专用区域的代码进行比较，并从两个角度范围中的公共代码确定所述公共区域。

6.根据权利要求3所述的目标探测系统，其中

所述第一目标探测设备还包括：第一发送/接收装置，其用于产生所述第一发送信号并从接收到的信号中提取所述第一距离信息；以及第一切换装置，其用于以时分方式对所述第一发送/接收装置与所述多个传感器之间的连接进行切换，并且所述第二目标探测设备还包括：第二发送/接收装置，其用于产生所述第二发送信号并从接收到的信号中提取所述第二距离信息；以及第二切换装置，其用于以时分方式对所述第二发送/接收装置与所述多个传感器之间的连接进行切换。

7.根据权利要求3所述的目标探测系统，该目标探测系统还包括：

光学系统传感器，其中

所述第一和第二目标探测设备通常进行宽角度的监视处理，并且在预期所述目标侵入紧急区域时，所述光学系统传感器探测所述目标。

8.根据权利要求3所述的目标探测系统，该目标探测系统还包括：

激光光源，其用于通过调制激光来产生光信号，并将所述光信号分配给所述第一和第二目标探测设备，其中，所述第一和第二目标探测设备使用光电探测器将所述光信号分别转换为所述第一发送信号和所述第二发送信号。

9.一种目标探测系统，该目标探测系统包括：

第一目标探测设备，其用于发送第一发送信号，接收被目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的第一距离信息；

第二目标探测设备，其用于发送第二发送信号，接收被所述目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的第二距离信息；

处理设备，其用于：使得所述第一和第二目标探测设备能够以收发合置模式针对多个目标进行操作；获得从所述第一目标探测设备到各目标的第一距离信息以及从所述第二目标探测设备到各目标的第二距离信息；使得所述第一和第二目标探测设备能够以收发分置模式进行操作，在该收发分置模式中，所述第一目标探测设备是发送器且所述第二目标探测设备是接收器；针对各目标获得从所述发送器经过各目标到所述接收器的总传播距离信息；并通过将有关各目标的所述第一距离信息和所述第二距离信息之和与所述总传播距离信息进行比较来确定所述多个目标的位置。

10.根据权利要求9所述的目标探测系统，该目标探测系统还包括：

光学系统传感器，其中

所述第一和第二目标探测设备通常进行宽角度的监视处理，并且在预期所述目标侵入紧急区域时，所述光学系统传感器探测所述目标。

11.根据权利要求9所述的目标探测系统，该目标探测系统还包括：

激光光源，其用于通过调制激光来产生光信号，并将所述光信号分配给所述第一和第二目标探测设备，其中，所述第一和第二目标探测设备使用光电探测器将所述光信号分别转换为所述第一发送信号和所述第二发送信号。

12.一种目标探测系统，该目标探测系统包括：

第一目标探测设备，其用于发送第一发送信号，接收被目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的第一距离信息；

第二目标探测设备，其用于发送第二发送信号，接收被所述目标反射的信号，并从接收到的信号中提取有关所述目标的第二距离信息；以及

处理设备，其用于：使得所述第一和第二目标探测设备能够针对多个目标进行操作；获得从所述第一目标探测设备到各目标的第一距离信息以及从所述第二目标探测设备到各目标的第二距离信息；根据四个圆的方程获得交点的坐标，所述四个圆以所述多个目标的所述第一距离信息的最小值和最大值以及所述多个目标的所述第二距离信息的最小值和最大值作为半径；并使用所述交点的坐标确定所述多个目标的位置范围。

13.根据权利要求12所述的目标探测系统，其中，在所述四个圆的方程的一部分无解时，所述处理设备改变指定所述部分的方程的半径组合，重新计算所述交点的坐标，并使用所获得的所述交点的坐标确定所述多个目标的位置范围。

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