CN105809869B - 基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器，包括埋地泄漏电缆、数字发射机、数字接收机、多路基带编码产生器、多载波调制解调处理模块、多载波入侵检测和定位处理模块、上位机接口和电源模块；多路基带编码产生器，用于实时产生多路编码信号；多载波调制解调处理模块，用于对发射链路的多载波编码调制信号进行实时调制，以及对接收链路的多载波编码调制信号进行实时解调；多载波入侵检测和定位处理模块，用于完成高灵敏度入侵检测和精确定位。本发明通过多载波联合判决来实现超分辨定位时的相位解模糊，可以有效提高超分辨精确定位的可靠性；而且利用多载波的分集增益有效提高入侵目标的检测灵敏度，可以支持更长的线缆长度。
Description
技术领域
本发明涉及可定位微波入侵探测技术领域，具体地，涉及一种基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器。
背景技术
泄漏电缆入侵探测器系统是一种基于微波的室外周界入侵探测设备，其浅埋地下安装，具有全天候、全时段、高隐蔽性、高可靠性的特点，可以广泛应用于银行、机场、别墅、智能小区、政府机关、公安监狱、军事目标等重要建筑周界外围，提供安全防范报警功能。
经检索：
专利申请号CN03209915.0，名称为：无线电电磁场原理的周界入侵防范系统；专利申请号CN200620023420.2，名称为：泄漏电缆入侵探测器；专利申请号CN200920266688.2，名称为：泄漏电缆周界入侵探测器；专利申请号CN200910050473.1，名称为：一种泄漏电缆入侵探测器系统；专利申请号CN201420527941.6，名称为：一种具有报警记录本地存储的泄漏电缆入侵探测器；专利申请号CN201420527914.9，名称为：一种改进相位稳定性的泄漏电缆入侵探测器；专利申请号CN201420527856.X，名称为：一种可以识别电脉冲干扰的泄漏电缆入侵探测器；专利申请号CN201420527913.4，名称为：一种具有窄带变频接收系统的低误报率泄漏电缆入侵探测器；上述专利文献公布了几种不同设计的泄漏电缆入侵探测设备，都采用单频信号体制，虽然进行了不同程度的改进，但是抗干扰能力都较弱，而且都不具备定位功能，也不能设置分区灵敏度，单主机支持的线缆长度严重受限。
专利申请号CN200620020592.4，名称为：单机多域定位周界入侵探测报警系统，公布了一种采用频分复用体制，具有多个发射区段的泄露电缆入侵探测器，具有区段级的定位能力，但是每个区段都要配备单独的发射器，区段划分不能太细，定位精度较低；而且每个区段的发射信号仍然是单频信号体制，抗干扰能力仍然较弱。
专利申请号CN200720102655.5，名称为：定位式泄漏电缆入侵探测器，公布了一种采用雷达编码定位原理的泄露电缆入侵探测器，采用宽带相位编码信号体制，不仅具有较高的定位精度，而且具有较强的抗干扰能力，但是不具备超分辨能力。
论文“Experience with Ranging Buried Cable Sensing”(IEEE InternationalCarnahan Conference on Security Technology,pp.193-200,2007)公布了一种高精度的可定位泄露电缆入侵探测器，采用单载波Golay二相编码信号体制，通过数字相关进行粗定位，然后运用相位信息进行精确定位，这种体制定位精度高、抗干扰能力强，但是会存在一定概率的相位模糊，从而使得精确定位的可靠性不高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器。
根据本发明提供的基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器，包括埋地泄漏电缆、数字发射机、数字接收机、多路基带编码产生器、多载波调制解调处理模块、多载波入侵检测和定位处理模块、上位机接口；其中：
所述埋地泄漏电缆包括：发射电缆和接收电缆，所述接收电缆与数字接收机相连用于将微波探测信号传输至数字接收机，所述发射电缆与数字发射机相连用于传输数字发射机发射的微波探测信号；
所述数字发射机，用于发射微波探测信号；
所述数字接收机，用于接收微波探测信号；
所述多路基带编码产生器，用于实时产生多路编码信号，每一路编码信号用于一个子载波的调制；
所述多载波调制解调处理模块，用于对发射链路的多载波编码调制信号进行实时调制，以及对接收链路的多载波编码调制信号进行实时解调；
所述多载波入侵检测和定位处理模块，用于完成灵敏度入侵检测和精确定位，并与上位机接口相连；
所述上位机接口连接至上位机，用于与上位机进行通信。
优选地，还包括电源模块，所述电源模块，用于将所述基于多载波的可精确定位泄漏电缆入侵的探测器的电源电能转换成内部各模块所需的供能模式。
优选地，所述发射电缆和接收电缆包括辅助连接用屏蔽电缆、探测用泄漏电缆和终端匹配用负载三部分。
优选地，所述数字发射机，用于发射微波探测信号；具体地，接收数字化表示的多载波编码调制信号，经过数字模拟转换、滤波、放大后形成较强的模拟微波信号，然后馈入发射电缆。
优选地，所述数字接收机，用于接收微波探测信号；具体地，接收来自接收电缆的微弱的模拟微波信号，经过放大、滤波和模拟数字转换后，形成数字化表示的接收信号，并传输至多载波调制解调处理模块。
优选地，所述多载波调制解调处理模块包括：多路载波产生器、多路并行调制器、多路并行解调器、增采样器、减采样器这5种子功能模块；其中，多路载波产生器产生用于调制和解调的多个载波；多路并行调制器和多个增采样器共同完成多载波编码调制信号的实时调制；多路并行解调器和多个降采样器共同完成多载波编码调制信号的实时解调。
优选地，所述多载波入侵检测和定位处理模块，用于完成高灵敏度入侵检测和精确定位，具体包括以下三个模块：
多载波多路并行相关处理模块：将多载波调制解调处理模块输出的多路数字基带信号作为外部输入信号，将多路基带编码产生器产生的多路编码信号分别作为对应的本地参考信号，然后分别进行时域相关处理，得到载波、时延二维相关处理结果；
多载波联合入侵检测和粗定位处理模块：对多载波多路并行相关处理模块得到的载波、时延二维相关处理结果进行多载波联合的动目标检测，得到多载波的入侵目标相关峰时延信息和入侵目标相关峰相位信息；
多载波联合相位解模糊和精确定位处理模块：首先根据每路载波的入侵目标相关峰相位信息，进行超分辨的时延估计；然后利用不同载波的超分辨时延估计结果，并结合各载波入侵目标相关峰时延信息，进行联合解模糊处理，得到无模糊超分辨时延估计结果；最后根据无模糊的超分辨时延估计结果，解算出无模糊的入侵目标精确位置信息。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器利用了多载波编码调制信号的频率分集特性，通过多载波联合的动目标检测获得频率分集增益，有效提高了入侵目标检测灵敏度，从而可以在同等泄漏电缆埋设条件下支持更长的线缆长度。
2、本发明提供的基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器利用了多载波编码调制信号的多载波特性，通过多载波联合判决来实现超分辨定位时的相位解模糊，有效提高了超分辨时延估计的可靠性，从而可以实现更高可靠性的超分辨精确定位。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器的原理框图；
图2为多载波调制解调处理模块的组成框图；
图3为多载波入侵检测和定位处理模块的信号处理流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器包括：埋地泄漏电缆、数字发射机、数字接收机、多路基带编码产生器、多载波调制解调处理模块、多载波入侵检测和定位处理模块、上位机接口以及电源模块；其中：
所述埋地泄漏电缆包括：发射电缆和接收电缆两根电缆，且每根电缆包括辅助连接用屏蔽电缆、探测用泄漏电缆和终端匹配用负载三部分；具体地，选材与常规泄漏电缆入侵探测器要求相同，可以根据布置需求选择不同的泄漏电缆长度。
所述数字发射机，用于发射微波探测信号；具体地，接收数字化表示的多载波编码调制信号，经过数字模拟转换、滤波、放大后形成较强的模拟微波信号，然后馈入发射电缆。
所述数字接收机，用于接收微波探测信号；具体地，接收来自接收电缆的微弱的模拟微波信号，经过放大、滤波和模拟数字转换后，形成数字化表示的接收信号，并传输至多载波调制解调处理模块。
所述多路基带编码产生器，用于实时产生多路编码信号，每一路编码信号用于一个子载波的调制；其中编码信号本身应当具有良好的自相关特性，从而能够提供尖锐的相关峰；并且可以具有足够的码长，从而能够提供较高的扩频增益。
所述多载波调制解调处理模块，用于发射链路的多载波编码调制信号的实时调制，以及对接收链路的多载波编码调制信号进行实时解调。
所述多载波调制解调处理模块包括：多路载波产生器、多路并行调制器、多路并行解调器、增采样器、减采样器这5种子功能模块；其中，多路载波产生器产生用于调制和解调的多个载波；多路并行调制器和多个增采样器共同完成多载波编码调制信号的实时调制；多路并行解调器和多个降采样器共同完成多载波编码调制信号的实时解调。
所述上位机接口，用于进行上位机通信；可以采用通用的串行数据接口实现。
所述电源模块，用于将外部电源电能转换成内部各模块所需的电能；可以采用通用的电源转换芯片或者定制的电源模块实现。
所述多载波入侵检测和定位处理模块，用于完成高灵敏度入侵检测和精确定位，具体的处理流程包括以下三个步骤：
步骤A：多载波多路并行相关处理：将多载波调制解调处理模块输出的多路数字基带信号作为外部输入信号，将多路基带编码产生器产生的多路编码信号分别作为对应的本地参考信号，然后分别进行时域相关处理，得到“载波-时延”二维相关处理结果。
步骤B：多载波联合入侵检测和粗定位处理：对步骤A得到的“载波-时延”二维相关处理结果进行多载波联合的动目标检测，得到多载波的入侵目标相关峰时延和相位信息。
步骤C：多载波联合相位解模糊和精确定位处理：首先根据每路载波的入侵目标相关峰相位信息，进行超分辨的时延估计，不过由于相位信息存在以2π为周期的相位模糊，因此这一步得到的超分辨时延估计结果存在以载波信号周期为周期的时延模糊；然后利用不同载波的超分辨时延估计结果，并结合各载波入侵目标相关峰时延信息，进行联合解模糊处理，得到无模糊超分辨时延估计结果；最后根据无模糊的超分辨时延估计结果，解算出无模糊的入侵目标精确位置信息。
更进一步地，给出了一种基于多载波的可精确定位泄漏电缆入侵探测器，该泄漏电缆入侵探测器采用的探测信号采用多载波编码调制信号，子载波数量为N，每个子载波采用二相伪随机编码调制。该泄漏电缆入侵探测器的具体组成如图1所示，总体上由埋地泄漏电缆和主机两部分组成。埋地泄露电缆由发射电缆和接收电缆两根电缆组成，每根电缆包括辅助连接用屏蔽电缆、探测用泄漏电缆和终端匹配用负载三部分组成。其中辅助连接用屏蔽电缆选择特性阻抗为75欧姆的屏蔽同轴电缆，长度为1至20米；探测用泄漏电缆选择特性阻抗为75欧姆的泄漏同轴电缆，长度为100至1000米，并且发射电缆的探测用泄漏电缆和接收电缆的探测用泄漏电缆长度相等，平行安装，安装间距0.5至1米；终端匹配用负载选择75欧姆电阻。
主机包括数字发射机、数字接收机、多路基带编码产生器、多载波调制解调处理模块、多载波入侵检测和定位处理模块、上位机接口和电源模块7个组成部分，各组成部分具体实现方式如下：
数字发射机：完成微波探测信号的发射功能，接收数字化表示的多载波编码调制信号，经过数字模拟转换(精度为12bit)、滤波、放大处理，输出功率为20dBm的模拟微波信号，然后馈入发射电缆。
数字接收机：接收来自接收电缆的微弱的模拟微波信号，经过放大(增益30dB至60dB可调，噪声系数4dBc)、滤波和模拟数字转换(精度为12bit)后，形成数字化表示的接收信号，然后送入后级处理模块。
多路基带编码产生器：完成N路编码信号的实时产生功能，每一路编码信号被用于一个子载波的调制，所用编码采用二相伪随机序列产生器产生。
多载波调制解调处理模块：完成多载波编码调制信号的实时调制和解调功能，具体组成如图2所示。该模块包括1个多路载波产生器、1个多路并行调制器、1个多路并行解调器、N个增采样器和N个减采样器。其中位于中间的是多路载波产生器，产生用于调制和解调的N个载波；位于上面的是调制链路，多路并行调制器和N个增采样器共同完成多载波编码调制信号的实时调制功能，并将调制后的数字信号送往数字发射机；位于下面的是解调链路，多路并行解调器和N个降采样器共同完成多载波编码调制信号的实时解调功能，并生成多路数字基带信号送往后级处理模块。
上位机接口：完成与上位机通信的功能，采用RS-485串行接口实现。
电源模块：完成外部供电到主机内部供电的转换功能，其中外部供电为24V直流供电，内部供电包括+5V、+3.3V、+1.8V等常用供电电压，采用定制的电源模块实现。
多载波入侵检测和定位处理模块：完成高灵敏度入侵检测和精确定位功能，具体处理流程如图3所示，主要包括以下三个处理步骤：
步骤S1：多载波多路并行相关处理：将多载波调制解调处理模块输出的N路数字基带信号作为外部输入信号，将多路基带编码产生器产生的N路编码信号分别作为对应的本地参考信号，然后分别进行时域相关处理，得到“载波-时延”二维相关处理结果。
步骤S2：多载波联合入侵检测和粗定位处理：对第一步得到的“载波-时延”二维相关处理结果进行多载波联合的动目标检测，得到多载波的入侵目标相关峰时延和相位信息。在这个步骤中，多载波联合的动目标检测可以获得N路的频率分集增益，理论上最高可以将入侵目标检测灵敏度提高10×lgN dB；而入侵目标相关峰时延信息可以表示入侵目标的粗略位置，从而提供了粗定位信息。
步骤S3：多载波联合相位解模糊和精确定位处理：首先根据每路载波的入侵目标相关峰相位信息，进行超分辨的时延估计，不过由于相位信息存在以2π为周期的相位模糊，因此这一步得到的超分辨时延估计结果存在以载波信号周期为周期的时延模糊；然后利用不同载波的超分辨时延估计结果，并结合各载波入侵目标相关峰时延信息，进行N路联合解模糊处理，得到无模糊超分辨时延估计结果；最后根据无模糊的超分辨时延估计结果，解算出无模糊的入侵目标精确位置信息。在这个步骤中，由于利用多载波的信息进行联合解模糊，可以获得置信度非常高的无模糊超分辨时延估计结果，从而高可靠性的超分辨精确定位。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器，其特征在于，包括埋地泄漏电缆、数字发射机、数字接收机、多路基带编码产生器、多载波调制解调处理模块、多载波入侵检测和定位处理模块、上位机接口；其中：
所述埋地泄漏电缆包括：发射电缆和接收电缆，所述接收电缆与数字接收机相连用于将微波探测信号传输至数字接收机，所述发射电缆与数字发射机相连用于传输数字发射机发射的微波探测信号；
所述数字发射机，用于发射微波探测信号；
所述数字接收机，用于接收微波探测信号；
所述多路基带编码产生器，用于实时产生多路编码信号，每一路编码信号用于一个子载波的调制；
所述多载波调制解调处理模块，用于对发射链路的多载波编码调制信号进行实时调制，以及对接收链路的多载波编码调制信号进行实时解调；
所述多载波入侵检测和定位处理模块，用于完成灵敏度入侵检测和精确定位，并与上位机接口相连；
所述上位机接口连接至上位机，用于与上位机进行通信；
其中，所述多载波入侵检测和定位处理模块，用于完成高灵敏度入侵检测和精确定位，具体包括以下三个模块：
多载波多路并行相关处理模块：将多载波调制解调处理模块输出的多路数字基带信号作为外部输入信号，将多路基带编码产生器产生的多路编码信号分别作为对应的本地参考信号，然后分别进行时域相关处理，得到载波、时延二维相关处理结果；
多载波联合入侵检测和粗定位处理模块：对多载波多路并行相关处理模块得到的载波、时延二维相关处理结果进行多载波联合的动目标检测，得到多载波的入侵目标相关峰时延信息和入侵目标相关峰相位信息；
多载波联合相位解模糊和精确定位处理模块：首先根据每路载波的入侵目标相关峰相位信息，进行超分辨的时延估计；然后利用不同载波的超分辨时延估计结果，并结合各载波入侵目标相关峰时延信息，进行联合解模糊处理，得到无模糊超分辨时延估计结果；最后根据无模糊的超分辨时延估计结果，解算出无模糊的入侵目标精确位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块，用于将所述基于多载波的可精确定位泄漏电缆入侵的探测器的电源电能转换成内部各模块所需的供能模式。
3.根据权利要求1所述的基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器，其特征在于，所述发射电缆和接收电缆包括辅助连接用屏蔽电缆、探测用泄漏电缆和终端匹配用负载三部分。
4.根据权利要求1所述的基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器，其特征在于，所述数字发射机，用于发射微波探测信号；具体地，接收数字化表示的多载波编码调制信号，经过数字模拟转换、滤波、放大后形成较强的模拟微波信号，然后馈入发射电缆。
5.根据权利要求1所述的基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器，其特征在于，所述数字接收机，用于接收微波探测信号；具体地，接收来自接收电缆的微弱的模拟微波信号，经过放大、滤波和模拟数字转换后，形成数字化表示的接收信号，并传输至多载波调制解调处理模块。
6.根据权利要求1所述的基于多载波的可精确定位的泄漏电缆入侵探测器，其特征在于，所述多载波调制解调处理模块包括：多路载波产生器、多路并行调制器、多路并行解调器、增采样器、减采样器这5种子功能模块；其中，多路载波产生器产生用于调制和解调的多个载波；多路并行调制器和多个增采样器共同完成多载波编码调制信号的实时调制；多路并行解调器和多个降采样器共同完成多载波编码调制信号的实时解调。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |