CN110221284A - 一种运动探测系统及探测方法 - Google Patents

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符阳
补世荣
曾成
王占平
陈柳
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/52—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds
    • G01S13/536—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds using transmission of continuous unmodulated waves, amplitude-, frequency-, or phase-modulated waves

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Abstract

一种运动探测系统及探测方法，属于运动信号探测、智能采样、无线监控等领域。该运动探测系统包括发射模块、接收模块、第一天线、第二天线和含异质结的晶体管；发射模块控制第一天线发射电磁波覆盖运动探测区域，运动探测区域存在的运动物体使原有的电磁场分布受到扰动，第二天线接收到功率不同的电磁信号并馈入含异质结的晶体管，含异质结的晶体管将收到的功率信息转化为频率信息，经第二天线发射至第一天线并最终传输至接收模块，接收模块根据接收到的频率信息判断探测区域内有无运动物体。本发明不仅可以探测运动速度慢、体积小、高度低的物体，还可以利用含异质结模块的组网布阵提高检测的精准度，同时具有探测系统和算法简单、成本低的优点。

Description

一种运动探测系统及探测方法
技术领域
本发明属于运动信号探测、智能采样、无线监控等领域，特别涉及一种运动探测系统及探测方法。
背景技术
运动探测技术通常应用于安防布控、无线监控、智能采样、物体运动分析等领域。传统的运动探测技术通常可分为两种：一种是基于多普勒效应的运动探测方法，另一种则是基于图像采集的运动探测方法。
基于多普勒效应的运动探测方法，其原理为物体反射的波长因为波源和观测者的相对运动速度而产生变化。当运动物体靠近探测者时，波被压缩，波长变短频率变高(蓝移)；相反的，当运动物体远离探测者时，波长变长频率变低(红移)。探测物体相对运动速度越高，蓝(红)移效应越明显，因此可通过探测电磁波的频率变化反推物体的运动情况。该探测方法在应用时首先发射固定频率电磁波，通过检测回波信号频率来获取被测物体的运动信息。该方法多用于高速运动物体的探测，对于运动速度慢、尺寸小、高度低的物体，由于蓝(红)移效应微弱或回波功率较小的原因，通常回波信号难以区分或被掩盖在噪声下，难以通过该方法精确探测。基于图像采集的运动探测方法，则是对所需探测的区域进行实时图像监控，将采集到的数字图像信号对比进行算法分析，从而得到区域内物体的运动状况。该探测方法具有探测目标多元、可实现区域探测的优点，然而该探测方法所需的探测环境苛刻，识别距离有限，且一般属于光学设备探测系统，成本通常较高，处理算法复杂。
在基于多普勒效应的运动探测领域，通常运用雷达发射电磁波进行物体探测，当物体运动时，其反射的电磁波发生蓝(红)移，通过检测反射电磁波频率的变化便可反演物体运动情况。基于这种设计思路，采用多普勒效应设计的运动探测系统通常如图1所示【Drone Detection and Tracking Based on Phase-Interferometric Doppler Radar,Michael Jian,IEEE,2018】，该探测系统通过对反射电磁波与原电磁波的干涉结果进行算法分析，得到反射电磁波的蓝(红)移信息，从而反推探测物体的运动情况。然而，对于运动速度慢、尺寸小、高度低的物体，由于蓝(红)移效应微弱或回波功率较小的原因，通常回波信号不易区分或被掩盖在噪声下，难以通过该方法精确探测。
2006年报道的基于数字图像识别的运动探测技术，原理如图2所示【SalientMotion Information Detection Technique Using Weighted Subtraction Image andMotion Vector,Yeon-sung Choi,IEEE 2006】，该探测方法将物体运动的图像信息采集至服务器，将该运动图像转化为离散的像素点矩阵，通过算法分析，得到物体的运动状态。然而该探测系统和算法较为复杂，且必须完整地采集到运动物体的图像信息。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种新型的运动探测系统及探测方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种运动探测系统，包括发射模块、接收模块、第一天线、第二天线和含异质结的晶体管，所述第一天线连接发射模块和接收模块，所述第二天线连接含异质结的晶体管；发射模块控制第一天线发射电磁波覆盖运动探测区域，运动探测区域存在的运动物体使得原有的电磁场分布受到扰动，因此第二天线会接收到功率不同的电磁信号并馈入含异质结的晶体管，含异质结的晶体管将收到的功率信息转化为频率信息，经第二天线发射至第一天线并最终传输至接收模块，接收模块根据接收到的频率信息即可判断探测区域内有无运动物体。
进一步地，所述含异质结的晶体管可以为异质结双极型晶体管或者场效应管(FET)等；其中，所述场效应管可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者高电子迁移率晶体管(HEMT)。
进一步地，所述第二天线接收到的功率信息是由第一天线发射的电磁波功率和运动探测区域内的运动物体共同确定的。
一种运动探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
发射模块发射特定频率的电磁波覆盖运动探测区域，探测区域的形状及范围主要由第二天线的方向图确定；
含异质结的晶体管被放置在运动探测区域的某一位置或某几个位置，并在所在位置上接收运动探测区域的功率不同的电磁信号；
含异质结的晶体管将接收到的电磁信号的功率信息转化为频率信息；
当有运动物体进入到探测区域时，必然造成探测区域内电磁场分布的变化，由此引起含异质结的晶体管所接收功率的变化，以此产生频率信息的变化，接收模块检测到频率信息的变化，根据频率信息得到探测区域内有无运动物体。
进一步地，所述接收到的功率信息是由发射的电磁波功率和运动探测区域内的运动物体共同确定的。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种运动探测系统及探测方法，通过第一天线发射电磁波对运动探测区域进行电磁覆盖，当探测区域有运动物体时，原有电磁场分布受到扰动，第二天线便会接收到功率不同的电磁信号，通过含异质结的晶体管将该功率信息转化为频率信息，从而完成运动物体的探测。本发明有效地解决了传统运动探测方法中的局限性，不仅可以探测运动速度慢、体积小、高度低的物体，还可以利用含异质结模块的组网布阵提高检测的精准度，同时具有探测系统和算法简单、成本低的优点。
附图说明
图1为背景技术提到的基于多普勒效应的运动探测系统结构图；
图2为背景技术提到的基于图像采集的运动探测系统结构图；
图3为本发明提供的运动探测系统的结构示意图；
图4为本发明实施例中，含异质结的晶体管接收的功率(P)与输出的频率(f)之间的关系。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图3所示，为本发明提供的运动探测系统的结构示意图。包括发射模块、接收模块、第一天线、第二天线和含异质结的晶体管，所述第一天线连接发射模块和接收模块，所述第二天线连接含异质结的晶体管。其中，发射模块与第一天线的目的是对需要探测的目标区域进行电磁波覆盖，当探测区域内有运动物体时，原有的电磁场分布受到扰动，此时第二天线会接收到不同的电磁波功率。晶体管与第二天线的目的是将接收到的电磁功率信息转化为频率信息并发射至第一天线。第一天线与接收模块的目的是接受第二天线发射的频率信号并实时反馈。
其中，含异质结的晶体管可以在不供给直流电的情况下将低功率的射频单音信号(频率为f1)转换为另一个频率不相关的单音信号(频率为f2)且f2可控。第二天线将接收到不同的电磁波功率馈入含异质结的晶体管时，晶体管中基态能级E0的极化激元被激励到更高能级Eh，Eh能级上不稳定极化激元跃迁到更低能级上时，即可产生不相关的新频率信息，且新频率与馈入的电磁波功率相关，根据功率变化会引起频率变化的特性即可实现运动物体的探测，如图4所示。
一种运动探测方法，包括以下步骤：
发射模块发射特定频率的电磁波覆盖运动探测区域，探测区域的形状及范围主要由第二天线的方向图确定；
含异质结的晶体管被放置在运动探测区域的某一位置或某几个位置，并在所在位置上接收运动探测区域的功率不同的电磁信号，该电磁信号的功率达到含异质结晶体管工作的门限功率时，含异质结的晶体管会产生与发射模块特定频率所不同的新频率信号，接收模块接收到该频率信号，即可实现实时监测和监控。
本发明的运动探测方法具有成本低、探测系统和算法简单的优点，可广泛应用于无线监控、区域智能采样、运动物体分析等领域。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种运动探测系统，包括发射模块、接收模块、第一天线、第二天线和含异质结的晶体管，所述第一天线连接发射模块和接收模块，所述第二天线连接含异质结的晶体管；发射模块控制第一天线发射电磁波覆盖运动探测区域，运动探测区域存在的运动物体使得原有的电磁场分布受到扰动，第二天线会接收到功率不同的电磁信号并馈入含异质结的晶体管，含异质结的晶体管将收到的功率信息转化为频率信息，经第二天线发射至第一天线并最终传输至接收模块，接收模块根据接收到的频率信息即可判断探测区域内有无运动物体。
2.根据权利要求1所述的运动探测系统，其特征在于，所述含异质结的晶体管为异质结双极型晶体管或者场效应管；其中，所述场效应管为金属-氧化物半导体场效应晶体管或者高电子迁移率晶体管。
3.根据权利要求1所述的运动探测系统，其特征在于，所述第二天线接收到的功率信息是由第一天线发射的电磁波功率和运动探测区域内的运动物体共同确定的。
4.一种运动探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
发射模块发射电磁波覆盖运动探测区域；
含异质结的晶体管接收运动探测区域的功率不同的电磁信号，并将接收到的电磁信号的功率信息转化为频率信息；
接收模块根据接收到的频率信息判断探测区域内有无运动物体。
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