具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于混合式CPPWM雷达的入侵探测装置，包括泄漏电缆导波雷达1、MIMO雷达2和中央处理系统3。其利用泄漏电缆导波雷达1实现防护区域边界的入侵预警，利用MIMO雷达2实现防护区域内部入侵者的定位跟踪与姿态识别，采用多个CPPWM信号发生器产生多路彼此正交的CPPWM信号分别作为泄漏电缆导波雷达和MIMO雷达的探测信号。

其中，所述泄漏电缆导波雷达1包括CPPWM双信号发生器1a、第一功率放大器1b、发射泄漏电缆1c、接收泄漏电缆1d和第一低噪放大器1f；CPPWM双信号发生器1a用于产生CPPWM参考信号和CPPWM探测信号，CPPWM探测信号经第一功率放大器1b放大后，通过发射泄漏电缆1c辐射至防护区域边界，回波信号由接收泄漏电缆1d接收再经第一低噪放大器1f放大后，和CPPWM参考信号一同进入中央处理系统3中。

具体地，所述MIMO(多输入多输出)雷达2包括多个发射装置和多个接收装置，所述每个发射装置包括CPPWM主信号发生器2A、无线同步命令发射器2D、第二功率放大器2B、发射天线2C；每个接收装置包括接收天线2c、第二低噪放大器2b、CPPWM从信号发生器2a、无线同步命令接收器2d；所述MIMO雷达2中，各个发射装置中的CPPWM主信号发生器2A用于产生CPPWM探测信号并通过无线同步命令发射器2D发射同步命令，CPPWM探测信号经第二功率放大器2B放大后，通过发射天线2C辐射至防护区域内部，回波信号被各个接收装置中的接收天线2c接收，并分别经第二低噪放大器2b放大后进入多通道高速混合采样器3a；无线同步命令接收器2d用于接收无线同步命令发射器2D发射的同步命令，CPPWM从信号发生器2a根据接收的同步命令，产生CPPWM参考信号并发送至中央处理系统3中。

本实施例中，基于无线同步命令发射器2D和无线同步命令接收器2d，各个间隔一定距离的CPPWM主信号发生器2A和CPPWM从信号发生器2a可以产生相同的CPPWM信号，其工作原理为：第1～n个发射装置中，CPPWM主信号发生器2A产生同步命令并通过无线同步命令发射器2D发射，随即CPPWM主信号发生器2a产生CPPWM探测信号。对应的第1～n个接收装置中，各个无线同步命令接收器2d接收到同步命令后，将该命令发送给CPPWM从信号发生器2a，控制CPPWM从信号发生器2a产生同步CPPWM参考信号，并发送至中央处理系统。其中，每个发射装置唯一地与一个接收装置配对设置。

所述中央处理系统3包括多通道高速混合采样器3a和数据处理系统；多通道高速混合采样器3a用于接收各个接收装置中，CPPWM从信号发生器2a产生的CPPWM参考信号，第二低噪放大器2b输出的CPPWM回波信号，泄漏电缆导波雷达1中CPPWM双信号发生器发送的参考信号，以及第一低噪放大器1f输出的CPPWM回波信号。所述数据处理系统用于根据所述多通道高速混合采样器3a采集的各个泄漏电缆导波雷达1和MIMO雷达2中的各个回波信号以及对应的CPPWM参考信号，判断入侵状态。

具体地，如图1所示，本实施例中，所述泄漏电缆导波雷达1中，发射泄漏电缆1c和接收泄漏电缆1d的远端设置有用于消除信号反射的阻抗匹配终端1e。这里的远端，指的是将发射泄漏电缆1c和接收泄漏电缆1d的发送和接收信号的一端作为近端，另一端即为远端。

具体地，本实施例中，所述CPPWM双信号发生器1a、CPPWM主信号发生器2A、CPPWM从信号发生器2a均包括CPPWM信号发生器。

如图2所示，所述CPPWM信号发生器包括：Logistic映射器4、第一计数器5、第二计数器6、Tent映射器7、第一比较器8、第二比较器9、脉冲发生器10和信号储存输出模块；所述Logistic映射器4的输出为X_n+1＝4(1-X_n)X_n，式中，X₀表示Logistic映射函数的初值，X_n表示Logistic映射函数经第n次循环计算后的输出值。第一计数器5和Logistic映射器4的输出端与第一比较器8连接，Tent映射器7的输出为Y_n+1＝1.99(0.5-|Y_n-0.5)，式中，Y₀表示Tent映射函数的初值，Y_n表示Tent映射函数经第n次循环计算后的输出值。第二计数器6和Tent映射器7的输出端与第二比较器9连接，第一比较器8和第二比较器9的输出端与脉冲发生器10的输入端连接，分别用于触发脉冲发生器10持续输出高电平信号和低电平信号，脉冲发生器10输出的高电平信号用于使能控制Tent映射器7和第二计数器6开始工作，还用于控制Logistic映射器4和第一计数器5停止工作，并复位第一计数器5；脉冲发生器10输出的低电平信号，用于使能控制Tent映射器7和第二计数器6停止工作，并复位第二计数器6，还用于使能控制Logistic映射4和第一计数器5开始工作并更新进入下一状态；此外，脉冲发生器10输出的电平信号经信号储存输出模块存储和输出。

CPPWM信号发生器的工作原理如下：Logistic映射器4和第一计数器5先开始工作。第一计数器5从0开始计数，直至大于Logistic映射器4的输出，则第一比较器8的输出信号触发脉冲发生器10持续输出高电平，控制Logistic映射器4和第一计数器5停止工作，复位第一计数器5，同时高电平信号作为使能信号控制Tent映射器7和第二计数器6开始工作。第二计数器6从0开始计数直至大于Tent映射器7的输出，则第二比较器9的输出触发脉冲发生器10持续输出低电平，控制Tent映射器7和第二计数器6停止工作，复位第一计数器5，同时低电平信号作为使能信号控制Logistic映射器4开始工作并更新进入下一状态，第一计数器5从0开始计数。以此循环，Logistic映射器4完成对脉冲的位置调制，Tent映射7完成对脉冲的宽度调制。

进一步地，如图2所示，本实施例中，所述CPPWM从信号发生器2a还包括同步命令识别模块22，所述无线同步命令接收器2d的输出端与所述CPPWM从信号发生器中同步命令识别模块22的输入引脚连接，所述CPPWM从信号发生器2a中的串行收发复位控制器18用于根据同步命令识别模块22发送的同步信号，解除串行收发器19复位状态。

所述CPPWM主信号发生器2A还包括同步命令生成模块(图2中未示出)，所述无线同步命令发射器2D的输入端与所述CPPWM主信号发生器2A中同步命令生成模块的输出引脚连接，所述CPPWM主信号发生器2A中，同步命令生成模块用于根据串行收发复位控制器18发送的同步信号，生成同步命令，并发送至所述无线同步命令发射器2D。

在CPPWM从信号发生器2a中，同步命令识别模块22将无线同步命令接收器2d接收到的命令与预设命令进行对比。如果一致，同步命令识别模块22将发射置位命令到串行收发复位控制器18，并触发CPPWM参考信号输出。如果不一致，同步命令识别模块22将会等待下一条同步命令。本实施例中，由于CPPWM主信号发生器2A和与之唯一对应的CPPWM从信号发生器2a采用相同型号的现场可编程门阵列(FPGA)和相同参数的Logistic/Tent映射函数，因此，CPPWM主信号发生器2A和与之唯一对应的CPPWM从信号发生器2a所产生的CPPWM信号是一样的。不同的CPPWM主信号发生器2A采用不同参数的Logistic/Tent映射函数，因此，不同的CPPWM主信号发生器2A产生的CPPWM主信号是正交且无相关性的，相应地，不同的CPPWM从信号发生器2a产生的CPPWM从信号也是正交且无相关性的。通过改变高速串行收发器19的输入时钟频率，可以从0.5GHz到3GHz范围内调节CPPWM信号带宽。

进一步地，如图2所示，所述信号储存输出模块包括：串行化器11、寄存器12、逻辑比较器13、写地址计数器14、静态随机存取存储器15、静态随机存取存储控制器16、读地址计数器17、串行收发复位控制器18、串行收发器19、差分输出模块20、串行收发动态重配置控制器21和同步命令识别模块22。

所述串行化器11用于将脉冲发生器10输出的低速串行信号转化为并行数据后，传输至寄存器12中缓存，逻辑比较器13用于对寄存器12中的数据按照写入顺序进行提取和逻辑选择后发送至静态随机存取存储控制器16，还用于产生一个脉冲时钟信号发送静态随机存取存储控制器16和写地址计数器14；写地址计数器14产生的写地址数据与逻辑比较器13发送的脉冲时钟信号和数据配合，使静态随机存取存储控制器16将数据写入到静态随机存取存储器15中。

串行收发复位控制器18用于解除串行收发器19复位状态，串行收发器19用于产生反馈时钟，发送至读地址计数器17以及静态随机存取存储控制器16，读地址计数器17产生的读地址数据与串行收发器19发送的反馈时钟配合，使静态随机存取存储控制器16将静态随机存取存储器15中的数据读出，并写入到串行收发器19中，最终串行收发器19将数据解串化，并通过差分输出模块20输出CPPWM信号。串行收发动态重配置控制器21用于控制串行收发器。

进一步地，如图1所示，本实施例中，数据处理系统包括多核中央处理器3b、数据处理模块3c和结果显示模块3d；多通道高速混合采样器3a的信号输出端与多核中央处理器3b的一个信号输入端相连接，数据处理模块3c的信号输出端与多核中央处理器3b的另一个信号输入端相连接，多核中央处理器3b的信号输出端与结果显示模块3d的信号输入端相连接；所述多核中央处理器3b用于控制数据处理模块和结果显示模块的正常运行，所述数据处理模块3c用于计算参考和回波数据，所述结果显示模块3d用于显示人体入侵位置、入侵轨迹和入侵姿态。

进一步地，如图4所示，本实施例中，所述多通道高速混合采样器3a包括现场可编程门阵列23(FPGA)和多个数据通道，每个数据通道包括串行外设接口24、可编程延时芯片25和模数转换器27；所述现场可编程门阵列23用于通过串行外设接口24控制可编程延时芯片25，对模数转换器27的工作时钟进行延时。

实施例二

如图4所示，本发明实施例二提供了一种基于混合式CPPWM雷达的入侵探测方法，其通过图1所述的一种基于混合式CPPWM雷达的入侵探测装置实现，包括以下步骤：

S1、通过泄漏电缆导波雷达1进行混沌相关测距。

泄漏电缆导波雷达开启边界入侵监测前后，参考信号分别为R_pre(t)和R_pos(t)，回波信号分别为E_pre(t)和E_pos(t)，相关曲线分别为C_pre(τ_pre)和C_pos(τ_pos)，CPPWM信号在泄漏电缆信号输入端和入侵者之间的往返时间分别为τ_pre和τ_pos，如下式所示：

S2、根据泄漏电缆导波雷达1的测量数据判断是否有入侵发生，若有，则计算入侵起始位置，并开启MIMO雷达进行相关测距。

所述步骤S2具体包括以下步骤：

S201、对测量数据进行背景相消处理，处理公式为：

C(τ)＝C_pos(τ_pos)-C_pre(τ_pre)＝δ(t-τ)；(3)

式中，δ表示delta函数，C_pre(τ_pre)和C_pos(τ_pos)分别表示泄漏电缆导波雷达开启边界入侵监测前后得到的相关曲线，C(τ)表示处理后的数据。

S202、计算处理后的数据的峰值噪声比PNR，计算公式为：

式中，P和n分别表示相关曲线的峰值和基底噪声；std表示基底噪声的标准差，表示基底噪声的平均值。

S203、入侵预警：判断峰值噪声比PNR是否大于阈值，若大于，则判定有入侵发生，并计算入侵距离D，计算公式为：

D＝vτ_peak/2；(5)

式中，τ_peak为CPPWM信号在泄漏电缆信号输入端和入侵者之间的往返时间，ν为CPPWM信号在泄漏电缆中的传播速度。

具体地，本实施例中，阈值设置为3dB，也就是说，当PNR≥3dB时，中央处理系统3触发入侵预警。

S204、建立二维坐标系，将入侵距离D转换成二维坐标系下的入侵起始位置(x₀,y₀)，MIMO雷达可以根据入侵起始位置(x₀,y₀)调整收/发天线角度，以确保入侵者在天线的辐射范围内，进一步对防护区域内部的入侵者进行定位与跟踪。

S3、根据MIMO雷达的测量数据，进行入侵定位跟踪以及姿态识别。

具体地，所述步骤S3中，进行入侵定位跟踪的具体方法为：

S311、对测量数据进行背景相消处理。

MIMO雷达开启内部入侵监测前后，第n个发射天线和第n个接收天线的坐标分别为(x_pn,y_pn)和(x_n,y_n)，参考信号分别为r_pre-n(t)和r_pos-n(t)，回波信号分别为e_pre-n(t)和e_pos-n(t)，相关曲线分别为c_pre-n(τ_pre-n)和c_pos-n(τ_pos-n)，CPPWM信号在第n个发射天线、入侵者和第n个接收装置的接收天线之间的往返时间分别为τ_pre-n和τ_pos-n，如下式所示：

对测量数据进行背景相消处理，处理公式为：

c_n(τ_n)＝c_pos-n(τ_pos-n)-c_pre-n(τ_pre-n)＝δ(t-τ_n)；(8)

式中，δ表示delta函数，τ_n表示CPPWM信号在第n个发射天线、入侵者和第n个接收装置的接收天线之间的往返时间，c_n(τ_n)表示经入侵监测前、后相关曲线相减得到的相关曲线，c_pre-n(τ_pre-n)和c_pos-n(τ_pos-n)分别表示MIMO雷达开启内部入侵监测前后的相关曲线。

S312、根据c_n(τ_n)的相关峰位置，得到第n个发射装置的发射天线-入侵者-第n个接收装置的接收天线之间的距离D_{Tn-intruder-Rn}，计算公式为：

D_{Tn-intruder-Rn}＝cτ_peak-n/2； (9)

式中，τ_peak-n为信号在第n发射天线-入侵者-第n接收天线之间的飞行时间，c为信号在空气中的传播速度；

S313、基于二维椭圆定位方法，联立n个椭圆方程，通过最小二乘法求解交点坐标，即为入侵者位置坐标(x,y)，所述椭圆方程为：

式中，x_pn表示第n个发射天线的横坐标，y_pn表示第n个接收天线的横坐标，x_n表示第n个发射天线的纵坐标，y_n表示第n个接收天线的纵坐标，D_{Tn-intruder-Rn}表示第n个发射天线-入侵者-第n个接收天线之间的距离。

S314、根据入侵者的的实时位置坐标，实现对入侵者的定位与跟踪。

所述步骤S3中，进行姿态识别的具体方法为：

S321、对MIMO雷达的混沌相关测距结果进行慢时域积累得到慢时域-距离矩阵R；再利用线性趋势去除法消除静态杂波和线性趋势干扰，处理公式为：

式中，[·]^T表示一个矩阵的转置形式，B表示静态背景噪声矩阵，M表示静态背景噪声矩阵的行数，B＝[m/M1_M]，m＝[0,1,···,M-1]^T，1_M表示一个M×1的单位向量，表示去除了静态背景回波和潜在慢时域线性趋势的信号。

S322、基于同步压缩变换，对慢时域-距离矩阵进行时频分析，得到运动目标的微多普勒特征的时频矩阵。

在时频域中，按照(t,η)→(t,ω(t,η))的映射关系对频率进行再次分配，如下式所示：

式中，ξ表示同步压缩后的频率，R_x(t,ξ)表示t时刻下经同步压缩后频率再分配的得到的矩阵，为时频脊线，V_x(t,η)为短时傅里叶变换，ω(t,η)为瞬时频率。

通过对慢时域-距离矩阵的每一行向量进行同步压缩变换后累加得到运动目标的微多普勒特征的时频矩阵；

S323、将时频矩阵作为分类器的输入，基于LeNet-5网络进行姿态识别。

图5为本实施例中采用的LeNet-5网络的结构示意图，将时频矩阵作为分类器的输入，LeNet-5卷积神经网络的前两个卷积层的计算公式为：

式中，K_ij ^l表示由第l-1层的第i个神经元连接到第l层的第j个神经元的权重，即卷积核中的一个参数，b_j ^l表示由l层到l+1层产生的偏置，u_i ^l-1第l-1层第i个神经元的输入，u_j ^l表示第l层第j个神经元的输出。令卷积核大小为5×5，共156个参数；对于第一卷积层，每个像素都与前一层的5×5个像素和1个卷积核有连接，共122304个连接；第一池化层是对第一卷积层中的2×2区域内的像素求和再加上一个卷积核，再对该结果进行二次映射，降维处理，共12个参数；第一池化层中的每个像素都与第一卷积层中的2×2个像素和1个卷积核相连接，共5880个连接；前6个特征图与第一池化层相连的3个特征图相连接，后6个特征图与第一池化层相连的4个特征图相连接，后面3个特征图与第一池化层部分不相连的4个特征图相连接，最后一个与第一池化层的所有特征图相连；卷积核大小为5×5，共1516个参数，图像大小为10×10，共151600个连接；第二池化层窗口大小是2×2，共16个特征图，32个参数，2000个连接；第3卷积层共120个特征图，每个特征图与第二池化层中所有的特征图相连接，卷积核大小是5×5，第二池化层特征图的大小是5×5，第3卷积层的特征图就变成了1个点，共48120个参数；全连接层有84个节点，共10164个参数，采用正切函数，如下式所示：

k_i＝f(a_i)＝tanh(Sa_i)；(14)

式中，tanh表示双曲正切函数，Sa_i表示当前层激活前的数值，k_i表示经正切函数激活后的向量。对于此LeNet-5网络的学习，代价函数选取交叉熵函数，如下式所示：

式中，q_i是输出节点i的输出，e_i是来自训练数据的正确输出，W是输出节点的个数，J是交叉熵函数的输出。

综上所述，本发明提出了一种基于混合式CPPWM雷达的入侵探测装置和方法，采用宽带CPPWM信号作为雷达探测信号，可实现厘米量级的定位精度和距离分辨率，具有强抗电磁干扰能力；本发明融合了泄漏电缆导波雷达技术和MIMO雷达技术，可实现防护区域的入侵过程完整监测，包括区域边界的入侵预警、区域内部的入侵者的定位跟踪以及姿态识别；本发明具有隐蔽性强、不受环境温度、可见度和嘈杂振动干扰的特点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。