基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测系统及方法，涉及防范区域安全防护的技术领域。本发明专利技术首先对雷达数据处理中的数据预处理、航迹起始、数据关联、跟踪滤波、航迹补点、航迹消亡以及剩余点迹的处理等过程进行了研究,其中重点研究了航迹起始、跟踪滤波以及数据关联这些数据处理过程中的关键部分,航迹起始采用了滑窗法,滤波采用了Kalman滤波算法,数据关联采用了最近领域法。克服现有技术不能持续的跟踪定位入侵者的位置和状态信息，特别是在环境和天气恶劣的情况下，不能辨认和识别入侵者，提出一种基于雷达周界空域异物入侵监测方法，能够及时监控及预警防范周界空域异物的入侵，有效提升防范区域的稳定性与安全性。的稳定性与安全性。的稳定性与安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测系统及方法


[0001]本专利技术涉及防范区域安全防护的
，尤其涉及一种基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测系统及方法。

技术介绍

[0002]目前周界安防系统主要采用摄像机作为视频复核手段，这样势必带来大量的施工布局，特别是在特定的环境不允许的情况下很难将工程付诸实现；如果单纯依靠线性报警系统（如振动光纤技术或是振动传感器技术等），根据目前国内的使用实际，会产生大量的误报警，从而大大降低技防系统的效能；目前安防技术受到天气影响因素大。如果受到大风或者强降雨的影响，振动探测技术的误报率会上升，而如果是大雾或是夜间环境，则所有常规视频技术都将收到很大的影响。
[0003]当下主流安防方案包括：主动红外探测器、被动红外探测器、泄露电缆、振动光缆、视频监控等，其中主动红外探测器无法针对小动物、树叶等假目标进行区分，难以形成一个面的范围，不适合整体空间布防。被动红外探测器只能识别有与周围环境有温差的目标，当附近环境温度升高时，环境温度和人体温度接近时，识别率会降低，有时会短暂失灵；同时民用探测器距离较近，一般为 30
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100m。泄露电缆需埋于地下，无法确定入侵地点，维护成本高。振动光缆一般安装在栅栏上，容易被识别出和越过。视频监控无法识别伪装目标，同时受环境影响较大，如雨、雪、雾天气会影响监测效果，且受光线限制，无法全天候工作。
[0004]综合上述问题，周界安防技术应当满足以下特征：（1）自动探测和跟踪目标：周界系统需要适合于周界广域大范围的监护系统，如果入侵者闯入防护区域，周界系统将产生报警信息，系统应当跟踪入侵目标，并采用合适的视频监控设备，通过网络传送至上级管理者，历史图像记录供将来分析参考或取证之用。
[0005]（2）实时情景知晓和威胁感知：周界系统配备了显示防护范围内的鸟瞰图，在单个操作界面上就能显示整个场所的全貌，并显示出所有传感器的分布和目标物定位分布。该操作界面可以设置在中心控制室，或者设置在网络中的任何一台计算机上进行管理和操作。为了判断将来的可疑场景，系统允许用户点击地图上任意一点，自动查找最新的摄像机位置，并显示该区域的实时视频。
[0006]（3）多种传感器复合和响应方式：为了探测该区域不同类型的复杂环境下的入侵目标和潜在威胁，周界报警系统应结合各种技术的优势，对空旷区域和复杂区域进行不同形态的探测，还应采用适当的技术手段过滤掉友好车辆和人员，从而减少误报率。周界报警系统还可以非常方便地与其他第三方系统集成。
[0007]（4）低成本的建设和运营：采用复合型周界防范系统实现大范围的周边防范，提供360
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的全方位覆盖，与其他的单一技术周界保护技术相比，应大幅减少现场前端探测设备的安装，从而减少系统运行维护量，进而降低系统全生命周期的维护费用。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，不能持续的跟踪定位入侵者的位置和状态信息，特别是在环境和天气恶劣的情况下，不能辨认和识别入侵者，本专利技术提出一种基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测系统及方法，能够及时监控及预警防范周界空域异物的入侵，有效提升防范区域的稳定性与安全性。
[0009]一种基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测方法，包括如下步骤：步骤S1：对待观测目标信号进行目标静动分析；步骤S2：判断点迹航迹是否相关成功，若判断为成功，则确认是否为预设航迹，若为是，则将相关点迹更新为新航迹，若为否，则变更新的确认航迹；若判断为不成功，则将未相关点迹创建为临时航迹；步骤S3：建立航迹维护和数据关联，并进一步得到数据关联的扩展目标；步骤S4：进入下一周期，执行步骤S1
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S3，进行信息更新，并完成数据迭代。
[0010]一种基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测系统，用于实现以上任一所述的一种基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测方法，包括：雷达监测模块，用于监测防范区域周界空域异物的入侵，并将监测到的数据发送给数据传输模块；数据传输模块，用于接收雷达监测模块发送的监测数据，并将监测数据发送给数据监控模块；数据监控模块，用于接收数据传输模块发送的雷达监测模块的监测数据，基于所述监测数据，显示入侵的实时位置信息，并将位置信息与预设检测范围进行比对以判断是否产生告警，当判断出需要产生告警时，输出报警信息，并生成报警记录；所述显示入侵的实时位置信息包括：对待观测目标信号进行目标静动分析，判断点迹航迹是否相关成功，若判断为成功，则确认是否为预设航迹，若为是，则将相关点迹更新为新航迹，若为否，则变更新的确认航迹；若判断为不成功，则将未相关点迹创建为临时航迹；建立航迹维护和数据关联，并进一步得到数据关联的扩展目标，重复执行进行信息更新，并完成数据迭代。
[0011]有益效果：本专利技术对雷达数据处理进行了系统的研究，并通过软件实现雷达数据处理的全过程。 本专利技术首先对雷达数据处理中的数据预处理、航迹起始、数据关联、跟踪滤波、航迹补点、航迹消亡以及剩余点迹的处理等过程进行了研究，其中重点研究了航迹起始、跟踪滤波以及数据关联这些数据处理过程中的关键部分，航迹起始采用了滑窗法，滤波采用了Kalman滤波算法，数据关联采用了最近领域法；其次给出雷达数据处理各个步骤的具体实现方案。最后验证了本专利技术实现的雷达数据处理系统是有效和可靠的。
[0012]本专利技术能够及时监控及预警防范区域周界空域异物的入侵，有效减少入侵物带来的侵害，提高了稳定性与安全性。
附图说明
[0013]图1是本专利技术的方法流程示意图；图2是本专利技术的点迹信号处理流程示意图；图3是本专利技术的航迹信号处理流程示意图；图4是本专利技术的系统框架结构示意图。
实施方式
[0014]本专利技术采用了一种以雷达技术为核心的集成式周界入侵报警系统。雷达周界技术作为一种全新的周界技术，完全突破了周界的传统思维模式。周界“点线面”管理真正实现了24小时全天候周界防范，而且其核心要义是将入侵行为的“瞬态”管理扩展到了“连续”管理，实现了入侵事件的事前、事中和事后管理。也包括全天候的安全管理，无论是在糟糕的大风或者大雾环境，还是夜晚的无光环境，安防系统都应该严密监控被控区域的安全态势。连续布防还意味着完全的静态布防，也就是说，所选择的侦测设备不会因为某个事件的发生而被牵扯走全部的注意力，该设备仍然具备完全的对该区域的监控能力。为了配合雷达技术的使用，同时还采用一套先进的安防信息集成报警平台作为依托，将多种技术集成在统一的信息交互框架下，通过多层次的侦测与复核，最大程度保证防范区域的安全。随着科技的不断发展，电子防范技术作为安全防范技术的一个重要发展方向，得到了蓬勃快速的发展。其中，周界入侵探测系统作为电子防范技术的一个发展方向得到了广泛应用。周界安防报警系统是指对被防范区域的边界进行防范，当外来者接近或者跨越防范区域时启动报警。雷达作为一种重要的检测目标手段，以前多用在军事应用上，特点是探测距离很远，体积较大，成本角高。近年来，随着电子水平及制造工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：对待观测目标信号进行目标静动分析；步骤S2：判断点迹航迹是否相关成功，若判断为成功，则确认是否为预设航迹，若为是，则将相关点迹更新为新航迹，若为否，则变更新的确认航迹；若判断为不成功，则将未相关点迹创建为临时航迹；步骤S3：建立航迹维护和数据关联，并进一步得到数据关联的扩展目标；步骤S4：进入下一周期，执行步骤S1
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S3，进行信息更新，并完成数据迭代。2.根据权利要求1所述的基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测方法，其特征在于上述步骤S1中对待观测目标信号进行目标静动分析；包括去除噪声+杂波干扰，具体过程为：在一个调制周期T内，假设信号初始相位为零，上调频阶段的发射信号表示为：，下调频阶段的发射信号表示为：，其中调频斜率，为带宽；为信号振幅，为雷达发射的信号的载频频率，t为时间；为系数；假设待探测目标与雷达之间的距离为，相对于雷达的径向速度为，则上调频阶段的接收回波表示为：，其中为目标的反射系数，为时延，为相位；下调频阶段的接收回波表示为：，对回波信号进行处理，获得的差频信号表示为：，是求复数的共轭；即：，，上调频阶段差频信号为一个线性调频信号，中心的频率是，调频的斜
率是，带宽是，时宽和带宽积是；下调频阶段差频信号为一个线性调频信号，中心的频率为，调频的斜率为，带宽是，时宽和带宽积是；c为电磁波传播的速度；经过上下调频段差频信号的频谱谱峰的位置获得上下调频差频频率、，即：，，整理得出待探测目标与雷达之间的距离和相对于雷达的径向速度的计算公式，即：，，对于存在多个目标的情况，雷达接收到的回波表示为：，其中表示第i个目标的反射系数，表示第i个目标反射回波的延时，表示第i个目标附加相移；单个目标存在时的回波处理过程一致，通过解线频调处理后提取上下调频差频信号的频谱峰值；当出现个目标的时候，多个三角波线性调频连续波周期中的上、下扫频频谱会出现个尖锐峰值即个实际目标；设在三角波上扫频频谱中所出现的尖峰值分别为：， 三角波下扫频频谱中所出现的尖峰值分别为：， 将差频频率两两组合得到一个的矩阵：，在每个周期中上、下扫频直线所产生的交点为个，真实目标只有个，则会产生个虚假目标；为了提高目标检测效率，利用变斜率的三角波对虚假目标进行剔除； 在一组三个不同周期、相同调频带宽的三角波中，每个周期的三角波上、下扫频会产
生一个含有个速度(V )和距离(R ) 的矩阵，第一个周期则有：，进行配对算法为：（1）继续对第一个周期三角波的上、下扫频差拍信号分别作 FFT处理，经过 FFT处理后的频谱图中会出现个尖峰谱线，再经过计算将频谱图中的频率转化为距离，同时也可以得到速度值；（2）计算出这三个不同周期三角波的频率分辨率：；（3）将三个不同周期的三角波的上、下扫频差拍信号 FFT 后所得到的速度和距离信息按照式：形成三个矩阵，然后对这三个矩阵中速度和距离值组合分别作比较，筛选出三个矩阵中速度和距离值相等的组合进行匹配，即为真实目标；抑制背景杂波以消除干扰：动目标显示是抑制背景杂波，显示运动的目标；静态目标振幅恒定而相互抵消，而动态目标的回波信号相减后，得到邻近的重复周期中变化的振幅部分输出；雷达相位检波器输出的包络为：，其中为多普勒频率，为连续振荡的基准电压经检波后的输出；回波信号以调制周期T重复出现，回波信号延迟一个周期后的包络表示为：，两者作差即为相消器的输出：，输出包络为一多普勒频率的正弦信号，其振幅为，也是多普勒频率的函数；当时, 输出振幅为零，其中这时的目标速度正相当于盲速；静态目标由于多普勒频率为零则经过相消器后输出也为零，但动态目标的多普勒频率不为零，回波信号经相消设备后杂波被过滤掉，动态目标的运动信息被保存下来；为了使动态目标的信息在多普勒频率处不被过滤掉，所以重复频率必须大于动态目标最大多普勒频率；重复频率，为多普勒频率函数。3.根据权利要求2所述的基于雷达对防范区域周界空域异物入侵监测方法，其特征在
于上述步骤S1中对待观测目标信号进行目标静动分析；包括匹配滤波及MTI优化，具体过程为：MTI滤波器优化为特征矢量法，假设杂波具有高斯型功率谱，谱中心为，谱宽为，谱密度函数为；为频率；根据维纳滤波理论，如果杂波是平稳随机过程，其功率谱与自相关函数是傅里叶变换对的关系，所以，杂波自相关函数为其谱密度函数的傅里叶逆变换，，利用积分公式：，其中正交，为采集信号值；经推导得到：，式中，为相关时间，、分别为第m个及第n个数据采集的时间段；如果杂波谱的中心频率为零，这时；得到个脉冲的杂波的自相关矩阵：， 对于目标回波信号来说，其多普勒频率是未知的，在区间上为均匀分布，且带宽值> >重复频率，则目标回波信号的多普勒频谱表示为：，目标的自相关函数为：
，假设N脉冲MTI输入端的杂波数据和目标数据分别为：，那么MTI输出端的初次杂波功率和初次信号功率分别为：，，式中，和分别表示MTI滤波器输入端的杂波功率和信号功率，为FIR滤波器权系数矢量，为的共轭矩阵，为对消器的脉冲响应；根据MTI滤波器的改善因子的定义：，由知，为单位阵，因此：，自相关矩阵的特征方程为：，式中，N为脉冲次数，为特征值所对应的特征向量，其中；在的特征值中，大特征值所对应的特征向量张成的子空间为信号子空间，杂波的主要分量位于这个信号子空间；小特征值所对应的特征向量张成的子空间为噪声子空间；因为噪声子空间与信号子空间是正交的，所以最小特征值所对应的特征向量被取为MTI滤波器的权系数向量，在最大程度上抑制杂波分量，使改善因子最大；当雷达对动态目标进行检测时会因为杂波区域面积较大而是目标检测的难度加大，利用多普勒滤波器组来抑制各种杂波，以提高雷达在杂波背景下检测运动目标能力，在噪声与杂波背景下检测运动目标是一个广义匹配滤波问题，最佳滤波器应由白化滤波器级联匹配滤波器构成，白化滤波器将有色高斯白噪声的杂波变成高斯白噪声，匹配滤波器使输出
信噪比达到最大；假设杂波功率谱和信号频率已知，根据匹配滤波器的定义有：，式中，表示匹配滤波器输出到最大值的时延，白化滤波器使杂波输出的功率谱变为1，使得成为白噪声，即，化滤波器功率传输函数为；因此，广义匹配滤波器的传递函数为；其中用来抑制杂波，要使杂波得到抑制而让各种速度的运动目标信号通过，相当于MTI滤波器；用来对雷达回波脉冲串信号匹配；对单个脉冲而言，和目标信号匹配通过中频带通放大器来实现，而对脉冲串则采用对消后的非相参积累，对于相参脉冲串，，即信号匹配滤波器由和两个滤波器级联，式中为单个脉冲的匹配滤波器；对相参脉冲串进行匹配，利用回波脉冲串的相参性进行相参积累；是梳齿形滤波器，齿的间隔为脉冲的重复频率，齿的位置取决于回波信号的多普勒频移，而齿的宽度应和回波谱线的宽度一致。4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥俊，穆志弘，潘晓辉，顾荣华，
申请(专利权)人：江苏亿连通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：