微型安防雷达监控系统
阅读说明：本技术 微型安防雷达监控系统 (Miniature security radar monitoring system ) 是由 李红霞 胡晨曦 周少杰 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明微型安防雷达监控系统,有收发单元、信号处理单元和数据处理单元；收发单元发射和接收调频连续波信号,经低噪声放大器再与本振信号混频,又经滤波器和ADC采样得到数字中频信号,信号处理单元对中频信号进行距离维、多普勒维及天线阵元维FFT,得到各采样点的距离、径向速度和方位信息；并经多普勒维和距离维的CFAR滤除杂波和噪声,检出距离、方位、径向速度、幅度等信息的目标点迹信息；经串口发送给数据处理单元,数据处理单元将收到的点迹信息经DBSCAN和目标跟踪算法,得到目标的位置和航向航速运动信息,信息经网络报给服务器；服务器将目标航迹信息显示、汇算及报警,同时控制视频监控单元对设定区域精准安防监控。(The invention relates to a miniature security radar monitoring system, which comprises a receiving and transmitting unit, a signal processing unit and a data processing unit; the receiving and transmitting unit transmits and receives frequency modulation continuous wave signals, the frequency modulation continuous wave signals are mixed with local oscillation signals through a low noise amplifier, digital intermediate frequency signals are obtained through sampling of a filter and an ADC, the signal processing unit conducts FFT on the intermediate frequency signals in a distance dimension, a Doppler dimension and an antenna array element dimension to obtain distance, radial speed and direction information of each sampling point; filtering clutter and noise by a CFAR (computational fluid dynamics) of a Doppler dimension and a distance dimension, and detecting target point trace information of information such as distance, direction, radial speed, amplitude and the like; the information is sent to a data processing unit through a serial port, the data processing unit obtains the position and course speed movement information of the target through DBSCAN and a target tracking algorithm, and the information is reported to a server through a network; the server displays, aggregates and alarms the target track information, and controls the video monitoring unit to accurately monitor the security of the set area.)
技术领域
本发明属于安保监控装备技术领域，具体涉及一种雷达监控系统装备。
背景技术
鉴于现代的社会环境复杂，许多部门、单位或公共场合都需要实行安全监控。以往大多数设防场所的安全防范措施采用的都是在建筑物或者某个区域周围设置一些屏障，如铁栅栏、篱笆网或围墙，并安排安防人员进行巡逻以保障安全，这种安防方式的缺点在于安防人员工作量大、实时性差、疏漏多。后来，随着科技的发展，红外监控、视频监控、泄露电缆、振动电缆等新技术新装备不断地应用于安全防范领域，提高了安防效率，但是这些技术还存在一些不足，无法满足当前形势下的安全防护的更严密的需求。例如：红外监控对环境的适应能力差，易受可见光的影响；视频监控系统需要观察者对画面进行长时间监视，通过比对几帧图像的差异判断是否有人闯入，因此工作量大，并且易受天气和环境光线等的影响，漏警率高；电缆系统需要入侵者直接或者间接的触碰传感器才会引发报警，受安装环境制约，且成本较高。由于社会环境复杂多变，突发事件时有发生，传统的安防设备及措施已经不适应，安防要求对装备的先进性提出了更高的要求，要求可以在任何天气条件下，全天候不间断地工作，并且可以在设定区域内对多目标进行同时探测，要具有灵敏度高、抗干扰能力强、可靠性高、环境适应性强而且经济性好等优点的安防装备。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的安防装备所存在的实时性差、抗干扰能力低、安防人员工作量大、虚警率和漏警率高以及制造成本高，综合效果不能令人满意的缺陷，提供一种可使监视人员的工作效率提高，可以对多目标同时探测、实时性好，灵敏度高、抗干扰能力及环境适应性强、虚警率和漏警率低、可靠性高且成本较低的安防装备。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种微型安防雷达监控系统，包括微型雷达和服务器，其特征是，雷达包括收发单元、信号处理单元和数据处理单元；信号处理单元和数据处理单元之间通过串口进行通信；数据处理单元与服务器之间通过网络进行通信；
收发单元通过天线发射和接收调频连续波信号，接收到的信号通过低噪声放大器进行放大后，与本振信号进行混频得到中频信号，中频信号经过滤波器滤波后，进行ADC采样得到数字中频信号，再送给信号处理单元进行后续的信号处理；
信号处理单元是基于大规模集成性、高速的可编程数字信号处理DSP芯片实现的，信号处理单元实现上述中频信号的信号处理，对其依次进行距离维FFT、多普勒维FFT、天线阵元维FFT，得到各个采样点的距离、径向速度和方位信息；同时经过多普勒维和距离维的CFAR，滤除多普勒维和距离维的杂波和噪声，检测出其中的目标，得到包含距离、方位、径向速度、幅度等信息的目标点迹信息；信号处理单元将此目标点迹信息通过串口发送给数据处理单元；
数据处理单元是基于CPU的平台实现的，数据处理单元将收到的点迹信息经过DBSCAN算法进行目标聚堆处理以滤除杂波后，再进行目标跟踪处理，以得到目标的位置信息和航向航速等运动信息，之后再将目标的位置和运动信息通过网络汇报给服务器；
服务器根据数据处理单元的信息实现目标航迹信息的显示、汇算及报警，同时控制视频监控单元对设定区域实时抓拍近景特写，实现设定区域的精准安防监控。
优选方案，收发单元采用两根微带发射天线，四根微带接收天线，两根发射天线交替发射调频连续波信号，四根接收天线同时接收反射回来的调频连续波信号，接收到的四路信号同时进行处理，先经过低噪声放大器放大后，再与本振信号进行混频得到中频信号；中频信号经过滤波以后，进行ADC采样，同时得到四路数字化的中频信号；该中频信号是复信号，实部和虚部各16bit，每路信号包含256个采样点，采样率为5500k；每个脉冲重复周期内发射32对脉冲。
优选方案，信号处理单元实现上述中频信号的信号处理，包括距离维、多普勒维、天线阵元维三个维度的FFT，以及多普勒维、距离维两个维度的CFAR，具体是：
首先，每个脉冲发射期间，对当前脉冲的接收信号进行ADC采样，同时，对前一个发射脉冲的采样点进行距离维FFT，经过汇算得到各个采样点的距离信息。每个脉冲都重复上述操作，并存储处理后的数据，直至当前脉冲重复周期内的所有脉冲都发射完成，并且距离维的 FFT及汇算完成；
然后，在脉冲停止发射期间，对不同发射脉冲间、同一距离单元上的采样点进行多普勒维的FFT，得到各点的多普勒信息，再经过汇算，可以得到各点的径向速度；对于多根虚拟天线多普勒维FFT的结果取模，进行相参积累；之后对相参积累后的信息进行多普勒维CFAR，滤除多普勒维的杂波和噪声，得到多普勒维过门限的目标点；在此基础上，再进行距离维的CFAR，滤除距离维的杂波和噪声，挑选出距离维和多普勒维同时过门限的目标点；另外，由于一根天线发射后，四根天线同时接收，因此可以对同一距离、同一多普勒通道的不同接收天线间的信号进行天线阵元维的FFT，再经过汇算可以得到目标点迹的方位信息；至此，得到了包含距离、方位、径向速度、幅度信息的目标点迹；信号处理单元将此目标点迹信息通过串口发送给数据处理单元，由数据处理单元实现后续的数据处理。
优选方案，数据处理单元首先将收到的点迹通过基于密度的聚类算法，即DBSCAN算法，剔除杂波点，将出现概率较高的点迹保留下来，并且进行幅度加权，得到新的点迹信息；然后，经过航迹建立、数据关联、航迹更新、航迹预测等处理后得到包含距离、方位、航向、航速等位置和运动态势信息的目标航迹信息，并将其通过网络上报给服务器；由服务器实现目标航迹信息的显示，以及人员或者车辆进入或离开设定区域的汇算及报警；其中，数据关联采用局部最近邻算法，航迹更新采用α-β滤波器进行航迹平滑。
优选方案，所述微型雷达的数据处理单元与服务器之间通过网络进行通信，选用TCP或者UDP协议传输数据，系统参数可由用户进行配置，方便不同的用户，或者同一用户在不同使用需求下的参数配置。
优选方案，数据处理单元与服务器之间通过网络进行通信，并且与视频监控单元联合应用，实现设定区域的精准安防监控，服务器根据微型安防雷达提供的信息控制视频监控单元的转动，可以在需要的时候实时抓拍近景特写，通过微型安防雷达提供的位置和运动信息与清晰的视频画面的有效对比，安防人员可以实时、准确地掌握目标的细节特征，大大减少安防人员工作量的同时，提高了安防的准确性，节约了人力，提高了效率。
优选方案，微型安防雷达与路灯管控装置联网，结合应用。当雷达监测到某个区域没有人员时，通知控制器，由控制器将灯的亮度调低；当雷达监测到有人进入该区域时，通知控制器，由控制器将灯的亮度调高。这样可以节省能源，有效提高能源的利用率，实现智能照明。
优选方案，微型雷达的机箱结构为扁平的长方体型箱式结构，其外部结构尺寸为长150～210mm，高100～150mm，厚60～100mm；四根天线位于面板中部靠上的位置；扁平的长方体型箱式结构的底部设置可调角度的圆弧槽支座或球形支座，支座上设有锁紧机构。箱式结构的容积远比常规的台式电脑主机箱小，本结构轻巧灵便，尤其具备安装的机动性和环境的适应性。
优选方案，微型雷达的机箱结构为扁平的长方体型箱式结构，其外部结构尺寸为长180mm，高135mm，厚81mm。
本发明的有益效果是：
1、智能化装置，操作简便，能大幅度减轻安防人员的工作量；
2、可以同时对多目标探测；
3、实时性好；
4、灵敏度高；
5、抗干扰能力及环境适应性强，可靠性高，不会受到雨、雪、雾、霾等天气影响，也不会受到灰尘、环境光照的影响；
6、虚警率和漏警率低；
7、微型雷达的机箱结构为扁平的长方体型箱式结构，其容积远比常规的台式电脑主机箱小，本结构轻巧灵便，尤其具备安装的机动性和环境的适应性；
8、机箱结构底部设置可调角度的圆弧槽支座或球形支座，应用调试方便；
9、四根接收天线布设在面板中部靠上的位置，结构紧凑；
10、应用微型雷达使整个系统装置综合成本低。
附图说明
附图1是本发明微型安防雷达监控系统的一种实施例系统框图；
附图2是图1的收发单元的功能框图；
附图3是微型安防雷达发射信号的频率变化示意图；
附图4是信号处理的时序及功能框图示意图；
附图5是微型安防雷达的一幅智能探测效果图；
附图6是微型安防雷达的又一幅智能探测效果图；
附图7是微型雷达结构的外观示意图。
图中，收发单元1；信号处理单元2；数据处理单元3；服务器 4；网络5；发射天线61；接收天线62；低噪声放大器7；本振信号 8；滤波器9；ADC采样10；数据串口11；控制串口12；长方体型箱式结构13；圆弧槽支座14。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：如图1所示，一种微型安防雷达监控系统，包括微型雷达和服务器，雷达包括收发单元1、信号处理单元2和数据处理单元3；信号处理单元2和数据处理单元3之间通过串口进行通信；数据处理单元3与服务器4之间通过网络5进行通信。
参见图2，收发单元1通过天线61发射和天线62接收调频连续波信号，接收到的信号通过低噪声放大器7进行放大后，与本振信号8 进行混频得到中频信号，中频信号经过滤波器9后，进行ADC采样10 得到数字中频信号，再送给信号处理单元2进行后续的信号处理，雷达发射信号的频率变化参见图3。
信号处理单元2是基于大规模集成性、高速的可编程数字信号处理DSP芯片实现的，信号处理单元2实现上述中频信号的信号处理，对其依次进行距离维FFT、多普勒维FFT、天线阵元维FFT，得到各个采样点的距离、径向速度和方位信息；同时经过多普勒维和距离维的CFAR，滤除多普勒维和距离维的杂波和噪声，检测出其中的目标，得到包含距离、方位、径向速度、幅度等信息的目标点迹信息；信号处理单元2将此目标点迹信息通过数据串口11发送给数据处理单元3，并通过控制串口12接收来自数据处理单元3的控制信息；
数据处理单元3是基于CPU的平台实现的，数据处理单元3将收到的点迹信息经过DBSCAN算法进行目标聚堆处理以滤除杂波后，再进行目标跟踪处理，以得到目标的位置信息和航向航速等运动信息，之后再将目标的位置和运动信息通过网络5汇报给服务器4；
服务器4根据数据处理单元3的信息实现目标航迹信息的显示、汇算及报警，同时控制视频监控单元对设定区域实时抓拍近景特写，实现设定区域的精准安防监控。
收发单元1采用两根微带发射天线61，四根微带接收天线62，两根发射天线61交替发射调频连续波信号，四根接收天线62同时接收反射回来的调频连续波信号，接收到的四路信号同时进行处理，先经过低噪声放大器7放大后，再与本振信号8进行混频得到中频信号；中频信号经过滤波以后，进行ADC采样10，同时得到四路数字化的中频信号；该中频信号是复信号，实部和虚部各16bit，每路信号包含256个采样点，采样率为5500k；每个脉冲重复周期内发射32对脉冲。参见图2、图3。
信号处理单元2实现上述中频信号的信号处理，包括距离维、多普勒维、天线阵元维三个维度的FFT，以及多普勒维、距离维两个维度的CFAR，具体是：
首先，每个脉冲发射期间，对当前脉冲的接收信号进行ADC采样，同时，对前一个发射脉冲的采样点进行距离维FFT，经过汇算得到各个采样点的距离信息。每个脉冲都重复上述操作，并存储处理后的数据，直至当前脉冲重复周期内的所有脉冲都发射完成，并且距离维的 FFT及汇算完成；
然后，在脉冲停止发射期间，对不同发射脉冲间、同一距离单元上的采样点进行多普勒维的FFT，得到各点的多普勒信息，再经过汇算，可以得到各点的径向速度；对于多根虚拟天线多普勒维FFT的结果取模，进行相参积累；之后对相参积累后的信息进行多普勒维CFAR，滤除多普勒维的杂波和噪声，得到多普勒维过门限的目标点；在此基础上，再进行距离维的CFAR，滤除距离维的杂波和噪声，挑选出距离维和多普勒维同时过门限的目标点；另外，由于一根天线发射后，四根天线同时接收，因此可以对同一距离、同一多普勒通道的不同接收天线间的信号进行天线阵元维的FFT，再经过汇算可以得到目标点的方位信息；至此，得到了包含距离、方位、径向速度、幅度信息的目标点迹；信号处理单元2将此目标点迹信息通过数据串口发送给数据处理单元3，由数据处理单元3实现后续的数据处理。信号处理的时序及功能框图参见图4。
数据处理单元3首先将收到的点迹通过基于密度的聚类算法，即数据DBSCAN算法，剔除杂波点，将出现概率较高的点迹保留下来，并且进行幅度加权，得到新的点迹信息；然后，经过航迹建立、数据关联、航迹更新、航迹预测等处理后得到包含距离、方位、航向、航速等位置和运动态势信息的目标航迹信息，并将其通过网络上报给服务器4；由服务器4实现目标航迹信息的显示，以及人员或者车辆进入或离开设定区域的汇算及报警；其中，数据关联采用局部最近邻算法，航迹更新采用α-β滤波器进行航迹平滑。
所述微型雷达的数据处理单元3与服务器4之间通过网络5进行通信，选用TCP或者UDP协议传输数据，系统参数可由用户进行配置，方便不同的用户，或者同一用户在不同使用需求下的参数配置。
数据处理单元3与服务器4之间通过网络5进行通信，并且可以与视频监控单元联合应用，实现设定区域的精准安防监控，服务器根据微型安防雷达提供的信息控制视频监控单元的转动，可以在需要的时候实时抓拍近景特写，通过微型安防雷达提供的位置和运动信息与清晰的视频画面的有效对比，安防人员可以实时、准确地掌握目标的细节特征，大大减少安防人员工作量的同时，提高了安防的准确性，节约了人力，提高了效率。
由于微型安防雷达可以实时提供进入设定区域的人员或车辆等移动物体的运动轨迹，并通过网络5将人员或车辆的位置和运动信息汇报给服务器4，服务器可以将目标的位置和运动信息呈现给用户，以便用户随时掌握目标的位置和运动情况。另外，用户可以在服务器设置关心的区域，服务器经过汇算可以得到目标进入或离开设定区域的情况，并给出相应的报警信息。根据应用需求，服务器还可以统计设定区域的人流或车流密度等，以便有关部门掌握该区域的人员或车辆情况。例如大型公共场所，方便管理人员掌握当前的人流密度，以便于后期的人流管控等。微型安防雷达的智能探测效果图参见图5 及图6，右上方区域为相关视频画面。
实施例2：微型安防雷达与路灯管控装置联网，结合应用。当雷达监测到某个区域没有人员时，通知控制器，由控制器将灯的亮度调低；当雷达监测到有人进入该区域时，通知控制器，由控制器将灯的亮度调高。这样可以节省能源，有效提高能源的利用率，实现智能照明。
实施例3：微型雷达的机箱结构为扁平的长方体型箱式结构13，其外部结构尺寸为长150～210mm，高100～150mm，厚60～100mm；具体尺寸确定要兼顾电气性能和工艺要求之需要，本实施例选取外部结构尺寸为长180mm，高135mm，厚81mm；四根天线位于面板中部靠上的位置；扁平的长方体型箱式结构的底部设置可调角度的圆弧槽支座14，支座14上设有锁紧机构。本结构轻巧灵便，箱式结构的容积远比常规的台式电脑主机箱小，仅相当于一部32开汉语词典的大小，由于体积非常小，尤其具备安装的机动性和环境的适应性，参见图7。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。