CN109581343A - 多雷达组网装置及多方向目标检测方法 - Google Patents

多雷达组网装置及多方向目标检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多雷达组网装置及多方向目标检测方法，包括多部雷达和上位机，雷达与上位机之间交互连接；每部雷达均设置GPS模块、电子罗盘模块和自动学习模块，雷达用于检测目标并将雷达目标信息上报给上位机，GPS模块用于定位雷达经纬度信息并将雷达经纬度信息通过雷达上报给上位机；电子罗盘模块用于检测雷达方位角信息并将雷达方位角信息通过雷达上报给上位机；自动学习模块用于自动学习周围环境并为雷达的不同距离单元设定不同的门限。实现了对多个方向的检测，解决了雷达检测目标方位范围有限制的问题，避免了雷达死角。

Description

多雷达组网装置及多方向目标检测方法
技术领域
本发明属于线性调频连续波雷达目标检测技术领域，特别涉及一种多雷达组网装置，还涉及一种多个雷达组合的多方向目标检测方法。
背景技术
线性调频连续波雷达具有距离分辨率高、结构简单、体积小、重量轻和良好的低截获概率特性，目前已广泛应用于智能监控领域。线性调频连续波雷达的目标检测技术在无人值守场合或无人禁区的智能监控系统中具有至关重要的意义，直接决定监控系统的安全性能。
在智能监控系统中，对雷达的防误报也有很高的要求。而目前应用于监控系统中的检测雷达一般都采用固定的目标检测门限，这很难保证雷达的防误报能力，同时也在一定程度上限制了雷达的低截获性能。
由于一般雷达的朝向固定，且天线检测目标方位范围有限，容易出现监控死角。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多雷达组网装置及多方向目标检测方法；该装置通过将多个雷达组网并记录每个雷达的位置和方向，并将各个雷达的检测目标在同一张电子地图上显示，其实现了对多个方向的检测，解决了雷达检测目标方位范围有限制的问题，避免了雷达死角。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种多雷达组网装置，包括多部雷达和上位机，雷达与上位机之间交互连接；
每部雷达均设置GPS模块、电子罗盘模块和自动学习模块，雷达用于检测目标并将雷达目标信息上报给上位机，GPS模块用于定位雷达经纬度信息并将雷达经纬度信息通过雷达上报给上位机；电子罗盘模块用于检测雷达方位角信息并将雷达方位角信息通过雷达上报给上位机；自动学习模块用于自动学习周围环境并为雷达的不同距离单元设定不同的门限；
上位机包括电源、处理器、显示器和存储器，处理器与雷达交互；处理器内置数字地图并将数字地图显示在显示器上；显示器用于接收并显示处理器发送的数字地图、雷达目标信息、雷达经纬度信息和雷达方位角信息；存储器用于接收并存储处理器发送的雷达目标信息、雷达经纬度信息和雷达方位角信息显；电源用于为处理器、显示器和存储器供电。
优选地，所述上位机还包括输入装置，输入装置连接处理器，用于对上位机和雷达的控制。
本发明还提供了一种多方向目标检测方法，该方法基于本发明的多雷达组网装置实现，包括以下步骤：
步骤S1，雷达开机后与自动学习模块交互，自动学习周围环境并设定参数；雷达读取GPS模块中的雷达经纬度信息并上报给处理器，雷达读取电子罗盘模块中的雷达方位角信息并上报给处理器；
步骤S2，雷达工作并检测目标，将检测的雷达目标信息发送给处理器；
步骤S3，处理器将雷达目标信息、雷达经纬度信息和雷达方位角信息在数字地图中显示。
优选地，在步骤S3中：处理器根据雷达经纬度信息确定雷达在数字地图上的位置，根据雷达方位角信息确定雷达的朝向，然后将每部雷达以一个扇形区域画在数字地图上，所述扇形区域表示雷达的监测区域；处理器根据雷达目标信息在数字地图上标记目标的位置。
优选地，在步骤S3中：多部雷达将各自的雷达目标信息顺序发送给处理器，处理器在数字地图上按顺序更新相应雷达检测的目标。
优选地，在步骤S3中：处理器接收到若干个雷达目标信息后，将相同的雷达目标信息进行关联，然后将雷达目标信息在数字地图上显示。
优选地，在步骤S3中：处理器采用目标关联技术完成雷达目标信息的目标关联，然后对关联的目标编号，将目标的编号、距离信息、方位信息和速度信息保存在存储器中。
优选地，在步骤S3中：当需要观察某个已知编号的目标的轨迹时，处理器从存储器中提取相应编号的目标的距离信息、方位信息和速度信息，并将方位信息显示在电子地图上。
优选地，在步骤S3中，处理器中预设警戒距离，当雷达检测的目标距离相应雷达的距离小于警戒距离时，处理器能够向关联的警报装置发出警报信号。
优选地，处理器能够向自动学习模块发送重启指令，自动学习模块接收到重启指令后重新学习周围环境并为雷达重设参数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种多雷达组网装置，包括多部雷达和上位机。每部雷达均设置GPS模块、电子罗盘模块和自动学习模块，GPS模块用于定位雷达位置，电子罗盘模块用于定位雷达朝向，如此，上位机在数字地图中显示雷达位置和雷达朝向，并显示雷达所检测的目标。自动学习模块可以自动学习周围环境并为雷达的不同距离单元设定不同的门限，如此可以有效降低误报率。多部雷达的目标均通过一个上位机显示，实现了对多个方向的检测，避免了但雷达检测目标方位范围有限制的问题，避免了雷达死角。
本发明提供的多方向目标检测方法，其中雷达开机后与自动学习模块交互，自动学习周围环境并设定参数，如此可以有效降低误报率。处理器将雷达目标信息、雷达经纬度信息和雷达方位角信息在数字地图中显示，如此可以在一张地图上显示所有雷达的监测结果，实现了对多个方向的检测，避免了但雷达检测目标方位范围有限制的问题，避免了雷达死角。
进一步地，处理器接收到雷达目标信息后进行目标关联，并将目标关联成功的目标在数字地图上显示；如此，对于无法关联的目标不进行显示，这可以有效减少因为偶然波动导致的误报。
进一步地，处理器将目标的编号、距离信息、方位信息和速度信息保存在存储器中，可以方便操作人员调取目标轨迹。
进一步地，处理器中预设警戒距离，如此，雷达检测的目标距离相应雷达的距离小于警戒距离时，处理器能够控制警报装置报警。
进一步地，处理器能够向自动学习模块发送重启指令，这样，当雷达移动位置后，可以不必对雷达重新上电，直接重启自动学习模块，重新设定雷达参数。
附图说明
图1为本发明多雷达组网装置的工作流程图；
图2为本发明中双延迟线对消器结构示意图；
图3为CFAR算法结构图；
图4为应用距离向和速度向二位离散傅里叶变换得到的目标二维频谱；
图5为恒虚警和居心后的目标二维频谱；
图6为上位机在地图中显示的目标信息示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供一种多雷达组网装置，包括多部雷达和上位机，雷达与上位机之间交互连接。
每部雷达均设置GPS模块、电子罗盘模块和自动学习模块，雷达用于检测目标并将雷达目标信息上报给上位机，GPS模块用于定位雷达经纬度信息并将雷达经纬度信息通过雷达上报给上位机；电子罗盘模块用于检测雷达方位角信息并将雷达方位角信息通过雷达上报给上位机；自动学习模块用于自动学习周围环境并为雷达的不同距离单元设定不同的门限。
上位机包括电源、处理器、显示器和存储器，处理器与雷达交互；处理器内置数字地图并将数字地图显示在显示器上；显示器用于接收并显示处理器发送的数字地图、雷达目标信息、雷达经纬度信息和雷达方位角信息；存储器用于接收并存储处理器发送的雷达目标信息、雷达经纬度信息和雷达方位角信息显；电源用于为处理器、显示器和存储器供电。
其中，所述上位机还包括输入装置，输入装置连接处理器，用于对上位机和雷达的控制。
在一种可行的实现方式中，所述上位机为电脑，上位机与雷达之间通过有线或无线的方式连接，具体地，上位机通过路由器或交换机分别与不同的雷达连接。
作为一种可行的应用，可以选择四部雷达联网，四部雷达分别朝向不同的方向，实现360°全面监测，避免检测死角。
作为一种可行方案，上位机连接报警器。作业人员可以通过输入装置向上位机中输入警戒距离，每个雷达的警戒距离可以单独设置。当雷达检测的目标距离相应的雷达的距离小于警戒距离时，上位机可以控制警报装置报警。
在一种可行的实现方式中，自动学习模块用于学习雷达周围的环境，具体的用于为不同的距离单元设置不同的门限，避免雷达将环境目标识别为监测目标，减少虚警。
本发明提供的多雷达组网装置中，雷达部分处理后的数据发送给上位机进行显示和监测。本发明提供的多方向目标检测方法，包括以下步骤：
步骤S1，如图1中的S101，雷达开机后与自动学习模块交互，自动学习周围环境并设定参数；雷达读取GPS模块中的雷达经纬度信息并上报给处理器，雷达读取电子罗盘模块中的雷达方位角信息并上报给处理器。
步骤S2，如图1中的S102～S106，雷达工作并检测目标，将检测的雷达目标信息发送给处理器。
步骤S3，处理器将雷达目标信息、雷达经纬度信息和雷达方位角信息在数字地图中显示。
现结合图1中所示例的雷达工作步骤，介绍雷达的工作过程。
S101、雷达开机(上电)后能够自定位置和自定方向，并自动学习周围环境参数，根据周围环境参数设定雷达参数。
其中，自定位置是雷达通过读取GPS模块实现的，自定方向是雷达通过读取电子罗盘模块实现的。开机学习周围环境，是对每个距离单元的回波信息的能量进行判断，根据能量值的不同，给每个距离单元的门限值也不同，如此可以降低检测的误报率。
开机自定位和朝向并自动学习周围环境设定参数。与传统的固定门限雷达不同的是，通过学习周围一定距离单元的环境，从而对每个距离单元的门限做一个动态调整，实现对真实场景的记录，从而检测误报的概率。
S102、雷达对回波信号进行AD采样，回波信号为检测雷达发射的检测波信号到达目标后反射回来的信号。
所述的AD采样，是利用合适的AD芯片，将天线接收的雷达回波从模拟信号转换成数字信号。
S103、对采样信号分别提取I数据和Q数据。I数据和Q数据(I信号和Q信号)是接收机在中频时候对线性通道中经线性放大和相位检波后输出I和Q两路信息。进行处理的信号矢量在X，Y轴上的投影，对应信号在同相和正交两路数据。两者相差90度，利用I/Q数据可以计算出信号的振幅和相位。
S104、合并I数据和Q数据进行MTI滤波处理。
所述的MTI滤波是通过时域滤波抑制零频的静止杂波的技术。它采用延迟线对消器(DLC)实现。
单延迟线对消器的功率增益为，
|H1(ω)|2＝4(sin(ωT/2))2；
双延迟线对消器的功率增益为，
|H2(ω)|2＝|H1(ω)|2|H1(ω)|2＝16(sin(ωT/2))4；
可见，单延迟线对消器对目标回波与杂波抑制比的改善是有限的，如果将两个单延迟线滤波器串联，即双延迟对消器(结构如图2所示)可以增大延迟线对消器的功率增益，得到更好的滤波效果。
S105、对滤波后的数据进行相参积累，得到回波信号的相参积累结果。
相参积累包括也就是对MIT滤波后的原始信号二维离散傅里叶变换，64代表的是多普勒维的维数，256代表的距离单元的个数。积累方法如下，
NewData＝fft2(data，64，256)。
当然，该例子是以64个重频信号的距离维为例，雷达设定的距离单元为256个。在不同的应用场景和不同的雷达型号中，可以调整距离维的重频信号数目和距离单元的数目，相应的积累方法也进行相应调整。
为了保证雷达的低截获概率，线性调频连续波雷达在方位向的积累点数一般较多。特别是在智能监控系统中，发射机功率偏低，并且对方位多普勒的分辨率要求较高，方位向的积累点数较一般的检测系统更多。由于线性调频连续波雷达具有较低的重频，如果采用大点数的方位向相参积累会导致检测目标的方位谱出现严重的谱散效应，导致雷达的低截获性能降低。而方位向的相参积累是对一维距离像的直接累加，不存在谱散问题，因此可以放心采用大点数的方位向积累，从而提高雷达的低截获性能。
S106、对回波信号的相参积累结果进行恒虚警和居心检测，判断区域内是否存在目标。
所述的恒虚警检测是一个提供检测阀值的数字信号处理算法，即提供一个可以避免受噪声、背景杂波和干扰变化影响的检测阀值，使目标检测具有恒定的虚警概率。当检测区域存在复杂的背景时，需要采用一种较为灵活的CFAR算法(如图3所示)来进一步提升雷达的低截获性能。
所述对相参积累结果进行恒虚警和居心检测，恒虚警算法采用单边恒虚警和双边恒虚警选大原则，即在满足双边恒虚警的条件下，选用双边恒虚警而不用单边恒虚警，在使用双边恒虚警时，选用较大的信杂比；当无法使用双边恒虚警时，使用单边恒虚警。
在其中一种实施方式中，dis为距离单元，dop为速度单元，保护单元protect_unit设定为2，检测单元detect_unit设定为3。sigle_unit＝protect_unit+detect_unit。判断检测区域内是否存在目标，具体包括：
单边恒虚警：
Signal＝Inte_abs(dis,dop)
Clutter＝mean(Inte_abs(dis+protect_unit+1:dis+sigle_unit,dop))
Scr＝Signal/Clutter
Scr为信杂比，判断Scr是否大于某一门限。如果大于则将恒虚警个数加1。
双边选大恒虚警：
Signal＝Inte_abs(dis,dop)
Clu_right＝mean(Inte_abs(dis+project_unit+1:dis+sigle_unit,dop))
Clu_left＝mean(Inte_abs(dis-sigle_unit:dis-project_unit-1,dop))
Clutter＝max(Clu_right,Clu_left)
Scr＝Signal/Clutter
Scr为信杂比，判断Scr是否大于某一门限。如果大于则将恒虚警个数加1。
图4和图5是对雷达实录数据的分析结果。图4是采用方位向相参积累后的二维频谱，该方法采用256点的方位向傅里叶变换。可见，目标在方位向的谱散效应非常严重，导致对目标信杂比造成不良影响。图5是采用恒虚警和居心算法后的二维频谱，可见，本系统完全避免了谱散效应，并且提高了目标的信杂比，有利于提高雷达的低截获性能。
该系统的雷达的主要特点包括：
开机能够自定位和方位朝向并自动学习周围环境设定参数；
对回波信号提取I，Q信号后进行合并并进行MTI滤波；
对64个重频信号的距离维和多普勒维进行相参积累，得到回波的相参积累结果；
对回波信号的相参积累结果进行恒虚警和居心检测，判断检测区域内是否存在目标。
在如上雷达的基础上进行组网，各部雷达可以固定在一个装置上，也可以固定在不同的位置，每部雷达不同朝向。例如，可以选用四部雷达，通过设定IP地址将四部雷达接入交换机中，交换机与处理器连接，实现雷达的组网从而提高监控的方位范围。通过这种方式，能够对多部雷达进行组网，同时检测多个方向的目标。
雷达通过TCP/IP协议将检测目标上报给上位机，上位机根据IP地址来区分是哪个雷达上报的目标信息，将目标点迹实时显示到对应区域的扇形区域中；处理器根据雷达经纬度信息确定雷达在数字地图上的位置，根据雷达方位角信息确定雷达的朝向，然后将每部雷达以一个扇形区域画在数字地图上，所述扇形区域表示雷达的监测区域；处理器根据雷达目标信息在数字地图上标记目标的位置。
其中，处理器接收到雷达目标信息后进行目标关联，并将目标关联成功的目标在数字地图上显示。对于关联不成功的目标信号，不在数字地图上显示。目标关联成功后，将对目标进行编号。
如图6所示，显示器上还可以将目标的编号、距离，方位和速度信息显示出来。存储器能够存储目标的编号、距离，方位和速度信息，如此操作人员可以通过调取目标信息数据进而得到目标轨迹。
其中，处理器能够向自动学习模块发送重启指令，自动学习模块接收到重启指令后重新学习周围环境并为雷达重设参数。
其中，多部雷达上报的目标信息在上位机中定位的地图中进行显示，每部雷达根据雷达波束划定扇形区，并在扇形区中设定警戒区。对进入警戒区的目标，进行报警并对目标的运动轨迹进行保存，方便后续轨迹回放。

Claims (10)

1.一种多雷达组网装置，其特征在于，包括多部雷达和上位机，雷达与上位机之间交互连接；
每部雷达均设置GPS模块、电子罗盘模块和自动学习模块，雷达用于检测目标并将雷达目标信息上报给上位机，GPS模块用于定位雷达经纬度信息并将雷达经纬度信息通过雷达上报给上位机；电子罗盘模块用于检测雷达方位角信息并将雷达方位角信息通过雷达上报给上位机；自动学习模块用于自动学习周围环境并为雷达的不同距离单元设定不同的门限；
上位机包括电源、处理器、显示器和存储器，处理器与雷达交互；处理器内置数字地图并将数字地图显示在显示器上；显示器用于接收并显示处理器发送的数字地图、雷达目标信息、雷达经纬度信息和雷达方位角信息；存储器用于接收并存储处理器发送的雷达目标信息、雷达经纬度信息和雷达方位角信息显；电源用于为处理器、显示器和存储器供电。
2.根据权利要求1所述的多雷达组网装置，其特征在于，所述上位机还包括输入装置，输入装置连接处理器，用于对上位机和雷达的控制。
3.一种多方向目标检测和处理方法，其特征在于，该方法基于权利要求1或2任意一项所述的装置实现，包括以下步骤：
步骤S1，雷达与自动学习模块交互，自动学习周围环境并设定参数；雷达读取GPS模块中的雷达经纬度信息并上报给处理器，雷达读取电子罗盘模块中的雷达方位角信息并上报给处理器；
步骤S2，雷达检测并获取目标，并将获取的雷达目标信息发送给处理器；
步骤S3处理器将雷达目标信息、雷达经纬度信息和雷达方位角信息在数字地图中显示。
4.根据权利要求3所述的多方向目标检测方法，其特征在于，在步骤S3中：处理器根据雷达经纬度信息确定雷达在数字地图上的位置，根据雷达方位角信息确定雷达的朝向，然后将每部雷达以一个扇形区域画在数字地图上，所述扇形区域表示雷达的监测区域；处理器根据雷达目标信息在数字地图上标记目标的位置。
5.根据权利要求4所述的多方向目标检测方法，其特征在于，在步骤S3中：多部雷达将各自的雷达目标信息顺序发送给处理器，处理器在数字地图上按顺序更新相应雷达检测的目标。
6.根据权利要求4所述的多方向目标检测方法，其特征在于，在步骤S3中：处理器接收到若干个雷达目标信息后，将相同的雷达目标信息进行关联，然后将雷达目标信息在数字地图上显示。
7.根据权利要求6所述的多方向目标检测方法，其特征在于，在步骤S3中：处理器采用目标关联技术完成雷达目标信息的目标关联，然后对关联的目标编号，将目标的编号、距离信息、方位信息和速度信息保存在存储器中。
8.根据权利要求7所述的多方向目标检测方法，其特征在于，在步骤S3中：当需要观察某个已知编号的目标的轨迹时，处理器从存储器中提取相应编号的目标的距离信息、方位信息和速度信息，并将方位信息显示在电子地图上。
9.根据权利要求3所述的多方向目标检测方法，其特征在于，在步骤S3中，处理器中预设警戒距离，当雷达检测的目标距离相应雷达的距离小于警戒距离时，处理器能够向关联的警报装置发出警报信号。
10.根据权利要求3所述的多方向目标检测方法，其特征在于，处理器能够向自动学习模块发送重启指令，自动学习模块接收到重启指令后重新学习周围环境并为雷达重设参数。
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