CN115079162A - 多功能折叠式安防雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种多功能折叠式安防雷达，能用于360°周界监视，又能用于120°定向监视，本发明通过下述技术方案实现：本发明三个天线阵面含两侧副雷达微波模块和主控雷达模块及箱体，在两侧副雷达微波模块及箱体背端两侧上下端面，各设有呈内八字形的斜角耳片，两侧副雷达微波模块及箱体相向旋转，通过相邻错面的斜角耳片两两交错搭接，并通过耳片孔装配的转轴销固定，将三个天线阵面折叠成等腰三角形状态，天线辐射波束形成一个扇形面扫描幕帘；两侧副雷达微波模块及箱体背向旋转，并用锁紧螺栓固定两两相邻的锁紧机构，可将三个天线阵面展开成一字形状态，各自定向发射和接收信号，形成三个扇形面扫描幕帘，叠加后实现周视扫描监测区域。
Description
技术领域
本发明属于安防领域，具体涉及一种可广泛应用于机场、油田、通道卡口、河道等安防系统中，用以不间断执行周界监视、区域监视、入侵告警、道路监控等安全保障任务，也可用于超速测试等行业的安防雷达。
背景技术
随着科技不断进步，雷达变得不再那么神秘，逐渐渗透到安防领域，应用越来越广泛。在科技迅速发展的今天，雷达技术早已不是军事领域专属。雷达技术经过不断改进，如今已被广泛应用于众多领域。雷达在水位监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面也显示了很好的应用潜力。经过不断探索，雷达技术还被应用于机场、港口、核电站、石油管道、博物馆等重要场所的周界安防系统中。传统的安防监测手段主要是以视频监控配合人工巡视，难以保证实时监测和全方位覆盖。传统安防技术手段相对单一，仅能实现入侵目标的探测或图像抓拍，存在误报率高、受天气影响大、易翻越等难题，已不能满足新形势下智能化安防的需要。基于雷达优秀的探测能力，安防雷达能够对各种入侵事件及时识别响应。它在各种气候(如：风、雨、雪、雾)条件下全天候不间断监视非合作类低空目标入侵，成为维护边境辖区安全的重要技术保障。目前基于智能围网、微波对射、震动光纤、无源被动接收设备等技术受天气和地形影响较大，存在误报和漏报多，施工维护不便等问题，且作用距离较近，不能满足现代化全天候边境安防的需要。近年来，随着技术发展，雷达已经进入安防领域。与红外监控、视频监控等其他产品相比，安防雷达具有体积小、质量轻、远距离分辨力强、抗干扰性能优、可靠性高等特点，可以提供具有一定高度和厚度的连续的毫米波雷达墙，没有钻越和跳越的可能，不仅能对侵入目标进行定位，而且可以获取监控场景内移动物体的速度、方向、距离、角度信息。基于安防雷达和光电系统为核心的解决方案，通过选址将设备固定在一定高度，能够在各种天气和气候条件下，完成对边境地区非法闯入的人员、无人机或军队车辆等各类低空威胁目标的快速响应和准确识别，并将来袭目标的距离、方位、速度、运动轨迹等信息及时显示在终端界面，便于操作人员准确判断，及时拦截。
安防雷达是安防市场上兴起的一种新的技术手段，是一种活动目标监视告警设备，具有全天候工作能力。安防雷达采用先进的相扫连续波技术，获取目标的速度、方位、距离信息，与具有同步变焦功能的光电设备配合使用，可实现对监测区内空间无间断全程覆盖。安防雷达的安全防护优势明显，可以支持非常丰富的应用场景。比如，毫米波雷达就已经被广泛应用在汽车辅助驾驶领域，用以检测行人和前车，实现防撞预警；再如，在智能家居场景中，雷达传感器可以被用于开关控制、入侵检测、智能开门器等方面，方便大众生活。安防雷达的测速原理主要是利用多普勒效应(DopplerEffect)：当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机频率。如此即可借由频率的改变数值(目标面对雷达飞行，多普勒频率为正，当目标背向雷达飞行，多普勒频率为负)，计算出目标与雷达的相对速度。传统的摄像机监控系统，是被动探测型传感器，受雾霾、灰尘、光线、焦距等影响较大，也无法实现24小时的全范围连续探测。对安防雷达而言，不同的应用场景具有不同的需求特点，有的需周界监视，有的仅需区域监视，有的防护区域大，有的防护区域小。如机场、监狱、军事驻地等区域角度范围大，距离范围小，以周界监视为主；而通道卡口、边防线、河道等区域又为条带状特征，角度范围小，距离范围大，以区域监视为主。由于入侵具有突发性、随机性等特点，利用普通的瞭望塔人工监控技术受光学能见度影响、受恶劣天气影响、受复杂环境影响、漏报率高、误报率高，无法解决大范围的边境安防监视。因此，一种全新的边防安全监控技术的开发与实现势在必行。
目前安防雷达按天线波束扫描形式可分为机械扫描体制和电扫描体制两大类。机械扫描体制雷达虽然能轻松实现周界监视探测，但由于存在机械运动部件，固有可靠性不高，且需定期保养维护，用户认可度较低。电扫描体制安防雷达由于不存在机械运动部件，可靠性高、维护简单，加之波束扫描快速、控制灵活，是目前安防系统雷达的主流选择。目前的电扫描体制安防雷达天线普遍采用平面阵列形式，单阵面雷达可覆盖±45°角度区域，而其距离探测则由雷达功率孔径积决定，即发射功率越高、天线阵面尺寸越大，则探测距离越远。现有的面阵电扫描安防雷达适宜近距离扇形区域监视防护，难以胜任周界监视任务。当面临周界监视需求时，现有办法为3～4部雷达组网部署，每部雷达覆盖约±45°扇形区域，以实现周界监视，显然，这样的解决方案增加了安防系统建设成本和复杂度。当面临周界监视需求时，现有的单面阵电扫描安防雷达应用不灵活，不能通过阵面拼接提高功率孔径积，实现雷达探测距离提升。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，旨在解决现有面阵电扫描安防雷达角度探测范围有限、周视监视成本和复杂度高、雷达不能拼接扩大探测距离等缺点，提供一种安装使用简便，既能用于360°周界监视，又能用于120°定向监视，可满足多种应用场合需求的多功能安防雷达。
本发明的上述目的可以通过如下技术方案予以实现。一种多功能折叠式安防雷达，包括：由发射/接收馈电网络、TR组件、总和差器、波控器、频率综合器、接收机及数字子系统和电源组件构成的主控雷达模块及箱体2，分布在主控雷达模块及箱体2两侧的副雷达微波模块及箱体1，以及通过网络连接主控雷达模块及箱体2的终端计算机3，其特征在于：在两侧副雷达微波模块及箱体1和主控雷达模块及箱体2相邻侧的上下端设有锁紧机构5，在两侧副雷达微波模块及箱体1和主控雷达模块及箱体2背端两侧的上下端面，各设有呈内八字形的斜角耳片6；两侧副雷达微波模块及箱体1和中间主控雷达模块及箱体2可通过锁紧机构5和锁紧螺栓4展开成“一”字形状态。两侧副雷达微波模块及箱体1相向旋转，每个相邻的斜角耳片6两两交错搭接，并通过耳片孔装配的转轴销8铰接可折叠成等腰三角形状态；取下所有转轴销8，两侧副雷达微波模块及箱体1背向旋转，折叠阵面打开，并用锁紧螺栓4固定两两相邻的锁紧机构5，可将天线阵面展开成“一”字形状态；天线阵面展开成“一”字形状态时，合成阵面波束聚集合成为一个120°扇形面扫描幕帘7；天线阵面锁紧为等腰“△”状态时，三个天线阵面各自定向发射和接收信号，形成三个120°扇形面扫描幕帘7，叠加后实现360°周视扫描监测区域，完成发射和接收信号全方位覆盖。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：本发明采用在每个天线阵面背端两侧的上下端分别设有呈内八字形的斜角耳片6和锁紧机构5；通过相邻错面分布的斜角耳片6两两交错搭接，并通过耳片孔装配的转轴销8铰接，可将三个天线阵面折叠成等腰三角形状态；取下所有转轴销8，两个副雷达微波模块及箱体1背向展开，相邻锁紧机构5靠拢并通过锁紧螺栓4固定，可将三个天线阵面展开成“一”字形结构。安装使用简便，无需额外工序。
本发明采用副雷达微波模块及箱体1拼接在主控雷达模块及箱体2两侧，可通过内八字形的斜角耳片6和转轴销8折叠成等腰三角形，也可通过锁紧机构5和锁紧螺栓4展开成“一”字形状态。
本发明呈“一”字形状态展现时，三个天线阵面合成形成一个120°扇形面扫描幕帘7，定向扫描发射和接收信号，可实现区域120°大范围远距离监视防护，可辐射出具有一定调制带宽的极窄波束，具有较高的角度探测精度。与线缆型系统相比，本安防雷达不仅能对侵入目标进行定位，而且可以获取监控场景内移动物体的速度、方向、距离、角度信息， 24小时无间隙监控。与光电系统配合，可以实现目标稳定跟踪和识别，不仅可以立即定位入侵点位，而且能够获得图像信息，便于安保人员做出快速响应。将安防雷达与视频信号进行信号级融合，可以通过终端显示器防区设置，灵活地扩展为多级联网方式，方便实时查看、记录查询与回放功能，通过主动探测性、高灵敏度与视频智能分析的数据判断、可视性，极大的提升了系统的检测和识别率，满足高度智能化管理需要。本发明呈等腰三角形状态展现时，三个天线阵面以各自的阵面法线指向为基准，覆盖方位±60°发射和接收信号，形成三个法线方向间隔120°的子阵排列，叠加后按360°全方位周视扫描监测区。
本发明既具备±60°大扇区、20km以外远距离监视功能，又能通过折叠变形实现360°周界监视探测立体防护体系，通过面阵天线折叠式结构设计、子阵边缘微带天线单元λ/4排布，配合信号处理自适应资源分配算法和终端自适应匹配显示功能，具有探测范围可调、雷达定向监视和全天候实时周界监视防护轻松切换、安装使用简便等优点，可快捷部署于受控区域，对防护区域进行全天时动态智能感知，快速建立起纵深防护体系，完成对非法入侵或者破坏受控区域的行为进行探测，保障区域绝对安全，具备很强的环境适应性和智能性，可满足多种安防应用场合需求能够满足不同场合应用需求。解决了现有面阵电扫描安防雷达防护区域小，探测角度范围有限、雷达组网周界监视成本和复杂度高、探测距离不能通过阵面拼接扩大等问题。
雷达通过向目标发射探测信号(激光束或微波)，信号在前进的过程中碰到物体时会被反射回来，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对入侵目标进行识别筛选，如果是树木等障碍物则不会报警，如果是人则会报警并进行跟踪和定位。按照本发明给出的具体实施方案进行设计，可以实现多方面的用途，既可以只保留主控雷达模块及箱体2实现减重和小型化需求，也可以同时保留两个副雷达微波模块及箱体1和主控雷达模块及箱体2，通过改变锁紧方式分别满足不同场合下对定向监视和周界监视的需要。极大的减少了重复设计和生产带来的人力财力的浪费。结合视频监控系统，本发明可以服务于机场，港口，油井油田，电力电网，铁路交通，哨所等市场。
附图说明
图1是本发明多功能折叠式安防雷达结构组成示意图；
图2是图1呈“一”字形状态的正面示意图；
图3是图2的俯视及波束扫描范围示意图；
图4是图1呈“△”状态的正面示意图；
图5是图4的俯视及波束扫描范围示意图；
图6是图1呈“一”字形状态接线关系图；
图7是图1呈“△”状态接线关系图。
图中：1副雷达微波模块及箱体，2主控雷达模块及箱体，3终端计算机，4锁紧螺栓，5锁紧机构，6斜角耳片，7扇形面扫描幕帘，8转轴销。
具体实施方式
参阅图1～图5。在以下描述的优选实施例中，一种多功能折叠式安防雷达，包括：由发射/接收馈电网络、TR组件、总和差器、波控器、频率综合器、接收机及数字子系统和电源组件构成的主控雷达模块及箱体2，分布在主控雷达模块及箱体2两侧的副雷达微波模块及箱体1，以及通过网络连接主控雷达模块及箱体2的终端计算机3，其特征在于：两个副雷达微波模块及箱体1和主控雷达模块及箱体2外形构成了三个独立的天线阵面。在副雷达微波模块及箱体1和主控雷达模块及箱体2相邻侧的上下端设有锁紧机构5，在副雷达微波模块及箱体1和主控雷达模块及箱体2背端两侧的上下端面，各设有呈内八字形的斜角耳片6。副雷达微波模块及箱体1和主控雷达模块及箱体2通过锁紧机构5和锁紧螺栓4可展开成“一”字形状态；副雷达微波模块及箱体1和主控雷达模块及箱体2通过斜角耳片6和转轴销8可折叠成等腰三角形状态。副雷达微波模块及箱体1相向旋转，通过相邻分布错面的斜角耳片两两交错搭接，并通过耳片孔装配的转轴销8铰接可折叠成等腰三角形状态；取下所有转轴销8，副雷达微波模块及箱体1背向旋转，折叠阵面打开，并用锁紧螺栓4固定两两相邻的锁紧机构5，可将三个天线阵面展开成“一”字形状态。天线阵面展开成“一”字形状态时，合成波束为120°扇形面扫描幕帘7；天线阵面折叠为等腰三角形状态时，三个天线阵面各自定向发射和接收信号，形成三个120°扇形面扫描幕帘7，叠加后实现360°周视扫描监测区域，完成发射和接收信号全方位覆盖。
每个天线阵面结构可以为4～8列微带天线单元，相邻微带天线单元列间距保持为λ /2。每个天线阵面的第1列、最后一列微带天线单元与微带板边缘间距为λ/4，天线阵面锁紧为“一”字形状态时，三个天线阵面拼接为一个整体，拼接后阵面内所有辐射单元列间距d均为λ/2，形成一个24列微带单元的平面阵列天线，且
其中θ为波束扫描角，λ为雷达工作波长，d为相邻微带天线单元间距。当相邻微带天线单元列间距保持λ/2以内时，可使波束扫描角满足±60°的范围要求。因此，三个天线阵面锁紧为“一”字形状态时，合成阵面扫描范围为-60°～60°，实现120°的方位扫描。
三个天线阵面锁紧为三角形状态时，每个阵面相邻微带天线单元列间距也为λ/2，这样保证三个阵面的波束扫描角均满足±60°的范围要求。三个阵面各实现120°的扫描，第一天线阵面扫描范围为[180，300°]，第二天线阵面扫描范围为[-60°(300°)，60°]，第三天线阵面扫描范围为[60，180°]，合成后雷达的扫描范围为[0，360°]，即可实现为360°全方位扫描。
参阅图6、图7。三个天线阵面各自拥有一套发射/接收馈电网络。三个天线阵面锁紧为“一”字形状态时，每个发射/接收馈电网络输出一组和差信号；锁紧为“△”状态时输出三组和差信号。三个天线阵面通过将各自发射/接收馈电网络的输出进行跳线调整，可实现锁紧为“一”字形状态下一组和差信号与锁紧为等腰“△”状态下三组和差信号的转换。接收机和数字子系统的信号处理器模块通过硬件跳线处理，调用相应的软件模块实现两个和差通道解算及六个和差通道解算的转换。接收机对接收的两路或六路射频和差信号进行下变频、低噪放处理。信号处理器和数据处理器对接收的中频和差信号进行解算，得到点迹、航迹信息，并实时的将检测的目标点迹、航迹信息，通过有线/无线模块输出到终端计算机进行显示。
终端计算机界面显示雷达动目标运动轨迹和运动参数。在三个天线阵面锁紧为“一”字形状态时，界面按扇形区域显示；在三个天线阵面锁紧为“△”状态时，界面按圆形区域显示。
天线阵面辐射的电磁波遇到目标后返回，目标回波与发射机直接耦合过来的信号进入接收机混频器进行混频，产生的差频信号通过后续电路对该差频信号进行放大滤波，然后进入数字子系统进行信号的解调，得到目标的角度、距离和速度信息。数字子系统处理雷达回波信号，检测出动目标信息。当三个天线阵面锁紧为“一”字形状态时，数字子系统处理一组和差信号，实现对120°扇形区域目标检测处理；当三个天线阵面锁紧为等腰“△”状态时，数字子系统处理三组和差信号，实现对360°区域目标检测处理。
参阅图6。在三个天线阵面锁紧为“一”字形状态时，副雷达微波模块及箱体1各自的发射/接收馈电网络分别通过和差器输出和信号Σ1与差信号Δ1，和信号Σ3与差信号Δ3；主控雷达模块及箱体2的发射/接收馈电网络输出两路和信号Σ2-1、Σ2-2。Δ1、Δ3接负载。Σ1、Σ2-1、Σ2-2、Σ3分别送入总和差器A、B、C、D端，输出射频和信号Σ2与差信号Δ2并进入接收机通道3和通道4，经接收机放大和下变频处理后变成中频和信号ΣIF与差信号ΔIF，送入数字子系统的信号处理器的通道3和通道4。接收机的通道1、通道2、通道5、通道6分别接负载。数字子系统的信号处理器对接收的中频和信号ΣIF与差信号ΔIF进行距离和方位解算，得到目标方位、距离和速度信息，并送入数据处理器。数据处理器将获得的目标点迹和生成的航迹信息送至计算机终端显示器进行PPI界面显示。在PPI界面可以观察到雷达波束方位扫描范围为-60°～60°，即实现120°的方位覆盖。
参阅图7。在三个天线阵面锁紧为“△”状态时，主控雷达模块及箱体2发射/接收馈电网络输出的两路和信号Σ2-1、Σ2-2输入总和差器B、C端，输出差信号Δ2与和信号Σ2，与两翼雷达微波模块输出和信号Σ1、差信号Δ1、和信号Σ3与差信号Δ3，分别送入接收机通道1～通道6，经接收机放大和下变频处理后输出三组中频和差信号Σ1IF、Δ1IF，Σ2IF、Δ2IF和Σ3IF、Δ3IF，三组中频和差信号分别送入数字子系统的通道1～通道6。信号处理器对三组和差信号分别进行后续的距离和方位解算，得到三个天线阵面对应的目标点迹和航迹信息，并将目标点迹和航迹信息送至终端计算机进行PPI界面显示。在PPI界面可以观察到雷达波束方位扫描范围为0°～360°，即实现360°全方位覆盖。
本发明采用的这种结构布局使得安防雷达由定向监视用途改装为周界监视用途时，接收通道只需要进行跳线处理，不需要大的结构改动。并且主控雷达模块及箱体2可作为单独的雷达使用，实现小型化用途。
以上所述仅是实现高密度通用信号处理装置的优选实施方案，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多功能折叠式安防雷达，包括：一个由发射/接收馈电网络、TR组件、总和差器、波控器、频率综合器、接收机及数字子系统和电源组件构成的主控雷达模块及箱体(2)，2个分布在主控雷达模块及箱体(2)两侧的副雷达微波模块及箱体(1)，以及通过网络与主控雷达模块及箱体(2)连接的终端计算机(3)，副雷达微波模块及箱体(1)分居主控雷达模块及箱体(2)的两侧，副雷达微波模块及箱体(1)及主控雷达模块及箱体(2)外观上构成了独立的三个天线阵面，其特征在于：在两侧副雷达微波模块及箱体(1)和主控雷达模块及箱体(2)相邻侧的上下端设有锁紧机构(5)，在两侧副雷达微波模块及箱体(1)和主控雷达模块及箱体(2)背端两侧的上下端面，各设有呈内八字形的斜角耳片(6)；两侧副雷达微波模块及箱体(1)相向旋转，通过相邻错面分布的斜角耳片(6)两两交错搭接，并通过耳片孔装配的转轴销(8)铰接，可将三个天线阵面折叠成等腰三角形状态；取下所有转轴销(8)，折叠阵面打开，副雷达微波模块及箱体(1)背向旋转，并用锁紧螺栓(4)固定两两相邻的锁紧机构(5)，可将三个天线阵面展开成“一”字形状态；天线阵面展开成“一”字形状态时，天线合成阵面形成一个120°扇形面扫描幕帘(7)，定向发射和接收信号；三个天线阵面折叠为等腰“△”状态时，各自定向发射和接收信号，形成三个120°扇形面扫描幕帘(7)，叠加后实现360°周视扫描监测区域，完成发射和接收信号全方位覆盖。
2.如权利要求1所述的多功能折叠式安防雷达，其特征在于：每个天线阵面阵列结构为4～8列微带天线单元，相邻微带天线单元列间距保持为λ/2，每个天线阵面的第1列、最后一列微带天线单元与微带板边缘间距为λ/4。
3.如权利要求1所述的多功能折叠式安防雷达，其特征在于：三个天线阵面展开为“一”字形状态时，拼接后阵面内所有辐射单元列间距为λ/2，形成一个12至24列微带单元的平面阵列天线。
4.如权利要求1所述的多功能折叠式安防雷达，其特征在于：三个天线阵面通过内八字形的斜角耳片(6)错位搭接，再用所述转轴销(8)固定，折叠成等腰三角形形态时，形成三个方位朝向不同的阵面排列，各阵面所有辐射单元列间距d均为λ/2，且
其中，θ为波束扫描角，λ为雷达工作波长，d为相邻微带天线单元间距。
5.如权利要求1所述的多功能折叠式安防雷达，其特征在于：相邻微带天线单元列间距保持λ/2，波束扫描角满足±60°，三个天线阵面锁紧为“一”字形状态时，合成阵面扫描范围为-60°～60°，实现120°的方位扫描。
6.如权利要求1所述的多功能折叠式安防雷达，其特征在于：三个天线阵面锁紧为三角形状态，每个子阵面上相邻微带天线单元列间距能保持λ/2，保证三个子阵的波束扫描角均满足±60°的范围要求。
7.如权利要求1所述的多功能折叠式安防雷达，其特征在于：三个阵面各实现120°的扫描，第一天线阵面扫描范围为[180，300°]，第二天线阵面扫描范围为[-60°(300°)，60°]，第三天线阵面扫描范围为[60，180°]，合成后雷达的扫描范围为[0，360°]，即可实现为360°全方位扫描。
8.如权利要求1所述的多功能折叠式安防雷达，其特征在于：在三个天线阵面锁紧为“△”状态时，主控雷达模块及箱体(2)发射/接收馈电网络输出的两路和信号Σ2-1、Σ2-2输入总和差器B、C端，输出差信号Δ2与和信号Σ2，与副雷达微波模块及箱体输出和信号Σ1、差信号Δ1、和信号Σ3与差信号Δ3，分别送入接收机通道1～通道6，经接收机放大和下变频处理后输出三组中频和差信号Σ1IF、Δ1IF，Σ2IF、Δ2IF和Σ3IF、Δ3IF。
9.如权利要求8所述的多功能折叠式安防雷达，其特征在于：在三个天线阵面锁紧为“△”状态时，三组中频和差信号分别送入数字子系统的通道1～通道6，信号处理器对三组和差信号分别进行后续的距离和方位解算，得到三个子阵列对应的目标点迹和航迹信息，并将目标点迹和航迹信息送至终端计算机进行PPI界面显示，在PPI界面观察到雷达波束方位扫描范围为0°～360°，即实现360°全方位覆盖。
10.如权利要求1所述的多功能折叠式安防雷达，其特征在于：主控雷达模块及箱体(2)可单独作为雷达使用。
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