CN111025305A - 一种雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其包括：穿墙雷达传感器阵列，由M个相同的雷达传感器探头组成，M≥3个，用于自主发射和接收电磁波功能，并对回波信号进行数字化采集；震动传感器阵列，由N个相同的震动传感器探头组成，N≥2个，用于检测微震动、声音信号；信号处理机，用来接收雷达传感器探头、震动传感器探头采集的数据，完成目标的检测、识别、跟踪、定位以及室内结构布局反演中至少一个任务；控制终端，用于与信号处理机进行通信和控制。本发明具有能有效提升探测精度、提高探测能力、提高适应能力等优点。

Description

一种雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统

技术领域

本发明主要涉及到探测技术领域，特指一种雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统。

背景技术

穿墙雷达是一种发射特定频段电磁波，穿透墙体、废墟等不透明非金属障碍物并接收回波信号，实现对障碍物后方隐蔽目标的探测、定位和跟踪的设备，主要用于城市应急救援、安防等领域中，用于发现和定位隐藏在建筑物内或者障碍物后的人员及其活动特征、建筑物的内部结构信息，提高对环境的感知能力、己方的生存成功率与生存能力。相对于基于声音信号、光电信号、X射线等的隐蔽目标探测手段，穿墙雷达探测距离远，不易受天气、光线、温度等因素的影响，设备尺寸适中，对非金属介质穿透性良好，探测的过程中不需移动或者破坏障碍物，因而在城市应急救援、安防等领域具有独特的优势。

震动探测是一种高灵敏度的拾音放大设备，基于共振原理在说话时引起墙壁等障碍物的轻微震动，经过超高灵敏度的感应器以及电子电路的处理，使之声音再现。将麦克风从场所上探测到的声频震动转变为音讯，将撷取的声音在嘈杂或清静环境中得到提升，能在不同物体表面(包括：墙壁、地板、窗户、门等)进行监听及录音，广泛应用于刑侦、应急救援、机械维修检测等领域。震动探测运用的原理是共振原理在说话时引起墙壁的轻微震动，经过超高灵敏度的感应器以及电子电路的处理，使之声音再现。无需进入室内，安装在房间的外墙壁上，可清楚的监听室内的谈话声，当然，很细微的说话声是无法听到的，因墙壁各处的密度不同，可通过转换位置，找到最佳监听点。可以通过灵敏度的调节，达到对不同物质的最佳使用效果，对高密度物质调低灵敏度，低密度物质，调高灵敏度。

上述两种传统探测技术存在以下不足：

1)环境适应性差，穿墙雷达不能穿透金属(网)墙体障碍物，无法获取其后方的环境信息；震动探测通过对声源的震动接收进行跟踪，对障碍物的刚性、密度及空间的开放程度比较敏感，在低密度、松散结构的障碍物应用场景下其获取信息能力差。

2)态势感知信息获取能力弱，穿墙雷达难以识别、分辨目标；震动探测不能获知目标的位置、姿态以及建筑结构布局等信息。

3)环境信息获取的正确概率率低。

4)当前的穿墙雷达、震动探测设备是各自自成系统、独立工作的，一是现场携带的设备、模块多，需要两人操作或者先后分别操作，耗时长、效率低；二是各自探测的数据是独立的，需要人工合成后期这些数据，根据前后探测的结果进行分析判断，前后结果的关联性缺失，不能形成连续的、整体的判断；三是各自有自身的缺陷或适用范围，环境适应性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能有效提升探测精度、提高探测能力、提高适应能力的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其包括：

穿墙雷达传感器阵列，由M个相同的雷达传感器探头组成，M≥3个，用于自主发射和接收电磁波功能，并对回波信号进行数字化采集；

震动传感器阵列，由N个相同的震动传感器探头组成，N≥2个，用于检测微震动、声音信号；

信号处理机，用来接收雷达传感器探头、震动传感器探头采集的数据，完成目标的检测、识别、跟踪、定位以及室内结构布局反演中至少一个任务；

控制终端，用于与信号处理机进行通信和控制。

作为本发明的进一步改进：由M个相同的雷达传感器探头构成的阵列布局呈正M边形。

作为本发明的进一步改进：当N＝2时，由N个相同的震动传感器探头构成的阵列呈水平状；当N大于2时，由N个相同的震动传感器探头构成的阵列呈正N边形。

作为本发明的进一步改进：还包括支架，所述支架上具有呈辐射状伸出的臂，伸出的各臂的终端用来连接雷达传感器探头，支架的中部具有一中心横杆，震动传感器阵列安装于中心横杆上。

作为本发明的进一步改进：所述臂为伸缩臂。

作为本发明的进一步改进：所述雷达传感器阵列中各雷达传感器探头、震动传感器阵列中各震动传感器探头分别与信号处理机连接，各自独立工作，受信号处理机统一控制。

作为本发明的进一步改进：所述雷达传感器阵列中各雷达传感器探头先顺序连接在一起，再由末端第M个雷达传感器探头与信号处理机相连，形成串联模式，此时震动传感器阵列中各震动传感器探头的控制信号由第M个雷达传感器探头逆序传递，时差由信号处理机的内部进行校准处理；所述震动传感器阵列中各震动传感器探头先顺序连接在一起，再由末端第N个震动传感器探头与信号处理机相连，形成串联模式，此时震动传感器阵列中各震动传感器探头的控制信号由第N个震动传感器探头逆序传递，时差由信号处理机内部进行校准处理。

作为本发明的进一步改进：所述控制终端与信号处理机的连接方式为有线或无线方式。

作为本发明的进一步改进：还包括降噪耳机，用来侦听接收到的声音信号，与控制终端用过音频线缆连接。

作为本发明的进一步改进：所述降噪耳机与信号处理机采用有线方式连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，是用来进行障碍物后方区域态势信息感知系统的设计。本发明采用传感器分布式布局、模块化设计的思路，雷达、震动传感器复合在一个架构中，由信号处理机控制，可同时工作，雷达传感器分布式布局方式，组网后的基线远大于当前一体式模式，雷达定位、测角精度与其基线相关性大，可有效提升探测精度；震动传感器在分布式架构中位置固定，探测效果一致性好；两种传感器在数据层进行融合，各自探测的数据由同一个数据采集与处理平台完成采集、处理、分析工作；充分结合两种传感器的特色优势，形成探测能力、环境适应性互补。整个系统性能、环境适应能力大为提升。

2、本发明的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，兼具穿墙雷达探测与震动探测的优势，以各自的优势弥补对方的劣势，整个系统采用模块化设计、分布式布局的设计思路，使产品尤其是传感器可以快速复制，当某一个或几个传感器损坏或故障时，整机系统性能影响可控且可更换备用传感器从而快速解决问题，灵活性更高；该系统以信号处理机为核心，其他各模块与之相连，信号处理机对各个传感器接收的数据进行处理分析并分类融合处理，形成系统的探测结果；各传感器与信号处理机的连接可以是并联方式，也可以是分类串联方式，如雷达传感器阵列分别与信号处理机相连，或者雷达传感器阵列先串联后再与信号处理机相连，震动传感器阵列与信号处理机同样具备串联与并联两种连接方式；控制终端与信号处理机具备有线连接和无线连接两种模式，无线连接模式使得设备操作者可以远距离遥控操作从而避免暴露的危险。

附图说明

图1是本发明系统的结构原理示意图。

图2是本发明在具体应用实例中采用分布式布局方式的原理示意图。

图3是本发明在具体应用实例中各模块采用并联连接方式的原理示意图。

图4是本发明在具体应用实例中各模块采用串联连接方式的原理示意图。

图例说明：

1、雷达传感器探头；2、震动传感器探头；3、信号处理机；4、控制终端；5、降噪耳机；6、支架；7、中心横杆；8、臂。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，包括：

穿墙雷达传感器阵列，由M个相同的雷达传感器探头1组成，M≥3个，阵列布局呈正M边形，阵元间距限定范围并可根据需要进行调整，雷达传感器探头具备自主发射和接收电磁波功能，具备将回波信号数字化采集功能，并通过信号处理机3进行同步及组网探测，具备三维成像功能；

震动传感器阵列，由N个相同的震动传感器探头2组成，N≥2个，阵列布局呈水平或正N边形(N≥3时)，阵元间距限定范围并可根据需要进行调整，震动传感器探头2具备微震动、声音接收、滤波、放大功能，具备将接收信号数字化采集功能，数字化后的信号传递给信号处理机3进行分析处理；

信号处理机3，用来接收雷达传感器探头1、震动传感器探头2采集的数据，运行信号处理算法，实现目标的检测、识别、跟踪、定位以及室内结构的布局反演等功能。

控制终端4，用来用户与信号处理机的通信、控制，完成控制指令的下发、探测结果及系统状态的展示，控制终端4与信号处理机3的通信通过有线或无线方式实现；

降噪耳机5，用来侦听接收到的声音信号，与控制终端4用过音频线缆连接。

在上述方案中，穿墙雷达具有穿透墙体、废墟等不透明非金属障碍物的特性，以及可对障碍物后方的隐蔽目标探测、定位和跟踪等优势，同时可以对建筑物的内部结构进行建模，相对于基于声音信号、光电信号、X射线等的隐蔽目标探测手段，穿墙雷达探测距离远，不易受天气、光线、温度等因素的影响，设备尺寸适中，对非金属介质穿透性良好，探测的过程中不需移动或者破坏障碍物的独特优势。震动传感器基于共振原理在说话时引起墙壁等障碍物的轻微震动还原声音源，其侦听效果与障碍物的刚性、密度有关，金属板等材质具有良好的刚性，因而侦听效果较好。本发明将两种探测设备优势互补，具备更广的环境适应性。

本发明的上述方案构成了雷达与震动复合隔墙探测分布式环境态势感知系统，所述的态势感知系统，采用模块化设计、分布式布局模式，信号处理机作为核心模块，连接各传感器阵列及控制终端，同类型传感器相互独立、组网探测，与信号处理机通过并联或串联方式连接、通信，相互位置关系固定，探测性能一致性好不易受环境影响；所述的态势感知系统，采用穿墙雷达与隔墙听复合探测，形成发挥各自优势、互补对方劣势的探测感知系统，避免了穿墙雷达不能穿透金属介质、无法识别与分辨目标类型的弱项，震动探测无法获知目标位置、建筑结构布局等的劣势，环境适应性更强，信息获取能力更强；所述的态势感知系统，两种传感器在形态上集成为一个整体，探测过程同时进行；所述的态势感知系统，两种传感器在数据层进行融合，各自探测的数据由信号处理机统一处理、分类汇总、分析后，输出融合探测结果。

在具体应用实例中，采用分布式布局方式，即雷达震动复合分布式探测系统的布局方式，雷达传感器探头1、震动传感器探头2各自组成阵列，以分布式组阵方式协同工作、复合探测，各传感器既具备独立工作的功能，又具备复合探测融合分析的功能；各传感器通过支架6完成布局。

以6个雷达传感器、2个震动传感器(M＝6、N＝2)为例，如图2所示。支架6的一部分具有呈辐射状伸出的臂8，伸出的各臂8的终端呈正M边形布局，臂8的长度可伸缩，用以布设固定6个雷达传感器探头1；支架6的另一部分位于正六边形的中心横杆7上，中心横杆7关于正六边形的中心横向对称，中心横杆7上以中心点对称布设固定两个震动传感器探头2；信号处理机3位于支架6的中心位置处。

雷达震动复合分布式探测系统布局各模块连接方式分为并联、串联两种，如图3和图4所示。

并联方式：如图3所示，雷达传感器阵列中各雷达传感器探头1、震动传感器阵列中各震动传感器探头2分别与信号处理机3连接，各自独立工作，受信号处理机3统一控制；控制终端4与信号处理机3的连接方式分为有线、无线两种，图中以虚线表示；无线连接方式能够使设备操作者以远程控制的方式操作使用设备，避免操作者处于危险的境地。降噪耳机5与信号处理机3采用有线方式连接。

串联方式：如图4所示，雷达传感器阵列中各雷达传感器探头1先顺序连接在一起，再由末端第M个雷达传感器探头1与信号处理机3相连，形成串联模式，此时震动传感器阵列中各震动传感器探头2的控制信号由第M个雷达传感器探头1逆序传递，时差由信号处理机3的内部进行校准处理。

同理，震动传感器阵列中各震动传感器探头2先顺序连接在一起，再由末端第N个震动传感器探头2与信号处理机3相连，形成串联模式，此时震动传感器阵列中各震动传感器探头2的控制信号由第N个震动传感器探头2逆序传递，时差由信号处理机3内部进行校准处理；控制终端4与信号处理机3的连接方式分为有线、无线两种，图中以虚线表示；无线连接方式能够使设备操作者以远程控制的方式操作使用设备，避免操作者处于危险的境地。降噪耳机5与信号处理机4采用有线方式连接。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其特征在于，包括：

穿墙雷达传感器阵列，由M个相同的雷达传感器探头组成，M≥3个，用于自主发射和接收电磁波功能，并对回波信号进行数字化采集；

震动传感器阵列，由N个相同的震动传感器探头组成，N≥2个，用于检测微震动、声音信号；

信号处理机，用来接收雷达传感器探头、震动传感器探头采集的数据，完成目标的检测、识别、跟踪、定位以及室内结构布局反演中至少一个任务；

控制终端，用于与信号处理机进行通信和控制。

2.根据权利要求1所述的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其特征在于，由M个相同的雷达传感器探头构成的阵列布局呈正M边形。

3.根据权利要求1所述的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其特征在于，当N＝2时，由N个相同的震动传感器探头构成的阵列呈水平状；当N大于2时，由N个相同的震动传感器探头构成的阵列呈正N边形。

4.根据权利要求1或2或3所述的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其特征在于，还包括支架，所述支架上具有呈辐射状伸出的臂，伸出的各臂的终端用来连接雷达传感器探头，支架的中部具有一中心横杆，震动传感器阵列安装于中心横杆上。

5.根据权利要求4所述的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其特征在于，所述臂为伸缩臂。

6.根据权利要求1或2或3所述的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其特征在于，所述雷达传感器阵列中各雷达传感器探头、震动传感器阵列中各震动传感器探头分别与信号处理机连接，各自独立工作，受信号处理机统一控制。

7.根据权利要求1或2或3所述的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其特征在于，所述雷达传感器阵列中各雷达传感器探头先顺序连接在一起，再由末端第M个雷达传感器探头与信号处理机相连，形成串联模式，此时震动传感器阵列中各震动传感器探头的控制信号由第M个雷达传感器探头逆序传递，时差由信号处理机的内部进行校准处理；所述震动传感器阵列中各震动传感器探头先顺序连接在一起，再由末端第N个震动传感器探头与信号处理机相连，形成串联模式，此时震动传感器阵列中各震动传感器探头的控制信号由第N个震动传感器探头逆序传递，时差由信号处理机内部进行校准处理。

8.根据权利要求1或2或3所述的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其特征在于，所述控制终端与信号处理机的连接方式为有线或无线方式。

9.根据权利要求1或2或3所述的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其特征在于，还包括降噪耳机，用来侦听接收到的声音信号，与控制终端用过音频线缆连接。

10.根据权利要求9所述的雷达与震动复合的分布式隔墙探测系统，其特征在于，所述降噪耳机与信号处理机采用有线方式连接。

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