CN112114305A - 一种非接触式河道雷达监测方法、系统、装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于计算机，嵌入式，通信，雷达探测技术领域，公开了一种非接触式河道雷达监测方法、系统、装置及应用，连续波雷达通过比较任意时刻回波信号频率与此时刻发射信号的频率之差的方法得到目标的距离信息；距离正比于两者的频率差，目标的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到，探测河道两边动目标的位置速度信息。本发明综合利用雷达探测技术、探测通信一体化技术、空间定位等技术；将雷达探测和通信技术相结合的一种集通信探测一体化的新型外场监测设备，可全天候对被监控河道进行安防监测；集探测通信于一体，依次通过雷达节点将信息传递到监测中心；对非法航行船只和采砂船进行警示；对被探测到的目标数据进行实时数据保存。
Description
技术领域
本发明属于计算机，嵌入式，通信，雷达探测技术领域，尤其涉及一种非接触式河道雷达监测方法、系统、装置及应用。
背景技术
目前，水资源对人类生活生产起着至关重要的作用，河道管理是城市生态治理中必不可少的重要环节，与居民的生活和工作息息相关。近年来随着工业化的发展，河道非法采砂和水库中被一些不法人员排放垃圾，给人类用水带来很大危机。科技技术在河道管理的过程中应用很少，大部分的河道监测是靠人工来完成的，这会导致庞大的工作量，并且监测时间周期长，效率低。随着科学技术的发展，一些部门将计算机视觉技术应用于河道监测中，通过图像处理技术来对河道废弃物和漂浮物进行识别。此技术虽然能够提高河道监测的效率，但其精确度较低，在废弃物隐匿于急促的水流中时，图像处理技术并不能准确的对河道漂浮物进行识别。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：人工监测工作量大且周期长，图像处理技术准确度较低。
解决以上问题及缺陷的难度为：
1由于河道岸线长、水面宽广、人员流动性大，受天气以及风浪影响大，尤其是遇到沙尘、雨雪天气时候，给监测系统带来了严峻考验。
2监测有可能存在虚警情况。
3探测背景噪声大，使得目标不容易区分。
4探测范围视角窄。
解决以上问题及缺陷的意义为：本文所设计的非接触式河道雷达监测装置，即在河道两旁的大坝上固定若干雷达，通过相互交叉探测整个河道的安防区域，最终根据终端系统进行坐标换算得到目标在整个监测范围内的具体位置，具有大范围目标监测，精度高，时效性强，安全性好，工作方式灵活，实现了对河道区域的全天时、全天候工作监测能力，极大解决了传统人工操作以及监控视频效率低下问题。为解决河道内非法采砂以及乱排乱放提供了有效手段，从长远来看，实现了河道资源的可持续发展，具有一定的工程应用价值。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种非接触式河道雷达监测方法、系统、装置及应用。
本发明是这样实现的，一种非接触式河道雷达监测方法，所述非接触式河道雷达监测方法包括：
线性调频连续波雷达(LFMCW雷达)是一种在一个脉冲周期内射频信号频率呈线性变化的连续波雷达，可将其射频探测到物体后的任意时刻的回波信号与此时刻的雷达发射信号做混频，由此可得目标物的拍频信号，该拍频信号包含回波信号的时间信息，通过计算公式
(L为雷达与目标的距离，c为电磁波速度，fb为拍频频率，T为调频信号周期，B为信号调制带宽)可得到目标与雷达的距离信息；
若目标物具有基于雷达的径向速度，在相邻的两个脉冲之间，由于多普勒效应的存在，不同雷达周期所接受到的回波信号的拍频频率是不同的，而该频率就隐含了目标的速度信息，由计算公式
(fd为多普勒频率，f0为载波的中心频率，v为目标的径向速度，c为电磁波速度)可得到目标的径向速度，联合上述的目标距离测量方法，则可探测河道内动目标的位置速度信息。
基于上述方法所得到的目标距离和速度信息，然后采用滑窗恒虚警算法，对得到的速度——距离二维矩阵进行遍历检测，最终得到经背景杂波抑制后的检测目标。
进一步，所述非接触式河道雷达监测方法是在河道两旁的大坝上固定若干雷达，B雷达节点在A雷达节点电磁波探测范围内，而A雷达节点也在B雷达节点电磁波探测范围内，因此A雷达节点能将其探测到的数据传递给B雷达节点，同时B雷达节点将数据传递给C雷达节点，依次最终A雷达节点探测的数据就传递到H雷达节点，将H雷达节点上的网络接口通过网线连接到终端系统就可以完全接受整个安防区域内的探测数据，每个雷达在发送目标数据时均加上自己ID，根据坐标换算得到目标在整个监测范围内的具体位置。
进一步，所述非接触式河道雷达监测方法保证在每个雷达节点处安装有语音警示系统，当有目标出现时根据终端系统的信息发出警示声音信号。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述非接触式河道雷达监测方法的非接触式河道雷达监测系统，所述非接触式河道雷达监测系统包括：
目标距离信息获取模块，用于连续波雷达通过比较任意时刻回波信号频率与此时刻发射信号的频率之差的方法得到目标的距离信息；
目标信息处理模块，用于距离正比于两者的频率差，目标的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到，探测河道两边动目标的位置速度信息。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述非接触式河道雷达监测系统的非接触式河道雷达监测装置，所述非接触式河道雷达监测装置包括：通信探测一体化雷达、可活动太阳能电池板支柱、太阳能电池板支架、固定桩、天线保护壳、微带天线、接插孔、雷达封装外壳；
通信探测一体化雷达安装在固定桩上，固定桩通过可活动太阳能电池板支柱与太阳能电池板支架连接；天线保护壳和雷达封装外壳内安装有微带天线、接插孔，微带天线上安装有射频电路板，信号处理板安装在雷达封装外壳的内部。
进一步，所述信号处理板内部安装有模数转换单元、模拟部分供电单元、系统供电总接口、数字部分供电单元、网络接口、中央处理器、备用通信接口、程序烧录接口单元。
进一步，雷达在固定桩内固定，雷达外壳上所有接口都至少有密封垫圈；
雷达微带天线向外发射和接受电磁波至少包括发射部分和接收部分，与射频电路板上的射频芯片相应管脚相连接，射频电路板上至少有低噪声放大器、巴伦变换电路、低噪声电源供电系统。
进一步，雷达中频信号处理板至少包括电源供电单元，AD转化单元，数字信号处理器，AD转化单元是将来自射频电路板的模拟信号转化为数字信号。
进一步，中央处理器至少包括信号接口单元、时钟单元、乘法器单元和中频放大器单元，该乘法器单元用于加速处理雷达信号。
本发明的另一目的在于提供一种河道、水库的雷达监测系统，所述河道、水库的雷达监测系统安装有所述的非接触式河道雷达监测装置。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过IMSA_9854S连接器使射频电路板与信号处理板相连，将射频电路板上的模拟信息送到信号处理板上的模数转换单元，将模拟信号转化为数字信号便于处理；雷达封装外壳和雷达天线保护壳上有固定螺孔和防水垫圈，以防止雨天向雷达内部渗水、影响雷达工作；利用水坝上安装的节点装置对入侵目标进行监测，监测到的数据可经过微带天线的发射部分传递给河岸对面雷达的微带天线接收部分，循环这样可最终将信号传递给最后的一个雷达；可活动太阳能电池板支柱为中空结构，以便太阳能电池和蓄电池的连接导线可通过支柱的中空部分链接。
本发明综合利用雷达探测技术、探测通信一体化技术、空间定位、网络通信等技术。河道雷达监测系统是一款将雷达探测和通信技术相结合的一种集通信探测一体化的新型外场监测设备，可全天候对被监控河道进行安防监测；该装置集探测通信于一体，可依次通过雷达节点将信息传递到监测中心；对非法航行船只和采砂船进行警示；可对被探测到的目标数据进行实时数据保存。
本发明的河道安防检测与预警系统，具体涉及多点雷达探测，探测通信一体化，雷达信号处理，数据处理与存储。为了对非法船只和非法排放垃圾进行实时监控，本发明提供了一种用于河道、水库的雷达监测系统。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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非接触式河道雷达监测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的非接触式河道雷达监测系统的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的非接触式河道雷达监测装置的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的雷达结构示意图。
图5是本发明实施例提供的雷达信号处理板示意图。
图6是本发明实施例提供的非接触式河道雷达监测装置的原理示意图。
图7是本发明实施例提供的双通道雷达原始回波信号成像图。
图8是本发明实施例提供的双目标雷达信号成像图。
图9是本发明实施例提供的经恒虚警算法处理后的单目标雷达信号成像图。
图10是本发明实施例提供的经本方法处理后多目标检测实际效果图。
图11是本发明实施例提供的河道测试模拟示意图。
图中：1、通信探测一体化雷达；2、可活动太阳能电池板支柱；3、太阳能电池板支架；4、固定桩；5、天线保护壳；6、微带天线；7、接插孔；8、雷达封装外壳；9、信号处理板；10、射频电路板；11、模数转换单元；12、模拟部分供电单元；13、系统供电总接口；14、数字部分供电单元；15、网络接口；16、中央处理器；17、备用通信接口；18、程序烧录接口单元；19、数据缓存模块；20、目标距离信息获取模块；21、目标信息处理模块；22、FMCW雷达；23、供电电源；24、模拟目标。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图11所示，我们在该河道岸边搭建了本发明实例测试装置，并在河道上设置了3个模拟目标(此图只包含一个模拟目标，另外两个目标在视野之外)，本测试对雷达回波信号进行三维FFT变换得到目标的位置、速度以及角度信息，其次再对处理后的信号进行恒虚警检测滤除背景杂波，最终采用目标凝聚算法得到最终的结果，将结果按散点图排列呈现后便得到如图10所示的最终结果，图10中清晰可见三个目标的位置、速度、角度信息等。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种非接触式河道雷达监测方法、系统、装置及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的非接触式河道雷达监测方法包括以下步骤：
S101：连续波雷达通过比较任意时刻回波信号频率与此时刻发射信号的频率之差的方法得到目标的距离信息；
S102：距离正比于两者的频率差，目标的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到，从而探测河道两边动目标的位置速度等信息。
本发明提供的非接触式河道雷达监测方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1仅仅是本发明提供的非接触式河道雷达监测方法的一个具体实施例而已。
如图2所示，本发明提供的非接触式河道雷达监测系统包括：
目标距离信息获取模块20，用于连续波雷达通过比较任意时刻回波信号频率与此时刻发射信号的频率之差的方法得到目标的距离信息。
目标信息处理模块21，用于距离正比于两者的频率差，目标的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到，从而探测河道两边动目标的位置速度等信息。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图3-6所示，本发明提供的非接触式河道雷达监测装置包括：通信探测一体化雷达1、可活动太阳能电池板支柱2、太阳能电池板支架3、固定桩4、天线保护壳5、微带天线6、接插孔7、雷达封装外壳8、信号处理板9、射频电路板10、模数转换单元11、模拟部分供电单元12、系统供电总接口13、数字部分供电单元14、网络接口15、中央处理器16、备用通信接口17、程序烧录接口单元18。
通信探测一体化雷达1安装在固定桩4上，固定桩4通过可活动太阳能电池板支柱2与太阳能电池板支架3连接。天线保护壳5和雷达封装外壳8内安装有微带天线6、接插孔7，微带天线6上安装有射频电路板10，信号处理板9安装在雷达封装外壳8的内部。
信号处理板9内部安装有模数转换单元11、模拟部分供电单元12、系统供电总接口13、数字部分供电单元14、网络接口15、中央处理器16、备用通信接口17、程序烧录接口单元18、数据缓存模块19。
雷达在固定桩4内固定，雷达外壳上所有接口都至少有密封垫圈，以防止向内渗水，雷达太阳能电池和蓄电池均为24V及以下对人体安全的直流电源。
每个装置节点都可以作为主节点向外连接出网线，为了便于安装简便，此发明设计成集探测通信于一体。
雷达微带天线6能够向外发射和接受电磁波至少包括发射部分和接收部分，与射频电路板10上的射频芯片相应管脚相连接，射频电路板10上至少有低噪声放大器、巴伦变换电路、低噪声电源供电系统。
雷达中频信号处理板9至少包括电源供电单元，AD转化单元，数字信号处理器，AD转化单元是将来自射频电路板10的模拟信号转化为数字信号。
中央处理器16至少包括信号接口单元、时钟单元、乘法器单元和中频放大器单元，该乘法器单元主要用于加速处理雷达信号。
固定桩4是用来将本装置固定在河道两边的大坝上，固定桩4内部有安装雷达的位置和放置蓄电池的位置。
如图6所示，河道两旁的大坝上固定若干雷达，B雷达节点在A雷达节点电磁波探测范围内，而A雷达节点也在B雷达节点电磁波探测范围内，因此A雷达节点能将其探测到的数据传递给B雷达节点，同时B雷达节点可以将数据传递给C雷达节点，依次最终A雷达节点探测的数据就传递到H雷达节点，这样只需将H雷达节点上的网络接口15通过网线连接到终端系统就可以完全接受整个安防区域内的探测数据，每个雷达在发送目标数据时均加上自己ID，这样一来就可以根据坐标换算得到目标在整个监测范围内的具体位置。同时每个雷达节点处安装有语音警示系统，当有目标出现时会根据终端系统的信息发出警示声音信号。基于上述的检测与数据处理方式，本系统实现了对河道的实时监控功能。
连续波雷达通过比较任意时刻回波信号频率与此时刻发射信号的频率之差的方法来得到目标的距离信息，距离正比于两者的频率差，目标的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到，从而探测河道两边动目标的位置速度等信息。其中射频信号的发送与接收均由雷达微带天线电路板完成。下面根据附图6来说明整个装置探测工作原理，河道两旁的大坝上固定若干雷达，因为B雷达节点在A雷达节点电磁波探测范围内，而A雷达节点也在B雷达节点电磁波探测范围内，因此A雷达节点能将其探测到的数据传递给B雷达节点，同时B雷达节点可以将数据传递给C雷达节点，依次最终A雷达节点探测的数据就传递到H雷达节点，这样只需将H雷达节点上的网络接口15通过网线连接到终端系统就可以完全接受整个安防区域内的探测数据，每个雷达在发送目标数据时均加上自己ID，这样一来就可以根据坐标换算得到目标在整个监测范围内的具体位置。同时每个雷达节点处安装有语音警示系统，当有目标出现时会根据终端系统的信息发出警示声音信号。基于上述的检测与数据处理方式，本系统实现了对河道的实时监控功能。
本雷达为双接收通道雷达，对每一周期的回波数据，在距离维上对数据进行256点FFT处理，在速度维上对数据进行128点FFT处理，为测试该雷达处于正常工作状态，使用该雷达对静止目标进行探测，所得回波信号经FFT算法处理后，将其三维可视化处理，结果如图7所示，表明该雷达处于正常工作状态。
图8为多目标测试方案结果图，在同一条河道中，存在两个速度相同，距离不同的监测对象，将雷达回波信号做FFT处理后，便得到图8所示目标成像图(未做恒虚警检测)，图中清晰可见两主要目标信号峰值突出，但其周围均存在幅度不一的旁瓣信号。
图9为恒虚警检测算法验证结果图，与图8对比，显而易见经恒虚警检测算法处理后目标更为规整、清晰，同时目标周围旁瓣信号(即背景杂波)已被基本抑制。
图11为真实场景验证结果图，验证人员在河道中设置了模拟目标，对雷达回波信号进行本方法的处理，将处理结果按散点图排列呈现后便得到如图10所示的最终结果，图10中清晰可见三个目标的位置、速度、角度信息等。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非接触式河道雷达监测方法，其特征在于，所述非接触式河道雷达监测方法包括：
连续波雷达通过比较任意时刻回波信号频率与此时刻发射信号的频率之差的方法得到目标的距离信息；
距离正比于两者的频率差，目标的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到，探测河道两边动目标的位置速度信息。
2.如权利要求1所述的非接触式河道雷达监测方法，其特征在于，所述非接触式河道雷达监测方法河道两旁的大坝上固定若干雷达，B雷达节点在A雷达节点电磁波探测范围内，而A雷达节点也在B雷达节点电磁波探测范围内，因此A雷达节点能将其探测到的数据传递给B雷达节点，同时B雷达节点将数据传递给C雷达节点，依次最终A雷达节点探测的数据就传递到H雷达节点，将H雷达节点上的网络接口通过网线连接到终端系统就可以完全接受整个安防区域内的探测数据，每个雷达在发送目标数据时均加上自己ID，根据坐标换算得到目标在整个监测范围内的具体位置。
3.如权利要求2所述的非接触式河道雷达监测方法，其特征在于，所述非接触式河道雷达监测方法保证每个雷达节点处安装有语音警示系统，当有目标出现时根据终端系统的信息发出警示声音信号。
4.一种实施权利要求1～3任意一项所述非接触式河道雷达监测方法的非接触式河道雷达监测系统，其特征在于，所述非接触式河道雷达监测系统包括：
目标距离信息获取模块，用于连续波雷达通过比较任意时刻回波信号频率与此时刻发射信号的频率之差的方法得到目标的距离信息；
目标信息处理模块，用于距离正比于两者的频率差，目标的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到，探测河道两边动目标的位置速度信息。
5.一种安装权利要求4所述非接触式河道雷达监测系统的非接触式河道雷达监测装置，其特征在于，所述非接触式河道雷达监测装置包括：通信探测一体化雷达、可活动太阳能电池板支柱、太阳能电池板支架、固定桩、天线保护壳、微带天线、接插孔、雷达封装外壳；
通信探测一体化雷达安装在固定桩上，固定桩通过可活动太阳能电池板支柱与太阳能电池板支架连接；天线保护壳和雷达封装外壳内安装有微带天线、接插孔，微带天线上安装有射频电路板，信号处理板安装在雷达封装外壳的内部。
6.如权利要求5所述的非接触式河道雷达监测装置，其特征在于，所述信号处理板内部安装有模数转换单元、模拟部分供电单元、系统供电总接口、数字部分供电单元、网络接口、中央处理器、备用通信接口、程序烧录接口单元。
7.如权利要求5所述的非接触式河道雷达监测装置，其特征在于，雷达在固定桩内固定，雷达外壳上所有接口都至少有密封垫圈；
雷达微带天线向外发射和接受电磁波至少包括发射部分和接收部分，与射频电路板上的射频芯片相应管脚相连接，射频电路板上至少有低噪声放大器、巴伦变换电路、低噪声电源供电系统。
8.如权利要求5所述的非接触式河道雷达监测装置，其特征在于，雷达中频信号处理板至少包括电源供电单元，AD转化单元，数字信号处理器，AD转化单元是将来自射频电路板的模拟信号转化为数字信号。
9.如权利要求5所述的非接触式河道雷达监测装置，其特征在于，中央处理器至少包括信号接口单元、时钟单元、乘法器单元和中频放大器单元，该乘法器单元用于加速处理雷达信号。
10.一种河道、水库的雷达监测系统，其特征在于，所述河道、水库的雷达监测系统安装有权利要求5～9任意一项所述的非接触式河道雷达监测装置。
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