CN102565791A - 超宽带雷达护栏监控系统及利用该系统定位扰动源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超宽带雷达护栏监控系统及利用该系统定位扰动源的方法，属于无线通信技术领域。所述超宽带雷达监控系统包括若干超宽带雷达，每个超宽带雷达包括UWB射频收发模块和主控制器模块。UWB射频收发模块中的发射接收转换器使得UWB射频收发模块在发射器和接收器之间转换，简化了雷达的设计。UWB射频收发模块重复发送超宽带脉冲减小了环境杂波以及电磁干扰的影响。利用超宽带雷达护栏监控系统定位扰动源的方法，综合各个超宽带雷达测得的与扰动源的距离得到扰动源的精确距离。所述超宽带雷达护栏监控系统具有抗干扰性能强、体积小、功耗低、成本低的优点，同时不受天气、光线、气温的影响，雷达射频可以穿透树林和浓雾进行工作。

Description

超宽带雷达护栏监控系统及利用该系统定位扰动源的方法

技术领域

本发明涉及超宽带雷达护栏监控系统及利用该系统定位扰动源的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

视频或者红外监控系统等传统监控系统受环境因素影响明显，在亮度较低和有雾天气时和有树林遮挡的情况下都无法有效工作，而且存在很多监控错漏区域。对于红外系统，如果气温较高或者周围有热源，工作非常不稳定，而且红外系统无法分辨人和小动物，常常导致误判从而误报警。涉及一种不受天气、光线、气温的影响，可以24小时全天候工作。而且雷达射频可以穿透树林和浓雾进行工作的雷达监控系统将有助于解决传统监控系统所存在的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种超宽带雷达护栏系统。

       本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

       一种超宽带雷达护栏监控系统包括若干超宽带雷达，每个超宽带雷达包括UWB射频收发模块和主控制器模块，UWB射频收发模块与主控制器模块连接；

所述UWB射频收发模块包括：处理器、数字基带模块、模拟量前端模块、

脉冲触发器、功率放大器、带通滤波器和低噪声放大器模块、发射接收转换器；其中：处理器的输出端、模拟量前端模块的第一端、脉冲触发电路的输入端、发射接收转换器的通信端分别与数字基带模块连接，脉冲触发电路的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与发射接收转换器的输入端连接，发射接收转换器的输出端与带通滤波器和低噪声放大器的输入端连接，带通滤波器和低噪声放大器模块的输出端与模拟量前端的第二端连接。

所述超宽带雷达护栏监控系统中，超宽带雷达还包括功能指示模块、PC机，功能指示模块、PC机分别与主控制器连接。

一种利用超宽带雷达护栏监控系统定位扰动源的方法，包括如下步骤：

步骤1，在需要被保护的区域内部署超宽带雷达的信号收发器；

步骤2，建立实验数据库，根据数据库参数的取值得到数字模型，所述数据库参数包括射频收发频率、射频带宽、超宽带雷达探测范围；

步骤3，每个超宽带雷达确定扰动源的位置，具体包括如下步骤：

步骤3-1，每个超宽带雷达中的UWB射频收发模块重复发射超宽带脉冲形成的UWB发射信号扫描被保护区域内，在发现扰动源时超宽带雷达中的UWB射频收发模块接收回波信号：

步骤3-2，超宽带雷达中的主控制器模块根据脉冲发射时间和收到回波信号时间计算扰动源与超宽带雷达的距离；

步骤3-3，PC机控制主控制器模块对扰动源成像，并比较UWB发射信号参数、UWB接收信号参数、数字模型，最终确定扰动源的类型，其中：所述UWB发射信号参数包括：UWB发射信号到达扰动源的时间、UWB发射信号角度、UWB发射信号强度，所述回波信号参数包括：回波信号到达超宽带雷达的时间、回波信号角度、回波信号强度；

步骤4，根据距离扰动源最近的n个超宽带雷达测得的距离确定扰动源的精确位置，n为大于等于3的正整数。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：超宽带雷达护栏监控系统具有在高度多径和高杂波环境下的优异的抗干扰性能、体积小、功耗低、成本低的特点。超宽带雷达监控系统不受天气、光线、气温的影响，可以24小时全天候工作。而且雷达射频可以穿透树林和浓雾进行工作。

附图说明

图1为超宽带雷达的的示意图。

       图2为UWB射频收发模块的示意图。

       图3为利用超宽带雷达护栏监控系统定位的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

超宽带雷达护栏监控系统，包括若干超宽带雷达。每个超宽带雷达如图1所示包括：UWB射频收发模块、主控制器模块、功能指示模块、PC机，UWB射频收发模块、功能指示模块、PC机分别与主控制器模块连接。功能指示模块用于表示超宽带雷达的工作状态、数据收发状态、电源工作状态、数据融合状态； PC机用于控制超宽带雷达的工作状态、设置超宽带雷达的工作参数、图形化表现超宽带雷达的探测结果。

UWB射频收发模块如图2所示包括：处理器、数字基带模块、模拟量前端模块、脉冲触发电路、功率放大器、发射接受转换器、带通滤波器和低噪声放大器、发射天线以及接收天线。处理器的输出端、模拟量前端模块的第一端、脉冲触发电路的输入端、发射接收转换器的通信端分别与数字基带模块连接，脉冲触发电路的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与发射接收转换器的输入端连接，发射接收转换器的输出端与带通滤波器和低噪声放大器的输入端连接，带通滤波器和低噪声放大器模块的输出端与模拟量前端的第二端连接。

UWB射频收发模块的工作原理为：脉冲触发电路接收到数字基带模块的脉冲激发信号后重复发送超宽带触发脉冲，超宽带触发脉冲经过功率放大器放大后得到UWB发射信号；UWB发射信号进入发射接受转换器；发射接收转换器切换至发射器状态后将UWB发射信号发送至发射天线，同时发射接收转换器模块向数字基带模块发送数据发射状态信息；UWB发射信号经发射天线发射出去，此时UWB射频收发模块完成发射雷达信号的功能。当UWB发射信号扫描到扰动源时产生回波信号，回波信号经接收天线进入发射接受转换器；发射接收转换器切换至接收器状态后将回波信号发送至带通滤波器和低噪声放大器，同时发射接收转换器模块向数字基带模块发送数据接收状态信息；带通滤波器和低噪声放大器对回波信号滤波放大后得到UWB接收信号，模拟量前端模块接收UWB接收信号（UWB接收信号为模拟信号）后通过数字基带模块发送至处理器，处理器将UWB接收信号转换为数字信号。数字基带模块也可以向模拟量前端模块发送模拟信号。本发明中的数字基带模块采用了FPGA芯片实现。

如图3所示，利用超宽带雷达护栏监控系统定位扰动源的方法包括如下步骤：

步骤1，部署超宽带雷达护栏监控系统：在需要被保护的区域周围每隔25～30米（树林中）或者60米（开阔地带）部署超宽带雷达的信号收发器（即为UWB射频收发模块）作为护栏“栏柱”。

步骤2，建立实验数据库，根据数据库个涉及参数的取值确定数字模型，数据库包括设计参数：

射频发射功率 <= 0.05毫瓦

射频带宽 >= 2GHz

       中心频率大约为4.3GHz

       栏柱间距：开阔地带 <= 60米，树林中 <= 25米

       定位精度平均20～30厘米 

       最大更新速率20KHz

       探测范围：人员走动80米\人员爬行40米\车辆行进80米

       工作温度：零下20摄氏度到55摄氏度  

信道数量：一般7个，可以更多。

步骤3-1，每个超宽带雷达中的UWB射频收发模块重复发射超宽带脉冲形成的UWB发射信号扫描被保护区域内，在发现扰动源时超宽带雷达中的UWB射频收发模块接收回波信号：

步骤3-2，超宽带雷达中的主控制器模块根据脉冲发射时间和收到回波信号时间计算扰动源与超宽带雷达的距离；

步骤3-3，PC机控制主控制器模块对扰动源成像，并比较UWB发射信号参数、UWB接收信号参数、数字模型，最终确定扰动源的类型；

其中：UWB发射信号参数包括：UWB发射信号到达扰动源的时间，UWB发射信号角度，UWB发射信号强度；回波信号参数包括：回波信号到达超宽带雷达的时间，回波信号角度，回波信号强度，UWB发射信号参数以电磁波的形式随着UWB发射信号发射，回波信号参数以电磁波的形式随着回波信号接收；

步骤4，根据扰动源周围n个超宽带雷达测得的距离，采用三边定位法确定扰动源的位置，在采用线性最小二乘解算法或者几何求解法或者最优递推估算求解法精确计算扰动源的位置，n为大于等于3的正整数。

采用三边定位法时，以超宽带雷达为中心，超宽带雷达到扰动源的距离为半径得到三个圆。在超宽带雷达测距无误时，三个圆的交点极为扰动源的位置；在超宽带雷达测距有误时，通过线性最小二乘解算法或者几何求解法或者最优递推估算求解法较小误差，使三个圆相交于一点，这一点即为扰动源位置。

雷达发现动态目标后，在特定的时间和地点，触发特定的事件，如进行报警等。如果在需要被保护的区域周围每隔25～30米（树林中）或者60米（开阔地带）部署雷达信号收发器作为护栏“栏柱”，这些“栏柱”形成一个隐形的“护栏”。当有运动物体靠近时，无论运动方向是沿着“围栏”（切向）还是试图跨越围栏（法向），运动都会被雷达捕捉到，并且在监控屏上显示出来。监控屏还可以实时显示运动物体在哪两根“栏柱”之间移动或者试图跨越哪两根“栏柱”组成的“隐形栅栏”。实际部署时还可以把雷达装置伪装或者隐藏起来从而不引人注意。我们可以把超宽带雷达监控系统和其它监控系统，例如视频监控系统联动起来，把运动物体的位置实时报告给摄像监控系统，引导摄像头对运动物体进行摄像跟踪，从而加强跟踪效果。多种不同类型和原理的监控系统联动安装，可以相互印证，减少误报。

可见，本发明所涉及的超宽带雷达监控系统具有抗干扰性能强、体积小、功耗低、成本低的优点，同时不受天气、光线、气温的影响，雷达射频可以穿透树林和浓雾进行工作。利用所述超宽带雷达监控系统定位扰动源的方法可以精确定位扰动源的位置，减少误报。

Claims (3)

1.一种超宽带雷达护栏监控系统，其特征在于包括若干超宽带雷达，每个超宽带雷达包括UWB射频收发模块和主控制器模块，UWB射频收发模块与主控制器模块连接；

所述UWB射频收发模块包括：处理器、数字基带模块、模拟量前端模块、

脉冲触发器、功率放大器、带通滤波器和低噪声放大器模块、发射接收转换器；其中：处理器的输出端、模拟量前端模块的第一端、脉冲触发电路的输入端、发射接收转换器的通信端分别与数字基带模块连接，脉冲触发电路的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与发射接收转换器的输入端连接，发射接收转换器的输出端与带通滤波器和低噪声放大器的输入端连接，带通滤波器和低噪声放大器模块的输出端与模拟量前端的第二端连接。

2.根据权利要求1所述的超宽带雷达护栏监控系统，其特征在于所述的超宽带雷达还包括功能指示模块、PC机，功能指示模块、PC机分别与主控制器连接。

3.一种利用如权利要求1所述的超宽带雷达护栏监控系统定位扰动源的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，在需要被保护的区域内部署超宽带雷达的信号收发器；

步骤2，建立实验数据库，根据数据库参数的取值得到数字模型，所述数据库参数包括射频收发频率、射频带宽、超宽带雷达探测范围；

步骤3，每个超宽带雷达确定扰动源的位置，具体包括如下步骤：

步骤3-1，每个超宽带雷达中的UWB射频收发模块重复发射超宽带脉冲形成的UWB发射信号扫描被保护区域内，在发现扰动源时超宽带雷达中的UWB射频收发模块接收回波信号：

步骤3-2，超宽带雷达中的主控制器模块根据脉冲发射时间和收到回波信号时间计算扰动源与超宽带雷达的距离；

步骤3-3，PC机控制主控制器模块对扰动源成像，并比较UWB发射信号参数、UWB接收信号参数、数字模型，最终确定扰动源的类型，其中：所述UWB发射信号参数包括：UWB发射信号到达扰动源的时间、UWB发射信号角度、UWB发射信号强度，所述回波信号参数包括：回波信号到达超宽带雷达的时间、回波信号角度、回波信号强度；

步骤4，根据距离扰动源最近的n个超宽带雷达测得的距离确定扰动源的精确位置，n为大于等于3的正整数。

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