CN103235303A - 周界防入侵系统用毫米波雷达传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可应用为无线传感网的传感器节点的周界防入侵系统用毫米波雷达传感器周界防入侵系统用毫米波雷达传感器，包括毫米波压控振荡器、毫米波功率分配器、毫米波中功率放大器、毫米波发射天线、毫米波接收天线、毫米波低噪声放大器、毫米波混频器以及信号处理与中央控制单元，所述的毫米波压控振荡器上连接有毫米波功率分配器，所述的毫米波功率分配器上分别连接有毫米波中功率放大器和毫米波混频器，所述的毫米波中功率放大器上连接有毫米波发射天线，所述的毫米波混频器上连接有毫米波低噪声放大器，所述的毫米波低噪声放大器上连接有毫米波接收天线，所述的毫米波混频器连接在信号处理与中央控制单元上。

Description

周界防入侵系统用毫米波雷达传感器

技术领域

本发明涉及一种周界防入侵系统用雷达传感器，特别是一种周界防入侵系统用毫米波传雷达感器。

背景技术

现有毫米波雷达传感器技术应用状况

空间目标识别雷达应用

毫米波雷达传感器应用于空间目标识别，是通过使用大型天线以得到成像所需的角分辨率和足够高的天线增益，使用大功率发射机以保证作用距离。如美国夸加林岛上的Ka波段（波长8mm左右）与W波段（波长3mm左右）远程毫米波雷达。[0003]汽车雷达应用

低成本的毫米波雷达已引起世界范围的极大兴趣，其作用距离不需要很远，要求有很高的距离分辨率（达到米级），同时要能测速，且雷达的体积要尽可能小。如日本丰田公司2013年4月推出的新款“皇冠”轿车，该车的防碰撞系统使用1个毫米波雷达作为传感器。

直升飞机防控雷达

现代直升飞机的空难事故中，飞机与高压架空电缆相撞造成的事故占了相当高的比率。因此直升飞机防控雷达必须能发现线径较细的高压架空电缆，需要采用分辨率较高的毫米波频率。如法国汤姆逊-CSF公司研制的ROMEO雷达（工作在W波段）分别在“美洲豹”和“眼镜蛇”直升机上试验成功。

导弹的末制导系统应用

由于毫米波雷达兼有微波雷达和红外雷达的优点，同时由于毫米波天线的旁瓣可以做得很低，敌方难于截获，增加了干扰的难度。加之毫米波雷达末制导系统受导弹飞行中形成的等离子体的影响较小，国外许多导弹的未制导采用了毫米波雷达制导系统。例如美国的“黄蜂”、“灰背隼”、“STAFF’，英国的“长剑”，前苏联的“SA－10”等导弹都是。

综上所述，毫米波雷达传感器主要在空间探测领域、军事导弹末制导领域、汽车/直升机防撞领域等得到重大应用，在周界防入侵系统与无线传感网络中均未得到应用。

现有周界防入侵系统中的传感器技术应用状况

周界防入侵系统中已在重要场馆与场地的安防工程中得到重要应用，如2008年上海“浦东机场周界传感网防入侵系统”工程、2009年无锡“机场围界传感网防入侵系统”工程、2010上海世博会的“无线传感器防入侵网络”安防工程等。上述周界防入侵系统各布控点布控的传感器按其所采取的探测手段主要分为以下几种：

1.张力传感器

可能由于冬夏季较大的温差、动物撞击等产生误警；

可能地下入侵、攀爬安装柱入侵、空中跨越式入侵或空中抛物等产生漏警；

其维护成本与难度高。

2.振动光纤传感器

可能由于大风暴雨、悬挂的异物、无意碰触、飞鸟停落、工地施工等产生误警；可能由于空中抛物、空中跨越等产生漏警。

3.辐射电缆传感器

可能由于人员靠近、动物靠近等产生漏警；

可能由于空中跨越、墙体打洞穿越等产生误警；

具有较强的电磁干扰和辐射伤害。

4.红外传感器

可能由于植物生长干扰、动物经过等产生误警；

可能由于人员匍匐入侵、空中跨越、攀爬安装柱等产生漏警；

受天气与气候等影响，雾天或雨天均无法工作。

5.高压脉冲传感器

可能由于墙体打洞入侵、空中跨越等产生漏警；

高压容易造成人身伤害。

因此，周界防入侵系统亟待一种误警、漏警率低，全天候工作，无人身伤害，成本较低的布控点传感器。

现有毫米波雷达装置技术现状

现行毫米波雷达装置，主要基于两种主要工作体制：1、脉冲雷达体制，通常用于远距离探测，如空间目标识别雷达等；2、连续波雷达体制，通常用于近距离探测。连续波体制的毫米波雷达广泛应用于近距离毫米波探测如汽车雷达等重要领域。

目前定型的毫米波雷达装置产品，早期采用波导器件结构，其体积与重量较大，生产成本较高，产品性能一致性较差；近期采用波导与平面微带电路的混合集成结构，同样存在体积重量较大，生产成本较高，产品性能一致性差的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可应用为无线传感网的传感器节点的周界防入侵系统用毫米波雷达传感器。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：周界防入侵系统用毫米波雷达传感器，包括毫米波压控振荡器、毫米波功率分配器、毫米波中功率放大器、毫米波发射天线、毫米波接收天线、毫米波低噪声放大器、毫米波混频器以及信号处理与中央控制单元，所述的毫米波压控振荡器上连接有毫米波功率分配器，所述的毫米波功率分配器上分别连接有毫米波中功率放大器和毫米波混频器，所述的毫米波中功率放大器上连接有毫米波发射天线，所述的毫米波混频器上连接有毫米波低噪声放大器，所述的毫米波低噪声放大器上连接有毫米波接收天线，所述的毫米波混频器连接在信号处理与中央控制单元上。

所述的毫米波压控振荡器、毫米波中功率放大器、毫米波混频器和毫米波低噪声放大器均为微波/毫米波单片集成电路芯片。

所述的毫米波功率分配器、毫米波发射天线、毫米波接收天线均为平面微带结构。

所述的毫米波压控振荡器、毫米波中功率放大器、毫米波混频器、毫米波低噪声放大器与毫米波功率分配器集成在单片高频电路板上。

所述的毫米波中功率放大器、毫米波低噪声放大器与毫米波发射天线、毫米波接收天线的连接方式为微带平面连接或探针通孔连接。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：毫米波雷达传感器的工作频率介于微波和光之间，因此兼有微波雷达与光学传感器两者的优点，并具有二者没有的特点：

1）与微波雷达传感器相似，具有穿透烟、雾、尘等探测目标的能力；

2）与激光、红外、可见光传感器相似，具有较高的分辨率，工作于毫米波频率，因而具有较高的分辨率和抗干扰能力，能够降低误警和漏警概率；

3）与微波雷达传感器相比，毫米波雷达传感器的尺寸要小得多，更容易小型化，各布控点的布控探测更具隐蔽性，毫米波雷达传感器单片集成，而非波导器件的集成或芯片波导器件的混和集成。多块毫米波功能芯片集成在一块印刷电路板上，并与天线等一体化集成，因而更利于大规模生产，降低成本，提高产品性能一致性；

4）与光学传感器相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候工作特性；

5）由多块芯片集成，主要耗能芯片如功率放大器、毫米波源等，所耗能量较低，因而装置具有低功耗的特点。

本发明是将连续波体制的毫米波雷达装置最新应用于周界防入侵系统，作为周界各布控点进行入侵目标探测的传感器节点。

附图说明

图1为本发明周界防入侵系统用毫米波雷达传感器的结构示意图。

图2为本发明的周界防入侵系统用毫米波雷达传感器，作为毫米波无线传感网络的多个布控点的目标探测单元，在整个周界防入侵系统中的工作机理。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的解释。

如图1所示，周界防入侵系统用毫米波雷达传感器，包括毫米波压控振荡器、毫米波功率分配器、毫米波中功率放大器、毫米波发射天线、毫米波接收天线、毫米波低噪声放大器、毫米波混频器以及信号处理与中央控制单元，所述的毫米波压控振荡器上连接有毫米波功率分配器，所述的毫米波功率分配器上分别连接有毫米波中功率放大器和毫米波混频器，所述的毫米波中功率放大器上连接有毫米波发射天线，所述的毫米波混频器上连接有毫米波低噪声放大器，所述的毫米波低噪声放大器上连接有毫米波接收天线，所述的毫米波混频器连接在信号处理与中央控制单元上。

所述的周界防入侵系统用毫米波雷达传感器分为发射和接收天线分置的结构，以保证发射支路和接收支路之间的隔离度。

该周界防入侵系统用毫米波传雷达感器采取调频连续波（FMCW）体制，利用低功耗毫米波压控振荡器产生宽带、高相位稳定度、高线性度的毫米波连续波信号，经毫米波微带功率分配器分配后分成两路，一路经发射天线向观测场景发射毫米波，另一路进入毫米波混频器，作为本振信号（LO）；接收天线接收观测场景散射回来的毫米波，进入毫米波低噪声放大器进行放大后，送入毫米波低噪声放大器，该信号（包含观测场景中目标散射特征信息的射频信号RF）与本振信号LO进行混频，输出包含观测场景中目标信息的中频回波信号IF。经必要的放大和信号处理后，进行目标识别与判断，将目标信息回馈给周界防入侵系统的中央控制单元。

所述的毫米波压控振荡器、毫米波中功率放大器、毫米波混频器和毫米波低噪声放大器均为微波/毫米波单片集成电路（MMIC）芯片。功耗低，满足周界防入侵系统长时间工作特性，并产生宽带、高相位稳定度、高线性度的毫米波信号。毫米波中功率放大器目的是将接收到的包含目标散射波幅度和相位信息的信号进行低噪声放大，进入毫米波混频器进行混频，毫米波混频器宽带、低插入损耗，将LO信号和RF信号进行混频后，输出包含目标幅度和距离信息的中频回波信号IF。

毫米波雷达传感器；毫米波雷达传感器向外发射毫米波信号：

$U_t=U_{\mathrm{tm}}\sin [{\mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{{\mathrm{\Ω}}_M}\sin {\mathrm{\Ω}}_{M}t]$

式中，

U_t：发射毫米波载波信号的电压；

U_tm：发射毫米波载波信号电压的幅度值；

ω₀：发射毫米波载波信号的角频率；

Δω：发射毫米波载波信号的角频偏；

Ω_M：发射毫米波载波辛哈的调制角频率。

毫米波雷达传感器通过接收天线接收到的目标散射毫米波信号为：

$U_r=U_{\mathrm{rm}}\sin [{\mathrm{\ω}}_0(t-\mathrm{\τ})+\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{{\mathrm{\Ω}}_M}\sin {\mathrm{\Ω}}_M(t-\mathrm{\τ})]$

式中，

U_r：接收毫米波载波信号的电压；

U_rm：接收毫米波载波信号电压的幅度值；

τ：毫米波信号从雷达传播到目标往返的时间延迟。

上述式中的信号的幅度、相位、频率信息，被毫米波传感器雷达前端的后续信号处理单元提取出来，进行目标大小、距离、速度等特征的识别，并交由中央控制单元进行判断。

所述的毫米波功率分配器、毫米波发射天线、毫米波接收天线均为平面微带结构。

所述的毫米波压控振荡器、毫米波中功率放大器、毫米波混频器、毫米波低噪声放大器与毫米波功率分配器集成在单片高频电路板上。

所述的毫米波中功率放大器、毫米波低噪声放大器与毫米波发射天线、毫米波接收天线的连接方式为微带平面连接或探针通孔连接。

如图2所示，多个毫米波雷达传感器在周界组网进行监控，将接收到的目标信息通过无线发射，各自向监控数据中心传递实时数据。监控数据中心根据传感网络的各节点雷达传感器所传递的目标监控信息，实时向预警单元发送预警指令以及非合作入侵目标特征信息和方位信息等。

Claims (5)

1.周界防入侵系统用毫米波雷达传感器，其特征在于包括：毫米波压控振荡器、毫米波功率分配器、毫米波中功率放大器、毫米波发射天线、毫米波接收天线、毫米波低噪声放大器、毫米波混频器以及信号处理与中央控制单元，所述的毫米波压控振荡器上连接有毫米波功率分配器，所述的毫米波功率分配器上分别连接有毫米波中功率放大器和毫米波混频器，所述的毫米波中功率放大器上连接有毫米波发射天线，所述的毫米波混频器上连接有毫米波低噪声放大器，所述的毫米波低噪声放大器上连接有毫米波接收天线，所述的毫米波混频器连接在信号处理与中央控制单元上。

2.根据权利要求1所述的周界防入侵系统用毫米波雷达传感器，其特征在于所述的毫米波压控振荡器、毫米波中功率放大器、毫米波混频器和毫米波低噪声放大器均为微波/毫米波单片集成电路芯片。

3.根据权利要求1所述的周界防入侵系统用毫米波雷达传感器，其特征在于所述的毫米波功率分配器、毫米波发射天线、毫米波接收天线均为平面微带结构。

4.根据权利要求1所述的周界防入侵系统用毫米波雷达传感器，其特征在于所述的毫米波压控振荡器、毫米波中功率放大器、毫米波混频器、毫米波低噪声放大器与毫米波功率分配器集成在单片高频电路板上。

5.根据权利要求1所述的周界防入侵系统用毫米波雷达传感器，其特征在于所述的毫米波中功率放大器、毫米波低噪声放大器与毫米波发射天线、毫米波接收天线的连接方式为微带平面连接或探针通孔连接。

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