CN106291539A - 一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统及方法，包括：相控阵雷达，用于将所检测的区域的运动目标的参数并上报至监控终端；监控终端，用于根据上报的信息判断是否有运动目标出现在设定的防区范围内，并将判断信息传输至雷达监控主机，雷达监控主机与监控平台通信；监控平台，用于对整个监控区域下监控终端的防区范围的进行设置；监控终端针对上报的信息采用定位滤波算法对运动目标进行识别定位并将定位信息依次传输至雷达监控主机及监控平台。可以对设定的有效监视区域内的目标进行动态监测，同时通过监控目标的确定和滤除算法，可以识别有效的目标，去除干扰和无效目标。有效的减少了误报警。

Description

一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统及方法

技术领域

本发明涉及监狱、安防等监控领域，具体涉及一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统及方法。

背景技术

监狱、看守所一直以来都是安全防范的重点部门。随着科技的发展及信息技术的普及，这些单位的安防措施也在不断升级和优化。从早期单一的监控报警系统，一直到现在的数字化、网络化综合安防系统。新型安防系统的建设进入了一个新的阶段，安防的智能化、自动化、网络化、信息化和集成化已成为必然的趋势。监狱报警系统通过对监狱围墙、隔离带区域进行严密的监控，杜绝越狱事件的发生。传统物理周界系统是由围墙、刀刺滚笼、隔离网、高压电网等手段，配以武警24小时岗哨，基本满足监狱的要求。但随着一些恶性越狱事件的发生，对社会造成极其恶劣的影响，监狱安防系统的升级势在必行，电子周界报警系统应运而生。

目前的电子周界系统主要采用红外对射、震动电缆、泄露电缆、微波对射等手段，不仅受周围环境、天气和电磁干扰影响，而且识别性能差、误报多且漏洞较多，易被犯人利用及突破。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统及方法，应用于监狱的周界识别。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统，包括：

相控阵雷达，用于将所检测的区域的运动目标的参数并上报至监控终端；

监控终端，用于根据上报的信息判断是否有运动目标出现在设定的防区范围内，并将判断信息传输至雷达监控主机，雷达监控主机与监控平台通信；

监控平台，用于对整个监控区域下监控终端的防区范围的进行设置；

监控终端针对上报的信息采用定位滤波算法对运动目标进行识别定位并将定位信息依次传输至雷达监控主机及监控平台。

进一步的，所述监控平台与雷达监控主机通过以太网方式连接，通过监控平台进行设置防区范围，并且将设置的防区范围信息下发给雷达监控主机，雷达监控主机再将信息下发给监测终端，监测终端对配置的防区范围信息进行保存。

进一步的，所述监控平台进行设置防区范围时使用多边形防区规划方式进行设置。

进一步的，所述雷达监控主机与监控终端连接，通过电缆给监控终端供电。

进一步的，所述雷达监控主机和监控终端采用的通信方式为CAN总线方式、以太网方式或光纤环网方式，通过更换不同的通信转换器实现监控主机和监控终端之间的连接。

进一步的，所述监控终端与相控阵雷达通过RS232串口连接，进行通信信息的交互。监控终端与雷达监控主机电源和通信接口处配置相应的防雷击保护单元。

一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别方法，包括以下步骤：

当相控阵雷达监控规划的防区范围内出现运动目标时，相控阵雷达将监控数据传给监控终端；

监控终端进行判断：当目标回波功率在设定范围内且同时在防区范围内时，认为该运动目标为有效目标；

监控终端开启窗口模式，进入预警状态；

根据监控平台设定的告警时间，在规定时间内，窗口数据不满，则清窗，回到初始状态，重新监测运动目标；

相控阵雷达继续在规划的防区范围内监视运动目标，监控终端继续进行判断，当目标回波功率在设定范围内且同时在防区范围内时，认为该运动目标为有效目标；

当再次出现运动目标以后，目标的位置坐标数据在以上一个目标点的坐标位置为圆心，时间*K为半径的范围内时，确定为监控目标，加入窗口；时间指的是两侧上报的目标时间间隔；

在规定时间内，当窗口数据满时，监控终端进入告警状态，现场联动语音和灯光告警。

进一步的，所述监控终端判断在防区范围内利用改进弧长法确定目标点是否在设定的多边形防区范围内。

进一步的，所述改进弧长法要求多边形是有向多边形，即规定沿多边形的正向，边的左侧为多边形的内域，以被测点为圆心，作单位圆，将全部有向边向单位圆作径向投影，并计算其在单位圆上弧长的代数和，代数和为0，目标点在多边形外部；代数和为2π，目标点在多边形内部；代数和为π，目标点在多边形边上。

进一步的，将设定的多边形的坐标原点平移到被测目标点P[i]，新坐标系将平面划分为4个象限，对每个多边形顶点，只考虑其所在的象限，然后按邻接顺序访问多边形的各个顶点，分析P[i]和P[i+1]，其中，P[i+1]表示P[i]的下一个顶点，有下列三种情况：

(1)P[i+1]在P[i]的下一象限，此时弧长和加π/2；

(2)P[i+1]在P[i]的上一象限，此时弧长和减π/2；

(3)P[i+1]在P[i]的相对象限，首先计算f＝y[i+1]*x[i]-x[i+1]*y[i](叉积)，若f＝0，则点在多边形上；若f<0，弧长和减π；若f>0，弧长和加π，x[i]和y[i]表示P[i]的坐标，同理，x[i+1]y[i+1]是P[i+1]的坐标。

弧长和为2π时，目标点在多边形内部；0时，目标点在多边形外部，π时，目标点在多边形上。

进一步的，计算出弧长和，结合相控阵雷达所能检测的区域为左右30°，上下20°的扇型区域，确定出目标点是否在相控雷达设定的监视区域范围内。

进一步的，所述监控目标的确定采用滑动窗口的方式，窗口大小利用监控平台设定的告警确认次数进行调节，窗口大小与告警确认次数相同，告警确认次数表示需要检测到监控目标次数后才进行告警。

进一步的，当监控终端的窗口数据进入告警状态以后，同时满足回波功率范围并且在设定目标防区范围的有效数据，均上传至监控平台，由监控平台进行目标融合处理。

进一步的，目标融合处理，是指监控平台融合多个相控阵雷达上报的重合的区域，防止一个目标展示为多个目标，记录并更新告警时间。

在监控终端的防区范围内的固定障碍物设定一个圆形区域，在监控时，对此区域的目标进行滤除，不作为有效目标。

本发明的有益效果：

通过本发明的实施，可以对设定的有效监视区域内的目标进行动态监测，同时通过监控目标的确定和滤除算法，可以识别有效的目标，去除干扰和无效目标。有效的减少了误报警。

应用于监狱的周界识别，对监狱围墙、隔离带区域进行严密的监控，杜绝越狱事件的发生。

本发明所用相控阵雷达具有体积小、重量轻、可靠性高、价格便宜以及无距离盲区、无速度盲点、高距离分辨力、良好的抗干扰性能等优点。系统稳定性和可靠性更高，提高了监狱的监控安全性。

附图说明

图1本本发明系统示意图；

图2位本发明监控区域示意图；

图3为本发明目标识别及其滤波流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种相控雷达目标识别系统包括监控平台，雷达监控主机，监测终端以及与监控终端连接的相控阵雷达。本系统可以包含多个雷达监控主机，每台监控主机可以挂载多个监控终端，各个监控终端之间的防区可以根据需求灵活配置，从而形成全面完整的监控区域。

监控平台与雷达监控主机通过以太网方式连接，工作人员通过监控平台可以进行防区设置，并且将防区设置的信息下发给监控主机，监控主机再将信息下发给监测终端，监测终端对防区配置信息进行保存。监控平台可以根据用户需求实现地图展示、目标展示、联动报警、目标排查、数据记录、目标轨迹展示、防区规划、目标融合、目标跟踪等功能。

雷达监控主机与监控终端连接，通过电缆给监控终端供电。监控主机和监控终端可以采用多种通信方式，一种为CAN总线方式，一种为以太网方式，一种为光纤环网方式，通过更换不同的通信转换器实现监控主机和监控终端之间的连接。

监控终端与相控阵雷达通过RS232串口连接，进行通信信息的交互。监控终端与监控主机电源和通信接口处配置相应的防雷击保护单元，以适应室外安装环境，保证系统运行可靠稳定。

相控阵雷达采用微带相控阵天线设计，FMCW体制，无需机械运动部件，实时扫描监控区域。水平角度30度，垂直角度20度，半径80米范围，最多追踪32个目标。

相控雷达定时将检测到的运动目标的位置、速度、回波功率等参数通过RS232串口上报至监测终端，监测终端根据上报的信息进行判断，确定是否有目标出现在防区范围，如果防区内有目标出现，进行告警处理。为滤除小目标、闪烁目标等干扰，检测终端需要对雷达上报的进行分析处理，最终对目标进行识别定位。

监控终端之间的负责的防区范围存在重复的位置，重复的部分由监控平台根据各个相控阵雷达上报的位置以及相对位置关系进行融合。

监测终端识别定位的具体的过程为：

步骤1：雷达监控的防区规划；

步骤2：监控目标确定及滤除算法；

步骤3：监控区域目标滤除以及小目标过滤；

所述步骤1，如图2所示，相控阵雷达所能检测的区域为左右30°，上下20°的锥型区域，现场使用时往往需要确定监测范围。本系统使用平面的多边形防区规划方式，由监控平台设定防区位置后，下发至监控终端。相控阵雷达的检测范围是四棱锥形，但是相控阵雷达在上报时采用的是基于平面扇型区域的坐标。

监控终端得到雷达上报的目标后，利用改进弧长法确定目标点是否在多边型防区范围内。

改进弧长法要求多边形是有向多边形，即规定沿多边形的正向，边的左侧为多边形的内域。以被测点为圆心，作单位圆，将全部有向边向单位圆作径向投影，并计算其在单位圆上弧长的代数和。代数和为0，点在多边形外部；代数和为2π，点在多边形内部；代数和为π，点在多边形边上。改进弧长法用于判断一个点是否在设定的多边形防区内。

将设定的多边形的坐标原点平移到被测目标点P[i]，新坐标系将平面划分为4个象限，对每个多边形顶点，只考虑其所在的象限，然后按邻接顺序访问多边形的各个顶点，分析P[i]和P[i+1]，其中，P[i+1]表示P[i]的下一个顶点，有下列三种情况：

(1)P[i+1]在P[i]的下一象限，此时弧长和加π/2；

(2)P[i+1]在P[i]的上一象限，此时弧长和减π/2；

(3)P[i+1]在P[i]的相对象限，首先计算f＝y[i+1]*x[i]-x[i+1]*y[i](叉积)，若f＝0，则点在多边形上；若f<0，弧长和减π；若f>0，弧长和加π，x[i]和y[i]表示P[i]的坐标，同理，x[i+1]y[i+1]是P[i+1]的坐标。

弧长和为2π时，目标点在多边形内部；0时，目标点在多边形外部，π时，目标点在多边形上。

根据以上方法计算出弧长和，结合相控雷达所能检测的区域为左右30°，上下20°的扇型区域，就可以确定出目标点是否在相控雷达设定的监视区域范围内。

步骤2，监控目标的确定采用滑动窗口的方式，窗口大小利用监控平台设定的告警确认次数进行调节，窗口大小与告警确认次数相同。告警确认次数表示需要检测到设定目标次数后才进行告警。此处的滑动窗口指的是软件实现的浮动的缓存。

滑动窗口的方式是指，当有雷达监控规划的防区内出现目标，且目标回波功率在设定范围内，监控终端开启窗口模式，进入预警状态。

回波功率指的是目标在雷达监测下的类似于反射指标。其大小反应了目标对雷达发射波信号后，目标反射信号强度的大小，常用与目标大小判断。

相控雷达继续在规划的防区内监视目标，当再次出现目标以后，目标的位置坐标数据以上一个目标点的坐标位置为圆心，时间*K为半径的范围内时，加入窗口。这里用一个K作为系数，原因为目标距离雷达越远时，位置误差越大，因此，需要一个与目标距离雷达的距离相关的动态系数K，此系数由监控平台设定。突然闪烁的目标，不会满足此要求，此处对突然闪烁的目标进行滤除。时间指的是两侧上报的目标时间间隔。如果目标在检测范围内时，200ms上报一次目标。如果其中一次为检测到时，时间取400ms。两次未检测到时，取600，依次类推。

根据系统设定的告警时间，例如：1S内，当窗口数据满时，也即是符合要求的目标数达到设定要求，也就是到达监控平台给监控终端设定的告警确认次数时，监控终端进入告警状态，现场联动语音和灯光告警。当时间到，但是窗口数据不满，则清窗。

当监控终端的窗口数据进入告警状态以后，同时满足回波功率范围并且在设定目标防区的有效数据，均上传至监控平台，由监控平台进行目标融合处理。

所谓目标融合处理，是指监控平台融合多个雷达上报的重合的区域，监控平台根据雷达的坐标关系，确认两个雷达上报的目标是否是同一个目标，从而进行融合处理，同时又防止一个目标展示为多个目标，记录并更新告警时间。

例如：告警时间设定为20S，窗口为2。

告警时间剩余15s时，如果新进入一个目标，此时由于处在非常态，直接将告警时间延长是20S。

由于雷达给出的速度并不精确，并且，目标距离雷达越远时，目标位置误差越大。

K初定按照k＝0.4y+10计算，y为纵向距离，单位为米，通过(0,10)及(100,50)两个点计算得到，距离雷达越远时，y越大，则K越大，应用于滤波算法时，应给与更大的模糊范围。(0,10)及(100,50)这两个坐标的获取：根据0米200ms坐标误差2米(k*0.2＝2)，100米200ms误差10米(k*0.2＝10)得到0.4和10两个系数。误差范围根据雷达时间测试得到，并留有余量。

步骤3，如果在防区内，有小树等固定障碍物，在风力的作用下它也会晃动引起雷达上报监控数据给监控终端，这就需要再布设雷达的时候，提前了解所监控区域的固定障碍物，针对固定障碍物设定一个圆形区域，在监控时，对此区域的目标进行滤除，不作为有效目标。

同时，雷达上报的目标数据中，当目标的回波功率小于监控平台的设定值时，监控终端可以将其滤除，不做上报。

如图3所示，本申请的系统工作时的目标识别及滤波流程如下：

步骤1：当有相控阵雷达监控规划的防区内出现目标，相控阵雷达将监控数据传给监控终端；

步骤2：监控终端进行判断，当目标回波功率在设定范围内且的防区内，认为为有效目标

步骤3：监控终端开启窗口模式，进入预警状态。

步骤4：根据系统设定的告警时间，在规定时间内，窗口数据不满，则清窗。回到初始状态，重新监测目标。

步骤5：相控阵雷达继续在规划的防区内监视目标，监控终端进行判断，当目标回波功率在设定范围内且的防区内，认为为有效目标

步骤6：当再次出现目标以后，目标的位置坐标数据以上一个目标点的坐标位置为圆心，时间*K为半径的范围内时，加入窗口。

步骤7：在规定时间内，当窗口数据满时，监控终端进入告警状态，现场联动语音和灯光告警。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统，其特征是，包括：

相控阵雷达，用于将所检测的区域的运动目标的参数并上报至监控终端；

监控终端，用于根据上报的信息判断是否有运动目标出现在设定的防区范围内，并将判断信息传输至雷达监控主机，雷达监控主机与监控平台通信；

监控平台，用于对整个监控区域下监控终端的防区范围的进行设置；

监控终端针对上报的信息采用定位滤波算法对运动目标进行识别定位并将定位信息依次传输至雷达监控主机及监控平台。

2.如权利要求1所述的一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统，其特征是，所述监控平台与雷达监控主机通过以太网方式连接，通过监控平台进行设置防区范围，并且将设置的防区范围信息下发给雷达监控主机，雷达监控主机再将信息下发给监测终端，监测终端对配置的防区范围信息进行保存。

3.如权利要求1或2所述的一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统，其特征是，所述监控平台进行设置防区范围时使用多边形防区规划方式进行设置。

4.根据权利要求1所述的一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统的识别方法，其特征是，包括以下步骤：

当相控阵雷达监控规划的防区范围内出现运动目标时，相控阵雷达将监控数据传给监控终端；

监控终端进行判断：当目标回波功率在设定范围内且同时在防区范围内时，认为该运动目标为有效目标；

监控终端开启窗口模式，进入预警状态；

根据监控平台设定的告警时间，在规定时间内，窗口数据不满，则清窗，回到初始状态，重新监测运动目标；

相控阵雷达继续在规划的防区范围内监视运动目标，监控终端继续进行判断，当目标回波功率在设定范围内且同时在防区范围内时，认为该运动目标为有效目标；

当再次出现运动目标以后，目标的位置坐标数据在以上一个目标点的坐标位置为圆心，时间*K为半径的范围内时，确定为监控目标，加入窗口；时间指的是两侧上报的目标时间间隔；

在规定时间内，当窗口数据满时，监控终端进入告警状态，现场联动语音和灯光告警。

5.如权利要求4所述的一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统的识别方法，其特征是，所述监控终端判断在防区范围内利用改进弧长法确定目标点是否在设定的多边形防区范围内。

6.如权利要求5所述的一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统的识别方法，其特征是，所述改进弧长法要求多边形是有向多边形，即规定沿多边形的正向，边的左侧为多边形的内域，以被测点为圆心，作单位圆，将全部有向边向单位圆作径向投影，并计算其在单位圆上弧长的代数和，代数和为0，目标点在多边形外部；代数和为2π，目标点在多边形内部；代数和为π，目标点在多边形边上。

7.如权利要求6所述的一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统的识别方法，其特征是，将设定的多边形的坐标原点平移到被测目标点P[i]，新坐标系将平面划分为4个象限，对每个多边形顶点，只考虑其所在的象限，然后按邻接顺序访问多边形的各个顶点，分析P[i]和P[i+1]，其中，P[i+1]表示P[i]的下一个顶点，有下列三种情况：

(1)P[i+1]在P[i]的下一象限，此时弧长和加π/2；

(2)P[i+1]在P[i]的上一象限，此时弧长和减π/2；

(3)P[i+1]在P[i]的相对象限，首先计算f＝y[i+1]*x[i]-x[i+1]*y[i]，若f＝0，则点在多边形上；若f<0，弧长和减π；若f>0，弧长和加π，x[i]和y[i]表示P[i]的坐标，同理，x[i+1]y[i+1]是P[i+1]的坐标；

弧长和为2π时，目标点在多边形内部；0时，目标点在多边形外部，π时，目标点在多边形上。

8.如权利要求7所述的一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统的识别方法，其特征是，计算出弧长和，结合相控阵雷达所能检测的区域为左右30°，上下20°的扇型区域，确定出目标点是否在相控雷达设定的监视区域范围内。

9.如权利要求4所述的一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统的识别方法，其特征是，所述监控目标的确定采用滑动窗口的方式，窗口大小利用监控平台设定的告警确认次数进行调节，窗口大小与告警确认次数相同，告警确认次数表示需要检测到监控目标次数后才进行告警。

10.如权利要求9所述的一种基于定位滤波算法的相控阵雷达目标识别系统的识别方法，其特征是，当监控终端的窗口数据进入告警状态以后，同时满足回波功率范围并且在设定目标防区范围的有效数据，均上传至监控平台，由监控平台进行目标融合处理；

目标融合处理，是指监控平台融合多个相控阵雷达上报的重合的区域，防止一个目标展示为多个目标，记录并更新告警时间。