CN111812634A - 警戒线目标监测方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用通信技术领域，尤其涉及一种警戒线目标监测方法、装置和系统。该方法包括：获取多路回波信号；其中，所述多路回波信号为包含警戒线的预设区域返回的雷达信号；基于所述多路回波信号，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息；基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹；基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线。上述方法可以减小环境因素的影响，并且提升监测的准确性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种警戒线目标监测方法、装置和系统。
背景技术
随着科技的快速发展，人们对于数据的准确性的要求也日益提高，尤其在监测领域，监测数据的准确性大多是人们的第一需求，也是监测产品的首要追求指标。
警戒线目标监测系统，对目标进行监测，从而判断是否有目标越过警戒线以及跨越警戒线的数量，现有的警戒线目标监测方法大多采用红外和摄像头对目标进行监测。而采用红外监测易受环境温度的限制，采用摄像头监测对天气和光线亮度要求较高，并且，上述两种方法对于相互距离较近的目标的区分度都较差，存在监测准确性较低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种警戒线目标监测方法、装置和系统，以解决现有的警戒线目标监测系统受环境因素影响大和监测准确性较低的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种警戒线目标监测方法，包括：
获取多路回波信号；其中，所述多路回波信号为包含警戒线的预设区域返回的雷达信号；
基于所述多路回波信号，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息；
基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹；
基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线。
可选的，所述基于所述多路回波信号，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息，可以包括：
对所述多路回波信号进行预处理，得到多路数字目标信号；
计算所述多路数字目标信号的Capon谱；
基于所述Capon谱，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息。
可选的，所述对所述多路回波信号进行预处理得到多路数字目标信号，可以包括：
对所述多路回波信号进行模数转换，得到多路数字信号；
对所述多路数字信号进行预设频率的采样，提取多路正交I/Q信号作为所述多路数字目标信号。
可选的，所述计算所述多路数字目标信号的Capon谱，包括：
对所述多路数字目标信号的每个扫频周期中的数据点做快速傅里叶变换，得到多个快速傅里叶变换矩阵；其中，所述多个快速傅里叶变换矩阵包括目标的距离维信息；
通过Capon Beam Former方法对所述多个快速傅里叶变换矩阵进行处理，获得所述Capon谱；其中，所述Capon谱包括目标的距离维信息和角度维信息。
可选的，所述通过Capon Beam Former方法对所述快速傅里叶变换矩阵进行处理，获得所述Capon谱，可以包括：
基于所述多个快速傅里叶变换矩阵中每个快速傅里叶变换矩阵的第h列的值，构造第h初始矩阵；
基于所述第h初始矩阵，构造第h协方差矩阵；其中，h∈[1，N]，N为所述快速傅里叶变换矩阵的列数；
对构造的多个协方差矩阵进行主对角线加载处理；
基于进行主对角线加载处理后的多个协方差矩阵与预设导向矩阵计算所述Capon谱。
可选的，基于所述Capon谱，计算目标的点云距离信息和点云角度信息，可以包括：
计算所述Capon谱中每个点对应的距离维恒虚警门限；
将所述Capon谱中每个点的值与所述Capon谱中该点对应的距离维恒虚警门限一一比较；当该点的值与所述Capon谱中该点对应的距离维恒虚警门限满足第一预设关系时，判断该点满足是第一恒虚警点的条件；
计算所述Capon谱中每个第一恒虚警点对应的角度维恒虚警门限；
将所述Capon谱中的第一恒虚警点的值与所述Capon谱中该点对应的角度维恒虚警门限一一比较；当该点的值与该点对应的角度维恒虚警门限满足第二预设关系时，判断该点满足是第二恒虚警点的条件；
基于所述第二恒虚警点，计算目标的点云距离信息和点云角度信息。
可选的，可以通过：
计算所述Capon谱中每个点对应的距离维恒虚警门限和所述Capon谱中每个第一恒虚警点对应的角度维恒虚警门限；
式中，m(q,i)为所述Capon谱中第q列中的第i个点对应的距离维恒虚警门限，R为第一常数，xk为当前列中的第k个点的值，r为第一预设数值，l为第二预设数值，n(p,j)为所述Capon谱中第p行中的第j个点对应的角度维恒虚警门限，T为第二常数，yk为当前行中的第k个点的值；其中，
在计算m(q,i)时：当i-r<0时，r＝r+P；当i+r>P时，r＝r-P；
在计算n(p,j)时：当j-r<0时，r＝r+Q；当j+r>Q时，r＝r-Q；
式中，P为所述Capon谱中每列的点的个数；Q为所述Capon谱中每行的点的个数。
可选的，基于所述Capon谱，计算目标的点云速度信息，可以包括：
确定每个所述第二恒虚警点在所述Capon谱中的行标号；
基于所述多个快速傅里叶变换矩阵中每个快速傅里叶变换矩阵的第g列，构造当前一个第二恒虚警点对应的协方差矩阵；其中，g为当前一个第二恒虚警点在所述Capon谱中的行标号；
基于该第二恒虚警点对应的协方差矩阵与该第二恒虚警点对应的导向矢量计算该第二恒虚警点对应的Capon波束权系数；
将所述多个快速傅里叶变换矩阵中每个快速傅里叶变换矩阵的第g列和该第二恒虚警点对应的Capon波束权系数相乘后再相加，得到初始速度矩阵；
通过对所述初始速度矩阵做二维快速傅里叶变换，获得该第二恒虚警点对应的点云速度信息；
对每一个第二恒虚警点重复上述步骤，获得所有第二恒虚警点对应的点云速度信息，并作为目标的点云速度信息。
可选的，在所述对所述多路数字目标信号的每个扫频周期中的数据点做快速傅里叶变换之前，该方法还可以包括：
对每个扫频周期中的数据点进行加半窗处理。
可选的，所述基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹，包括：
基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，通过扩展卡尔曼滤波，生成目标的航迹。
可选的，所述基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线，可以包括：
当所述目标的航迹和所述警戒线的位置满足第一预设条件时，判定有目标越过警戒线；
其中，所述第一预设条件包括：所述目标的航迹上存在位于所述警戒线第一侧的点和位于所述警戒线第二侧的点。
可选的，所述基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线，可以包括：
当所述目标的航迹上存在位于所述警戒线第一侧的点和位于所述警戒线第二侧的点，且位于所述警戒线第一侧的点为第一时刻生成的点，位于所述警戒线第二侧的点为第二时刻生成的点时，判定有目标越过警戒线；其中，所述第一时刻早于所述第二时刻；所述警戒线第一侧至所述警戒线第二侧的方向为警戒方向。
可选的，在所述基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线之后，该方法还可以包括：
记录越过警戒线的目标的数量。
本发明实施例的第二方面提供了一种警戒线目标监测装置，包括：
回波获取模块，获取多路回波信号；其中，所述多路回波信号为包含警戒线的预设区域反回的雷达信号；
数据计算模块，用于基于所述多路回波信号，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息；
航迹生成模块，用于基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹；
目标监测模块，用于基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线。
本发明实施例的第三方面提供了一种警戒线目标监测系统，包括如本发明实施例的第二方面提供的警戒线目标监测装置和MIMO系统，所述MIMO系统用于发射连续波监测预设区域，并将接收的多路回波信号发送至所述警戒线目标监测装置。
本发明实施例使用雷达对警戒线进行监测，判断是否存在目标越过警戒线，受环境因素影响小，保证了监测的稳定性。本发明实施例首先获取多路回波信号，并对该多路回波信号进行处理，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息，从而获得了目标三个维度的信息；通过基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹，从而可以根据目标的航迹和警戒线的位置判断是否有目标越过警戒线，提升监测的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的警戒线目标监测方法的流程示意图；
图2是是本发明实施例提供的警戒线目标监测装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的警戒线目标监测系统的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本实施例提供的警戒线目标监测方法的流程示意图，参示图1，该方法包括：
步骤S101，获取多路回波信号；其中，所述多路回波信号为包含警戒线的预设区域返回的雷达信号。
本发明实施例中，应用雷达监测预设区域的警戒线，对预设区域的目标进行监测。示例性的，可以采用MIMO(Multiple—Input Multiple—Output)系统，发射雷达信号，并接收回波信号。例如，若设置2个发射天线，4个接收天线，则相当于1个发射天线，8个接收天线，每个接收天线获取一路回波信号，则该多路回波信号则为8个天线各自接收的回波信号。本发明实施例中，使用多个接收天线接收多路回波信号可以提高监测的准确性。
步骤S102，基于所述多路回波信号，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息。
本发明实施例中，在获取多路回波信号后，可以基于该多路回波信号计算目标的点云数据信息，包括目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息。上述中的目标的数量可以为多个，基于获取的多路回波信号，计算多个目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息。
步骤S103，基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹。
本发明实施例中，在获取了目标的点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息后，可以对目标进行跟踪识别，从而形成目标的航迹。并且，在目标为多个时，可以通过扩展卡尔曼滤波等方法，进行航迹预测、航迹关联和航迹分配和航迹更新，从而对多个目标进行辨识和持续跟踪，形成多个目标的航迹，该方法对于多个目标具有良好的区分辨别效果。
步骤S104，基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线。
本发明实施例中，在获取了目标的航迹后，即可根据目标的航迹和警戒线的相对位置，判断是否存在目标越过警戒线的情况。并且根据生成的航迹与警戒线接触时方向，航迹的数量，可以准确的分辨出目标跨越警戒线的数量以及跨越方向。
上述警戒线目标监测方法，使用雷达对警戒线进行监测，判断是否存在目标越过警戒线，降低了环境因素影对监测的影响，保证了监测的稳定性。本发明实施例首先获取多路回波信号，并对该多路回波信号进行处理，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息，从而获得了目标三个维度的信息；通过基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹，从而可以根据目标的航迹和警戒线的位置判断是否有目标越过警戒线，提升监测的准确性。
一些实施例中，所述基于所述多路回波信号，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息，包括：对所述多路回波信号进行预处理，得到多路数字目标信号；计算所述多路数字目标信号的Capon谱；基于所述Capon谱，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息。
本发明实施例中，基于获取的多路回波信号，计算目标的点云数据信息时，首先需要对获取的多路回波信号进行预处理，在筛选出预设区域存在目标时的多路回波信号的同时，将该信号转换为可以计算Capon谱的多路数字目标信号。在计算该多路数字目标信号的Capon谱后，基于该Capon谱获得目标的多维点云数据信息，包括目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息。
一些实施例中，所述对所述多路回波信号进行预处理得到多路数字目标信号，包括：对所述多路回波信号进行模数转换，得到多路数字信号；对所述多路数字信号进行预设频率的采样，提取多路正交I/Q信号作为所述多路数字目标信号。
本发明实施例中，首先可以对各个天线获取的回波信号进行模数转换，得到对应于多个天线的多路数字信号。再通过对该多路数字信号进行预设频率的采样，提取出各路数字信号中的正交I/Q信号，最终获得多路数字目标信号，以用于后续过程中计算目标的Capon谱。
一些实施例中，所述计算所述多路数字目标信号的Capon谱，包括：对所述多路数字目标信号的每个扫频周期中的数据点做快速傅里叶变换，得到多个快速傅里叶变换矩阵；其中，所述多个快速傅里叶变换矩阵包括目标的距离维信息；通过Capon Beam Former方法对所述多个快速傅里叶变换矩阵进行处理，获得所述Capon谱；其中，所述Capon谱包括目标的距离维信息和角度维信息。
本发明实施例中，在计算所述多路数字目标信号的Capon谱时，为了方便理解，以8个收天线获取的一帧回波信号，每个收天线具有128个扫频周期，每个扫频周期具有128个台阶为例进行说明：在对8个收天线获取的回波信号进行预处理得到与8个收天线对应的多路数字目标信号后，以单个收天线对应的数字目标信号为例，对该收天线对应的数字目标信号的每个扫频周期中的128个数据点做快速傅里叶变换，得到1个128*128的快速傅里叶变换矩阵。使用相同的处理方法，对每一个收天线对应的数字目标信号进行处理，最终可以获得8个128*128快速傅里叶变换矩阵。本实施例采用Capon Beam Former的方法对所述的多个8个128*128快速傅里叶变换矩阵进行处理，获得多路数字目标信号的Capon谱。在上述处理过程中，通过快速傅里叶变换，可以获得目标的距离维信息，而通过Capon BeamFormer方法可以进行角度估计，从而获得目标的角度维信息，并且够提高角度分辨率，最终得到包括目标的距离维信息和角度维信息的Capon谱。
一些实施例中，所述通过Capon Beam Former方法对所述快速傅里叶变换矩阵进行处理，获得所述Capon谱，包括：基于所述多个快速傅里叶变换矩阵中每个快速傅里叶变换矩阵的第h列的值，构造第h初始矩阵；基于所述第h初始矩阵，构造第h协方差矩阵；其中，h∈[1，N]，N为所述快速傅里叶变换矩阵的列数；对构造的多个协方差矩阵进行主对角线加载处理；基于进行主对角线加载处理后的多个协方差矩阵与预设导向矩阵计算所述Capon谱。
本发明实施例中，具体的，在将Capon Beam Former的方法应用于本实施例来计算多路数字目标信号的Capon谱时，还以上文所述的8个收天线为例，进行具体说明。该8个收天线一一对应了8个128*128快速傅里叶变换矩阵，首先提取每个快速傅里叶变换矩阵的第1列的值，构造第1初始矩阵，该初始矩阵为8*128的矩阵，再提取每个快速傅里叶变换矩阵的第2列的值，构造一个也为8*128的第2初始矩阵，依次类推，最终提取每个快速傅里叶变换矩阵的第128列的值，构造出第128初始矩阵，从而获得128个8*128的初始矩阵。基于公式：RXX＝E(XXH),分别代入128个初始矩阵，计算出128个8*8的协方差矩阵，其中，RXX为协方差矩阵，即与每个初始矩阵对应的协方差矩阵，E为矩阵符号，X为一个初始矩阵，XH为该初始矩阵的共轭转置矩阵。再对计算出的协方差矩阵进行主对角线加载处理，可以提升处理过程的稳定性。预设导向矩阵的值与收天线间的间距、设定的角度单元的个数有关以及雷达设定的测角范围有关，例如，在本实施例中收天线的个数为8个，相邻的两个收天线的距离为λ/2，角度单元的个数为64个，测角范围为±60°，每个角度维代表的度数为120°/64＝1.875°，则有：
A(θ)＝(a(θ1),...a(θM))
其中，A(θ)为预设导向矩阵，
其中，
可以根据欧拉公式展开进行计算，可得
yN＝dN/λ
N为天线的标号，dN为N个相邻的两个收天线的距离，故y1＝1/2，y2＝1，…，y8＝4；θM＝-60+(60*2)/64*M。根据上述公式可以求出A(θ)中的一个元素a(θM)，同理计算a(θ1)…a(θM-1)，最终可得A(θ)。
根据公式
计算Capon谱；其中，Pcapon为Capon谱，m∈(1，M)，
为协方差矩阵Rxx的逆矩阵，aH(θm)为a(θm)预设导向矩阵的共轭转置矩阵。使将64个a(θm)与128个
代入上述公式，得到一个128*64的距离维-角度维Capon谱。通过上述方法计算的Capon谱包括了目标的距离维信息和角度维信息，且算法的稳定性强，角度分辨率高，可以提升监测的准确性和可靠性。
一些实施例中，基于所述Capon谱，计算目标的点云距离信息和点云角度信息，包括：计算所述Capon谱中每个点对应的距离维恒虚警门限和角度维恒虚警门限；将所述Capon谱中每个点的值与所述Capon谱中该点对应的距离维恒虚警门限一一比较；当该点的值与所述Capon谱中该点对应的距离维恒虚警门限满足第一预设关系时，判断该点满足是第一恒虚警点的条件；将所述Capon谱中的第一恒虚警点的值与所述Capon谱中该点对应的角度维恒虚警门限一一比较；当该点的值与该点对应的角度维恒虚警门限满足第二预设关系时，判断该点满足是第二恒虚警点的条件；基于所述第二恒虚警点，计算目标的点云距离信息和点云角度信息。
本发明实施例中，在获取了包含目标的距离维信息和角度维信息的Capon谱后，需要将目标的点云距离信息和点云角度信息提取出来，可以通过恒虚警门限进行筛选，延续上文所述的各个参数，具体提取过程如下：首先计算Capon谱中每个点对应的距离维恒虚警门限，对于本实施例，Capon谱为128*64的距离维-角度维Capon谱，则有128*64个距离维恒虚警门限和128*64个角度维恒虚警门限。在获取了每个点对应的两个维度的恒虚警门限后，依次将Capon谱中每个点的值与该点对应的距离为恒虚警门限进行比较，当该点的值与所述Capon谱中该点对应的距离维恒虚警门限满足第一预设关系时，判断该点满足是第一恒虚警点的条件；该第一预设关系与恒虚警门限的计算方法有关。在筛选了第一恒虚警点后，计算Capon谱中第一恒虚警点对应的角度维恒虚警门限，将Capon谱中的第一恒虚警点的值与该点对应的角度维恒虚警门限一一比较；当该点的值与该点对应的角度维恒虚警门限满足第二预设关系时，判断该点满足是第二恒虚警点的条件；该第二预设关系与恒虚警门限的计算方法有关。上述筛选过程也可以先判断角度维再判断距离维。在获取了第二恒虚警点后，基于第二恒虚警点在Capon谱中的行号和列号，计算目标的点云距离信息和点云角度信息。例如，每个角度维代表的度数为1.875度，如果每个距离维代表的角度为0.08米(根据配置的波形参数得到)，那么点云的距离＝行号*0.08米，点云的角度＝列号*1.875度。上述方法可以快速有效的筛选出有效的信息点，获取目标的点云距离信息和点云角度信息。
一些实施例中，通过：
计算所述Capon谱中每个点对应的距离维恒虚警门限和所述Capon谱中每个第一恒虚警点对应的角度维恒虚警门限；
式中，m(q,i)为所述Capon谱中第q列中的第i个点对应的距离维恒虚警门限，R为第一常数，xk为当前列中的第k个点的值，r为第一预设数值，l为第二预设数值，n(p,j)为所述Capon谱中第p行中的第j个点对应的角度维恒虚警门限，T为第二常数，yk为当前行中的第k个点的值；其中，
在计算m(q,i)时：当i-r<0时，r＝r+P；当i+r>P时，r＝r-P；
在计算n(p,j)时：当j-r<0时，r＝r+Q；当j+r>Q时，r＝r-Q；
式中，P为所述Capon谱中每列的点的个数；Q为所述Capon谱中每行的点的个数。
本发明实施例中，以上方法可以提高设定的两个维度的恒虚警门限的准确性，使其更贴近于实际。依然延续上文中的参数进行具体的说明。对于距离维的恒虚警门限的确定，对于Capon谱中任意一个点，确定该点列号与该点在该列中的位置号，取第一预设数值为4，第二预设数值为16，则有，取该点在该列中之后的第4个点的值到该点之后的第20个点的值求平均，取该点在该列中之前的第4个点的值到该点之前的第20个点的值求平均，如果该点的位置号加4超过了128，则取第该点的位置号加4后再减128对应的点的值和之后20个点的值求平均，同理，若该点的位置号减4小于0，则取第该点的位置号减4后再加128对应的点的值和之前20个点的值求平均。取这两个平均数中较小的点作为底噪，并乘以一个合适的常数(根据实际情况进行设定)，作为该点对应的距离维的恒虚警门限。对于角度维的恒虚警门限的确定，对于Capon谱中任意一个第一恒虚警点，确定该第一恒虚警点行号与该第一恒虚警点在该行中的位置号，取第一预设数值为4，第二预设数值为16，则有，取该第一恒虚警点在该行中之后的第4个点的值到该第一恒虚警点之后的第20个点的值求平均，取该第一恒虚警点在该行中之前的第4个点的值到该第一恒虚警点之前的第20个点的值求平均，如果该第一恒虚警点的位置号加4超过了64，则取第该第一恒虚警点的位置号加4后再减64对应的点的值和之后20个点的值求平均，同理，若该第一恒虚警点的位置号减4小于0，则取第该第一恒虚警点的位置号减4后再加64对应的点的值和之前20个点的值求平均。取这两个平均数中较小的点作为底噪，并乘以一个合适的常数(根据实际情况进行设定)，作为该第一恒虚警点对应的角度维的恒虚警门限。
一些实施例中，基于所述Capon谱，计算目标的点云速度信息，包括：确定每个所述第二恒虚警点在所述Capon谱中的行标号；基于所述多个快速傅里叶变换矩阵中每个快速傅里叶变换矩阵的第g列，构造当前一个第二恒虚警点对应的协方差矩阵；其中，g为当前一个第二恒虚警点在所述Capon谱中的行标号；基于该第二恒虚警点对应的协方差矩阵与该第二恒虚警点对应的导向矢量计算该第二恒虚警点对应的Capon波束权系数；将所述多个快速傅里叶变换矩阵中每个快速傅里叶变换矩阵的第g列和该第二恒虚警点对应的Capon波束权系数相乘后再相加，得到初始速度矩阵；通过对所述初始速度矩阵做二维快速傅里叶变换，获得该第二恒虚警点对应的点云速度信息；对每一个第二恒虚警点重复上述步骤，获得所有第二恒虚警点对应的点云速度信息，并作为目标的点云速度信息。
本发明实施例中，在确定了第二恒虚警点后，确定每个第二恒虚警点在Capon谱中的行标号，并将该点的行标号对应为前述8个快速傅里叶变换矩阵中的列标号，分别取8个快速傅里叶变换矩阵中的该列的值，构造一个该点对应的协方差矩阵，构造方法与上文中的RXX的计算方法相同。基于该第二恒虚警点对应的协方差矩阵与该第二恒虚警点对应的导向矢量计算该第二恒虚警点对应的Capon波束权系数，具体可以通过公式
计算该第二恒虚警点对应的Capon波束权系数ωcapon，式中
为该第二恒虚警点对应的协方差矩阵的共轭转置矩阵，a(θm)与上文实施例中a(θm)的计算方法相同，m的值与该点对应的行标号相同。在计算出该第二恒虚警点对应的Capon波束权系数后，将8个快速傅里叶变换矩阵中每个的快速傅里叶变换矩阵中该列的值分别与该第二恒虚警点对应的Capon波束权系数相乘后再相加，获得一个初始速度矩阵。对该初始速度矩阵做二维快速傅里叶变换，将幅度最大的index作为该第二恒虚警点的点云速度信息。对每个第二恒虚警点均进行上述操作，获得每个第二恒虚警点对应的点云速度信息。则目标的点云速度＝index*速度分辨率，速度分辨率根据波形配置参数和采样点数进行设定。通过上述方法可以计算出所有第二恒虚警点对应的点云速度，从而获得了目标的距离、角度和速度三个维度的信息。
一些实施例中，在所述对所述多路数字目标信号的每个扫频周期中的数据点做快速傅里叶变换之前，还包括：对每个扫频周期中的数据点进行加半窗处理。具体的，该窗可以是汉宁窗。例如，比如每个扫频周期上有128个数据点，则取128长度的汉宁窗前16个值和后16个值分别加到该扫频周期的前16个数据点和后16个数据点上，这样不仅抑制了旁瓣，还可以保证主瓣的能量。
一些实施例中，所述基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹，包括：基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，通过扩展卡尔曼滤波，生成目标的航迹。
本发明实施例中，首先对目标的航迹进行预测，具体过程包括：利用t-1时刻的测量值，采取卡尔曼滤波器对t时刻的值进行预测，其公式如下：
Sapr(t)＝FS(t-1)
Papr(t)＝FP(t-1)FT+Q(t-1)
其中，S(t)为在时间t跟踪目标的状态向量；Sapr(t)为在时间t的跟踪状态的先验估计值；P(t)为在时间t的状态向量估计误差协方差矩阵，定义P(t)＝Cov[S(t)-sapr(t)]；Papr(t)为在时间t的状态向量协方差矩阵的先验估计值；F为S(t)的状态转移矩阵；FT为F的转置矩阵；Q(t)为S(t)的在时间t的噪声协方差矩阵。
在进行目标的航迹预测后，对于一个或多个目标，对于每个目标，形成一个与预测质心相关的门，用于限定在时间t观察到的各个点云。门的大小取决于当前目标的状态以及门参数的设置。若点云的值(距离、角度、速度)与目标的预测值的差值小于设置的门，则认为该点在门内。对于门内的点云，当该点云只出现在唯一一个目标的门内时，则该点云关联到此目标。当一个点云同时出现在多个目标的门内时，计算该点云与每个目标的马氏距离值，作为该点云与每个目标的得分，所有目标计算完成后，点云关联到得分最高的目标。对于没有在任何目标门内的点云，则设置为自由点，参与下一步的分配。
对于在上一步没有关联任何目标的点云，需要计算分配并初始化为新的航迹。首先提取一个点，以其坐标作为质心，遍历其它所有点云，判断该点与质心的速度与距离的差值是否在设定的门限以内，若在，则将该点添加到此集群，同时重新计算质心。所有点云遍历完后，计算集群的SNR之和以及集群所包含的点云数量，若超过设定的SNR门限和点云个数门限，则初始化为新的航迹。SNR门限和点云数量门限根据质心的距离有所改变，距离越远，门限越低。通过判断质心的坐标与已存在的目标的相对位置关系，判断该质心是否被遮挡，若被遮挡，则提高SNR门限，该策略可以有效防止两个人相距较近时分裂出新目标的问题。
在进行航迹的分配后，随着时刻t的测量值变得可用，根据卡尔曼滤波器，状态和误差协方差估计在以下测量更新过程中更新，具体的：
通过y(t)＝u(t)-Sapr(t)K计算观测和预测的残差；
通过C(t)＝JH(Sapr(t))Papr(t)JT H(Sapr(t))+R(t)计算残差协方差；
通过K(t)＝Papr(t)JH(Sapr(t))inv[C(t)]计算卡尔曼增益；
通过S(t)＝Sapr(t)+K(t)y(t)计算后验状态向量；
通过L(t)＝Papr(t)-K(t)JH(Sapr(t))Papr(t)计算后验误差协方差；
其中，y(t)为观测和预测的残差，C(t)为残差协方差，K(t)为卡尔曼增益，S(t)为后验状态向量，L(t)为后验误差协方差，JH为状态变量到测量的转换矩阵，R(t)为测量噪声协方差矩阵，u(t)为系统测量值，inv转秩矩阵的运算符。
依次根据上文所述的预测、关联、分配和更新的步骤，可以实现对多个目标的航迹的区分与持续跟踪。
一些实施例中，所述基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线，包括：当所述目标的航迹和所述警戒线的位置满足第一预设条件时，判定有目标越过警戒线；其中，所述第一预设条件包括：所述目标的航迹上存在位于所述警戒线第一侧的点和位于所述警戒线第二侧的点。
本发明实施例中，在获取了目标的航迹后，可以根据目标的航迹和所述警戒线的位置设置警戒条件，例如，对于当前一个目标的航迹，当目标的航迹上存在位于所述警戒线第一侧的点和位于所述警戒线第二侧的点时，此时可以判定当前该目标越过了警戒线。上文中已经实现了航迹的区分，因此对于多个目标均可以采取该实施例中的警戒条件进行判定，从而实现了使用雷达对警戒线进行监测，判断是否存在目标越过警戒线，并且对于多个目标也具备良好的区分效果。
一些实施例中，所述基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线，包括：当所述目标的航迹上存在位于所述警戒线第一侧的点和位于所述警戒线第二侧的点，且位于所述警戒线第一侧的点为第一时刻生成的点，位于所述警戒线第二侧的点为第二时刻生成的点时，判定有目标越过警戒线；其中，所述第一时刻早于所述第二时刻；所述警戒线第一侧至所述警戒线第二侧的方向为警戒方向。
本发明实施例中，在获取了目标的航迹后，还可以设置一个警戒方向，只有目标从设定的警戒方向越过警戒线时才判定有目标越过警戒线。对于当前一条航迹，具体的判断过程可以是，当所述目标的航迹上存在位于所述警戒线第一侧的点和位于所述警戒线第二侧的点，且位于所述警戒线第一侧的点为第一时刻生成的点，位于所述警戒线第二侧的点为第二时刻生成的点时，判定有目标越过警戒线；且所述第一时刻早于所述第二时刻；所述警戒线第一侧至所述警戒线第二侧的方向为警戒方向。
一些实施例中，雷达位于警戒线的一端的延长线上时，设定一条法线作为角度0，还可以根据当前目标的航迹各个时刻的点与雷达连线形成的角度的变化，以及该警戒线与法线的夹角判断是否存在目标越过警戒线，并且也可以根据该条航迹的角度变化趋势判断目标越过警戒线的方向。
一些实施例中，在所述基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线之后，还包括：记录越过警戒线的目标的数量。
本发明实施例中，可以在形成目标的航迹时，对航迹进行编号，当判断一些目标航迹满足目标越过警戒线的条件时，记录这些编号，并生成航迹的数量，便于后续的处理过程。
图2是本发明实施例提供的警戒线目标监测装置的结构示意图，参见图2，该警戒线目标监测装置20可以包括：
回波获取模块21，获取多路回波信号；其中，所述多路回波信号为包含警戒线的预设区域反回的雷达信号。
数据计算模块22，用于基于所述多路回波信号，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息。
航迹生成模块23，用于基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹。
目标监测模块24，用于基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线。
本发明实施例中，每个模块中具体方法的实现步骤可以参见前述方法的实施例中的相关描述，在此不再赘述。
图3是本发明实施例提供的警戒线目标监测系统的结构示意图，参见图3，该警戒线目标监测系统30可以包括：警戒线目标监测装置20和MIMO系统40，所述述MIMO系统40用于发射连续波监测预设区域，并将接收的多路回波信号发送至所述警戒线目标监测装置20。
本发明实施例中，MIMO系统可以通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，提高系统的信道容量。并且，该MIMO系统可以通过产生虚拟阵列，扩展天线阵列的孔径，从而进一步提升了角分辨率，提高警戒线目标监测的准确率和多个目标的分辨率。本发明实施例包括本发明实施例第二方面提供的警戒线目标监测装置，因此也具有上述实施例第二方面提供的警戒线目标监测装置的有益效果。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述警戒线目标监测装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的警戒线目标监测方法、装置和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的警戒线目标监测装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种警戒线目标监测方法，其特征在于，包括：
获取多路回波信号；其中，所述多路回波信号为包含警戒线的预设区域返回的雷达信号；
基于所述多路回波信号，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息；
基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹；
基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线。
2.如权利要求1所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，所述基于所述多路回波信号，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息，包括：
对所述多路回波信号进行预处理，得到多路数字目标信号；
计算所述多路数字目标信号的Capon谱；
基于所述Capon谱，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息。
3.如权利要求2所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，所述对所述多路回波信号进行预处理得到多路数字目标信号，包括：
对所述多路回波信号进行模数转换，得到多路数字信号；
对所述多路数字信号进行预设频率的采样，提取多路正交I/Q信号作为所述多路数字目标信号。
4.如权利要求2所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，所述计算所述多路数字目标信号的Capon谱，包括：
对所述多路数字目标信号的每个扫频周期中的数据点做快速傅里叶变换，得到多个快速傅里叶变换矩阵；其中，所述多个快速傅里叶变换矩阵包括目标的距离维信息；
通过Capon Beam Former方法对所述多个快速傅里叶变换矩阵进行处理，获得所述Capon谱；其中，所述Capon谱包括目标的距离维信息和角度维信息。
5.如权利要求4所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，所述通过Capon BeamFormer方法对所述快速傅里叶变换矩阵进行处理，获得所述Capon谱，包括：
基于所述多个快速傅里叶变换矩阵中每个快速傅里叶变换矩阵的第h列的值，构造第h初始矩阵；
基于所述第h初始矩阵，构造第h协方差矩阵；其中，h∈[1，N]，N为所述快速傅里叶变换矩阵的列数；
对构造的多个协方差矩阵进行主对角线加载处理；
基于进行主对角线加载处理后的多个协方差矩阵与预设导向矩阵计算所述Capon谱。
6.如权利要求2所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，基于所述Capon谱，计算目标的点云距离信息和点云角度信息，包括：
计算所述Capon谱中每个点对应的距离维恒虚警门限；
将所述Capon谱中每个点的值与所述Capon谱中该点对应的距离维恒虚警门限一一比较；当该点的值与所述Capon谱中该点对应的距离维恒虚警门限满足第一预设关系时，判断该点满足是第一恒虚警点的条件；
计算所述Capon谱中每个第一恒虚警点对应的角度维恒虚警门限；
将所述Capon谱中的第一恒虚警点的值与所述Capon谱中该点对应的角度维恒虚警门限一一比较；当该点的值与该点对应的角度维恒虚警门限满足第二预设关系时，判断该点满足是第二恒虚警点的条件；
基于所述第二恒虚警点，计算目标的点云距离信息和点云角度信息。
7.如权利要求6所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，
通过：
计算所述Capon谱中每个点对应的距离维恒虚警门限和所述Capon谱中每个第一恒虚警点对应的角度维恒虚警门限；
式中，m(q,i)为所述Capon谱中第q列中的第i个点对应的距离维恒虚警门限，R为第一常数，xk为当前列中的第k个点的值，r为第一预设数值，l为第二预设数值，n(p,j)为所述Capon谱中第p行中的第j个点对应的角度维恒虚警门限，T为第二常数，yk为当前行中的第k个点的值；其中，
在计算m(q,i)时：当i-r<0时，r＝r+P；当i+r>P时，r＝r-P；
在计算n(p,j)时：当j-r<0时，r＝r+Q；当j+r>Q时，r＝r-Q；
式中，P为所述Capon谱中每列的点的个数；Q为所述Capon谱中每行的点的个数。
8.如权利要求6所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，基于所述Capon谱，计算目标的点云速度信息，包括：
确定每个所述第二恒虚警点在所述Capon谱中的行标号；
基于所述多个快速傅里叶变换矩阵中每个快速傅里叶变换矩阵的第g列，构造当前一个第二恒虚警点对应的协方差矩阵；其中，g为当前一个第二恒虚警点在所述Capon谱中的行标号；
基于该第二恒虚警点对应的协方差矩阵与该第二恒虚警点对应的导向矢量计算该第二恒虚警点对应的Capon波束权系数；
将所述多个快速傅里叶变换矩阵中每个快速傅里叶变换矩阵的第g列和该第二恒虚警点对应的Capon波束权系数相乘后再相加，得到初始速度矩阵；
通过对所述初始速度矩阵做二维快速傅里叶变换，获得该第二恒虚警点对应的点云速度信息；
对每一个第二恒虚警点重复上述步骤，获得所有第二恒虚警点对应的点云速度信息，并作为目标的点云速度信息。
9.如权利要求4所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，在所述对所述多路数字目标信号的每个扫频周期中的数据点做快速傅里叶变换之前，还包括：
对每个扫频周期中的数据点进行加半窗处理。
10.如权利要求1所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，所述基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹，包括：
基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，通过扩展卡尔曼滤波，生成目标的航迹。
11.如权利要求1至10任一项所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，所述基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线，包括：
当所述目标的航迹和所述警戒线的位置满足第一预设条件时，判定有目标越过警戒线；
其中，所述第一预设条件包括：所述目标的航迹上存在位于所述警戒线第一侧的点和位于所述警戒线第二侧的点。
12.如权利要求1至10任一项所述的警戒线目标监测方法，其特征在于，所述基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线，包括：
当所述目标的航迹上存在位于所述警戒线第一侧的点和位于所述警戒线第二侧的点，且位于所述警戒线第一侧的点为第一时刻生成的点，位于所述警戒线第二侧的点为第二时刻生成的点时，判定有目标越过警戒线；其中，所述第一时刻早于所述第二时刻；所述警戒线第一侧至所述警戒线第二侧的方向为警戒方向。
13.一种警戒线目标监测装置，其特征在于，包括：
回波获取模块，获取多路回波信号；其中，所述多路回波信号为包含警戒线的预设区域反回的雷达信号；
数据计算模块，用于基于所述多路回波信号，计算目标的点云距离信息、点云角度信息和点云速度信息；
航迹生成模块，用于基于所述点云距离信息、所述点云角度信息和所述点云速度信息，对所述目标进行跟踪，生成目标的航迹；
目标监测模块，用于基于所述目标的航迹和所述警戒线的位置，判断是否有目标越过警戒线。
14.一种警戒线目标监测系统，包括如权利要求13所述的警戒线目标监测装置和MIMO系统，其特征在于，所述MIMO系统用于发射连续波监测预设区域，并将接收的多路回波信号发送至所述警戒线目标监测装置。
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