CN104992519A - 一种周界安防系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种周界安防系统，用于具有多个转角连接界限的安防区域，它包括一个以上的双波束雷达传感器，每个所述双波束雷达传感器均布置于安防区域内转角连接的周界处，每个所述双波束雷达传感器所生成的波束均能够覆盖转角相邻的两条周界。本发明具有布局合理、成本低廉、安防效果好等优点。

Description

一种周界安防系统
技术领域
本发明主要涉及到安防系统领域，特指一种基于雷达传感器的周界安防系统。
背景技术
周界安防是指在固定区域的周界上部署传感器，当非法目标进入或者穿越周界时传感器就能够探测到运动目标，并实时给出报警信号，从而起到周界防护作用。需要进行周界防护的典型场所包括监狱、石油石化、机场、军事单位以及发电厂等单位。周界安防要求当入侵目标穿越周界或者在周界附近活动时能够通过实时地给出报警信息，为此周界安防通常使用多种传感器的组合来获得入侵目标的信息，如微波对射雷达、雷达传感器等等。
目前，微波对射雷达已经在周界防护中得到广泛应用。例如中国专利CN201220585684，它提出了一种应用微波对射雷达和红外对射装置混合技术的周界防护方案；又如中国专利CN201420488054，它提出了一种应用多传感器融合技术的周界防护方案，包括微波雷达、红外检测、视频检测以及温度传感器等等。
雷达传感器逐渐被应用于周界安防领域。毫米波雷达发射的电磁波波长通过为几毫米，对于相同口径的天线尺寸，毫米波天线的波束更窄，增益更高，并且它具有较高的测角和测距精度，因此在民用领域得到了广泛的应用，典型的应用领域如汽车主动安全以及区域安全防护。雷达传感器通过天线的辐射来覆盖待防护的区域。表征天线的辐射特性的一个重要参数是天线的辐射方向图，以下称辐射方向图的主波束为波束。发射天线和接收天线的波束决定了雷达传感器探测区域。对于周界防护，还要求发射天线具有窄波束和高增益的特性。
雷达传感器作为毫米波雷达的主要部件，其硬件结构由射频前端、信号调理电路组成，射频前端包括射频电路和收发天线。采用调频连续波（Frequency Modulation Continuous Waves，FMCW）体制的单发单收毫米波雷达还能够获取目标的速度信息，采用多收天线能获取目标的角度信息。对于传统的毫米波传感器，其传感器天线的方向图只有一个固定的主波束，称之为单波束雷达，如果传感器天线的主波束能够在一定角度范围内实现波束扫描，则称之为电扫雷达。由于电扫雷达需要一定数量的模拟或者数字移相器，其成本较固定波束雷达传感器高得多，因此民用领域主要采用低成本的单波束雷达传感器。
现有技术中，如图1所示，常使用单波束辐射的雷达传感器应用于周界防护，它具有单个发射天线，发射天线能够产生一个固定的波束，当应用于周界安防使单个波束只能覆盖一条周界线，如果对整个方形周界的四条边界进行防护，那么需要至少四个雷达传感器，这会显著提高系统成本。具有电扫天线的相控阵雷达传感器，其电扫天线需要大量的模拟或者数字移相器，这些移相器的成本很高，会大大提高雷达传感器的成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种布局合理、成本低廉、安防效果好的周界安防系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种周界安防系统，用于具有多个转角连接界限的安防区域，它包括一个以上的双波束雷达传感器，每个所述双波束雷达传感器均布置于安防区域内转角连接的周界处，每个所述双波束雷达传感器所生成的波束均能够覆盖转角相邻的两条周界。
作为本发明的进一步改进：所述双极化双波束雷达传感器的两个波束的极化方式为相互正交。
作为本发明的进一步改进：所述极化方式位水平极化和垂直极化、相互垂直的斜极化、或左旋圆极化和右旋圆极化。
作为本发明的进一步改进：所述双极化双波束雷达传感器具有1个发射天线，具有1个或者多个接收天线，发射天线和接收天线都包含有辐射体；所述辐射体产生两个固定波束，两个固定波束之间的夹角为90°；两个波束分别为两种极化方式，且这两种极化方式相互正交。
作为本发明的进一步改进：所述雷达传感器天线的辐射体为平面结构；所述平面结构为微带贴片形式或者介质集成波导缝隙形式。
作为本发明的进一步改进：所述双极化双波束雷达传感器为双波束双极化波束毫米波雷达传感器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的周界安防系统，利用双极化双波束雷达传感器对转角型周界进行防护所需的雷达传感器数量是利用单波束毫米波雷达传感器进行部署所需传感器数量的一半，能够大大降低成本。
2、本发明的周界安防系统，按照所述方案对转角型周界进行防护，能够避免两个雷达传感器之间的相互干扰，而不需要采用其他的措施来避免干扰。
3、本发明的周界安防系统，利用双极化双波束雷达传感器对周界进行防护，能够获得入侵周界的目标的多个特征信息，包括目标距离、速度以及目标的雷达散射截面（RCS，radar cross-section）等等，通过对目标信息的综合判断能够区分不同的目标，从而避免了微波对射雷达的缺点，能够对小动物等目标进行过滤，有效增加雷达传感器对环境的抗干扰能力。
附图说明
图1是现有技术中对一个方形区域进行安防的示意图。
图2是本发明在具体应用实例中包含1个发射天线和1个接收天线的雷达传感器的示意图。
图3是本发明在具体应用实例中辐射体产生波束的示意图。
图4是本发明在具体应用实例中对一个方形区域进行安防的示意图。
图5是本发明在具体应用实例中对一个不规则的六变形进行安防的示意图。
图6是本发明在具体应用实例中对一个长方形区域进行安防的示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的周界安防系统主要适用于具有多个转角连接界限的安防区域，它包括一个以上的双波束雷达传感器，每个双波束雷达传感器均布置于安防区域内转角连接的周界处。这样，每个双波束雷达传感器所生成的波束均能够覆盖转角相邻的两条周界。以方形周界为例，采用本发明的周界安防系统就包括两个双波束雷达传感器，双波束雷达传感器布置于方形周界对角线连接的两个直角处，其中一个双波束雷达传感器的两个波束分别覆盖构成该直角的两条周界，另一个双波束雷达传感器的两个波束分别覆盖构成另一直角的两条周界，这样总共利用两个双波束雷达传感器就能够实现对整个方形周界进行防护。
在具体应用实例中，可以根据实际需要采用双波束双极化波束毫米波雷达传感器。双极化双波束毫米波雷达传感器区别于传统的单波束毫米波雷达，将传统毫米波雷达传感器的单波束雷达天线改为双极化双波束雷达天线。
双极化双波束毫米波雷达传感器的两个波束的极化方式相互正交，极化方式可以是多种相互正交的极化方式的组合，例如水平极化和垂直极化、相互垂直的斜极化、左旋圆极化和右旋圆极化等等。
本发明中的波束是指天线辐射方向图的主波束。双极化双波束毫米波雷达传感器具有1个发射天线，具有1个或者多个接收天线，发射天线和接收天线都包含有具有如下特性的辐射体，该辐射体能够产生两个固定波束，两个固定波束之间的夹角为90°；两个波束分别为两种极化方式，且这两种极化方式相互正交，例如一种极化方式是水平极化，那么另一种极化方式为垂直极化。发射天线的辐射体和接收天线的辐射体可以相同也可以不相同。
如图2所示，为包含1个发射天线和1个接收天线的雷达传感器的应用实例。雷达传感器天线的辐射体为平面结构，可以是微带贴片或者介质集成波导缝隙。辐射体印刷在介质基板A0上,包括发射天线的辐射体A1和接收天线的辐射体A2。A1产生两个呈固定夹角的窄波束，包括波束A11和波束A12。同理，A2产生两个呈固定夹角的窄波束，包括波束A21和波束A22。
辐射体A1和A2的波束如图3所示。A1和A2位于介质基板A0上，A3为介质基板A0上的法线，辐射体A1(A2)产生两个波束，一个是波束A11(A21)，另一个是波束A12(A22)，波束A11(A21)和波束A12(A22)的极化方式相互正交。A31是波束A11(A21)的中轴线，A32是波束A21(A22)的中轴线，中轴线A31和A32与法线A3共面，中轴线A31和A32夹角为90°，且关于法线A3对称。
为了使得双极化双波束毫米波雷达传感器在远距离的覆盖区域不至于扩散得太宽，要求发射天线具有窄波束特性，半功率波束宽度小于15°。为了减小来自除主波束外的其他方向的移动目标造成的误报，要求双极化双波束毫米波雷达传感器天线具有低副瓣特性，副瓣电平应小于-18dB。双极化双波束毫米波雷达传感器天线应根据波束宽度的要求、天线增益、副瓣电平以及极化方式进行设计。
采用本发明的安防系统，在如图4所示的应用实例中，方形区域2具有31、32、33和34四条需要防护的周界，在周界31和32构成的直角21处部署第一雷达13（双极化双波束毫米波雷达传感器），第一雷达13的天线面垂直于地平面放置，使得周界31和32分别与第一雷达13的天线面呈45°角，此时两个波束的中心轴线分别与两条周界平行。第一雷达13产生两个极化方式相互正交的第一波束131和第二波束132。第一波束131能够覆盖周界31，第二波束132能够覆盖防护边界32。同时，在周界33和34构成的直角22处部署第二雷达达14（双极化双波束毫米波雷达传感器），第二雷达14的天线面垂直于地平面放置，使得周界33和34分别与第二雷达14的天线面呈45°角，此时两个波束的中心轴线分别与两条周界平行。第二雷达14产生两个极化方式相互正交的第三波束141和第四波束142。第三波束141能够覆盖周界33，第四波束142能够覆盖防护边界34。
由上可知，采用本发明的应用方案后，就能够避免第一雷达13和第二雷达14之间的相互干扰。第一雷达13发射天线产生的第一波束131的电磁波会传播到第二雷达14，且只能被第二雷达14接收天线的第四波束142接收到，由于来波的极化方式与接收天线的极化方式相互正交，因而来自第一雷达13产生的波束的电磁波不会对第二雷达14产生干扰。第一雷达13发射天线产生的第二波束132的电磁波会传播到第二雷达14，且只能被第二雷达14接收天线的第三波束141接收到，由于来波的极化方式与接收天线的极化方式相互正交，因而来自雷达传感器13产生的波束的电磁波不会对第二雷达14产生干扰。第二雷达14发射天线产生的第三波束141的电磁波会传播到第一雷达13，且只能被第一雷达13接收天线的第二波束132接收到，由于来波的极化方式与接收天线的极化方式相互正交，因而来自第二雷达14产生的波束的电磁波不会对第一雷达13产生干扰。第二雷达14发射天线产生的第四波束142的电磁波会传播到第一雷达13，且只能被第一雷达13接收天线的第一波束131接收到，由于来波的极化方式与接收天线的极化方式相互正交，因而来自第二雷达14产生的波束的电磁波不会对第一雷达13产生干扰。
在另一个具体应用实例中，将第一雷达13部署在周界31和周界34构成的直角处，将第二雷达14部署在周界32和周界33构成的直角处。
可以理解，只要构成转角的两条周界能够分别被一个双波束雷达传感器的两个波束覆盖，那么都是本发明描述的防护周界。对于不规则的多边形区域，只要所述多边形区域存在两条相邻周界构成一个转角，那么可以在该转角处应用一个双波束雷达传感器，从而利用一个双波束雷达传感器实现对两条周界进行防护。如图5所示的应用实例中，区域4包括周界41、42、43、44、45和46，这六条需要防护的周界构成一个不规则的六变形，其中周界41和周界42的夹角为转角（直角），在该转角（直角）处部署第三雷达15（双极化双波束毫米波雷达传感器），使第五波束151覆盖周界41，波束152覆盖周界42，从而利用一个双极化双波束雷达传感器实现了对六边形防护区域的两条周界的防护。
如图6所示，为另一个应用方案的具体实施例，雷达防护区域6为长方形区域，包括4条需要防护的周界，分别为61、62、63和64，周界61和周界63的长度为200m，周界63和周界64的长度为120m。周界61和周界64交汇处的直角为71，周界61和周界62交汇处的直角为72，周界63和周界64交汇处的直角为73，周界63和周界62交汇处的直角为74。
第四雷达16和第五雷达17为两个相同双极化双波束毫米波雷达传感器，雷达传感器包含1个发射天线和1个接收天线，接收天线和发射天线具有相同的辐射体。发射天线能够产生夹角为90°的两个低副瓣窄波束，第四雷达16产生的两个波束分别为水平极化方式的波束61和垂直极化方式的波束62，第五雷达17产生的两个波束分别为水平极化方式的波束63和垂直极化方式的波束64。雷达的作用距离大于200m。
将第四雷达16部署在直角71处，使周界61和周界62与第四雷达16的天线面夹角为45°，第四雷达16的水平极化波束161覆盖边界线61，垂直极化波束162覆盖边界线64。将第五雷达17部署在直角74处，使周界62和周界63与第五雷达17的天线面夹角为45°，第五雷达17的水平极化波束171覆盖边界线63，垂直极化波束172覆盖边界线62。
位于波束161和162覆盖区域内的入侵目标能够被第四雷达16检测到，位于波束171和172覆盖区域内的入侵目标能够被第五雷达17检测到。水平极化波束161和垂直极化波束172在直角72处重叠，重叠区域为81，水平极化波束171和垂直极化波束162在直角73处重叠，重叠区域为82，位于区域81和82处的入侵目标能够同时被第四雷达16和第五雷达17检测到。第四雷达16和第五雷达17的四个波束能够完整的覆盖方形防护区域6的四条周界，从而利用两个双极化双波束毫米波雷达传感器实现了对整个方形周界的防护。
同时，由于第四雷达16的波束161的极化方式为水平极化，而第五雷达17的波束172的极化方式为垂直极化，两种极化方式相互正交，因此第四雷达16和第五雷达17不会通过波束161和172造成相互干扰。同理，由于第四雷达16的波束162的极化方式为垂直极化，而第五雷达17的波束171的极化方式为水平极化，两种极化方式相互正交，因此第四雷达16和第五雷达17不会通过波束162和171造成相互干扰。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种周界安防系统，用于具有多个转角连接界限的安防区域，其特征在于，它包括一个以上的双波束雷达传感器，每个所述双波束雷达传感器均布置于安防区域内转角连接的周界处，每个所述双波束雷达传感器所生成的波束均能够覆盖转角相邻的两条周界。
2.根据权利要求1所述的周界安防系统，其特征在于，所述双极化双波束雷达传感器的两个波束的极化方式为相互正交。
3.根据权利要求2所述的周界安防系统，其特征在于，所述极化方式为水平极化和垂直极化、相互垂直的斜极化、或左旋圆极化和右旋圆极化。
4.根据权利要求1或2或3所述的周界安防系统，其特征在于，所述双极化双波束雷达传感器具有1个发射天线，具有1个或者多个接收天线，所述发射天线和接收天线都包含有辐射体；所述辐射体产生两个固定波束，两个固定波束之间的夹角为90°；两个波束分别为两种极化方式，且这两种极化方式相互正交。
5.根据权利要求4所述的周界安防系统，其特征在于，所述雷达传感器天线的辐射体为平面结构。
6.根据权利要求5所述的周界安防系统，其特征在于，所述平面结构为微带贴片形式或者介质集成波导缝隙形式。
7.根据权利要求1或2或3所述的周界安防系统，其特征在于，所述双极化双波束雷达传感器为双波束双极化波束毫米波雷达传感器。
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