CN105897324A - 一种毫米波波束赋形与探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波波束赋形与探测方法。为了保证实时监测，将面积很大的整个监测区域划分成多个属于不同危险敏感级别的探测子区域，探测雷达天线阵同时产生多个波束对各个子区域进行扫描监测。此外，不同危险敏感级别的子区域通过自适应波束探测算法采取相应的波束扫描方式，以满足各子区域对于探测精度和实时性的不同要求。由于各区域的危险敏感级别不同，可针对各区域分别采用各自最合适的预警策略。借助与本发明实施例的技术方案，能够提高探测的精度，降低探测虚警率与漏检率，提高探测效率。

Description

一种毫米波波束赋形与探测方法

技术领域

本发明涉及灾害和异物入侵探测领域，特别是涉及一种毫米波波束赋形与探测方法

背景技术

我国地域辽阔，自然地理条件比较复杂，地质构造运动强烈，极易诱发各类地质灾害。在我国超过2/3的山区均有滑坡、崩塌地质灾害发生。此外，我国基础设施建设发展迅速，但是公路、铁路、隧道等一些分布在山区集中地区的交通线路，其地质灾害频发。一旦道路旁的山体出现塌方、滑坡、泥石流、雪崩、洪水、异物入侵等现象，则会影响交通线路的运营安全，也会对人类生命安全和财产安全构成直接危害。因此，迫切需要一种能够在各种天气条件下在高危地段长期监测并能够提供预警的自动探测及预警技术。

毫米波频段拥有丰富的频谱资源，波束比微波窄得多，与激光相比受天气影响程度较小。毫米波元器件的尺寸较小，因此毫米波系统更容易小型化。为此，它们在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。

通过对现有专利及相关技术的检索发现，现有的关于自然灾害和异物入侵监测预警的方案主要有三类：

(1)通过在灾害多发地段布设无线传输传感器和监测基站[1]，监测基站获取无线传输传感器的实时数据。传感器类型包括地质位移传感器、土壤水分传感器、雨量传感器、开关量传感器或者倾角传感器等，监测站通过对传感器实时数据的分析判断有无自然灾害或异物入侵危险发生。

(2)使用激光对预定区域进行水平激光照射，同时通过视频监控设备采集预定区域的图像[2]。当存在激光反射特征，且确定所述激光发射特征满足特定条件时，判断该区域存在障碍物，然后通过采集的图像人工辅助判断危险性。

(3)在需要监视的重点区域，通过近程警戒雷达扫描探测。文献[3]提出了将警戒雷达应用在边界线上，用于发现和识别试图通过边界线上的车辆、行人和其他物体。文献[4]将近程警戒雷达应用在铁路灾害监测上，钢轨两侧各安装1个雷达探测器，组成100米范围立体监测网络。通过计算入侵物大致大小及与钢轨的相对位置，从而评估是否安全。文献[5]提出了在机场跑道异物检测上应用近程警戒雷达与摄像交互检测的方案，避免跑道异物对机场安全造成的危害。

上述现有技术(1)中，无线传输传感器监测设备和监测基站需要沿监测区域(如铁路、公路沿线)大密度铺设，维护成本较高，且如果部分传感器出现异常，则导致整体监测系统的故障，且其灾害预警性能还取决于信息传输通道的可靠性。同时，该方案只局限于对滑坡的监测，对于落石、异物侵限等失去监测功能。

上述现有技术(2)中，激光探测仅局限于平面探测，不能探测出目标的立体信息。在夜间探测时需要额外使用可见光对预定路段照明，即使如此，在降雨、降雪、起雾等恶劣天气情况下或者在道路周围存在干扰光源的情况下，将严重影响图像信息的采集质量，因而当激光探测出异常状态时，不能准确判断是何种灾害引起，导致大量虚警出现。

上述现有技术(3)中，为了将雷达探测结果回传给监控中心，需要专门搭建一套监控网络，重复利用率低。由于出现灾害的概率较低，且每个雷达独立工作，会造成雷达信号处理性能的冗余和成本的浪费。雷达采用机械扫描方式，扫描周期长，可探测的区域有限，且易发生漏检。系统预警的方式是探测到目标就采取预警，无法对目标进行跟踪以获取更详细的信息，使得系统虚警率偏高。采用图像识别技术，不利于获取灾害发生的具体地点以及采取应急措施。此外，其使用的频段是低频频段，带宽低，探测检测精度受限。

参考文献

[1]张卫,徐均,李奇,贾婧,刘红义,岳铁铸,基于物联网的滑坡地质灾害预警系统的设计,单片机与嵌入式系统应,2013:13(2):66-69.

[2]保定市天河电子技术有限公司,障碍物的监测方法及其系统:中国,200710165162.0[P].2012.09.05.

[3]江兰.近程警戒雷达数据处理算法及软件设计[D].电子科技大学,2010.

[4]成都智胜通科技有限责任公司,铁路地质灾害预报与监视系统:中国,201020584449.4[P].2011.05.04.

[5]李煜,肖刚.机场跑道异物检测系统设计与研究[J].激光与红外,2011,41(8):909-915.

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明的目的是提供一种用于自然灾害和异物入侵探测的毫米波波束赋形方法及预警系统。主要的方案是：

一种毫米波波束赋形与探测方法，在较大范围高危地段提供长期监测及自动预警，通过波束赋形实现定向波束覆盖，包括如下的技术手段：

将整个监测区域划分成多个属于不同危险敏感级别的探测子区域，探测雷达天线阵采用分频技术同时产生N个波束对每个子区域进行独立探测；危险敏感级别越高的子区域使用越高的毫米波频段的波束；此外，依子区域不同的危险敏感级别，采用自适应波束探测算法提供相应的波束扫描方式以满足各子区域对于探测精度和实时性的不同要求。

所述自适应波束探测算法有两种基本模式：扫描模式和跟踪模式；扫描模式下，使用波束进行全区域的顺序扫描；跟踪模式下，主要用波束在扫描模式中发现的目标的周围扫描，如果扫描模式中发现多个目标，则跟踪模式中采用分时的方式跟踪多个目标；且：

(1)波束处于跟踪模式下的时间以预先设定的跟踪容忍时间为度，超过跟踪容忍时间后即切换到扫描模式；

(2)对于危险敏感级别较低的区域，只采取宽波束扫描模式；

(3)对于危险敏感级别较高的区域，既要保证实时性又要考虑分辨率要求，因此自适应波束探测算法可使用混合模式，即先扫描模式后跟踪模式；

(4)对于危险敏感级别特别高的区域，只采取窄波束扫描模式。

在实际应用中，根据发生灾害的可能性大小以及危险程度设置不同的危险敏感级别，例如，根据监测需求将危险敏感级别为设置高、中、低三种。当监测区域较大时，为了保证探测实时性，将整个探测区域根据探测周期和扫描速度分成N个子区域，探测雷达天线阵采用分频技术同时产生N个波束，对每个子区域进行独立探测。并且按发生灾害的概率以及危险程度对各个子区域进行危险敏感级别划分。

危险级别为高的子区域采用毫米波高频段的窄波束，得到最高的角度分辨率。危险级别为中等的子区域采用中间频段以及相对较宽的波束，得到较高的角度分辨率。危险级别为低的子区域采用低频段的宽波束，得到较低的角度分辨率。具体的频段选择可根据场景需求进行设计，以达到各个探测子区域的角度分辨率的需求以及回波干扰隔离。根据各个子区域的距离分辨率需求，不同危险级别子区域使用不同的探测信号带宽，危险级别越高的子区域使用的信号带宽越大。

在不同的探测子区域，根据自适应波束探测算法确定波束扫描方式。自适应波束探测算法有两种模式，扫描模式和跟踪模式。扫描模式下，使用波束进行全区域的顺序扫描。跟踪模式下，主要用波束在扫描模式中发现的目标的周围扫描。如果扫描模式中发现多个目标，则跟踪模式中采用分时的方式跟踪的多个目标。为了保证波束在跟踪目标的同时又能兼顾全区域内有无其他目标出现，本发明提出了跟踪容忍时间的定义，即当波束处于跟踪模式下的时间超过跟踪容忍时间后就切换到扫描模式。扫描模式和跟踪模式下波束的具体宽度与所在区域的危险敏感级别有关。危险敏感级别越高，探测方位分辨率要求越高，波束宽度越窄。

不同危险敏感级别的子区域使用自适应波束探测算法时采用不同的工作方式。具体如下：

(1)对于危险敏感级别低的区域，需要的探测分辨率不必太高，因此自适应波束探测算法在该区域可只使用扫描模式，并且采用宽波束可以快速扫描完整个区域，快速发现目标，减少漏检的发生；

(2)对于危险敏感级别较高的区域，既要保证实时性又要考虑分辨率要求，因此自适应波束探测算法可使用混合模式，即先扫描模式后跟踪模式。扫描模式下使用宽波束，主要用于快速发现目标，跟踪模式下使用窄波束。

(3)对于危险敏感级别特别高的区域，分辨率要求很高，区域面积较小时，顺序扫描全区域的时间较小，可只采取窄波束扫描模式。

自适应波束探测算法中混合模式的具体步骤如下：

(1)扫描模式下先使用宽波束顺序扫描整个子区域，通过对回波信号进行动目标检测(Moving Targets Detection，简称MTD)，检测有无动目标出现，如果有，则记录下目标的径向距离和速度信息，同时通过波束的码本信息确定目标的方位信息。全局扫描完后如果有目标出现则跟踪记录的目标进入跟踪模式，否则重复步骤(1)；

(2)根据步骤(1)中得到的目标信息，在目标周围设立矩形扫描窗。扫描窗的宽度跟目标的速度有关。当目标的方位向运动方向未知时，扫描窗选取径向运动方向对应的扫描窗口。通过对目标的多次跟踪，可以得到目标方位向的运动趋势，扫描窗选取方位向和径向运动方向对应的部分扫描窗口，选窗顺序为以记录目标为中心，逐渐向外选取；

(3)根据步骤(2)获得的扫描窗，使用窄波束依次对扫描窗的区域进行探测，如果探测到目标则重新在新发现的目标周围设立扫描窗，跳转到步骤(2)。如果所有扫描窗都探测完还是没有发现目标，则认为目标跟踪丢失，退回到步骤(1)的扫描模式。

(4)如果进入跟踪模式下的时间超过跟踪容忍时间，退回到步骤(1)的扫描模式。

不同危险敏感级别的探测子区域，使用不同的预警策略。危险敏感级别最高的子区域一旦检测到目标则根据目标的大小判断是否需要预警；危险敏感级别相对较低的子区域，根据多周期探测积累所获得的目标运动轨迹作出预警决策，当运动轨迹有向更高级别区域运动的趋势则预警。

本发明有益效果如下：

近距离的高危险级子区域采用高频段的窄波束，远距离的低危险级子区域采用低频段的宽波束，减少毫米波损耗，满足各个子区域的探测角度分辨率需求。

不同危险敏感级别的子区域使用不同的信号带宽，满足其探测距离分辨率要求，提高探测精度。

通过自适应波束跟踪扫描可根据探测需求合理的选择波束探测方案，可降低探测虚警率与漏检率，提高探测效率。

不同危险敏感级别的探测区域使用不同的预警策略，使得预警流程更加合理化，有效减少虚警率，仅预警会对系统安全产生较高威胁的目标。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举例本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例的系统网络架构的示意图；

图2是本发明实施例的铁路探测区域的示例图；

图3是本发明实施例的自适应波束探测方案中的混合波束的流程图；；

图4是本发明实施例的水平运动方向未知的扫描窗选取示例图；

图5是本发明实施例的水平运动方向已知的扫描窗选取示例图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了提高探测的精度、降低探测虚警率与漏检率、提高探测效率，本发明提供了一种毫米波波束赋形与探测方法，本发明实例将毫米波波束赋形方法实施于铁路沿线自然灾害和异物入侵探测，能够提高铁路沿线自然灾害与铁轨周围异物入侵的检测效率。

如图1所示，为本发明实施例的系统网络架构的示意图，为实现资源共享、减少建设成本，本探测雷达探测系统与铁路移动通信系统共站建设，其组成包括BBU(Building Base band Unit)池、交换结构、公网或专网授权频段RRU(Radio Remote Unit)与非授权毫米波频段RRU，RRU通过高速回传与交换结构连接，然后交换结构通过高速回传连接到BBU池。公网或专网授权频段RRU进行大范围覆盖，保障低容量通信数据的可靠传输；毫米波频段RRU布置天线阵，通过波束赋形技术实现定向波束覆盖。为提高通信与灾害探测的有效性，当有列车通过时，毫米波频段RRU与列车进行通信；没有列车通过时，进行波束扫描、环境监测。特别需要说明的是，根据实际应用场景，通信与探测也可以使用频分的方式同时全时段工作。

本发明提出的毫米波波束赋形方法在本实施例中主要应用在毫米波频段RRU基站上。RRU基站主要部署在需要重点监测的区域，以山区铁路沿线为实施例。如图2所示，为本发明实施例的探测区域示例。探测区域根据危险敏感程度和面积大小被分为3个部分。区1代表铁轨沿线区域，该区域面积不大，但却是重点监测的对象，本实施例中设定为高危险敏感区域；区2为有防护栏的边坡区域，该区域面积适中，但由于紧邻区1，设定为中度危险敏感区域；区3为山体表面，面积较大，且距离区1较远，设定为低危险敏感区域。RRU基站上的探测雷达天线阵同时产生3个波束对各个探测区域进行探测。

由于探测雷达安装于通信基站上，不能很好的做到天线之间的隔离，会导致同频回波信号的干扰，所以本发明中探测系统采用非许可证的毫米波频段，可以使用的带宽范围较大，如考虑到大气损耗及探测精度可选择19GHz附近频段，最大带宽1GHz。各个区域的扫描波束可以使用不同的频段，以达到各个探测区域的回波隔离的效果。探测雷达距离分辨率与带宽有关，带宽越大，距离分辨率越小。角度分辨率与频率有关，频率越高，角度分辨率越小。探测雷达距离分辨率和角度分辨率的值越小，对目标的分辨能力越强，更加有利于对目标的分辨与检测。根据毫米波的衰减特性，距离较近的区域使用较高频段，距离较远的区域使用较低频段，可有效减少路径损耗。

根据以上所述，对于区1，由于危险敏感级别为高，因此使用毫米波高频段的窄波束来得到最高的角度分辨率，此外，使用最大的信号带宽来得到最高的距离分辨率。设定探测信号中心频率为20GHz，带宽为1GHz。对于区2，由于危险敏感度为中等，探测分辨率需求居中，因此使用中间频段的较宽波束以及较大的信号带宽得到较好的分辨率。设定探测信号中心频率为19GHz，带宽为500MHz。对于区3，由于危险敏感级别为低，因此使用低频段的宽波束和较小的信号带宽得到较低的距离分辨率和角度分辨率。设定探测信号中心频率为18GHz，带宽为200MHz。该方案很好的将毫米波衰减特性与探测精度等需求相结合，可在一定程度上减少传输损耗，减少预警系统的复杂度。

本发明提出了自适应波束探测算法，对于不同的探测子区域，根据其危险级别的探测需求和区域面积的大小选择对应的波束扫描方式，既可以满足危险敏感级别要求的分辨率要求，又可以解决波束宽度与扫描时间的折中问题，同时还可大大提高波束的扫描利用效率。

(1)对于区1，由于危险敏感级别较高，需要准确获取目标的位置信息。此外，区1面积相对较小，顺序扫描区1的全部区域时间较短，所以采用扫描模式，并且采用窄波束；

(2)对于区2，危险敏感级别为中等，面积相对区1较大，只使用窄波束跟踪扫描完时间较长，容易产生漏检。只使用宽波束跟踪扫描时，扫描时间较短，但是角度分辨率较大，不利于实时对目标进行跟踪。因此自适应波束探测算法可使用混合模式，即先扫描模式后跟踪模式。扫描模式下使用宽波束，主要用于快速发现目标，跟踪模式下使用窄波束；

(3)对于区3，由于距离核心探测区较远，分辨率要求较低，因此自适应波束探测算法在该区域可只使用扫描模式，波束采用宽波束，可以快速扫描完整个区域，快速发现目标，减少漏检的发生。

下面以区2为例重点介绍下自适应波束探测算法的混合模式，如图3，具体步骤如下：

(1)扫描模式下先使用宽波束顺序扫描区2，通过对回波信号进行动目标检测(Moving Targets Detection，简称MTD)，检测有无动目标出现，如果有则记录下目标的径向距离和速度信息，同时通过波束的码本信息确定目标的方位信息。全局扫描完后如果有目标出现则跟踪记录的目标进入跟踪模式，否则重复步骤(1)；

(2)根据步骤(1)中得到的目标信息，在目标周围设立矩形扫描窗。扫描窗的宽度与目标的速度成正比。当目标径向向下运动，水平运动方向未知时，如图4所示，此时参考窗只需要选取下半区域，选窗的顺序为图中数字的顺序。当水平运动方向已知，如图5，目标向右下角运动，此时选窗范围还可以进一步缩小，选窗的顺序为图中数字的顺序；

(3)根据步骤(2)获得的扫描窗，使用窄波束依次对扫描窗的区域进行探测，如果探测到目标则重新在新发现的目标周围设立扫描窗，跳转到步骤(2)。如果所有扫描窗都探测完还是没有发现目标，则认为目标跟踪丢失，退回到步骤(1)的扫描模式。

(4)如果进入跟踪模式下的时间超过跟踪容忍时间，退回到步骤(1)的扫描模式。

本发明同时提出了一种针对不同危险敏感级别探测区域的预警策略，不同危险敏感级别的探测子区域，使用相应的预警策略。在本发明实施例中，区1一旦检测到目标则通过C-RAN(Centralized-Radio Access Networks)网络架构向控制中心以及即将到来的列车发送预警信息；区2、区3主要是用于探测目标运动趋势，只有目标向铁轨方向运动才会具有威胁性，因而区2、区3根据所获得的目标运动轨迹作出预警决策，运动轨迹有向更高级别区域运动的趋势则发出预警。

采用本发明的基本方案，在实际实施时，可以衍生出多种不同的等同产品，但凡是根据发明的技术方案及其发明构思，加以等同替换与改变，均被认为属于发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种毫米波波束赋形与探测方法，在较大范围高危地段提供长期监测及自动预警，通过波束赋形实现定向波束覆盖，包括如下的技术手段：

将整个监测区域划分成多个属于不同危险敏感级别的探测子区域，探测雷达天线阵采用分频技术同时产生N个波束对每个子区域进行独立探测；危险敏感级别越高的子区域使用越高的毫米波频段，越高的信号带宽和越窄的波束；此外，依子区域不同的危险敏感级别，采用自适应波束探测算法提供相应的波束扫描方式以满足各子区域对于探测精度和实时性的不同要求；

所述自适应波束探测算法有两种基本模式：扫描模式和跟踪模式；扫描模式下，使用波束进行全区域的顺序扫描；跟踪模式下，主要用波束在扫描模式中发现的目标的周围扫描，如果扫描模式中发现多个目标，则跟踪模式中采用分时的方式跟踪多个目标；且：

（1）波束处于跟踪模式下的时间以预先设定的跟踪容忍时间为度，超过跟踪容忍时间后即切换到扫描模式；

（2）对于危险敏感级别较低的区域，只采取宽波束扫描模式；

（3）对于危险敏感级别较高的区域，既要保证实时性又要考虑分辨率要求，因此自适应波束探测算法可使用混合模式，即先扫描模式后跟踪模式；

（4）对于危险敏感级别特别高的区域，只采取窄波束扫描模式。

2.根据权利要求1所述的毫米波波束赋形与探测方法，其特征在于，所述自适应波束探测算法中混合模式的具体步骤如下：

（1）扫描模式下先使用宽波束顺序扫描整个子区域，通过对回波信号进行动目标检测MTD，检测有无动目标出现，如果有则记录下目标的径向距离和速度信息，同时通过波束的码本信息确定目标的方位信息；全局扫描完后如果有目标出现则跟踪记录的目标进入跟踪模式，否则重复步骤（1）；

（2）根据步骤（1）中得到的目标信息，在目标周围设立矩形扫描窗；扫描窗宽度与目标的速度相关，当目标的方位向运动方向未知时，扫描窗选取径向运动方向对应的扫描窗口；通过对目标的多次跟踪，得到目标方位向的运动趋势，扫描窗选取方位向和径向运动方向对应的部分扫描窗口，选窗顺序以记录目标为中心，逐渐向外选取；

（3）根据步骤（2）获得的扫描窗，使用窄波束依次对扫描窗的区域进行探测，如果探测到目标，则重新在新发现的目标周围设立扫描窗，跳转到步骤（2）；如果所有扫描窗都探测完还是没有发现目标，则认为目标跟踪丢失，退回到步骤（1）的扫描模式；

（4）如果进入跟踪模式下的时间超过跟踪容忍时间，退回到步骤（2）的扫描模式。

3.根据权利要求1所述的毫米波波束赋形与探测方法，其特征在于，对所述不同危险敏感级别的探测子区域，使用不同的预警策略，所述预警策略具体包括：

危险敏感级别最高的子区域一旦检测到目标则根据目标的大小判断是否需要预警；危险敏感级别相对较低的子区域，根据多周期探测积累所获得的目标运动轨迹作出预警决策，当运动轨迹有向更高级别区域运动的趋势则预警。