鮑曉利，王志強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北省 石家莊 050000)

?

基于線性調(diào)頻技術(shù)的主動(dòng)式安防雷達(dá)設(shè)計(jì)

鮑曉利，王志強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北省 石家莊 050000)

摘要為彌補(bǔ)現(xiàn)有視頻安防技術(shù)、紅外安防技術(shù)等在特定環(huán)境下存在的固有缺陷，線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)被引入到安防技術(shù)體系中。目前，線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)產(chǎn)品絕大部分為車(chē)載雷達(dá)，其不能被直接用于安防監(jiān)控系統(tǒng)中。為滿足市場(chǎng)和客戶(hù)的需求，基于線性調(diào)頻技術(shù)對(duì)主動(dòng)式安防雷達(dá)進(jìn)行了研究，并開(kāi)發(fā)出了主動(dòng)式安防雷達(dá)原型機(jī)。為對(duì)雷達(dá)原型機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，表明研發(fā)出的雷達(dá)原型機(jī)的可監(jiān)測(cè)距離可達(dá)77m，可實(shí)時(shí)對(duì)單目標(biāo)的方位、距離和速率進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)無(wú)監(jiān)督背景學(xué)習(xí)方法的引入，雷達(dá)原型機(jī)可被應(yīng)用于復(fù)雜場(chǎng)景中。

關(guān)鍵詞安防監(jiān)控；雷達(dá)；線性調(diào)頻；動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)

0引言

在主動(dòng)安防領(lǐng)域，視頻安防系統(tǒng)和紅外安防系統(tǒng)等已成為安防技術(shù)防范系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的子系統(tǒng)[1]。但在特殊環(huán)境條件(如霧霾、雨、雪、黑夜和沙塵暴等)下應(yīng)用時(shí)，其有效性和可靠性將極大地降低。針對(duì)此問(wèn)題，連續(xù)波雷達(dá)作為解決方法之一被引入到了安防技術(shù)防范系統(tǒng)中[2]。線性調(diào)頻連線波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave，LFMCW)雷達(dá)作為一種短距測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)，可對(duì)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)目標(biāo)的距離或速度進(jìn)行有效測(cè)量。目前，LFMCW雷達(dá)一般應(yīng)用于車(chē)載雷達(dá)，對(duì)行人的測(cè)量距離一般不超過(guò)50m，且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)受視場(chǎng)內(nèi)背景雜波的影響較大。鑒于此，本文將LFMCW技術(shù)應(yīng)用到了主動(dòng)式安防雷達(dá)設(shè)計(jì)中，根據(jù)主動(dòng)式安防雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景提出了完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)雷達(dá)硬件和數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行了研發(fā)。此外，為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，引入了MTI濾波、背景雜波去除、動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)和背景自學(xué)習(xí)等技術(shù)到主動(dòng)式安防雷達(dá)設(shè)計(jì)中。其中，背景雜波頻譜圖自學(xué)習(xí)方法為無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法在主動(dòng)式安防雷達(dá)設(shè)計(jì)中的一次重要嘗試，可有效解決雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜多干擾背景下的應(yīng)用問(wèn)題。

1主動(dòng)式安防雷達(dá)系統(tǒng)原理

(1)

(2)

式中，Ac為發(fā)射信號(hào)幅度；wc為載波信號(hào)角頻率；wb為調(diào)制信號(hào)角頻率；θ為發(fā)射信號(hào)相位；θ′為接收信號(hào)相位；N為調(diào)制信號(hào)周期重復(fù)次數(shù)；Tp為調(diào)制信號(hào)周期；k為調(diào)制信號(hào)斜率；Ac′為接收信號(hào)幅度；Δt為雷達(dá)信號(hào)行程時(shí)間差。

由式(1)和式(2)可知，雷達(dá)視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)距離R為：

(3)

式中，c0為光速；Δf為差頻信號(hào)頻率。

動(dòng)態(tài)目標(biāo)速度為[4]：

(4)

式中，Rt1和Rt2為動(dòng)態(tài)目標(biāo)在t1和t2時(shí)刻的距離。雷達(dá)的距離分辨率ΔRmin和速度分辨率Δcmin為：

(5)

本文采用單基線相位干涉方法對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的方位角θ進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算公式式為：

(6)

式中，d為接收天線1和接收天線2間的距離；SI1(k)、SQ1(k)、SI2(k)和SQ2(k)分別為雷達(dá)接收機(jī)I1、Q1、I2和Q2通道中頻信號(hào)的離散傅里葉變換值。

2主動(dòng)式安防雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述內(nèi)容，本文對(duì)主動(dòng)式安防雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　雷達(dá)系統(tǒng)組成

從圖1中可知，雷達(dá)系統(tǒng)主要包括射頻/中頻模擬信號(hào)處理模塊[5]和基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊[6-7]。射頻/中頻模擬信號(hào)處理模塊中所包含的功能部件已相對(duì)成熟，可通過(guò)定制的方式予以實(shí)現(xiàn)。限于篇幅，本文不對(duì)射頻/中頻模擬信號(hào)處理模塊進(jìn)行說(shuō)明，感興趣的讀者可參看文獻(xiàn)[8-10]。

基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊所包含的功能組件因應(yīng)用領(lǐng)域不同而有較大不同，尤其是隨著近年軟件無(wú)線電技術(shù)的快速進(jìn)步，其功能組件的實(shí)現(xiàn)方法和性能也有著本質(zhì)的差異。因此，基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊為主動(dòng)式安防雷達(dá)系統(tǒng)的核心模塊。本文基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊所包括的功能組件均采用TMS320 F28335 DSP平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其算法流程圖如圖2所示。限于篇幅，本節(jié)僅對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊中的MTI濾波、背景雜波去除和動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)功能組件的具體實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行說(shuō)明，其余功能組件的具體實(shí)現(xiàn)方法均在文獻(xiàn)[8-10]中有詳細(xì)闡述，讀者可自行查閱。

圖2　數(shù)字信號(hào)處理模塊算法流程

在實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)視場(chǎng)內(nèi)均存在一定面積的靜態(tài)背景目標(biāo)。為檢測(cè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)，須從雷達(dá)回波信號(hào)中分離出動(dòng)態(tài)目標(biāo)的雷達(dá)回波信號(hào)。為此，本文采用MTI濾波器對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波以去除靜態(tài)背景雷達(dá)回波信號(hào)。MTI濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　數(shù)字MTI濾波器結(jié)構(gòu)

經(jīng)MTI濾波后的雷達(dá)回波信號(hào)中仍存在殘留靜態(tài)背景雜波、系統(tǒng)噪聲和非平坦地面反射雜波等多種背景雜波。在實(shí)際動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)中，須去除背景雜波以降低雷達(dá)系統(tǒng)的檢測(cè)虛警率。由于背景雜波在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中均具有不同的特征，所以本文采用無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法主動(dòng)獲取雷達(dá)視場(chǎng)內(nèi)的背景雜波頻譜圖，具體算法流程圖如圖4所示。圖4中迭代次數(shù)M由用戶(hù)設(shè)置。在背景雜波頻譜圖學(xué)習(xí)完成后，即可采用背差法去除背景雜波信號(hào)的頻譜，并通過(guò)搜索幅度頻譜最大峰值及其所對(duì)應(yīng)的相位差獲取動(dòng)態(tài)目標(biāo)的距離和角度信息。

圖4　無(wú)監(jiān)督背景頻譜學(xué)習(xí)算法流程

根據(jù)第1節(jié)和本節(jié)內(nèi)容，本文已研發(fā)出主動(dòng)式安防雷達(dá)原型機(jī)，其尺寸為25cm×15cm×10cm。

3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為對(duì)主動(dòng)式安防雷達(dá)原型機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證分析，本文構(gòu)建了動(dòng)態(tài)目標(biāo)(以人為測(cè)量對(duì)象)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置示意圖如5所示，雷達(dá)視場(chǎng)(方框內(nèi)為行人)如圖6所示。從圖6中可看出，道路兩側(cè)存在著樹(shù)、草地、灌木叢和樓房等多種類(lèi)型背景目標(biāo)。

圖5　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置示意　　　圖6　雷達(dá)視場(chǎng)

本節(jié)將分別進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)：第1組對(duì)固定距離或固定角度的行人進(jìn)行測(cè)量；第2組實(shí)驗(yàn)對(duì)距離和角度均不固定的行人進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)對(duì)第1組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得雷達(dá)的距離分辨率和角度分辨率分別約為0.8m和1.7°。第2組實(shí)驗(yàn)對(duì)直線(近似直線)行走和迂回行走的行人分別進(jìn)行跟蹤測(cè)量，雷達(dá)測(cè)得行人的角度、距離、速度和運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7和圖8所示。

圖7　　　　行人直線行走　　　　圖8　　　　行人迂回行走　　　　　測(cè)量結(jié)果　　　測(cè)量結(jié)果

從圖7和圖8中可知，雷達(dá)的測(cè)量距離范圍約為3～73m。此外，還可看出雷達(dá)測(cè)得的行人運(yùn)動(dòng)速度具有較大的波動(dòng)，其主要由人在行走的過(guò)程中身體各個(gè)部分均具有不同的速度及加速度造成的。將本文所研發(fā)雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)同國(guó)內(nèi)外相關(guān)雷達(dá)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表1所示。從表1中可知，本文所研發(fā)雷達(dá)在測(cè)量距離方面更優(yōu)。

表1　雷達(dá)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

4結(jié)束語(yǔ)

為滿足安防領(lǐng)域?qū)π⌒捅O(jiān)視雷達(dá)的需要，本文基于LFMCW技術(shù)提出了一種主動(dòng)式安防雷達(dá)。為實(shí)現(xiàn)LFMCW雷達(dá)在安防應(yīng)用中的技術(shù)要求，引入了MTI濾波、背景雜波去除、動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)和背景自學(xué)習(xí)等技術(shù)，并針對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境對(duì)其實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行了優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)目標(biāo)的距離、方位、速度和路徑的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，背景雜波頻譜圖無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)方法可有效降低復(fù)雜環(huán)境下的雷達(dá)虛警率，使主動(dòng)式安防雷達(dá)系統(tǒng)具有較好的可用性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和雷達(dá)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表明，本文所研發(fā)雷達(dá)相較于現(xiàn)有同類(lèi)產(chǎn)品其整體性能更優(yōu)，其中測(cè)量距離可達(dá)77m。

參考文獻(xiàn)

[1]FORESTI G L,MICHELONI C,REMAGNINO P.Active Video-based Surveillance System:the Low-level Image and Video Processing Techniques Needed for Implementation[J].Signal Processing Magazine,2002,22(2):25-37.

[2]APPLEBY R,ANDERTON R N.Millimeter-wave and Submillimeter-wave Imaging for Security and Surveillance[J].Proceedings of the IEEE,2007,95(8):1 683-1 690.

[3]STOVE A G.Linear FMCW Radar Techniques[J].IEE Proceedings F (Radar and Signal Processing),1992,139(5):343-350.

[4]STELZER A,FISCHER A,VOSSIEK M.A New Technology for Precise Local Position Measurement-LPM[J].Microwave Symposium Digest,2004,2(2):655-658.

[5]GRAHAM M B.Understanding Millimetre Wave FMCW Radars[C]∥ 1st International Conference on Sensing Technology,Palmerston North,New Zealand,2005:152-157.

[6]YANKIELUNA Norbert,ROSENTHALB Walter,DAVISA Robert E.Alpine Snow Depth Measurements from Aerial FMCW Radar[J].Cold Regions Science and Technology,2004,40(1-2):123-134.

[7]MEINECKE M M,ROHLING H.Combination of FSK and LFMCW Modulation Principals for Automotive Radars[C]∥ German Radar Symposium GRS2000,Berlin,2000:298-301.

[8]SKOLNIK M I.Radar Handbook (2nd ed)[M].New York:McGraw-Hill Publishing Company,1990:57-237.

[9]ALIVIZATOS E G,PETSIOS Ml N,UZUNOGLU N K.Architecture of a Multistatic FMCW Direction-finding Radar[J].Aerospace Science and Technology,2008,12(2):169-176.

[10]HANDAYANI D O D,MALAYSIA K L.Design and Development of the FMCW Radar Scene Generator[C]∥ 2012 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications (ISIEA),Bandung,2012:39-44.

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.06

收稿日期：2016-04-01

中圖分類(lèi)號(hào)TN959.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)07-0021-04

作者簡(jiǎn)介

鮑曉利男，(1985—)，博士，工程師。主要研究方向：模擬/數(shù)字陣列天線設(shè)計(jì)、雷達(dá)信號(hào)處理。

王志強(qiáng)男，(1971—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微波組件/模塊設(shè)計(jì)。

An LFMCW Based Design of Active Security Surveillance Radar

BAO Xiao-li,WANG Zhi-qiang

(The13thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050000,China)

AbstractConsidering the inherent defects of video or infrared surveillance technologies,Linear Frequency-Modulated Continuous-Wave (LFMCW) radars are introduced into security surveillance applications.Currently,most LFMCW radar products are used as vehicular anti-collision radars,which can’t be applied directly in security surveillance.Therefore,LFMCW based active security surveillance radars are studied in this paper,and a prototype is developed.A set of experiments are conducted in real application environment.The experimental results show that the prototype radar can measure the direction,range and speed of the target,and the maximum measured range is up to 77m.The prototype radar can be applied in various scenarios by using background self-learning algorithm.

Key wordssecurity surveillance;radar;LFMCW;MTI

引用格式：鮑曉利,王志強(qiáng).基于線性調(diào)頻技術(shù)的主動(dòng)式安防雷達(dá)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2016,46(7):21-24.