CN109521423A - 一种区域安防雷达及安防区域自动设定方法 - Google Patents

一种区域安防雷达及安防区域自动设定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种区域安防雷达及安防区域自动设定方法。其中，区域安防雷达包括雷达控制器以及雷达传感器；雷达控制器包括控制电路板和触控显示屏；雷达传感器包括雷达罩、射频电路板、射频屏蔽罩、信号处理电路板以及传感器壳体；控制电路板通过线缆与触控显示屏相连；射频电路板、射频屏蔽罩和信号处理电路板位于由雷达罩和传感器壳体形成的内部空间；射频电路板安装于射频屏蔽罩上，且通过线缆与信号处理电路板连接；射频电路板上设有发射天线和接收天线；控制电路板通过电缆线与信号处理电路板连接。本发明可以对区域实施安防监控，且可实时、精确的提供目标的距离和方位信息。

Description

一种区域安防雷达及安防区域自动设定方法
技术领域
本发明涉及一种区域安防雷达、以及基于所述区域安防雷达的安防区域自动设定方法。
背景技术
常见的安防系统，诸如物理围墙围栏、红外对射产品以及电子围栏和视频监控等，均存在着各种防范的缺陷，或者受限于原理本身，仅仅只能形成一条警戒线；或者受天气影响在恶劣天气(雨、雪、雾、大风)下产品性能大幅度下降；或者受光线影响，在白天或晚上的安防效果有着较大差别，从而出现误报漏报，且无法准确提供目标的距离角度信息。
另外，在雷达或其他监控系统得到目标坐标后，需要判断目标是否在警戒区内，因此需要对警戒区的边界进行设定，诸如加油站油罐区的警戒区一般都为四边形。目前对于警戒区的边界多采用实地测量，费时费力，而复杂的智能算法往往需要比较多的内存和计算资源，往往需要计算机或者云计算，而云计算又涉及到网络通信，增加了系统的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种区域安防雷达，以便对区域实施安防监控，且当有目标进入监控区域时，可实时、精确的提供目标的距离和方位信息。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种区域安防雷达，包括雷达控制器以及雷达传感器；
其中，雷达控制器包括控制电路板和触控显示屏；
雷达传感器包括雷达罩、射频电路板、射频屏蔽罩、信号处理电路板以及传感器壳体；
控制电路板通过线缆与触控显示屏相连；
射频电路板、射频屏蔽罩和信号处理电路板位于由雷达罩和传感器壳体形成的内部空间；
射频电路板安装于射频屏蔽罩上，且通过线缆与信号处理电路板连接；
射频电路板上设有发射天线和接收天线；
控制电路板通过电缆线与信号处理电路板连接。
优选地，区域安防雷达还包括声光报警器，声光报警器安装于传感器壳体的外侧；
控制电路板通过电缆线与声光报警器相连。
优选地，射频电路板上的发射天线有一个，且接收天线有三个；其中，
发射天线和接收天线均采用平面微带阵列天线。
优选地，发射天线与接收天线均为并列布置，且三个接收天线均位于发射天线的同侧；
按照距离发射天线由近及远的顺序，设三个接收天线依次为：
第一接收天线、第二接收天线以及第三接收天线；
定义λ为一个波长，则：
第一接收天线与第二接收天线距离为λ；第二接收天线与第三接收天线距离为1.5λ。
优选地，雷达罩内侧设有密封圈。
优选地，射频屏蔽罩上分别对应发射天线和接收天线设有一个射频屏蔽腔；
在每个射频屏蔽腔内均安装有吸波材料。
优选地，控制电路板采用STM32单片机电路板，信号处理电路板采用DSP电路板。
优选地，雷达控制器还包括控制器壳体，在控制器壳体上设有显示屏安装口以及出线孔；
控制电路板安装于控制器壳体的内侧，触控显示屏安装于显示屏安装口上；
由控制电路板引出的电缆线经由出线孔穿出控制器壳体。
此外，本发明还提出了一种安防区域自动设定方法，该方法基于上述的区域安防雷达，以便根据工作人员的行走轨迹自动设定安防区域。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种安防区域自动设定方法，包括如下步骤：
s1.首先计算十组短轨迹，对区域安防雷达检测到的目标点进行实时跟踪；
s2.然后从短轨迹的目标点中选出三组中轨迹；
s3.接着从三组中轨迹的目标点中选出一组长轨迹；
s4.在长轨迹中找到形成闭合区域的目标点，然后将这些目标点分成四组，对每组进行直线拟合得到直线，各条直线的交点即安防区域的顶点，从而拟合得到安防区域。
本发明具有如下优点：
本发明提供了一种可实时、精确的提供目标的距离和方位信息的区域安防雷达，以解决现有安防产品存在的受环境影响的问题，实现了区域监控，避免漏报。本发明还提供了一种安防区域自动设定方法，不需要占用过多的计算和内存资源，在区域安防雷达的基础上实现自动捕捉轨迹，自动筛选出有效点，根据工作人员的行走轨迹自动绘制安防区域。
附图说明
图1为本发明实施例1中雷达控制器的结构示意图。
图2为本发明实施例1中雷达传感器的结构示意图。
图3为本发明实施例1中雷达传感器的分解图。
图4为本发明实施例1中区域安防雷达的结构原理见图。
图5为本发明实施例1中区域安防雷达的流程简图。
图6为本发明实施例1中微带单元的结构示意图。
图7为本发明实施例2中人的行为轨迹的示意图。
图8为本发明实施例2中短轨迹的示意图。
图9为本发明实施例2中中轨迹的示意图。
图10为本发明实施例2中捕捉到的真实的人行走的轨迹的示意图。
图11为本发明实施例2中确定围绕安防区一圈的点的示意图。
图12为确定图11中离中心最远的两个点A、B的示意图。
图13为确定图12中距离A、B点的连线最远的两个点C、D的示意图。
图14为根据图13得到的点拟合成直线的示意图。
图15为本发明实施例2中安防区域自动设定方法的流程示意图。
图16为本发明实施例2中短轨迹获取的流程示意图。
图17为本发明实施例2中中轨迹和长轨迹获取的流程示意图。
图18为本发明实施例2中确定安防区域的流程示意图。
其中，1-雷达控制器，2-雷达传感器，3-声光报警器，4-控制器壳体，5-触摸显示屏，6-显示屏安装口，7-雷达罩，8-射频电路板；
9-射频屏蔽罩，10-信号处理电路板，11-传感器壳体，12-螺栓，13-发射天线，14-接收天线，15-中频放大器，16-导体单元，17-介质基片，18-接地板。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1
本实施例1述及了一种区域安防雷达，该安防雷达适用但不局限于加油站罐区的安防。
如图1至图3所示，区域安防雷达包括雷达控制器1、雷达传感器2以及声光报警器3。
雷达控制器1包括控制器壳体4、供电电路板(未示出)、控制电路板(未示出)以及触摸显示屏5。其中，供电电路板和控制电路板均位于控制器壳体4的内侧。
供电电路板和控制电路板例如可以通过螺栓固定于控制器壳体4上。
控制电路板通过线缆与触摸显示屏5相连，以便实现人机交互。其中，在触摸显示屏5上显示的信息至少包括雷达系统的调试设置以及界面显示。
此外，在控制器壳体4上设有显示屏安装口6以及出线孔(未示出)。
其中，触控显示屏5安装于显示屏安装口6上(安装口的各个边角位置可以设置密封圈，以保证触控显示屏5与显示屏安装口6的贴合紧密性)。
由控制电路板引出的电缆线经由出线孔穿出控制器壳体4。
此外，在雷达控制器1上还预留有接口，以实现信号与其他设备联锁控制或功能扩展。
本实施例1中的控制电路板优选采用STM32单片机电路板。
如图2和图3所示，雷达传感器2包括雷达罩7、射频电路板8、射频屏蔽罩9、信号处理电路板10以及传感器壳体11。其中，
雷达罩7例如可以通过螺栓12与传感器壳体11安装到一起。
在雷达罩7与传感器壳体11之间形成内部空间。
射频电路板8、射频屏蔽罩9和信号处理电路板10均位于上述内部空间。
射频电路板8安装于射频屏蔽罩9上，且通过线缆与信号处理电路板10连接。具体的，射频电路板8可以通过带有PIN接插座的线缆连接于信号处理电路板10上。
射频电路板8上设有发射天线13和接收天线14。
发射天线13发射射频信号，射频信号遇到物体反射，接收天线14接收返回的射频信号。
此外，在射频电路板8上还设有中频放大器15等部件。
返回的射频信号经过中频放大器15放大后由信号处理电路板10进行处理，从而得到目标的距离和方位角度信息。至于雷达的原理在下面介绍。
控制电路板通过电缆线与信号处理电路板10连接，实现供电和信号传输功能。
本实施例1中的信号处理电路板10例如可以采用DSP电路板。
本实施例1中的声光报警器3可以通过螺栓安装于传感器壳体11的外侧。
控制电路板通过电缆线与声光报警器3相连。
雷达控制器1作为FMCW雷达系统人机交互的窗口，包括设备的调试以及目标距离和方位信息的显示和声光报警。
雷达传感器2的工作状态“正常”“报警”“故障”都在控制器端显示。
当雷达传感器2与雷达控制器1通过电缆线正确连接后，在触摸显示屏5上显示“正常”状态指示，在此状态下进行雷达传感器2对应的设置以及系统的其他功能设置。
当设置完成后出现报警，触摸显示屏5切换到“报警”状态指示，同时发出语音报警。
当雷达传感器2与雷达控制器1正确连接时，雷达传感器2供电正常。
发射天线13发射射频信号，射频信号遇到物体反射，接收天线14接收到返回的射频信号，信号放大后由信号处理电路板10处理，获得目标的距离和方位角度信息。
雷达传感器2与雷达控制器1通讯，实现相应的功能，包括报警和信号输出等。
本实施例解决了现有安防产品存在的受环境影响的问题，实现了区域监控，避免漏报。
如图4所示，射频电路板上的发射天线13有一个，接收天线14有三个。
射频信号经发射天线13发射到空间中去，当遇到目标后，信号被反射，信号被接收天线14接收到，经混频后再经过放大进入信号处理电路板10。
信号处理电路板10对接收到的信号进行一系列处理后，解析出信号中所包含的目标距离、角度等信息，供后续处理使用(将这些信息发送给控制电路板)。
如图5所示，雷达信号的大致处理流程为：
接收到的雷达回波信号，经过放大后进入信号处理电路板10，在信号处理电路板10内经傅里叶变换以及自适应对消后，经过运算，解析出信号中包含的目标的距离和角度信息。
本实施例通过上述雷达信号处理流程，可实时精确获得目标的距离和方位角度信息。
其中，发射天线13和接收天线14均采用平面微带阵列天线。
其中，每个平面微带阵列天线均由多个微带单元组成，微带单元的结构如图6所示。
如图6所示，每个微带单元均包括导体单元16(包含馈线)、介质基片17和接地板18。
其中，微带单元以及平面微带阵列天线的结构均为已知结构，此处仅仅简要说明。
发射天线13与接收天线14均为并列布置，且三个接收天线均位于发射天线的同侧。
此处并列布置，是指发射天线13与接收天线14在射频电路板8上并列布置。
按照距离发射天线13由近及远的顺序，设三个接收天线14依次为：
第一接收天线a、第二接收天线b以及第三接收天线c。
本实施例通过上述一发射天线、三接收天线的结构形式，一方面可以解析出信号中包含的目标的距离和角度信息，同时还可以解决现有天线测角的去模糊问题。
下面对本实施例1解决现有天线测角的去模糊的原理进行详细说明：
现行比较有效的办法是利用三天线测角，即间距大的第一接收天线a、第三接收天线c天线用来得到高精度测量，而间距小的第一接收天线a、第二接收天线b用来解决多值性。
设目标在θ方向，λ为一个波长，第一接收天线a、第二接收天线b之间的距离为dab，第一接收天线a、第三接收天线c之间的距离为dac。
适当选择dab，使得天线a、b收到的信号之间的相位差在测角范围内均满足：
然而当测量目标之间差异过大(例如大型车辆和行人)，那么在天线6db角外的大型车辆回波强度会大于6db角度之内的行人，在这种情况下，dab需要小于λ/2。
而两个接收天线之间的距离限制在λ/2，则会影响到每个接收天线的阵列大小，此时，接收天线只能是单列天线，如此天线增益不够，影响到探测距离。
为了解决去模糊要求接收天线之间距离足够小同天线阵列大小要求接收天线之间的距离足够大的矛盾，本实施例设置三个接收天线的距离分别为dab＝λ，dbc＝1.5λ，dac＝2.5λ。
通过上述距离设置即可实现去模糊的目的，最后根据dac结果得到五倍的测量精度。
此外，为了保证雷达传感器2的密封性能，本实施例还在雷达罩7的内侧还设置密封圈(未示出)，以保证雷达传感器2的防水和防尘性能。
在射频屏蔽罩9上对应发射天线和接收天线分别设有一个射频屏蔽腔(未示出)，以实现天线的分腔保护，此外，在每个射频屏蔽腔内均安装有吸波材料，避免射频信号的干扰。
实施例2
本实施例2述及了一种安防区域自动设定方法，以便根据工作人员的行走轨迹自动设定安防区域，省去了实地测量并进行复杂运算的缺点。
本实施例2中安防区域自动设定方法的实现，基于上述实施例1中的区域安防雷达。
由实施例1的记载可知，通过区域安防雷达，能够获得目标点的距离和方位信息。
本实施例2只需要一个人前往安防区走一圈即可自动形成，可以选用任意的起点，正常速度即可，不需要刻意控制速度，中间被打断亦无妨，多绕一圈即可。
安防区域的确定过程也不需要任何操作设备，计算过程占用的资源不多，在单片机上即可实现，并且排除了因为人行走轨迹随机性带来的误差。
下面对本实施例2中的安防区域自动设定方法的步骤以及原理进行详细说明。
如图15所示，一种安防区域自动设定方法，包括如下步骤：
s1.首先计算十组短轨迹，对区域安防雷达检测到的目标点进行实时跟踪。
其中，每组短轨迹有10个目标点。
s2.然后从短轨迹的目标点中选出三组中轨迹。
其中，每组中轨迹包括100个目标点。
s3.接着从三组中轨迹的目标点中选出一组长轨迹；
其中，每组长轨迹有800个目标点。
s4.在长轨迹中找到形成闭合区域的目标点，然后将这些目标点分成四组，对每组进行直线拟合得到直线，各条直线的交点即(四边形)安防区域的顶点，从而拟合得到安防区域。
人从室内前往安防区，围绕安防区绕行一圈，人的行为轨迹如图7所示。
由图7不难看出，人的行走并不能保证每一时刻的落点是均匀的，并且不可能走成标准的直线。并且周围会不时的跳出干扰点(虽然工作人员在自动设置区域时会尽量让无关人员离开，但是并不能保证100％无干扰)，并且单片机的内存空间也并不能把长时间的点全部存储下来再做处理，必须一边收集数据，一边处理。
如图16所示，建立10个存储空间为10个点的临时存储数组。每一个点表示一个时刻测得目标点的坐标，同一数组连续的坐标做二次回归预测下一个点的坐标，当下一个时刻来到时，将预测点附近出现的目标点放入临时存储数组空间，以形成10条轨迹。当轨迹连续中断时则清空轨迹，当出现新的轨迹时，放进空的临时存储数组。如图8所示将点归纳成短轨迹。
如图17所示，建立3个中轨迹空间(每个空间可以容纳100个点)，将分散度最大的三个短轨迹存入中轨迹空间，当轨迹中断时即清空该轨迹空间，若总是集中在一个小区域，同样清空，若未中断，并且不是集中在一个区域，则不断的将该轨迹出现的新点放入中轨迹。如图9所示，建立三个中轨迹空间，能有效的保证需要的目标轨迹能被有效捕捉。
建立一个长轨迹空间，可容纳800个时刻的坐标点，将3个中轨迹中分散度最大的一个中轨迹放入长轨迹空间。800个点可以保证以人的正常行走速度可以从容的围绕安防区域一圈。而100个点的中轨迹同样能保证能选出真正行走的行人。10组短轨迹保证了能跟踪现场出现的所有轨迹，并且占用空间小，待处理数量少。
三种轨迹空间总共也只需要1200个点的存储空间，单片机也有足够的资源计算。这样可以捕捉到真实的人行走的轨迹，而排除掉其他不需要的干扰轨迹。如图10所示。
如图18所示，在人的行走轨迹中，当间隔足够多的点(间隔超过50个)，距离足够近(小于0.7米)时，判断认为形成了闭合环，则将两个点之间的轨迹点拿出来，判断为围绕安防区一圈的点。如图11所示。在上一步得到的围绕安防区一圈的所有点，找出最大的X坐标，最大的Y坐标，最小的X坐标，最小的Y坐标，求平均值，得到中心点，找到离中心最远的点：点A，然后找到离A最远的点：点B。如图12所示。找到离A、B线段最远的点：点D，离D点最远的点：点C。如图13所示。A、C之间的点分为组1，C、B之间的点分为组2，B、D之间的点分为组3，D、A之间的点分为组4，对四组的点分别做直线拟合，得到四条线，四条线的交点即为需要安防或警戒的四边形的四个顶点，如图14所示。
通过上述步骤求解安防区域的范围的方法简便，且不需要占用过多的计算和内存资源，实现自动捕捉轨迹，自动筛选出有效点，根据工作人员的行走轨迹自动绘制安防区域。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.一种区域安防雷达，其特征在于，包括雷达控制器以及雷达传感器；
其中，雷达控制器包括控制电路板和触控显示屏；
雷达传感器包括雷达罩、射频电路板、射频屏蔽罩、信号处理电路板以及传感器壳体；
控制电路板通过线缆与触控显示屏相连；
射频电路板、射频屏蔽罩和信号处理电路板位于由雷达罩和传感器壳体形成的内部空间；
射频电路板安装于射频屏蔽罩上，且通过线缆与信号处理电路板连接；
射频电路板上设有发射天线和接收天线；
控制电路板通过电缆线与信号处理电路板连接。
2.根据权利要求1所述的区域安防雷达，其特征在于，
所述区域安防雷达还包括声光报警器，声光报警器安装于传感器壳体的外侧；
控制电路板通过电缆线与声光报警器相连。
3.根据权利要求1所述的区域安防雷达，其特征在于，
所述射频电路板上的发射天线有一个，且接收天线有三个；其中，
发射天线和接收天线均采用平面微带阵列天线。
4.根据权利要求3所述的区域安防雷达，其特征在于，
发射天线与接收天线均为并列布置，且三个接收天线均位于发射天线的同侧；
按照距离发射天线由近及远的顺序，设三个接收天线依次为：
第一接收天线、第二接收天线以及第三接收天线；
定义λ为一个波长，则：
第一接收天线与第二接收天线距离为λ；第二接收天线与第三接收天线距离为1.5λ。
5.根据权利要求1所述的区域安防雷达，其特征在于，
所述雷达罩内侧设有密封圈。
6.根据权利要求1所述的区域安防雷达，其特征在于，
所述射频屏蔽罩上对应发射天线和接收天线分别设有一个射频屏蔽腔；
在每个射频屏蔽腔内均安装有吸波材料。
7.根据权利要求1所述的区域安防雷达，其特征在于，
所述控制电路板采用STM32单片机电路板，所述信号处理电路板采用DSP电路板。
8.根据权利要求1所述的区域安防雷达，其特征在于，
所述雷达控制器还包括控制器壳体，在控制器壳体上设有显示屏安装口以及出线孔；
控制电路板安装于控制器壳体的内侧，触控显示屏安装于显示屏安装口上；
由控制电路板引出的电缆线经由所述出线孔穿出控制器壳体。
9.一种安防区域自动设定方法，基于上述权利要求1至8任一项所述的区域安防雷达；
其特征在于，所述安防区域自动设定方法，包括如下步骤：
s1.首先计算十组短轨迹，对区域安防雷达检测到的目标点进行实时跟踪；
s2.然后从短轨迹的目标点中选出三组中轨迹；
s3.接着从三组中轨迹的目标点中选出一组长轨迹；
s4.在长轨迹中找到形成闭合区域的目标点，然后将这些目标点分成四组，对每组进行直线拟合得到直线，各条直线的交点即安防区域的顶点，从而拟合得到安防区域。
10.根据权利要求9所述的安防区域自动设定方法，其特征在于，
每组短轨迹有10个目标点，每组中轨迹有100个目标点，每组长轨迹有800个目标点。
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