CN104849764A - 阵列式非线性目标探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种阵列式非线性目标探测系统及方法，包括：设置于检测容器顶部的发射模块、设置于检测容器周边用于接收自激回波的接收模块以及分别与发射模块和接收模块相连的信号处理模块，其中：发射天线组包括至少两个发射天线以同时发射两种不同频率的电磁波信号，接收天线阵包括至少五个子天线，以分别同时接收不同频段的回波信号。本发明能够充分利用电子目标散射谐波的时间和空间信息，实现噪声环境下微弱谐波信号目标的高效探测。

Description

阵列式非线性目标探测系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属探测领域的技术，具体是一种阵列式非线性目标探测系统及方法。

背景技术

人工金属结构物体(主要包括人造金属和半导体)与自然界中的物体不同，其伏安特性曲线具有特有的非线性特征，在探测领域被称为非线性目标。非线性目标经微波照射后可再辐射产生谐波，其中，人造金属目标的三次谐波分量能量最大，而半导体目标的二次谐波分量能量最大。接收利用物体的散射谐波来探测特定目标的装置被称为非线性目标探测器(或谐波雷达)，目前广泛用于侦查、反侦察和安全保卫等重要领域。实际应用中，许多非线性目标的电磁转换效率低，散射谐波很微弱，在环境噪声干扰下很容易造成探测器的漏警率或虚警率高的问题，在安全保卫部门的邮路检查应用中问题尤为突出。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102540262，公开(公告)日2012.07.04，公开了一种非线性结点探测器，用于探测电子目标；中国专利文献号CN201011524，公开(公告)日2008.01.23，公开了一种天线与收发前端一体化设计的非线性结探测雷达，包括探测天线和探测雷达主机；中国专利文献号CN103176181，公开(公告)日2013.06.26，公开了一种调频连续波体制的非线性结点探测器，包括：调制信号发生器，产生调制信号；压控振荡器，受调制信号控制产生连续波调频信号；但上述技术均停留在挖掘谐波信号的时域或频域信息的基础上。非线性目标的再辐射谐波呈散射态，并非集束态，可见谐波信号的空域信息尤其重要。当前的非线性目标探测方法均未考虑谐波信号空域信息的接收利用，因此难以解决问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种阵列式非线性目标探测系统及方法，能够充分利用电子目标散射谐波的时间和空间信息，实现噪声环境下微弱谐波信号目标的高效探测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种阵列式非线性目标探测系统，包括：设置于检测容器顶部的发射模块、设置于检测容器周边用于接收自激回波的接收模块以及分别与发射模块和接收模块相连的信号处理模块，其中：

所述的发射模块包括：发射天线组和与之相连的发射单元，其中：发射单元接收来自信号处理模块的控制指令并产生所需的发射信号，发射天线组向容器内发射电磁波信号。

所述的发射天线组包括至少两个发射天线以同时发射两种不同频率的电磁波信号。

所述的接收模块包括：接收天线阵和与之相连的接收单元，其中：接收天线阵接收容器中金属反射的自激回波，接收单元对自激回波进行滤波、AD采样处理后输出至信号处理模块。

所述的接收天线阵包括至少五个子天线，以分别同时接收不同频段的回波信号；优选为同时接收二次谐波和三次谐波。

所述的信号处理模块包括：信号处理单元、外部控制单元和显示单元，其中：信号处理单元分别与外部控制单元(如按键控制等)、发射单元、接收单元和显示单元相连接，输出控制指令并接收用户操作指令、接收视频信号并转换为累积量特征空间后输出至显示单元。

所述的显示单元可综合显示当前和历史接收信号信息。

本发明涉及上述系统的金属探测方法，包括以下步骤：

步骤1、将被探测物件放入探测容器内；

步骤2、通过发射天线组发射电磁波照射被探测物件，同时，通过接收天线阵同步接收被探测物件中电子目标散射在空间各方向上的谐波信号；

步骤3、通过信号处理单元构建接收阵列信号的累积量特征空间，并在显示单元中实时展示；

步骤4、通过外部控制单元调整发射信号功率，并通过显示单元同步观察接收信号，获得最佳效果；

步骤5、通过显示单元调取包括时域信号和累积量信号的历史相关信号与当前信号进行对比，根据参考阈值进行判断：当二次谐波时域信号或累积量信号强度超过相应的参考阈值时，判断容器内存在半导体目标，否则不存在；当三次谐波时域信号或累积量信号强度超过相应的参考阈值时，判断容器内存在金属目标，否则不存在。

所述的判断的结果保存并作为后续检测判断参考。

技术效果

与现有技术相比，本发明阵列式非线性目标探测器采用阵列天线对电子目标辐射信号进行多通道接收，构建接收信号的累积量特征空间，依据多通道信号在特征空间中的结构信息判断决策，能够在噪声环境下有效探测仅辐射微弱谐波信号的电子目标。

本发明可用于探查隐藏在行李、包裹、邮件等物品内的手机、数码相机、遥控炸弹、窃听器、电子存储介质等电子装置，尤其是复杂环境中辐射信号微弱的电子目标(比如隐藏在包裹中金属盒内的CF卡)，可广泛应用于各类要害场所安全检测领域。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明发射通路结构示意图；

图3为本发明接收通路结构示意图；

图4为本发明天线阵分布图；

图5为实施例中分别对邮包中空金属盒和内装CF卡的金属盒进行检测的时间累积量特征空间对比效果图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例阵列式非线性目标探测器的发射频率可以为800MHz和900MHz双频，可用于探测电子目标，包括：

按键控制单元，与信号处理单元相连接，用于用户发出控制发射功率的指令；

信号处理单元，与按键控制单元、发射单元、接收单元和显示单元相连接，用于接收按键控制单元的用户控制指令，控制发射单元生成所需信号；同时，接收接收单元所传递的阵列信号，变换信号到累积量特征空间后传递给显示单元；

显示单元，与信号处理单元相连接，用于综合显示当前和历史接收信号的累积量特征空间结构信息；

发射单元，与信号处理单元和发射天线组相连接，用于接收信号处理单元的控制，产生说明书所需的发射信号；发射天线组，与发射单元相连接，包括两个天线，用于将两种不同频率的电磁波信号同时发射出去；

接收单元，与信号处理单元和接收天线阵相连接，用于接收接收天线阵传递的目标信号，并经滤波、混频、AD采样等处理后传递给信号处理单元；

接收天线阵，与接收单元相连接，包括五个子天线，用于同步接收电子目标辐射在各方向的回波信号。

所述的变换信号到累积量特征空间在本实施例中即为短时离散傅里叶变换。

如图2所示，所述的发射天线组为两个发射天线T1和T2，分别与对应的滤波器相连接，用于发射800MHz和900MHz的电磁波信号。

对应上述发射天线组，所述的发射单元包括：

用于产生参考激励信号的参考源、

两个分别与参考源和对应的电调衰减器相连接的锁相环，用于频率锁定800MHz和900MHz的两个发射激励信号、

两个分别与对应的锁相环和功放相连接的电调衰减器，用于在信号处理单元的控制下控制激励信号的幅度，确保输入到功放的激励信号幅度在功放要求范围内，同时接收机不会处于饱和工作状态、

两个分别与对应的电调衰减器和滤波器相连接的功率放大器，用于在信号处理单元的发射调制信号下控制脉冲功放，实现对发射信号的脉冲调制，发射调制信号脉宽为200ps，周期为20ms，占空比为1％、

两个分别与对应的功放和发射天线相连接的滤波器，用于将功放输出的大功率脉冲信号中的干扰滤除。

如图3所示，所述的接收天线阵包括：五个接收天线R1、R2、R3、R4和R5，用于接收电子目标辐射的1699.16MHz二次谐波和2499.52MHz三次谐波。

对应上述接收天线阵，所述的接收单元包括：

五个分别与对应的接收天线和混频器相连接的滤波器，用于滤除接收信号中的干扰、

五个分别与对应的滤波器和放大检波器相连接的混频器，用于将接收信号和本振锁相信号混频后输出10.7MHz中频信号、

五个分别与对应的混频器和信号采样合并器相连接的放大检波器，用于对10.7MHz中频信号进行窄带滤波、放大和检波处理、

与五个放大检波器相连接的信号采样合并器，用于对五通道信号进行AD采样和合并，输出给信号处理单元。

如图4所示，所述的发射天线组包括：第一发射天线T1，位于正方体检测箱顶部，用于发射800MHz电磁波；第二发射天线T2，位于正方体检测箱顶部，用于发射900MHz电磁波；

所述的接收天线阵包括：

第一接收天线R1，位于正方体检测箱左侧面，用于接收电子目标辐射的1699.16MHz二次谐波；

第二接收天线R2，位于正方体检测箱左侧面，用于接收电子目标辐射的2499.52MHz三次谐波；

第三接收天线R3，位于正方体检测箱顶部，用于接收电子目标辐射的1699.16MHz二次谐波；

第四接收天线R4，位于正方体检测箱右侧面，用于接收电子目标辐射的1699.16MHz二次谐波；

第五接收天线R5，位于正方体检测箱右侧面，用于接收电子目标辐射的2499.52MHz三次谐波。

本实施例涉及上述系统的金属探测方法，包括以下步骤：

步骤1、将被探测物件放入探测容器内；

步骤2、通过两个发射天线T1和T2同时发射800MHz和900MHz的电磁波照射被探测物件，同步的，通过五个接收天线R1、R2、R3、R4和R5同时接收被探测物件中电子目标散射在空间各方向上的1699.16MHz二次谐波和2499.52MHz三次谐波信号；

步骤3、通过信号处理单元构建接收阵列信号的频域(一种时间累积量)特征空间，并在显示单元中实时展示；

步骤4、通过外部控制单元调整发射信号功率，并通过显示单元同步观察接收信号，获得最佳效果；

步骤5、通过显示单元调取历史相关信号(包括时域信号和累积量信号)与当前信号进行对比，并考虑参考阈值，做出决策：当二次谐波时域信号或累积量信号强度超过相应的参考阈值时，判断容器内存在半导体目标，否则不存在；当三次谐波时域信号或累积量信号强度超过相应的参考阈值时，判断容器内存在金属目标，否则不存在；

如图5所示，本实施例中的参考阈值选择‐50dB。

步骤6、人工标注结果后自动存储信号数据，供后续检测过程中步骤5使用。

如图5所示，不同形状标记的线条表示的CH1、CH2、CH3、CH4和CH5信号分别对应接收天线R1～R5的五通道信号。

空金属盒和内装CF卡的金属盒的时间累积量特征空间结构信息主要表现在CH4信号(即接收天线R4接收的信号)上不同，与空金属盒相比，内装CF卡的金属盒的CH4信号能量明显更高。

这说明，本实施例所提供的阵列式非线性目标探测器能够在邮包环境中准确提取出受金属盒屏蔽的CF卡回波信号。

在本实施例中，信号处理单元的累积量特征空间构造方法原理是：以数据长度1024为窗口大小对采样、合并后的五通道数字信号进行短时离散傅里叶变换，在时间累积量特征空间中展示五通道信号的空间结构。

在本实施例中，发射单元的激励锁相源与接收单元的本振锁相源是同源，即采用同一晶体振荡器产生的频率信号。

采用本实施例所提供的阵列式非线性目标探测器对复杂环境中辐射信号微弱的电子目标进行了探测，结果表明，本发明设计的阵列天线接收技术和特征空间构造方法，综合利用了电子目标辐射信号的空.时信息判断决策，能够在噪声环境下准确探测出仅辐射微弱谐波信号的电子目标。

Claims (10)

1.一种阵列式非线性目标探测系统，其特征在于，包括：设置于检测容器顶部的发射模块、设置于检测容器周边用于接收自激回波的接收模块以及分别与发射模块和接收模块相连的信号处理模块，其中：

所述的信号处理模块包括：信号处理单元、外部控制单元和显示单元，其中：信号处理单元分别与外部控制单元、发射单元、接收单元和显示单元相连接，输出控制指令并接收用户操作指令、接收视频信号并转换为累积量特征空间后输出至显示单元。

2.根据权利要求1所述的阵列式非线性目标探测系统，其特征是，所述的发射模块包括：发射天线组和与之相连的发射单元，其中：发射单元接收来自信号处理模块的控制指令并产生所需的发射信号，发射天线组向容器内发射电磁波信号。

3.根据权利要求2所述的阵列式非线性目标探测系统，其特征是，所述的发射天线组包括至少两个发射天线以同时发射两种不同频率的电磁波信号。

4.根据权利要求1所述的阵列式非线性目标探测系统，其特征是，所述的接收模块包括：接收天线阵和与之相连的接收单元，其中：接收天线阵接收容器中金属反射的自激回波，接收单元对自激回波进行滤波、AD采样处理后输出至信号处理模块。

5.根据权利要求4所述的阵列式非线性目标探测系统，其特征是，所述的接收天线阵包括至少五个子天线，以分别同时接收不同频段的回波信号。

6.根据权利要求4或5所述的阵列式非线性目标探测系统，其特征是，所述的接收天线阵同时接收二次谐波和三次谐波。

7.根据权利要求3所述的阵列式非线性目标探测系统，其特征是，所述的发射单元包括：

用于产生参考激励信号的参考源、

两个分别与参考源和对应的电调衰减器相连接的锁相环，用于频率锁定800MHz和900MHz的两个发射激励信号、

两个分别与对应的锁相环和功放相连接的电调衰减器，用于在信号处理单元的控制下控制激励信号的幅度，确保输入到功放的激励信号幅度在功放要求范围内，同时接收机不会处于饱和工作状态、

两个分别与对应的电调衰减器和滤波器相连接的功率放大器，用于在信号处理单元的发射调制信号下控制脉冲功放，实现对发射信号的脉冲调制，发射调制信号脉宽为200ps，周期为20ms，占空比为1％、

两个分别与对应的功放和发射天线相连接的滤波器，用于将功放输出的大功率脉冲信号中的干扰滤除。

8.根据权利要求5所述的阵列式非线性目标探测系统，其特征是，所述的接收天线阵包括：

第一接收天线，位于正方体检测箱左侧面，用于接收电子目标辐射的1699.16MHz二次谐波；

第二接收天线，位于正方体检测箱左侧面，用于接收电子目标辐射的2499.52MHz三次谐波；

第三接收天线，位于正方体检测箱顶部，用于接收电子目标辐射的1699.16MHz二次谐波；

第四接收天线，位于正方体检测箱右侧面，用于接收电子目标辐射的1699.16MHz二次谐波；

第五接收天线，位于正方体检测箱右侧面，用于接收电子目标辐射的2499.52MHz三次谐波。

9.根据权利要求5所述的阵列式非线性目标探测系统，其特征是，所述的接收单元包括：

五个分别与对应的接收天线和混频器相连接的滤波器，用于滤除接收信号中的干扰、

五个分别与对应的滤波器和放大检波器相连接的混频器，用于将接收信号和本振锁相信号混频后输出10.7MHz中频信号、

五个分别与对应的混频器和信号采样合并器相连接的放大检波器，用于对10.7MHz中频信号进行窄带滤波、放大和检波处理、

与五个放大检波器相连接的信号采样合并器，用于对五通道信号进行AD采样和合并，输出给信号处理单元。

10.一种根据上述任一权利要求所述系统的金属探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将被探测物件放入探测容器内；

步骤2、通过发射天线组发射电磁波照射被探测物件，同时，通过接收天线阵同步接收被探测物件中电子目标散射在空间各方向上的谐波信号；

步骤3、通过信号处理单元构建接收阵列信号的累积量特征空间，并在显示单元中实时展示；

步骤4、通过外部控制单元调整发射信号功率，并通过显示单元同步观察接收信号，获得最佳效果；

步骤5、通过显示单元调取包括时域信号和累积量信号的历史相关信号与当前信号进行对比，根据参考阈值进行判断：当二次谐波时域信号或累积量信号强度超过相应的参考阈值时，判断容器内存在半导体目标，否则不存在；当三次谐波时域信号或累积量信号强度超过相应的参考阈值时，判断容器内存在金属目标，否则不存在。