CN104142499A - 基于多普勒效应的隐蔽昆虫探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多普勒效应的非接触式隐蔽昆虫运动探测系统，该系统由多普勒雷达模块、A/D转换模块、数字信号处理模块、数据传输模块、上位机数据储存和显示模块、电源模块组成。该系统通过对昆虫运动产生的多普勒回波信号进行采集，然后通过数字信号处理模块对昆虫运动多普勒回波信号进行小波变换，提取昆虫运动多普勒信号的时频特性并与仿真数据进行，获取和记录当前隐蔽昆虫的运动形态和位置信息。利用本发明可以完成隐蔽昆虫运动形态的记录与保存，为隐蔽昆虫的研究提供实验数据支持。通过对封闭目标体的探测可判断其内部是否受害虫侵染，在隐蔽有害昆虫检疫检验方面能发挥相当重要的作用。

Description

基于多普勒效应的隐蔽昆虫探测系统

技术领域

本发明涉及一种非接触式隐蔽昆虫运动探测系统，该系统利用微波雷达透射被测目标体，然后运用小波变换对昆虫运动产生的多普勒回波信号的进行分析。结合昆虫运动特性仿真数据，实现隐蔽昆虫种类、位置和运动形态的准确判定。

背景技术

当前非接触式隐蔽昆虫的探测方法有声测法、近红外光谱法、X射线法、电导法和图像识别法等。

声测法可探测钻蛀和非钻蛀昆虫。该方法检测轻便，简单、快速，灵敏度高。但是不能探测粮食中的死虫，受环境噪声干扰较大，不易探测早期成长阶段的幼虫，无法对昆虫的运动形态进行判别。

近红外光谱法是利用不同探测目标体对近红外光的吸收及反射的差异，通过红外成像技术探测目标中隐蔽昆虫，该方法在探测的过程中不需要准备样本，探测速度比较快，而且能够得到昆虫的运动状态。但是对昆虫侵蚀率低的目标无法探测出准确结果；在探测过程中对探测目标的湿度要求比较高，且探测设备的成本比较高。

X射线法是一种直接探测隐蔽昆虫的方法。系统利用X射线获取探测目标内部图像，由计算机处理获取到的图像信息来识别隐蔽昆虫。其优势在于不需要将样本进行均摊，但由于设备成本较高，且辐射会对被探测目标体和人员带来一定的危害，因而没有得到很好的应用。

电导法是通过测量探测目标体的电阻值来反映当前目标的含水率，由此来识别隐蔽昆虫的存在，此方法实现比较复杂，需要探测目标依次通过，探测速度较慢。

图像识别法利用CCD摄像头获取探测目标体的表面信息，通过图像处理技术将昆虫边缘分离出来，获得目标体当前隐蔽昆虫信息。但仅仅通过表面信息处理不能发现探测目标内部昆虫。

上述的隐蔽昆虫探测方法各有所长，要获得较为准确的隐蔽昆虫信息，需要几种方法并存。因此未来隐蔽昆虫探测的发展趋势是开发一种快速、准确、无损伤的隐蔽昆虫探测技术。

近年来随着高频电磁波技术的发展，基于高频电磁波的高效、快速、非破坏、无污染探测技术逐步兴起，该技术已成功运用到目的成像、探测雷达、检测昆虫迁徙运动和白蚁探测等领域。但目前国内外没有基于多普勒效应的隐蔽昆虫探测系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用多普勒雷达技术实现非接触式隐蔽昆虫的探测。通过对回波信号进行分析，判断和记录隐蔽昆虫运动特性。本发明公开了一种通过多普勒雷达判别和记录隐蔽昆虫运动形态的方法。该方法将多普勒雷达技术应用于非接触式隐蔽昆虫的探测中，可对食品、地下、木材中的隐蔽害虫进行实时探测，以减少隐蔽昆虫给日后生产和生活带来的潜在危害。

本系统由多普勒雷达模块、A/D转换模块、数字信号处理模块、数据传输模块、上位机数据储存和显示模块、电源模块组成。

多普勒雷达模块，由射频天线、压控振荡器、功率放大电路、功率分配器、混频器、多普勒滤波器、中频放大器和低通滤波器组成。

所述的多普勒雷达模块探测隐蔽昆虫运动形态原理如下：

多普勒雷达模块通过射频前端发射固定频率的高频电磁波到探测目标体，发射波与探测目标体交互作用后被反射回多普勒雷达模块射频前端。反射波频率、相位、幅度的变化反映了探测目标体的某种特征。该发明就是利用回波频率和幅度为分析指标，判断探测目标体的活动状态。

当雷达发射的载波被探测目标体表面所反射时，由于目标体的运动引起的多普勒效应，会产生一种窄带调相的反射波：

S(t)＝cos(ω₀t+φ(t))

其中ω₀为载波的角频率，φ(t)为发射信号引入的附加相移。利用传输线理论，可以的到相位偏移为

φ(t)＝4πx(t)/λ

其中，x(t)为探测目标体运动位移，λ为雷达波在探测介质中的波长。而在接收端利用相干检测法解调出附加相移。对φ(t)求微分即可得到多普勒频移：

$f_d=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=\frac{2}{\mathrm{\λ}}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=2\frac{v}{\mathrm{\λ}}$

其中v为目标体的移动速度，可见回波信号频率与速度成正比。因此可以利用回波频率判断目标当前运动特性。

其中：

所述的射频天线是通过HFSS软件仿真设计获得。结合系统的工作环境、探测昆虫的运动形态和微波射频对探测目标体和人体带来的危害，多普勒雷达发射频率选定为2.45GHz发射功率为20dBm，发射天线和接收天线都采用微带天线设计。

所述的压控振荡器是指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡器。系统利用压控振荡器产生雷达系统所需要的2.45GHz电磁波。

所述的功率放大电路是利用BP2P1+实现的宽带低噪声放大器。用于提高压控振荡器产生的高频电磁波功率。

所述的功率分配器是将放大后的电磁波信号进行功率分配，分配后的电磁波信号一部分通过射频天线发射到探测目标中，另一部分则进入混频器。

所述的混频器是将回波高频信号与射频源高频信号进行乘法操作。实现了回波信号中的多普勒信号由高频载波到中频载波的搬移。

所述的多普勒滤波器即低频段的带通滤波器。经过混频器后的回波信号其中还掺杂了一部的高频分量，因而整个系统需要通过多普勒滤波器去掉其中的高频成分还原原始的中频信号。

所述的中频放大器即将回波信号经过混频器和多普勒滤波器后形成的中频信号进行放大，便于系统对采集信号的后续处理。

所述的低通滤波器实现了高频信号的去除，由于昆虫运动的幅度和频率较低，因此产生的多普频率信号频率也相对较低，为提高系统的可靠性利用低通滤波器去除多普勒信号的高频部分。

A/D转换模块实现了中频多普勒模拟信号到数字信号之间的转换。为提高系统分辨率和采样精度。该系统采用16位AD采样芯片ADS8344，采样基准电压源选用AD586。

数字信号处理模块，是该发明的主要部分。数字信号处理模块负责将测量获得的数字多普勒回波信号进行小波变换，提取运动昆虫目标回波的多普勒时频特性，并与仿真得到的回波多普勒特性进行比对。利用信号幅度强弱以及特征频率的变化分析得到昆虫的运动形态信息。

本装置对昆虫运动回波多普勒的分析应用了小波变换：

在对昆虫运动多普勒进行处理过程中，如果某函数ψ(t)满足以下条件：

$C_{\mathrm{\&Psi;}}={\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}\frac{{\left|\mathrm{\&psi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right|}^2}{\left|\mathrm{\&omega;}\right|}\mathrm{d\&omega;}<\&infin;$

则小波定义如下：

$W_f(a,b)=<f,{\mathrm{\&Psi;}}_{a,b}>=\frac{1}{\sqrt{a}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}f\left(t\right)\mathrm{\&Psi;}\left(\frac{t-b}{a}\right)\mathrm{dt}$

由上面的定义可见，连续小波的作用与Gabor变换中的函数g(t-τ)e^-jωt相类似，参数b与参数τ都起平移作用。本质不同的是参数a与参数ω，后者的变化不改变“窗口”的g(t)的大小与形状，而前者的变化不仅改变连续小波的频谱结构，而且也会改变其窗口的大小与形状。这是因为由小波变换的基本关系式可见，随着a的减小，ψ_a，b(t)的频谱就向高频方向移动，而ψ_a，b(t)的宽度则越来越小。这就满足了信号频率高相应的窗口应该小，因而它在时间域上的分辨率亦高的要求。从滤波的角度来看，显然ψ_a，b(t)是一带通滤波器，当a取不同的值时，能得到一组带通滤波器及带通滤波器组。通过小波变换，可以将信号分解成不同的频段，在低频部分有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，比较适合对低频多噪声的昆虫运动多普勒信号处理。

利用小波变换提取昆虫目标体的运动特性后，通过对该信号的强弱和频率偏移进行分析，可以实现对当前昆虫运动形态进行有效的估计。

数据传输模块包括数据的发射和接收。为避免探测过程中环境因素给探测准确性带来的影响。整个系统采用无线数据传输的形式将处理过的数据信息发回到上位机数据储存和显示模块。

上位机数据储存和显示模块是利用Visual Studio2005开发上位机应用程序，数据通过Sql Server2000完成储存。

电源模块提供整个系统运行所需要的电源，并且保证电流和纹波及谐波参数满足系统需要。

该发明的创新点：

1实现了基于多普勒效应的非接触性隐蔽昆虫探测。

2实现了对隐蔽昆虫多普勒回波信号的小波变换。

3利用分析数据结合仿真结果完成对隐蔽昆虫运动形态的识别和记录。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明多普勒雷达结构图。

图1中1.多普勒雷达模块，2.A/D转换模块，3.数字信号处理模块，4.数据传输模块，5.发射天线，6.接收天线，7.上位机数据储存和显示模块，8.电源模块。

图2中9.射频天线，10.混频器，11.多普勒滤波器，12.中频放大器，13.低频滤波器，14.功率分配器，15.功率放大电路，16.压控振荡器。

具体实施方式

基于运动多普效应的非接触式隐蔽昆虫探测系统如图1所示，由多普勒雷达模块1、A/D转换模块2、数字信号处理模块3、数据传输模块4、发射天线5、接收天线6、上位机数据储存和显示模块7、和电源模块8组成。所述多普勒雷达模块1、A/D转换模块2、数字信号处理模块3、数据传输模块4、电源模块8之间通过屏蔽电缆连接。在发射天线5与接收天线6之间是无线数据传输，接收天线6与上位机数据储存和显示模块7之间是屏蔽电缆连接。

多普勒雷达模块1结构如图2所示。多普勒雷达模块1的载波频率由压控振荡器16产生，产生的电磁波信号由功率放大电路15进行功率放大，获得满足系统需要的高功率射频信号源。该射频信号由功率分配器14分作两部分，其一部分通过微波射频天线9发射到探测介质中，另一部分则进入混频器10中，同时混频器10接收由射频天线9接收到的目标反射信号。在混频器10中实现射频源信号和接收信号的混频处理。处理后的混频信号再由多普勒滤波器11去除混频信号中的高频成分形成原始多普勒信号。然后通过中频放大器12完成信号的电压放大，处理后的信号其中还包含了一部分高频成分，因此需要由低通滤波器13完成信号的最终模拟处理。

处理后的多普勒信号由A/D转换模块2转换成数字信号，并由数字信号处理模块3完成多普勒信号的小波变换。变换获得的结果就为系统最终得到的多普勒时频谱图。该时频谱图通过发射天线5和接收天线6传送给上位机数据储存和显示模块7。上位机数据储存和显示模块7将获得到时频谱图与昆虫运动形态时频谱图库中数据进行模糊比对，分析得出当前昆虫运动形态，将其储存到本地数据库中完成昆虫运动形态探测和记录。

数字信号处理模块3，是该发明的一个主要单元，该模块通过对探测得到的昆虫运动多普勒信号进行小波分析，提取昆虫运动多普勒的时频特征，与仿真得到的昆虫运动多普勒回波数据；进行比对分析，得到昆虫当前运动特征，具体的细节有以下几点：

(1)在信号处理中，将信号分别通过低通和高通滤波器分解为轮廓信息和细节信息，即利用正交小波基函数的多尺度特性将信号在不同尺度下展开并加以比较，以确定不同尺度的昆虫运动多普勒的特征。该过程中，由低通滤波器可得到大尺度信息，即低频信息——信号轮廓信息，由高通滤波器可得到小尺度信息，即信号高频信息——噪声及突变信息。

(2)利用小波分解重构法滤除基线漂移，在昆虫运动多普勒信号中基线漂移的主要成分为缓变趋势分量，在小波分解中会直接显现于某较大的尺度下，只要在重构过程中将这一尺度下的分量直接置0，就可滤除基线漂移。这种方法同时还可将测量中引入的直流分量一并去除，而且对于信号的形式及变化不敏感。

(3)处理过程中通过阈值法滤除工频干扰，工频干扰是由50Hz及其谐波构成的一种干扰。该方法是基于幅值较大的系数由重要信息产生这一基本假设来滤波，即：信号产生的小波系数其幅值较大，但数目较少，而由噪声产生的小波系数幅值较小。其滤波算法如下：

(a)计算含噪声信号的正交小波变换选择合适的小波和小波分解层数j，将含噪信号进行小波分解至j层，得到相应的小波分解系数。

(b)对分解得到的小波系数进行阈值处理。

数据传输模块4，完成了对无线传输数据协议的打包和解析。

发射天线5，对数据进行无线发射。

接收天线6，对数据进行无线接收。

上位机数据储存和显示模块7，完成了对无线发送的数据进行接收和对多普勒雷达1、A/D转换模块2、数字信号处理模块3接口控制，将数字信号处理模块2处理完的数据在显示屏上显示，在数据库中进行存储。

电源单元8，提供系统所需的各电压轨的电源，并且保正电流和纹波及谐波参数满足系统需要，为标准电路构成。

Claims (7)

1.一种基于多普勒效应的非接触式隐蔽昆虫运动探测系统，其特征在于本系统由多普勒雷达模块、A/D转换模块、数字信号处理模块、数据传输模块、上位机数据储存和显示模块、电源模块组成。多普勒雷达模块通过屏蔽电缆连接A/D转换模块，数字信号处理模块通过屏蔽电缆连接A/D转换模块，数据传输模块通过屏蔽电缆连接数字信号处理模块，上位机数据储存和显示模块通过无线数据传输方式连接数据传输模块，电源模块通过电缆连接多普勒雷达模块、A/D转换模块、数字信号处理模块、数据传输模块、上位机数据储存和显示模块。

2.根据权利要求1所述的基于多普勒效应的非接触式隐蔽昆虫运动探测系统，其特征在于所述的多普勒雷达模块由射频天线、压控振荡器、功率放大电路、功率分配器、混频器、多普勒滤波器、中频放大器和低通滤波器组成，各个单元间通过屏蔽线缆进行信号连接。

3.根据权利要求2所述的基于多普勒效应的非接触式隐蔽昆虫运动探测系统，其特征在于所述的射频天线为微带天线，通频带为2.4GHz～2.5GHz。

4.根据权利要求2所述的基于多普勒效应的非接触式隐蔽昆虫运动探测系统，其特征在于所述的压控振荡器，工作频段为2.45GHz。

5.根据权利要求2所述的基于多普勒效应的非接触式隐蔽昆虫运动探测系统，其特征在于所述的功率放大电路，产生的功率放大增益为20dB。

6.根据权利要求1所述的基于多普勒效应的非接触式隐蔽昆虫运动探测系统，其特征在于所述的数字信号处理模块通过对昆虫运动产生的多普勒回波信号进行采集，然后通过数字信号处理模块对昆虫运动多普勒回波信号进行小波变换，提取昆虫运动多普勒信号的时频特性与仿真数据进行，获取和记录当前隐蔽昆虫种类、位置和运动形态等信息。

7.根据权利要求1所述的基于多普勒效应的非接触式隐蔽昆虫运动探测系统，其特征在于所述的上位机数据储存和显示模块对无线发送的数据进行接收，并且将处理后的数据保存到本地数据库中。