阅读说明：本技术 基于毫米波雷达的网络监控系统及毫米波天线阵列结构 (Network monitoring system based on millimeter wave radar and millimeter wave antenna array structure ) 是由 史蒂文·丛 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于毫米波雷达的网络监控系统,包括目标监测探测器,包括毫米波雷达传感器和/或视频传感器；中心控制器,与目标监测探测器连接,用于对视频信号和/或雷达信号进行融合处理或处理；视频网络传输设备,用于将中心控制器处理后的信号传输至视频显示或存储终端；视频显示或存储终端,用于显示被监测点的图像及信息。本发明有益效果是实现对特殊环境如光线不好、天气恶劣等实时跟踪监控,提高整体监控性能,并提供了一系列相关的毫米波阵列天线设计方案。(The invention discloses a network monitoring system based on a millimeter wave radar, which comprises a target monitoring detector, a target monitoring module and a target monitoring module, wherein the target monitoring detector comprises a millimeter wave radar sensor and/or a video sensor; the central controller is connected with the target monitoring detector and is used for carrying out fusion processing or processing on the video signals and/or the radar signals; the video network transmission equipment is used for transmitting the signal processed by the central controller to a video display or storage terminal; and the video display or storage terminal is used for displaying the image and the information of the monitored point. The invention has the advantages of realizing real-time tracking and monitoring on special environments such as poor light, bad weather and the like, improving the overall monitoring performance and providing a series of related millimeter wave array antenna design schemes.)

基于毫米波雷达的网络监控系统及毫米波天线阵列结构

技术领域

本发明涉及监测场所监控技术领域，具体涉及一种毫米波雷达与视频相结合的网络监控系统,以及相关的毫米波阵列天线设计方案。

背景技术

目前广泛使用或公开技术涉及的监控系统可分为两类:

一类是视频监控系统，其特点是监控效果极易受到天气及光线的影响，探测距离也有限，无法对所监控目标的速度，距离等信息进行实时跟踪，但视频监控却具有极高的图像的分辨率。

另一类是雷达与视频相结合的监控系统，但并没有采用前端传感器融合技术，没有将雷达传感器探测结果与视频传感器所摄制的视频信号在前端进行融合信号处理，即没有将毫米波雷达传感器探测结果与视频传感器所摄制的视频信号在两传感器的输出端口进行融合信号处理，而是将两种探测信号分别传输到距离较远的显示终端进行处理和显示，由于毫米波雷达传感器与视频传感器的输出规格不同，为此在传输过程中要保持两种信号的同步将十分困难，其结果是移动物体的实时运动速度没法跟踪该物体,即使有跟踪显示，也都是通过后台软件处理的结果，由于两种信号的不同步,其精确性存在疑问，其结果是移动物体的实时运动速度没法跟踪该物体,在屏幕上只能分别显示视频图像和雷达传感器探测图像，移动物体的实时运动速度等参数只能靠列表显视，屏幕显示效果如图1。其结果是在屏幕上无法实现对移动物体的实跟踪。另外一个非常重要的缺陷是没有详细介绍该监控系统的核心部件毫米波雷达传感器阵列天线的设计；鉴于此，特提出此发明。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了基于毫米波雷达的网络监控系统，实现对特殊环境，如光线不好、天气恶劣等实时跟踪监控，提高整体监控性能；进一步，本发明还提供了毫米波雷达传感器天线阵列的结构设计，使得毫米波雷达传感器满足特殊监测环境的要求,本专利所公布的毫米波雷达传感器天线阵列的结构设计,不仅可用于监测环境，还可以广泛应用与其它领域如自动驾驶汽车,高铁，地铁，液位探测，人体体征探测，工业自动化监测等。

本发明提供的网络监控系统包括：

目标监测探测器，包括毫米波雷达传感器和/或视频传感器；

中心控制器，与目标监测探测器通过MIPI和CSI相互连接，用于对视频信号和/或雷达信号进行融合处理或处理,并运行相关的算法；

视频网络传输设备，用于将中心控制器处理后的信号传输至视频显示或存储终端；视频网络传输设备采用局部以太网或无线网络或局部以太网加互联网实现信号传输；

视频显示或存储终端，用于显示被监测点的图像及信息。

进一步地，

所述目标监测探测器与中心控制器设置于同一监控箱体中，构成集中控制模式；

所述目标监测探测器与中心控制器分别设置于监控箱体和控制箱体中，二者通过FPD-Link经过同轴电缆或屏蔽双绞线连接，且监控箱体至少为一个，构成分散控制模式。

进一步地，

当目标监测探测器只包括毫米波雷达传感器时，所述毫米波雷达传感器与中心控制器设置于同一监控箱体；

该监控箱体为1个，用于单个监测点监控时，则视频网络传输设备为串行数据通讯网或以太网；

该监控箱体为2个及其以上，用于多个监测点监控时，则视频网络传输设备为串行数据通信网且所有监控箱体共享一根串行数据通信线；或者视屏网络传输设备为以太网。

进一步地，

毫米波监控器包括毫米波雷达芯片、印制于印刷线路板上的毫米波天线阵列，毫米波软件处理器、网络通信处理器、及毫米波天线罩。

进一步地，

所述分散控制模式用于监控多个监控点，当监控点为N*M个时，每个控制箱体与其控制的N个监控箱体组成一个子网，网络监控系统由M个子网组成。

进一步地，

所述监控箱体的箱盖为非金属材质，箱体可以是金属或非金属材质，所述监控箱体的箱盖上开有窗口，该窗口后方安装有毫米波雷达传感器；

所述窗口的形状取决于毫米波雷达传感器天线的形状；

所述窗口为平面型、凸型或凹型结构；

所述窗口材质与箱盖材质相同或不同。

进一步地，

所述监控箱体为方形、长方形、三角形、梯形、椭圆形、圆型及、多边形；

所述监控箱体为固定式或旋转式，旋转式为上下左右移动或不同角度的旋转。

进一步地，

所述监控箱体中设有毫米波雷达传感器和视频传感器时，二者在监控箱体中的相对位置为上下结构、左右结构、对角线结构。

此外，毫米波雷达传感器天线阵列的结构具体如下：所述毫米波雷达芯片为一个或数个并联，毫米波雷达芯片为正方形或长方形；

每个毫米波雷达芯片的毫米波天线阵列包括两个,三个或四个发射天线通道构成的发射天线阵列和四个,六个或八个接收天线通道构成的接收天线阵列；所述发射天线阵列和接收天线阵列布局为90°型或180°型，90°型时，发射天线阵列和接收天线阵列位于毫米波雷达芯片相邻的两边，180°型时，发射天线阵列和接收天线阵列位于毫米波雷达芯片相对的两边；

其中，发射天线阵列的每个发射天线由1-10根串馈天线并联组成，每根串馈天线有3-30个(Remove锥形)贴片天线，所有贴片天线宽度可以相同或从中间开始向两侧按泰勒或切比雪夫级数的规律逐渐减小；发射天线之间的距离为Td1,Td1大于等于0.5个波长；接收天线阵列的每个接收天线由1-10根串馈天线并联组成，每根串馈天线有3-30个(Remove锥形)贴片天线，贴片天线宽度从中间开始向两侧按泰勒或切比雪夫级数的规律逐渐减小；接收天线阵列中位于中心部位的接收天线的高度相对其他接收天线低0.5-3个波长；数个接收天线阵列间的间距Rd大于等于0.5个波长；每个接收天线和发射天线的顶端的贴片天线可开有阻抗匹配槽。

进一步地，

射频信号经所述毫米波雷达芯片的射频信号输出端、射频输出传输线、及功率分配器后由发射天线阵列发射；

射频信号经接收天线阵列、射频输入传输线及功率分配器接收进入射频信号输入端；

其中，射频输入传输线为微带传输线或GCPW传输线；功率分配器为T型功率分配器或威尔金森功率分配器。

本发明的有益效果是：

(1)将毫米波雷达与视频信号和二为一，充分发挥视频和雷达信号各自的优势，生成一个画面，使该画面中即可以时实记录所跟踪场景中多个物体的图像信息，如车牌号码，车体形状及车辆所处的位置；进行传输及显示，实现对移动物体的实时跟踪；又能在该视频图像上显示多个物体，如人或车的移动速度及相对位置等参数；

(2)可以以毫米波雷达传感器为仅有的监控器，单独组成毫米波雷达传感器监控网络，实现对特殊环境，如光线不好，天气恶劣等实时跟踪监控；

(3)毫米波雷达传感器天线阵列的结构设计，使整个监控系统同时兼顾毫米波雷达监控系统与视频监控系统的优点提高整体监控性能。

附图说明

图1为现有技术中监测显示效果图；

图2为本发明监测显示效果图；

图3为本发明实施例一结构图；

图4为本发明实施例一结构图；

图5为本发明实施例一结构图；

图6为本发明实施例一结构图；

图7为本发明实施例一结构图；

图8为本发明实施例一结构图；

图9为本发明实施例二结构图；

图10为本发明实施例二结构图；

图11为本发明实施例二结构图；

图12为本发明实施例二结构图；

图13为本发明实施例二结构图；

图14为本发明实施例二结构图；

图15为本发明实施例二结构图；

图16为本发明实施例二结构图；

图17为本发明实施例二结构图；

图18为本发明实施例二结构图；

图19为本发明实施例二结构图；

图20为本发明实施例三结构图；

图21为本发明实施例三结构图；

图22为本发明实施例三结构图；

图23为本发明实施例三结构图；

图24为本发明实施例三结构图；

图25为本发明实施例三结构图；

图26为本发明实施例四结构图；

图27为本发明实施例四结构图。

图28为本发明实施例四结构图；

图29为本发明实施例四结构图

图30为本发明实施例四结构图；

图31为本发明实施例四结构图；

图32为本发明实施例四结构图；

图33为本发明实施例四结构图；

图34-62为本发明实施例五即毫米波天线阵列结构图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图3-5所示，一种基于毫米波雷达的网络监控系统，

目标监测探测器，包括毫米波雷达传感器和/或视频传感器；

中心控制器，与目标监测探测器通过MIPI和CSI相互连接，用于对视频信号和雷达信号进行融合处理或处理,并运行相关的算法；

视频网络传输设备，用于将中心控制器处理后的信号传输至视频显示或存储终端；视频网络传输设备采用局部以太网或无线网络或局部以太网加互联网实现信号传输；

视频显示或存储终端，用于显示被监测点的图像及信息。

所述目标监测探测器与中心控制器设置于同一监控箱体中，构成集中控制模式；

其中，视屏网络传输设备主要采用以太网的方式进行信号传输；毫米波雷达传感器及视频传感器通过MIPI和CSI与中心控制器相连接。

图3、6-8中，目标监测探测器采用毫米波雷达传感器和视频传感器组合方式，并将目标监测探测器和中心控制器设置在一个监控箱中；图3中，中心控制器与监控显示器之间通过以太网进行信号传输；图6中，中心控制器与监控显示器之间通过以太网和互联网进行信号传输；图7、8中，中心控制器与监控显示器之间通过无线网络进行信号传输；

图4中，目标监测探测器只采用毫米波雷达传感器，将毫米波雷达传感器和中心控制器设置在一个监控箱中；

图5中，目标监测探测器只采用视频传感器，将视频传感器和中心控制器设置在一个监控箱中；图4、5中，因目标监测探测器只有一种传感器，将其与中心控制器合成在一个监控箱中，进而简化网络设计、降低成本。

实施例二

如图9-19所示，一种基于毫米波雷达的网络监控系统，

目标监测探测器，包括毫米波雷达传感器和/或视频传感器；

中心控制器，与目标监测探测器连接，用于对视频信号和雷达信号进行融合处理或处理；

视频网络传输设备，用于将中心控制器处理后的信号传输至视频显示或存储终端；视频网络传输设备采用局部以太网或无线网络或局部以太网加互联网实现信号传输；

视频显示或存储终端，用于显示被监测点的图像及信息。

所述目标监测探测器与中心控制器分别设置于监控箱体和控制箱体中，二者通过FPD-Link经过同轴电缆或屏蔽双绞线连接，且监控箱体至少为一个，构成分散控制模式。

图9中，监控箱体为一个，且监控箱体中的目标监测探测器只包含毫米波雷达传感器或视频传感器中的一种；目标监测探测器通过通过MIPI和CSI连接串行器，串行器通过FPD-Link经过同轴电缆或屏蔽双绞线连接解串器后，再通过MIPI和CSI连接中心控制器；

图10、13-16中，监控箱体为N个，监控箱体中的目标监测探测器包含毫米波雷达传感器和视频传感器；每个监控箱体均通过FPD-Link经过同轴电缆或屏蔽双绞线连接中心控制器；图10中，中心控制器与监控显示器之间通过以太网进行信号传输；图13-15中，中心控制器与监控显示器之间分别通过以太网加互联网、无线网加互联网、无线网进行信号传输；

图11-12中，监控箱体为N个，监控箱体中的目标监测探测器仅包含毫米波雷达传感器和视频传感器中的一种，每个监控箱体均通过FPD-Link经过同轴电缆或屏蔽双绞线连接中心控制器；中心控制器与监控显示器之间通过以太网进行信号传输；此外，信号传输方式还可以采用以太网加互联网、无线网加互联网、无线网等。

图16-19中，监控箱体为M*N个，监控箱体中的目标监测探测器包含毫米波雷达传感器和视频传感器中的一种或者两种，每个监控箱体均通过同轴电缆或屏蔽双绞线连接中心控制器，且每N个监控箱体共享一个中心控制器；一个控制箱和N个监控箱构成监控子网，M个子网构成整个网络监控系统；中心控制器与监控显示器之间分别通过以太网、以太网加互联网、无线网加互联网、无线网进行信号传输；

图10-19中，根据所需监控的环境,可将多个监控箱体设置于不同的位置,以便对多个方向进行实时监控。

实施例三

对于许多光线较暗的特殊场所,如矿井坑道,视频监控完全失去监控功能,可单独组建毫米波雷达传感器网络监控系统,用于对现场的实时监控.根据网络监控系统的设计要求,毫米波雷达传感器网络监控系统又可分为单点监控系统和多点监控系统。

一种基于毫米波雷达的网络监控系统，包括：

目标监测探测器，包括毫米波雷达传感器；

中心控制器，与目标监测探测器连接，用于对视频信号进行处理；

视频网络传输设备，用于将中心控制器处理后的信号传输至视频显示或存储终端；视频网络传输设备采用局部以太网或无线网络或局部以太网加互联网实现信号传输；

视频显示或存储终端，用于显示被监测点的图像及信息；

所述毫米波雷达传感器与中心控制器设置于同一监控箱体；

如图20所示，该监控箱体为1个，用于单个监测点监控时，则视频网络传输设备为串行数据通讯网或以太网；

如图21所示，该监控箱体为2个及其以上，用于多个监测点监控时，则视频网络传输设备为串行数据通信网且所有监控箱体共享一根串行数据通信线；图22-25中，视频网络传输设备分别为以太网、以太网加互联网、无线网加互联网、无线网，实现监控箱体与监控显示器之间信号传输。

基于串行数据通讯网如RS-422,RS-485的多点监控系统，所有监控箱共用一根网络联线,网络结构简单成本低廉,但每次仅能显示一个监视现场的监视结果；基于以太网(Ethernet)或无线网为主的多点监控系统，可以同时显示多个监控现场的画面。

实施例四

本实施中主要是监控箱体进行改进设计，网络监控系统的构成不在此赘述。

所述监控箱体可根据传感器特点和所监控环境的不同，将监控箱体设计为为方形、长方形、三角形、梯形、椭圆形、圆型及、多边形；

所述监控箱体为固定式或旋转式，旋转式为上下左右移动或不同角度的旋转；

如图26-31所示，所述监控箱体中设有毫米波雷达传感器和视频传感器时，二者在监控箱体中的相对位置为上下结构、左右结构、对角线结构。

如图32-33所示，所述监控箱体为非金属材料，所述监控箱体的箱盖上开有窗口，该窗口后方安装有毫米波雷达传感器；

所述窗口的形状取决于毫米波雷达传感器天线的形状；如方形，长方形，三角形，梯形，椭圆形，圆型及类似的多边形；

所述窗口为平面型、凸型或凹型结构；

监控箱体可全部都使用同一种材料，所述窗口材质与箱盖材质相同或不同。

实施五

本实施中主要是毫米波天线阵列进行改进设计，网络监控系统其他结构不在此赘述。

所述毫米波雷达芯片为一个或数个并联，毫米波雷达芯片为正方形或长方形；

每个毫米波雷达芯片的毫米波天线阵列包括两个,三个或四个发射天线通道构成的发射天线阵列和四个,六个或八个接收天线通道构成的接收天线阵列；所述发射天线阵列和接收天线阵列布局为90°型或180°型，90°型时，发射天线阵列和接收天线阵列位于毫米波雷达芯片相邻的两边，如图34-43(2)；180°型时，发射天线阵列和接收天线阵列位于毫米波雷达芯片相对的两边，如图44-45；图34-45公开了每个毫米波雷达芯片的毫米波天线阵列包括三个发射天线通道构成的发射天线阵列和四个接收天线通道构成的接收天线阵列；图46公开了每个毫米波雷达芯片的毫米波天线阵列包括4个发射天线通道构成的发射天线阵列和8个接收天线通道构成的接收天线阵列；图47、49公开了每个毫米波雷达芯片的毫米波天线阵列包括4个发射天线通道构成的发射天线阵列和6个接收天线通道构成的接收天线阵列；图48、50公开了每个毫米波雷达芯片的毫米波天线阵列包括4个发射天线通道构成的发射天线阵列和2个接收天线通道构成的接收天线阵列；

其中，发射天线阵列的每个发射天线由1-10根串馈天线并联组成，每根串馈天线有3-30个锥形贴片天线，贴片天线宽度从中间开始向两侧按泰勒或切比雪夫级数的规律逐渐减小；发射天线之间的距离为Td1,Td1大于等于0.5个波长；

接收天线阵列的每个接收天线由1-10根串馈天线并联组成，每根串馈天线有3-30个锥形贴片天线，贴片天线宽度从中间开始向两侧按泰勒或切比雪夫级数的规律逐渐减小；接收天线阵列中位于中心部位的接收天线的高度相对其他接收天线低0.5-3个波长；数个接收天线阵列间的间距Rd大于等于0.5个波长；每个接收天线和发射天线的顶端的贴片天线可开有阻抗匹配槽，如图43(2)；此外，图43(1)-44中，贴片天线宽度没有进行锥形逐渐减少处理。

射频信号经所述毫米波雷达芯片的射频信号输出端、射频输出传输线、及功率分配器后由发射天线阵列发射；

射频信号经接收天线阵列、射频输入传输线及功率分配器接收进入射频信号输入端；

其中，射频输入传输线为微带传输线或GCPW传输线；微带传输线结构简单具有较好的相位稳定性,损耗较大；GCPW传输线损耗较小,但结构较为复杂,实际设计中必须适当选择；功率分配器为T型功率分配器或威尔金森功率分配器。

图34中，发射天线阵列中的发射天线均为由两根间距为Td的串馈天线组成，但实际中根据设计要求如增益，辐射角度等因素来选择串馈天线根数,以及每根串馈天线可拥有的锥形贴片天线个数；为了提高发射天线阵列Tx1,Tx2,Tx3垂直方向的性能，将Tx2与Tx1,Tx3高度做相对高低调整,具体幅度取决于对发射天线阵列Tx1,Tx2,Tx3的整体要求,Tx2较Tx1,Tx3高半个波长；

发射天线阵列Tx1,Tx2,Tx3之间的距离为Td1,可根据对发射天线的要求来选择,如要把发射天线阵列Tx1,Tx2,Tx3设计成波束成形(Beamforming)型天线,以便提高毫米波传感器探测距离,Td1为0.5到0.6波长；如要把发射天线阵列Tx1,Tx2,Tx3设计成MIMO型天线,提高毫米波传感器分辨率,Td1应大于0.5波长；如要把发射天线阵列Tx1,Tx2,Tx3设计成同时具有波束成形(Beamforming)型天线和MIMO型天线两种天线功能,Td1应大于0.5到1波长个之间；图34中选用的是T型功率分器,具有简单易行，便于大量生产制造。

图35中方案与图34的区别在于每一路接收通道中的接收天线Rx1,Rx2,Rx3,Rx4仅由一根串馈天线组成。

图36中方案与图34的区别在于每一路发射及接收天线均由三根串馈天线并联而成。

图37与图34方案的区别在于，毫米波天线阵列是由12个发射天线与16个接收天线组成的,最多可生成192个虚拟天线，毫米波天线阵列是由4个射频芯片组成的毫米波天线阵列系统；同时具有波束成形(Beamforming)型天线和MIMO型天线两种天线功能。

图38-42与图34方案的主要区别在于，毫米波天线阵列是由6个发射天线与8个接收天线组成的,最多可生成48个虚拟天线，毫米波天线阵列是由2个射频芯片组成的毫米波天线阵列系统；同时具有波束成形(Beamforming)型天线和MIMO型天线两种天线功能。

高频毫米波信号传输及接收路径如下(以图38为例进行说明):

高频毫米波信号经不同的高频毫米波芯片12个发射端Out1，Out2，...Out12分别与阻抗为50欧姆的射频输出传输线Tt1，Tt2，...Tx12相连，将毫米波信号均匀的传至发射天线阵列Tx1，Tx2...Tx12的每根串馈天线上，并由发射天线阵列Tx1，Tx2...Tx12向外辐射。

接收天线阵列Rx1，Rx2...Rx16用于接收由发射天线阵列Tx1，Tx2...Tx12向外辐射遇到物体反射回来的电磁波,其结构与发射天线阵列Tx1，Tx2...Tx12相同，每根串馈天线有十个锥形贴片天线，并随着发射天线阵列Tx1，Tx2...Tx12结构变化而变。

接收天线阵列Rx1，Rx2...Rx16所接收的反射电磁波信号，经过射频输入传输线Rt1，Rt2...，Rt4以及射频输入端In1，In2...In4将所接收到的反射电磁波信号送入高频毫米波芯片的接收端。

为了提高发射天线阵列Tx1,Tx2...Tx12垂直方向的性能，将串馈天线Tx4，Tx5，Tx6高度做相对高低调整,具体幅度取决于对发射天线阵列Tx1，Tx2...Tx12的整体要求,相对于其它串馈天线Tx1，Tx2，Tx3，Tx7...Tx12，串馈天线Tx4，Tx5，Tx6相对高低调整0.5到3个波长之间。

最常选用的是垂直极化和水平极化单元天线两种，垂直极化单元天线具有较小的偶合性，但其水平视野较窄。水平极化单元天线具有较大的偶合性其水平视野较宽；实际设计中可根据要求适当选择.图34-50中，单元天线为垂直极化单元天线。图51-62中，单元为天线水平极化单元天线设计方案，其中34-43(2)、46-48、51-58、61-62中，为所述发射天线阵列和接收天线阵列布局为90°型，即发射天线阵列和接收天线阵列位于毫米波雷达芯片相邻的两边；其中44-45、49-50、59-60中，为所述发射天线阵列和接收天线阵列布局180°型时，发射天线阵列和接收天线阵列位于毫米波雷达芯片相对的两边。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。