CN103258400A - 毫米波无线传感周界防入侵系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了毫米波无线传感周界防入侵系统及其方法，系统包括数据监控单元、毫米波通信收发机、毫米波通信发射机和毫米波雷达传感器，所述的毫米波雷达传感器连接有毫米波通信发射机，所述的毫米波通信发射机以毫米波通信收发机为中心节点形成星形拓扑结构，所述的毫米波通信收发机以数据控制单元为中心节点形成星形拓扑结构。

Description

毫米波无线传感周界防入侵系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种周界防入侵系统及其方法，特别一种毫米波无线传感周界防入侵系统及其方法。

背景技术

现有无线传感网络技术状况：

无线传感网络(WSN)由多个无线传感器节点组成，每一个节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块等组成，广泛应用于国防军事、公共安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。

无线传感网络技术已引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。Intel公司2002年已开展基于微型传感器网络的新型计算发展规划；NSF于2003年制定了传感器网络研究计划；美国军方开展了C4KISR计划、Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统CEC等研究；美国Dust Networks和Crossbow Technologies等公司：“智能尘埃、Mote”已进入应用测试。在国内，基于光学传感器、声学传感器、电磁传感器等等无线传感网络技术已进入实用阶段，但是，基于毫米波技术的无线传感网络技术，始终未得到应用。

无线传感网络在周界防入侵系统中的应用状况：

无线传感网络技术已在周界防入侵系统中已得到重要应用。上海“浦东机场周界传感网防入侵系统”工程——上海机场集团于2008年开始和中国科学院合作，基于自主知识产权的传感器网络技术，打造第三代机场周界防入侵技术，为机场周界防入侵带来了革命性的技术创新，并在浦东机场得到成功应用。2009年12月，无锡机场围界传感网防入侵系统已启动建设，一期工程建600米防入侵电子围栏，防范各种危害飞行安全的入侵行为，打击偷盗、走私等犯罪活动。2010上海世博会的“无线传感器防入侵网络”安防工程——建成环世博园长度达10.5公里的三层立体防入侵传感网，实现了对入侵目标的探测识别、目标定位、轨迹跟踪、设备设施破坏盗窃、职能视频复核等功能要求的全天候、全天时的入侵报警，为世博安保工作发挥了重要作用。但是，上述周界防入侵系统的无线传感网络依然局限于光学、电磁、声学等现有传统传感器技术，毫米波无线传感网络技术在周界防入侵系统中并未得到应用。

现行毫米波技术状况：

现行毫米波技术中，应用于探测领域的毫米波雷达具有1、全天候工作特性；2、目标识别的分辨率高；3、微小体积、低功耗等特点，常应用于深空探测、成像、导弹末制导等重要领域。应用于通信领域的无线毫米波收/发机具有1、宽带宽；2、抗干扰；3、方向性、保密性好等特点，能够提供高速、宽带、大容量的信息服务，常用于战场保密通信和星间通信技术领域。

本发明是以特定的周界防入侵系统为应用背景，将毫米波雷达最新应用为周界防入侵系统无线传感网络的监测与通信传感器，进行入侵目标的监测与识别，并以毫米波通信收/发机实现监测信息的传递和指令发送，从而构成周界防入侵系统应用的毫米波无线传感网络。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种宽带宽、抗干扰、方向性、保密性好等特点，能够提供高速、宽带、大容量的信息服务、全天候工作特性、目标识别的分辨率高、微小体积、低功耗的毫米波无线传感周界防入侵系统及其方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：毫米波无线传感周界防入侵系统，包括数据监控单元、毫米波通信收发机、毫米波通信发射机和毫米波雷达传感器，所述的毫米波雷达传感器连接有毫米波通信发射机，所述的毫米波通信发射机以毫米波通信收发机为中心节点形成星形拓扑结构，所述的毫米波通信收发机以数据控制单元为中心节点形成星形拓扑结构，所述毫米波雷达传感器用于周界各布控点的目标监测，所述的毫米波通信发射机用于向毫米波通信收发机发送各布控点目标探测信息，所述的毫米波通信收发机用于接收各布控点的目标探测信息并将其无线发送至数据监控单元。

所述的毫米波雷达传感器包括毫米波源，所述的毫米波源上连接有功率分配器，所述的功率分配器上分别连接有第一发射支路和第一接收支路，所述的第一发射支路连接有第一毫米波发射天线，所述的第一接收支路连接有第一毫米波接收天线和信号处理电路单元。

所述的毫米波通信发射机包括射频前端，所述的射频前端连接有第二毫米波发射天线和第一基带单元电路。

所述的毫米波通信收发机包括第二接收支路和第二发射支路，所述的第二接收支路上连接有第二毫米波接收天线和第二基带单元电路，所述的第二发射支路上连接有第三毫米波发射天线和第三基带单元电路，所述的第二基带单元电路和第三基带单元电路相连接。

所述的数据监控单元包括毫米波接收机、指令发布单元和数据库单元，所述的毫米波接收机由第三毫米波接收天线和第三接收支路组成，所述的指令发布单元与毫米波接收机连接，所述的数据库单元与指令发布单元连接。

毫米波无线传感周界防入侵方法，其步骤包括：

1）在周界各布控点分布毫米波雷达传感器，毫米波雷达传感器通过第一毫米波发射天线向监测场景辐射毫米波,通过第一毫米波接收天线接收监测场景的散射毫米波，对监测场景进行实时监测，之后执行步骤2）；

2）当目标入侵时，毫米波雷达传感器通过第一毫米波接收天线接收目标的回波信号，信号处理电路单元进行目标回波信号的幅度、相位与频率信息的提取，从而对目标特征进行预判，之后执行步骤3）；

3）对目标特征进行预判，当入侵目标回波信号的幅度信噪比S/N在预警门限外，则本方法结束，否则执行步骤4）；

4）毫米波雷达传感器的目标回波信号加载到第一基带单元电路上对毫米波通信发射机的射频前端进行调制，所述的毫米波通信发射机通过第二毫米波发射天线向处于周界防入侵系统中继点的毫米波通信收发机无线传送的信号，所述的信号包括该入侵目标回波信号信息和该雷达传感器所在布控点的位置信息，毫米波通信收发机再将信号发至数据监控单元，之后执行步骤5）；

5）数据监控单元将接收到的目标回波信号信息进行中央处理，根据目标回波的幅度、相位、频率信号特征，进行数字信号处理后，提取出入侵目标的属性、大小、方位、距离、速度信息，并在数据库单元中进行比对查找，之后执行步骤6）；

6）根据数据库比对与目标识别判断，当目标为合作目标，数据监控单元通过报警指令发布单元发出放行指令；否则数据监控单元及时通过报警指令发布单元发布报警指令，所述的报警指令包括入侵目标的位置信息，报警方式为声或光电报警，本方法结束。

其中，步骤3）中所述的预警门限设置为信噪比S/N≥A，2≤A≤10。其中，步骤3）中所述的预警门限设置为信噪比S/N≥A，2≤A≤10。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：宽带宽、抗干扰、方向性、保密性好等特点，能够提供高速、宽带、大容量的信息服务、全天候工作特性、目标识别的分辨率高、微小体积、低功耗，适合用于战场保密通信和星间通信技术领域。

附图说明

图1为本发明毫米波无线传感周界防入侵系统的结构示意图；

图2为本发明毫米波无线传感周界防入侵系统中毫米波雷达传感器的结构示意图；

图3为本发明毫米波无线传感周界防入侵系统中毫米波通信发射机和毫米波通信收发机的结构示意图；

图4为本发明毫米波无线传感周界防入侵系统中数据监控单元的结构示意图。

图5为本发明毫米波无线传感周界防入侵的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释。

如图1所示，毫米波无线传感周界防入侵系统，包括数据监控单元、毫米波通信收发机、毫米波通信发射机和毫米波雷达传感器，所述的毫米波雷达传感器连接有毫米波通信发射机，所述的毫米波通信发射机以毫米波通信收发机为中心节点形成星形拓扑结构，所述的毫米波通信收发机以数据控制单元为中心节点形成星形拓扑结构，所述毫米波雷达传感器用于周界各布控点的目标监测，所述的毫米波通信发射机用于向毫米波通信收发机发送各布控点目标探测信息，所述的毫米波通信收发机用于接收各布控点的目标探测信息并将其无线发送至数据监控单元。

如图2所示，所述的毫米波雷达传感器包括毫米波源，所述的毫米波源上连接有功率分配器，所述的功率分配器上分别连接有第一发射支路和第一接收支路，所述的第一发射支路连接有第一毫米波发射天线，所述的第一接收支路连接有第一毫米波接收天线和信号处理电路单元。所述毫米波雷达传感器，基于微波/毫米波集成电路（MMIC）芯片技术，其功耗和成本低，满足周界防入侵系统长时间工作特性。所述的信号处理单元电路，具有多信息排查与筛选功能，因而能判断非合作入侵目标的方位、性质等特征。

如图3所示，所述的毫米波通信发射机包括射频前端，所述的射频前端连接有第二毫米波发射天线和第一基带单元电路。

所述的毫米波通信收发机包括第二接收支路和第二发射支路，所述的第二接收支路上连接有第二毫米波接收天线和第二基带单元电路，所述的第二发射支路上连接有第三毫米波发射天线和第三基带单元电路，所述的第二基带单元电路和第三基带单元电路相连接。

毫米波雷达传感器传递的目标信息，经毫米波通信发射机的调制与第一基带单元电路加载，通过毫米波通信发射机的射频前端和第二毫米波发射天线，向中继点位置的毫米波通信收发机发送；毫米波通信收发机的第二毫米波接收天线接收各布控点雷达传感器的监测信息，经第二接收支路后，进入解调与第二基带单元电路进行解调与基带交换，随后在调制与第三基带单元电路进行调制和基带交换，送入第二发射支路，包含各布控点检测信息的毫米波信号被第三毫米波发射天线向数据监控单元无线传送。

所述的数据监控单元包括毫米波接收机、指令发布单元和数据库单元，所述的毫米波接收机由第三毫米波接收天线和第三接收支路组成，所述的指令发布单元与毫米波接收机连接，所述的数据库单元与指令发布单元连接。数据监控单元的第三毫米波接收天线接收毫米波通信收发机无线传送的各布控点监测信息，进入毫米波接收机信号处理单元电路，并及时通过报警指令发布单元发布报警指令。所述第三毫米波接收天线，具备高增益、宽波束、低旁瓣的特征，负责接收指定区域内的多个毫米波通信收发机无线传送来的各布控点的监测信息。所述的指令发布单元，根据毫米波接收机的目标特征判断，及时发布指令。

毫米波无线传感周界防入侵方法，其步骤包括：

1）在周界各布控点分布毫米波雷达传感器，毫米波雷达传感器的毫米波源输出线性调频的毫米波信号，经功率分配后，分成两路，一路作为射频（RF）信号，通过第一发射支路后，经第一毫米波发射天线向观测场景发射出去，一路作为本振（LO）信号，进入第一接收支路，第一毫米波接收天线接收观测场景的散射毫米波信号，进入接收支路与本振（LO）信号进行混频，输出包含观测场景与入侵目标信息的中频（IF）信号。IF信号进入信号处理电路单元，进行目标信号的特征提取与识别，并将目标信息传递给相连的毫米波通信发射机。毫米波雷达传感器通过第一毫米波发射天线向外发射毫米波信号：

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

上述式中，

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第一毫米波接收天线接收到的目标散射毫米波信号为：

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

上述式中，

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，交由数据监控单元进行判断。对监测场景进行实时监测，之后执行步骤2）；

2）当目标入侵时，毫米波雷达传感器通过第一毫米波接收天线接收目标的回波信号，信号处理电路单元进行目标回波信号的幅度、相位与频率信息的提取，之后执行步骤3）；

3）对目标特征进行预判,当入侵目标回波信号的幅度信噪比S/N在预警门限外，所述的预警门限设置为信噪比S/N≥A，2≤A≤10。则本方法结束，否则执行步骤4）；

4）毫米波雷达传感器的目标回波信号加载到第一基带单元电路上对毫米波通信发射机的射频前端进行调制，所述的毫米波通信发射机通过第二毫米波发射天线向处于周界防入侵系统中继点的毫米波通信收发机无线传送的信号，所述的信号包括该入侵目标回波信号信息和该雷达传感器所在布控点的位置信息，毫米波通信收发机再将信号发至数据监控单元，之后执行步骤5）；

5）数据监控单元将接收到的目标回波信号信息进行中央处理，根据目标回波的幅度、相位、频率信号特征，进行数字信号处理后，提取出入侵目标的属性、大小、方位、距离、速度信息，并在数据库单元中进行比对查找，之后执行步骤6）；

6）根据数据库比对与目标识别判断，当目标为合作目标，数据监控单元通过报警指令发布单元发出放行指令；否则数据监控单元及时通过报警指令发布单元发布报警指令，所述的报警指令包括入侵目标的位置信息，报警方式为声或光电报警，本方法结束。

其中，步骤3）中所述的预警门限设置为信噪比S/N≥A，2≤A≤10。这里分具体情况作讨论。将2≤A≤5幅度信噪比的目标设置为小型入侵目标；5<A≤10幅度信噪比的目标设置为中型入侵目标；A>10幅度信噪比的目标设置为大型入侵目标；具体门限设置按周界防入侵目标的具体实际在2到10之间取。

Claims (7)

1.毫米波无线传感周界防入侵系统，包括数据监控单元、毫米波通信收发机、毫米波通信发射机和毫米波雷达传感器，其特征在于所述的毫米波雷达传感器连接有毫米波通信发射机，所述的毫米波通信发射机以毫米波通信收发机为中心节点形成星形拓扑结构，所述的毫米波通信收发机以数据控制单元为中心节点形成星形拓扑结构，所述毫米波雷达传感器用于周界各布控点的目标监测，所述的毫米波通信发射机用于向毫米波通信收发机发送各布控点目标探测信息，所述的毫米波通信收发机用于接收各布控点的目标探测信息并将其无线发送至数据监控单元。

2.根据权利要求1所述的毫米波无线传感周界防入侵系统，其特征在于所述的毫米波雷达传感器包括毫米波源，所述的毫米波源上连接有功率分配器，所述的功率分配器上分别连接有第一发射支路和第一接收支路，所述的第一发射支路连接有第一毫米波发射天线，所述的第一接收支路连接有第一毫米波接收天线和信号处理电路单元。

3.根据权利要求1所述的毫米波无线传感周界防入侵系统，其特征在于所述的毫米波通信发射机包括射频前端，所述的射频前端连接有第二毫米波发射天线和第一基带单元电路。

4.根据权利要求1所述的毫米波无线传感周界防入侵系统，其特征在于所述的毫米波通信收发机包括第二接收支路和第二发射支路，所述的第二接收支路上连接有第二毫米波接收天线和第二基带单元电路，所述的第二发射支路上连接有第三毫米波发射天线和第三基带单元电路，所述的第二基带单元电路和第三基带单元电路相连接。

5.根据权利要求1所述的毫米波无线传感周界防入侵系统，其特征在于所述的数据监控单元包括毫米波接收机、指令发布单元和数据库单元，所述的毫米波接收机由第三毫米波接收天线和第三接收支路组成，所述的指令发布单元与毫米波接收机连接，所述的数据库单元与指令发布单元连接。

6.毫米波无线传感周界防入侵方法，其步骤包括：

在周界各布控点分布毫米波雷达传感器，毫米波雷达传感器通过第一毫米波发射天线向监测场景辐射毫米波,通过第一毫米波接收天线接收监测场景的散射毫米波，对监测场景进行实时监测，之后执行步骤2）；

当目标入侵时，毫米波雷达传感器通过第一毫米波接收天线接收目标的回波信号，信号处理电路单元进行目标回波信号的幅度、相位与频率信息的提取，之后执行步骤3）；

对目标特征进行预判，当入侵目标回波信号的幅度信噪比S/N在预警门限外，则本方法结束，否则执行步骤4）；

毫米波雷达传感器的目标回波信号加载到第一基带单元电路上对毫米波通信发射机的射频前端进行调制，所述的毫米波通信发射机通过第二毫米波发射天线向处于周界防入侵系统中继点的毫米波通信收发机无线传送的信号，所述的信号包括该入侵目标回波信号信息和该雷达传感器所在布控点的位置信息，毫米波通信收发机再将信号发至数据监控单元，之后执行步骤5）；

数据监控单元将接收到的目标回波信号信息进行中央处理，根据目标回波的幅度、相位、频率信号特征，进行数字信号处理后，提取出入侵目标的属性、大小、方位、距离、速度信息，并在数据库单元中进行比对查找，之后执行步骤6）；

根据数据库比对与目标识别判断，当目标为合作目标，数据监控单元通过报警指令发布单元发出放行指令；否则数据监控单元及时通过报警指令发布单元发布报警指令，所述的报警指令包括入侵目标的位置信息，报警方式为声或光电报警，本方法结束。

7.根据权利要求6所述的毫米波无线传感周界防入侵方法，其特征在于步骤3）中所述的预警门限设置为信噪比S/N≥A，2≤A≤10。

Images