CN114353707A - 基于开关阵列天线的多目标形变监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，包括参考路信号处理单元、测试路信号处理单元、控制单元、天线阵列和环形器；所述测试路信号处理单元的测试信号经环形器和天线阵列收发处理；所述控制单元控制所述天线阵列按照一定规则逐一接通。该基于开关阵列天线的多目标形变监测系统具有成本低、精度高、具有多目标监测能力的优点。
Description
技术领域
本发明涉及雷达检测技术领域，具体的说，涉及了一种基于开关阵列天线的多目标形变监测系统和方法。
背景技术
形变监测在桥梁、建筑物、人类生命体征（呼吸心跳）监测、智能家居等领域具有广阔的应用场景，尤其是在建筑物以及生命体征领域中。
随着国家的发展，桥梁、大坝、高楼等基础建设数量逐年增长，此类设施与人们的衣食住行有着密切的联系，因此对此类设施的结构监测具有重要意义。大型建筑的结构变化都体现在位移形变上，因此对于形变监测系统的研究具有重要意义。
生命体征最具代表性的体征数据为呼吸与心跳，人在呼吸与心跳时身体不同部位都会发生相应形变。如今，在流行病流行时，医院中使用接触式生命体征监测仪器有很大风险，因此非接触式生命体征监测领域成为研究热点。另外，相比较于接触式生命体征监测仪器，非接触式生命体征检测仪还更适用于烧伤病人的日常监护领域。
微波雷达具有抗干扰能力强、传播距离远等优点，因此微波雷达常被用于大型建筑以及生命体征的非接触监测中，但是传统的微波雷达监测系统通常仅可监测单个目标，适用范围较单一。
开关阵列天线利用多路选择开关选通不同子天线，在方位测量上具有高分辨能力、高精度等特点，可以准确分辨不同目标。
目前，清华大学提出的基于调频连续波雷达与随机开关阵列天线技术的监测系统可以实现多目标形变监测，但是系统结构复杂、成本高。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种成本低、具有多目标监测能力的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统和方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，包括参考路信号处理单元、测试路信号处理单元、控制单元、天线阵列和环形器；
所述测试路信号处理单元的测试信号经环形器和天线阵列收发处理；
所述控制单元控制所述天线阵列按照一定规则逐一接通。
基上所述，所述天线阵列配置有单刀多掷开关，所述控制单元通过所述单刀多掷开关控制所述天线阵列的逐一接通。
基上所述，所述测试路信号处理单元包括配置于环形器前端的发射路数控衰减器和第一放大器，所述发射路数控衰减器由所述控制单元控制连接，所述测试路信号处理单元还包括配置于环形器后端的接收路数控衰减器和第二放大器，所述接收路数控衰减器由所述控制单元控制连接。
基上所述，所述参考路信号处理单元包括固定衰减器和第三放大器。
基上所述，还包括微波信号源、滤波器、功分器、正交混频器和信号处理单元，所述微波信号源通过滤波器和功分器为参考路信号处理单元和测试路信号处理单元输出相同的两路微波信号，所述参考路信号处理单元的输出端和测试路信号处理单元的输出端分别连接至正交混频器的两个输入端，所述正交混频器输出两路信号给信号处理单元，所述信号处理单元将信号接收并处理后，发送给控制单元，所述控制单元将处理后的信号传输至云端。
基上所述，所述天线阵列为直线型天线阵列或平面形天线阵列。
一种基于开关阵列天线的多目标形变监测方法，包括以下步骤：
信号源产生的微波信号被分配成两路功率相同的微波信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，天线阵列由控制单元控制，按照一定规则依次接通。
一种单人生命体征监测方法，包括所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，通过以下步骤监测：
输出功率相同的参考路信号和测试路信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，控制单元控制天线阵列循环接通，通过结果信号得到当前测量效果最好的子天线，延长该子天线的接通周期，在接通周期结束后再进入下一个循环，确定下一个时间段内测量效果最好的子天线，并延长对应子天线的接通周期，周而复始。
一种多人生命体征监测方法，包括所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，通过以下步骤监测：
输出功率相同的参考路信号和测试路信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，控制单元控制天线阵列进行快速多次循环，每次循环可得到区域内各人短时间内的生命体征信息，经过多次循环，将区域内各人的生命体征信息进行持续的累加处理，进而得到区域内多人的生命体征信息。
一种大型建筑物形变监测方法，包括所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，通过以下步骤监测：
输出功率相同的参考路信号和测试路信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，所述天线阵列为平面型天线阵列，所述天线阵列的各子天线将需要监测的角度平分，所述控制单元控制天线阵列循环接通，进行监测。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明采用数控单刀多掷开关与天线阵列相连接，通过控制数控单刀多掷开关的逐一通断，控制天线阵列各子天线的逐一接通，并对数据进行分类分析，即可实现多目标形变信息的监测；相比于调频连续波雷达系统，本发明属于单频连续波雷达系统，其具有精度高、系统简单、处理方法简单、成本低廉的优点。
该系统可用于单人或多人生命体征的监测，还可以用于大型建筑物的形变监测，解决传统微波雷达检测方法中无法监测多目标的难题。
附图说明
图1是本发明中基于开关阵列天线的多目标形变监测系统的原理图。
图2是本发明中开关天线阵列雷达时序图。
图3是本发明中1×8微带贴片天线结构示意图。
图4是本发明中2×4微带贴片天线结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，一种基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，包括信号源、滤波器、功分器、正交混频器、信号处理单元、参考路信号处理单元（A路）、测试路信号处理单元（B路）、控制单元、天线阵列、数控单刀八掷开关和环形器，控制单元采用MCU。
信号源产生一个频率2.3GHz、功率为-2dbm的单频连续波信号，通过滤波器滤除其他频率的杂波，滤波后的信号经过一个二分功分器分为A、B两路。
A路信号采用一个固定衰减器和一个参考路放大器，以保证功分器输出的信号在到达正交混频器时功率已调整到合适的值，调整后的信号接入正交混频器的InputA端口。
B路信号属于测量信号，由于检测条件的不确定性，需要实时地对发射信号的功率进行调整，因此在信号经天线发射之前，需要先经过发射路数控衰减器和发射路放大器的调整，发射路数控衰减器由MCU控制。
为了单个天线可实现发射与接收操作，采用了环形器，信号经过发射路衰减器和环形器后，通过数控单刀八掷开关中一路通道将信号发射出去，反射信号被子天线接收，再次经由环形器进入接收路数控衰减器。当此天线的接通周期结束后，MCU将下发控制信号给数控单刀八掷开关，以选择下一个天线接通。
由于外界环境的不确定性，天线接收到的信号（反射信号）的损耗也不确定，为了使后端电路能工作在一个较好的状态，反射信号经过环形器后同样需要由接收路数控衰减器和放大器调制。经过放大/衰减后的调制信号接入正交混频器的InputB端口。
正交混频器对输入的两路信号（本振信号和反射信号）进行移相混频等处理，系统在此处采用正交混频器的目的是为了进行初步调解，然后输出I路和Q路信号。
I路信号与Q路信号大小相同，相位正交。信号处理单元对I路和Q路信号进行处理，得到被测目标形变数据并交由MCU，MCU对数据进行分类存储并发往云端，云端根据数据进行预警或者报警等操作。
其中，需要说明的是，MCU根据时序确定每个信号归属于哪个天线，每个天线有自己的监测区域。本系统采用的数控开关为高频切换开关，而人的呼吸频率较低，所以宏观上可以认为是多个天线同时测量子区域。当多个天线分时循环接通，MCU即可测定总监测区域的所有目标的变形情况。
如图2所示为开关天线阵列雷达时序图，为了实现控制天线接通断开，本系统采用的数控单刀八掷开关由MCU下发控制信号控制，同一时刻数控单刀八掷开关仅有一个通道被接通，即同一时刻仅有一个天线工作。在此天线的接通周期结束后，此天线对应的通道被关闭，数控单刀八掷开关根据MCU下发的新的控制信号接通新的通道。图例中△t1表征控制指令下发后系统执行的延时，△t2表征开关切换通道的延时，这两个时间变量的值相对于本系统非常小可忽略不计，长度不代表时间意义。由于每次天线的切换由MCU间接控制，可撰写不同的算法根据实际情况对天线阵列进行天线的切换。
如图3和图4所示，本系统适用于多种天线阵列形状，例如直线型天线阵列与平面型天线阵列。两种天线阵列分别适用于不同的使用场景。
本系统采用的天线阵列的子天线模块均为收/发一体天线，每个天线有自己的波束范围，当被接通的天线接通周期结束后（不同天线接通周期由MCU控制），MCU发出控制信号给数控单刀八掷开关选择下一个天线接通。为了使本系统更加微型化与系统化，本发明的天线阵列型号采用微带贴片天线。
实施例1
一种单人生命体征监测方法，包括所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，通过以下步骤监测：
输出功率相同的参考路信号和测试路信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，控制单元控制天线阵列循环接通，通过结果信号得到当前测量效果最好的子天线，即确定病人的位置，延长该子天线的接通周期，因病人有可能移动，在接通周期结束后再进入下一个循环，确定下一个时间段内测量效果最好的子天线，并延长对应子天线的接通周期，周而复始。
实施例2
一种多人生命体征监测方法，包括所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，通过以下步骤监测：
输出功率相同的参考路信号和测试路信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，控制单元控制天线阵列进行快速多次循环，每次循环可得到区域内各人短时间内的生命体征信息，经过多次循环，将区域内各人的生命体征信息进行持续的累加处理，进而得到区域内多人的生命体征信息。
实施例3
一种大型建筑物形变监测方法，包括所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，通过以下步骤监测：
输出功率相同的参考路信号和测试路信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，所述天线阵列为平面型天线阵列，所述天线阵列的各子天线将需要监测的角度平分，所述控制单元控制天线阵列循环接通，进行检测。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，其特征在于：包括参考路信号处理单元、测试路信号处理单元、控制单元、天线阵列和环形器；
所述测试路信号处理单元的测试信号经环形器和天线阵列收发处理；
所述控制单元控制所述天线阵列按照一定规则逐一接通。
2.根据权利要求1所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，其特征在于：所述天线阵列配置有单刀多掷开关，所述控制单元通过所述单刀多掷开关控制所述天线阵列的逐一接通。
3.根据权利要求2所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，其特征在于：所述测试路信号处理单元包括配置于环形器前端的发射路数控衰减器和第一放大器，所述发射路数控衰减器由所述控制单元控制连接，所述测试路信号处理单元还包括配置于环形器后端的接收路数控衰减器和第二放大器，所述接收路数控衰减器由所述控制单元控制连接。
4.根据权利要求3所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，其特征在于：所述参考路信号处理单元包括固定衰减器和第三放大器。
5.根据权利要求3所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，其特征在于：还包括微波信号源、滤波器、功分器、正交混频器和信号处理单元，所述微波信号源通过滤波器和功分器为参考路信号处理单元和测试路信号处理单元输出相同的两路微波信号，所述参考路信号处理单元的输出端和测试路信号处理单元的输出端分别连接至正交混频器的两个输入端，所述正交混频器输出两路信号给信号处理单元，所述信号处理单元将信号接收并处理后，发送给控制单元，所述控制单元将处理后的信号传输至云端。
6.根据权利要求5所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，其特征在于：所述天线阵列为直线型天线阵列或平面形天线阵列。
7.一种基于开关阵列天线的多目标形变监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
信号源产生的微波信号被分配成两路功率相同的微波信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，天线阵列由控制单元控制，按照一定规则依次接通。
8.一种单人生命体征监测方法，其特征在于：包括权利要求1-6任一项所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，通过以下步骤监测：
输出功率相同的参考路信号和测试路信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，控制单元控制天线阵列循环接通，通过结果信号得到当前测量效果最好的子天线，延长该子天线的接通周期，在接通周期结束后再进入下一个循环，确定下一个时间段内测量效果最好的子天线，并延长对应子天线的接通周期，周而复始。
9.一种多人生命体征监测方法，其特征在于：包括权利要求1-6任一项所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，通过以下步骤监测：
输出功率相同的参考路信号和测试路信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，控制单元控制天线阵列进行快速多次循环，每次循环可得到区域内各人短时间内的生命体征信息，经过多次循环，将区域内各人的生命体征信息进行持续的累加处理，进而得到区域内多人的生命体征信息。
10.一种大型建筑物形变监测方法，其特征在于：包括权利要求1-6任一项所述的基于开关阵列天线的多目标形变监测系统，通过以下步骤监测：
输出功率相同的参考路信号和测试路信号，参考路信号经固定衰减和放大后送至正交混频器，测试路信号经控制衰减和放大后，经过环形器发送至天线阵列进行发射和接收，然后再经控制衰减和放大后送至正交混频器，两路信号经处理后得到结果；其中，所述天线阵列为平面型天线阵列，所述天线阵列的各子天线将需要监测的角度平分，所述控制单元控制天线阵列循环接通，进行监测。
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