基於無線傳感網的超低空低速平面微帶雷達探測器的製作方法

2023-05-31 09:35:36 2

專利名稱：基於無線傳感網的超低空低速平面微帶雷達探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於無線傳感網的超低空低速平面微帶雷達探測器，屬於
安防領域。該探測器可以探測、分辨位於探測器上方30米以內區域低速(不 大於27.7m/s)飛行的物體，當判斷出上方飛行的物體符合預設的物體特徵時， 探測器即輸出報警信號。
背景技術：
電磁波或聲波頻率因饋元本身與目標物之間的相對運動所引起的頻率改變 稱為都卜勒頻移，或稱都卜勒效應。由都卜勒頻移得知，固定安裝的雷達發出的 固定頻率孩吏波，遇到靜止物體產生的反射波其頻率並不改變，遇到運動物體產生 的反射波將會發生都卜勒頻移，頻率的改變類似相對速度的計算，圖9是都卜勒 頻移的計算。
圖中V-目標飛行速度 C-微波速度，空氣中約等於3"8m/S
義,-發射微波波長 義r-反射微波波長
都卜勒頻率=|發射頻率，反射頻率|叫+-+|
A 乂/>
平面微帶雷達探測器如果檢測到都卜勒信號則判定有移動目標存在，針對不同的使用場合，可以選用不同頻段的都卜勒雷達，本發明中平面微帶 雷達探測器的工作頻率選擇在X-頻段(10. 525GHz ),圖10是X-波段(10. 525GHz) 都卜勒頻率與目標速度關係圖。
根據統計結果， 一般手拋物體的飛行速度小於100km/h,對應的都卜勒頻率 小於2kHz，根據恩奎斯特採樣定律，要檢測到一般手拋物體的都卜勒頻率，探 測器的採樣頻率不應小於4kHz。根據實際情況，手拋物體不太可能垂直於探測 器方向運動，4笨測器探測到的回波方向的都卜勒頻率是物體運動速度的分量，因 此，探測器採樣率取2kHz。
根據c - # ，可以得出X-波段的波長約等於2.85cm，即物體尺寸小於2.85cm
時X-波段會發生繞射，對尺寸小於2.85cm的物體不會報警。
對於重要的區域，例如軍事禁區、機場，往往建有鋼筋圍欄或者磚墻，阻 隔非授權人員進入區域內部，這種手段往往只能起到部分阻隔作用， 一旦非授權 分子翻越圍欄、磚牆，或者將爆炸物、毒氣彈等違禁物品拋、射入區域內部，圍 欄、磚墻也就形同虛設了。在這種情況下，在圍欄或磚牆頂部安裝平面微帶雷達 探測器能夠檢測到這些進入區域內部的目標，對圍欄或磚墻等物理防範手段是一 個很好的補充。 AR模型係數 自回歸(AR)模型是一個全極點模型，其含義是模型當前輸出是當前輸 入和過去p個輸出的加4又和，z厶式如下
屍
其中y (n)是廣義平穩隨機序列，x(n)是均值為O的白噪聲序列；P為模 型階次，…為模型各係數。對AR模型參數估計的常用方法有Lattice遞推法、
Burg法和最小二乘法(Marple算法)、Yule-Walker方法 神經網絡分類器
神經網絡本質上是一個大規模非線性連續時間自適應的信息處理系統，通過 大量簡單關係連接實現複雜的函數關係。系統具有很強的軎棒性和容錯性,善於
4聯想、概括、類比和推廣,有很強的自學習能力，可在學習過程中不斷完善自己， 不斷創新。
模式識別是神經網絡應用領域最成功的 一個重要方面，神經網絡模式識別理 論的研究一直是非常活躍的學科，其發展與神經網絡理論可以說是同步。人工神
經網絡發展的主要歷程有:20世紀50年代末，Rosenblatt提出的感知器模型和 Widrow提出的自適應線性元件,出現了簡單的線性分類器;1986年，Rumelhart 和Mcllelland提出了多層網絡"誤差反向傳播算法(BP)"，使有導師學習多層感知 器網絡(MLPN)模式分類器走向實用化，在此基礎上又派生出若千前向網絡，如 徑向基函數網絡(RBFN)和函數鏈網絡等；1982年，美國加州工學院的物理學 家Hopfield提出的一種用於聯想記憶和優化計算的反饋網絡模型，由於引進了 "能量函數"的概念，使網絡走向具體電路有了保證;20世紀70年代，Watanabe 提出了使用模式子空間的概念來設計不同類別對應的子空間，由不同類別聚類的 子空間實現模式識別；Kohonen提出的自組織特徵映射網絡模型等都為神經網 絡模式識別理論提供了進一步的根據。
對於重要的區域，例如軍事禁區、機場，往往建有鋼筋圍欄或者磚牆，阻 隔非授權人員進入區域內部，這種手段往往只能起到部分阻隔作用， 一旦非授權 分子翻越圍欄、磚牆，或者將爆炸物、毒氣彈等違禁物品拋、射入區域內部，圍 欄、磚墻也就形同虛設了。在這種情況下，為了解決圍欄或磚墻等物理防範手段 的不足，就需要對進入區域內部的目標進行探測，但在目前還沒有一種有效的探 測裝置。

發明內容
本發明的目的是設計出一種基於無線傳感網的超低空低速平面微帶雷達探
測器，
本發明要解決的是現有對低空低速目標探測沒有一種有效探測裝置的問題。 為了達到上述目的，本發明的裝置包括微帶雷達信號收發器，預處理電路，
微處理器模塊，外圍接口電路，
本發明的優點1、能夠快速的檢測出探測區域內經過的物體，並進行準確
分類；2、填補了超低空區域探測手段的空白，有效解決了圍刷艮警領域探測設備漏警率和誤警率的矛盾；3、可以採用無線、有線兩種手段將信號傳輸至上位 機，無線傳輸手段保證了在緊急情況下，在現場可以迅速布設探測器。


圖1是本發明的超低空手拋物體平面微帶雷達探測器硬體結構框圖。
圖2示出了圖1中工作流程圖。
圖3示出了圖1中的軟體工作流程的一個實施例。
圖4示出了圖1中微帶天線設計圖。
圖5示出了圖1中微帶天線外形圖。
圖6示出了微波信號收發電路以及前端處理電路圖。
圖7示出了 MCU及外圍電路圖。
圖8示出了雷達探測器無線組網示意圖。
圖9是都卜勒頻移的計算示意圖。
圖10是X-波段(10.525GHz)都卜勒頻率與目標速度關係圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的說明，
如圖所示，本發明包括微帶雷達信號收發器(傳感器模塊)，預處理電路 (信號處理模塊)，微處理器模塊，外圍接口 (外圍接口模塊)。
所述微帶雷達信號收發器為平面微帶雷達。微帶雷達信號收發器由雷達信 號發射天線、反射波接收天線、振蕩器、混頻器組成，工作頻率選擇在X-頻段 (10.525GHz),發射天線為8個天線微陣，接收天線為8個天線孩吏陣。微帶雷 達信號收發器脈沖供電電壓5V±5%， 5.66%佔空比時脈衝供電時平均電流為 1.2mA ~ 4mA。微帶雷達信號收發器產生的原始都卜勒信號為毫伏級。
所述預處理電路對雷達信號進行放大，包括放大電路和濾波電路，放大電 路採用兩級放大，總的放大倍數為2500倍；濾波電路濾除電源紋波和原始多普 勒信號中的高頻雜波，然後經過二階的RC高通濾波器，-3db截至頻率為50Hz。
所述微處理器模塊對預處理後的雷達信號進行特徵提取、分類等運算，並 發出報警信號，它包括MCU以及模數轉換器、晶振、復位電路、IO口等外圍電路。MCU為Phlips公司(現在是NXP公司)的基於ARM7內核的LPC2368處 理器，LPC2368接口豐富，包括一個10/100乙太網(Media Access Controller,媒 體訪問控制器)， 一個USB2.0全速接口 ，兩個CAN通道，四個UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用異步收發器)接口 (即RS-232串口 ) 一 個SPI接口 ，兩個SSP ( Synchronous Serial Ports,同步串口)接口，3個I2C( Inter -Integrated Circuit)接口 ， 1個I2S (Inter-IC Sound Bus)接口 ；片內帶512KB FLASH程序存儲空間和32KB SRAM, 6路10位ADC( Analog-Digital Converter, 模數轉換器)。
所述外圍接口 (IO模塊)負責與鄰近傳感器組成傳感器網絡或者直接與上 位機通訊，包括有線接口和無線接口。
a) 有線接口包括一個RS-232接口、 一個CAN接口與外部通信，可以發送 信息給上位機或與其他平面微帶雷達探測器通過CAN總線聯網。採用CAN總 線通信時，探測器通過2368內建的CAN2.0控制器發送數據，協議即為CAN協 議。CAN2.0控制器與CAN物理總線之間的接口器件採用CM1050, CM1050驅 動總線差動接收或發送並內建光電隔離。
b) 無線接口 (無線收發模塊)包括一個CC1100晶片和一根普通黑皮天線 (工作頻率433MHz， 3bB增益)、外圍電路。CC1100是一種低成本單片的UHF
收發器，支持ZigBee協議，為低功耗無線應用而設計。電路可以設置為300-348 MHz、 400-464 MHz和800-928 MHz的其他頻率。RF收發器集成了 一個高度可配 置的數據機。這個數據機支持不同的調製格式，其數據傳輸率可達 500kbps。無線收發;f莫塊通過多跳、自組織的方式組網；雷達探測器無線組網的 拓樸結構為星型網絡，即各雷達探測器將信息發送到通訊距離內的基站，基站通 過無線或者有線方式與上位機連接。
無線收發模塊通過多跳、自組織的方式組網；雷達探測器無線組網的拓樸 結構為星型網絡，即各雷達探測器將信息發送到通訊距離內的基站，基站通過無
線或者有線方式與上位機連接。
對於有目標經過平面微帶雷達探測器上方時獲取的微波信號，為了能判斷出
目標的種類，本發明通過提取信號的特徵參數並對特徵參數進行分類，進而識 別目標。特徵參數採用AR模型係數，根據最終預測誤差(FPE)準則，對於本發明處理的數據，模型階次取6。
分類器採用反向誤差傳播(BP)算法的具有一個隱層和一個輸出層的標準前 向神經網絡，隱層和輸出層的激活函數均使用sigmoid函數。訓練在MATLAB 環境中進行，採用具有自適應學習速率梯度下降BP算法的traingda訓練函數。 網絡輸出層神經元數目取決於要分類的目標種類，每個神經元對應一種目標。特 徵樣本集的構成也和要分類的目標種類有關，如果要分類的為三種，以每類數據 包括200個樣本，每個樣本對應一列，因此樣本集為一3行200列的矩陣。輸入 層神經元數目取決與樣本長度，為3。隱層神經元數目取決於分類目標種類和樣 本長度，數目不同，網絡收斂速度和效果均有很大差異，試驗表明，對於本文神 經網絡分類器的設計，隱層神經元數選擇在20-40時的效果較好.教師信號的 設置為若輸入為某類目標信號，則對應的神經元輸出為1，其他神經元輸出為O。 例如，對於本專利中要分類的為三類目標，則可設10 0對應小動物，0 10
對應危險物品，001對應其他。
在探測器工作時，微帶雷達信號收發器發射的信號和反射波接收天線接收到 的信號經混頻器後產生都卜勒信號，都卜勒信號經濾波、放大後，由LPC2368 的ADC將都卜勒信號轉換為數位訊號，ADC的採樣率為2kHz。
探測器採用AR模型係數作為微波數據的特徵，採用神經網絡分類器作為分 類器，將訓練好的神經網絡分類器參數與程序一起燒入LPC的FLASH。LPC2368 對有效數據提取特徵後將調用此分類器和分類器參數。因為4笨測器工作時，背景 噪聲為附近輻射的電磁噪聲，可視為白噪聲。
預處理程序根據數據幅值提取事件數據，當50ms內信號幅值均值大於背景 噪聲幅值均值的2倍時，認為有目標經過探測器上方，LPC2368開始讀取數據， 提取該段數據的AR模型係數，直到50ms內信號幅值均值小於背景噪聲幅值均 值的2倍，這段數據認為是同一個目標的一次有效數據。提取的數據按照每段數 據512個數據點(採樣率2048，每段數據長1/4s)進行分段，若模型階次取6， 得到6個模型係數，則每個樣本的長度為6，下一段與上一段交疊l/8s.若最後 一段數據不足512點則捨去。對於同一段數據內的各段數據，本專利採用投票法 對分類結果進行數據融合，即一次有效數據長度內各分段數據的分類結果，按照 分類目標進行累加， 一次有效數據分類結束後，最後目標種類累計數最高的那類
8即為本次有效數據分類的最終結果。
平面微帶雷達探測器通過如前所述的數據幀格式與外界通信時，外部設備可
以通過RS-232/CAN2.0總線接口/CC1100無線射頻收發器與平面微帶雷達探測 器組網並收發數據。
平面微帶雷達探測器的外殼材料採用聚四氟乙烯，外殼經抗老化處理，供電 以及與外部接口均採用防水航空頭。
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權利要求
1、一種基於無線傳感網的超低空低速平面微帶雷達探測器，其特徵在於它包括微帶雷達信號收發器，預處理電路，微處理器模塊，外圍接口。
2、 如權利要求1所述的基於無線傳感網的超低空低速平面微帶雷達探測器， 其特徵在於所述微帶雷達信號收發器為平面微帶雷達，由雷達信號發射天線、 反射波接收天線、振蕩器、混頻器組成，工作頻率選擇在X-頻段(10.525GHz), 發射天線為8個天線微陣，接收天線為8個天線微陣。微帶雷達信號收發器脈 衝供電電壓5V士5。/。， 5.66%佔空比時脈衝供電時平均電流為1.2mA~4mA。
3、 如權利要求2所述的基於無線傳感網的超低空低速平面微帶雷達探測器， 其特徵在於所述預處理電路包括放大電路和濾波電路，放大電路採用兩級放大， 總的放大倍數為2500倍；濾波電路濾除電源紋波和原始都卜勒信號中的高頻雜 波，然後經過二階的RC高通濾波器，-3^截至頻率為50Hz。
4、 如權利要求1所述的基於無線傳感網的超低空低速平面微帶雷遮探測器， 其特徵在於所述微處理器模塊包括MCU以及模數轉換器、晶振、復位電路、 IO 口 ， MCU為基於ARM7內核的LPC2368處理器。
5、 如權利要求1所述的超低空手拋物體平面微帶雷達探測器，其特徵在於 所述外圍接口為RS-232串口 、 CAN2.0總線接口 ，無線射頻收發模塊。
6、 如權利要求5所述的基於無線傳感網的超低空低速平面微帶雷達探測器， 其特徵在於其無線收發模塊採用ZigBee協議，通過多跳、自組織的方式組網。
7、 如權利要求1所述的基於無線傳感網的超低空低速平面微帶雷達探測器， 其特徵在於該雷達探測器無線組網的拓樸結構為星型網絡，即各雷達探測器將信 息發送到通訊距離內的基站，基站通過無線或者有線方式與上位機連接。
全文摘要
本發明涉及一種基於無線傳感網的超低空低速目標平面微帶雷達探測器，它包括微帶雷達信號收發器，預處理電路，微處理器模塊，外圍接口。本發明可以探測、分辨位於探測器上方30米以內區域低速飛行的物體，當判斷出上方飛行的物體符合預設的物體特徵時，探測器即輸出報警信號。探測器可以通過無線射頻收發模塊與外部設備通信輸出探測結果，返回查詢信息，或者接收控制指令，無線射頻收發模塊支持ZibBee協議，探測器可以通過多跳、自組織的形式組成無線雷達探測網。
文檔編號G01S7/02GK101482609SQ200810060080
公開日2009年7月15日 申請日期2008年3月5日 優先權日2008年3月5日
發明者為 何, 餘志軍, 劉海濤, 棟 楊, 王營冠, 趙俊鈺, 魏建明, 鮑星合 申請人:中科院嘉興中心微系統所分中心