微波檢測系統和方法

2023-10-08 13:08:49

專利名稱：微波檢測系統和方法
技術領域：
一般來講，本發明涉及微波檢測系統。更具體來講，本發明涉及 自動檢測禁區中的入侵的系統和方法。
背景技術：
圖1顯示具有單鐵路軌道102的典型先有技術鐵路道口 100。第 一柵門104A和104B在火車接近軌道102時關閉，由此限制來自軌道 102相應一側的交通流。在與第一柵門104A和104B相對的軌道102 的對面，第二柵門106A和106B關閉，以限制來自對側的交通流。
在圖2中，顯示了類似的先有技術鐵路道口 200，但是顯示兩條 軌道202和204作為道口 200。與上面顯示的單軌配置100相似，第 一柵門206A和206B在火車接近軌道202或204時關閉，由此限制來 自軌道102該側的交通流。在與柵門206A和206B相對的軌道202和 204的對面，第二柵門208A和208B關閉，以限制來自對側的交通流。 在這些先有技術系統中，柵門在檢測到接近的火車時關閉。為了 檢測位於軌道附近已關閉柵門之間的障礙物， 一些先有技術系統依靠 發送器/接收系統響應障礙物自身對所發送信號的反射而不使用反射
器或檢測來自反射器的信號的存在。參見美國專利號6,340,139和美國 專利號5,625,340。
其它先有技術系統則依靠反射調頻雷達的反射器，利用發送和反 射信號之間的頻率和幅度差別來確定監視區域內物體的存在。這些先 有技術系統檢測信號幅度和信號相位的差別。後者得自由反射器處的 傳輸時間部件定義的信號傳輸時間確定的相移。但是，在這個已知實 現中，系統包含接收器、計算器、傳輸時間元件、定向分離濾波器以 及放大器，其中每一個都逐項i也遞增系統的複雜性和成本。參見美國 專利號5,775,045。
已經開發了幾種利用微波檢測系統的系統。但是，先有技術系統 當前遇到了一些問題，例如障礙物誤檢測、障礙物檢測不準確、檢測 障礙物失敗、回聲檢測、不當監視以及與初始安裝和進行中操作相關


圖1說明用於單軌交叉的先有技術鐵路道口 。 圖2說明用於雙軌交叉的先有技術鐵路道口 。 圖3示意說明根據本發明一個方面的自動檢測禁區中的入侵的微 波才全測系統。
圖4示範性地說明用於^r測禁區中的入侵的系統的示範控制狀態。
圖5說明用於檢測禁區中的入侵的系統的邏輯流程中的示範步驟。
圖6說明用於檢測禁區中的入侵的系統，例如具有單軌交叉的鐵 路道口，並且指出收發信機、調製反射器和示範監視區域的布局的一
個示範實施例。
圖7說明用於檢測禁區中的入侵的系統，例如具有雙軌交叉的鐵 路道口，並且指出收發信機、調製反射器和示範監視區域的布局的一 個示範實施例。
圖8說明用於檢測禁區中的入侵的系統，例如具有雙軌交叉'的鐵
路道口，並且指出收發信機、調製反射器、無源反射器和示範監視區 域的布局的 一個示範實施例。
圖9說明用於檢測禁區中的入侵的系統，例如具有三軌交叉的鐵 路道口，並且指出收發信機、多個調製反射器和示範相關監視區域的 布局的一個示範實施例。
圖10說明用於檢測禁區中的入侵的系統，例如由周界定義的區 域，並且指出收發信機、調製反射器和示範監視周界的布局的一個示 範實施例。
圖11示意說明根據本發明方面自動調整檢測閾值以檢測禁區中 的入侵的微波檢測系統。
圖12顯示用於圖11的系統中的實例變量閾值。
圖13顯示相對用於圖11的系統中的固定閾值的實例變量閾值。
在這些附圖中，相應的參考字符和代號通常表示相應的部件。
詳細i兌明
本發明方面針對微波衝全測系統，例如可使用調製的微波信號自動 檢測禁區中的入侵的系統。以下說明將首先描迷一個實施例，例如可 用於自動檢測鐵路道口的禁區中障礙物的存在。然後，說明將描述另 一實施例，例如可用於自動檢測通過定義禁區的一個或多個周界的入 侵，如用於機場。
圖3是用於自動檢測禁區中的入侵的系統300的一個實施例的筒 化框圖，例如使用微波發送器"妾收器302和調製反射器308檢測鐵路 道口區域內障礙物的存在。發送器/接收器302配備天線304。如圖所
示，發送器/接收器302可以是症且合收發信機302，或者可以是獨立的 發送器302A和獨立的接收器302B。在後一種情況下，發送器302A 和接收器302B可以各自配備天線304。收發信機302提供接收信號338 給前置放大器312，前置放大器312提供經處理的信號給解調器314。 解調器314提供解調的接收信號338給處理器316進行信號分析。
處理器316可以是單個處理器，或者在另一實施例中可以配置為 多個處理器316。在一個實施例中，處理器316是雙核處理器316配 置。處理器316可由存儲器(未示出)、硬體、軟體和/或固件組成。關 於處理器316的所述功能可以由一個或多個軟體、固件或硬體來配置 和執行。
發送信號332由發送器302A發送並且由一個或多個調製反射器 (MDR) 308接收。調製反射器308接收發送信號332並且引入特性以 創建調製信號330。調製信號330由調製反射器308發送或反射並且 由接收器302B接收。系統300才是供由收發信機302和調製反射器308 及相關發送信號332和調製信號330定義的監視區域334的增強定義。 發送信號332和調製信號330定義監視區域334使得監視區域334中 的障礙物檢測是發送信號332或調製信號330的擾亂的功能(fiinction), 如下文進一步論述。
在一個實施例中，收發信機302在波段X中工作於9.2 GHz到10.6 的頻率，如具有22.0 MHz FM掃描/帶寬的10.0 GHz。在一個實施例 中，這是連續波微波信號。發送器302A的功率可以在10mW加或減 1 mW的範圍內。發送器302A的其它功率電平可以在20 mW加或減2 mW的範圍內。在一個實施例中，接收器302B可以是始發站，即收發 信機302。在另一實施例中，接收器302B與發送器302A分離。在又 一實施例中，可以使用雙接收器302B,其中組合他們的接收信號338 並且對組合的信號進行分析。這後一實施例可能適用於發送信號332 的頻率可導致例如由相移或造成發送信號332不利影響調製信號330 的其它信號模式造成的零位信號，從而不利影響檢測調製信號330以
及由調製反射器308引入的任何特性的能力的情況。
在另一實施例中，收發信機i302發送調頻的發送信號332而不是 連續或單個的頻率信號。在這樣的實施例中，帶寬5.0和25.0 MHz之 間的頻率調製可引M送器302A中。通過將頻率調製引入發送信號 332，不希望的幅度調製的頻率增大到可以實現接收信號338的峰值和 /或接收信號338中的邊帶的增強檢測的水平。
在一個實施例中，天線304可以是定向天線，提供發送信號332 的形成以定義監視區域334。收發信機天線304的類型的選擇取決於 所需監視區域334的形狀、監視區域334的所需監視距離以及發送信 號332的頻率。例如，拋物面天線可以提供5度的波束角，而喇叭天 線(hornantenna)可以提供30度的波束角。此外，在一個實施例中，收 發信機天線304的TX/RX 0=35 cm。
調製反射器308響應發送信號332。調製反射器308可能包含或 包括調製反射器天線336。在一個實施例中，調製反射器308是調製 喇叭反射器，帶有大小為12.5 x 9.5 x 15 cm的喇叭反射器。在另一實 施例中，調製反射器308是角錐喇叭反射器，造成調製反射器308和 收發信機天線304之間IOO米的最大距離。在又一實施例中，調製反 射器308是拋物面反射器，提供調製反射器308和收發信機天線304 之間200米的最大距離。
在圖3中所示的另一實施例中，設置無源反射器310從發送器 302A接收發送信號332A,並且將發送信號332B無源反射至調製反射 器308。此外，可設置無源反射器310從調製反射器308接收調製信 號330A並且將調製信號330B無源重定向至接收器302B。通過設置 無源反射器310,監視區域334可以針對特定鐵路道口應用和設計進 行成形、擴展或設計，以更有效地監視所需監視區域334是否存在障 礙物。無源反射器310也可以用於形成定義兩個獨立監視區域334的 發送信號332的兩個段。例如，在一個實施例中，無源反射器310定 義與笫一監視區域334成達60度角的第二監視區域334。在其它實施例中，無源反射器310創建的兩個監視區域334之間的角度可超過60 度。在此類實施例中，反射的能量減少並且因此由發送信號332和調 制信號330定義的區域減小。但是，通過使用角度小於或等於60度的 無源反射器310,可以擴展發送信號332和調製信號330覆蓋的總監 視區域，以便監視更複雜的區城並且提供更完整的監視覆蓋。
收發信機304和調製反射器天線336的選擇定義了監視區域334 的大小，包括收發信機302和調製反射器308之間的距離(或長度)。在 一個實施例中，收發信機天線304是喇p八天線並且調製反射器天線336 是喇叭，定義監視區域334的天線304和336之間的距離介於10到 28米之間。在另一實施例中，收發信機天線304是喇叭天線並且調製 反射器天線336是拋物面，距離介於18到28米之間。在又一實施例 中，收發信機天線304是拋物面天線並且調製反射器天線336是拋物 面，距離介於28到60米之間。同樣，在系統中包括無源反射器310 時也是如此。在一實施例中，收發信機天線304是喇叭天線並且調製 反射器天線336是拋物面，距離介於10到25米之間。在又一實施例 中，收發信機天線304是拋物面天線並且調製反射器天線336是拋物 面，距離介於25到50米之間。
在一個實施例中，調製反射器308接收發送信號332。調製反射 器308調製接收的發送信號332並且通過反射將帶有調製特性340的 調製信號330重新發送到接收器302B。在一個實施例中，調製特性可 以是相位調製。但是，應該理解，任何調製技術均可用於授予調製特 性給信號330。可以採用的模擬和數字調製技術的說明性實例包括以 下技術幅度調製(am)、頻率調製(fin)、脈沖調製(pm)、脈衝編碼調製 (pcm)、微分脈衝編碼調製(dpcm)、增量調製(dm)、連續可變斜率增量 調製(cvsd)、最小頻移鍵控(msk)等。調製反射器308可以是無源裝置 也可以是有源裝置。在一個示範實施例中，調製反射器308通過將特 性340如相位調製引入接收的發送信號332來產生調製信號330，在 頻率約為10.0 KHz時相位調製介於0°和180°之間。調製頻率可以是4.0KHz、 4.7KHz、 5.7KHz、 6.7 KHz、 9.0 KHz或12.0 KHz。也可以 使用4.0 KHz到13.0 KHz的其它頻率進行相位調製。在又一個實施例 中，調製反射器308是帶有八(8)個或更多不同相位的多相或連續相位 調製反射器。這樣的實施例在消除調製信號330的不需要的幅度調製 時可能是有利的。
調製反射器308的調製造成提供障礙物檢測的調製信號330中的 一個或多個唯一可識別特性340。例如，頻率或相位調製可以創建發 送信號332如發送的載波信號中不存在的調製信號330中的邊帶。幅 度、能量、頻率或邊帶量可以定義特性的各種實施例。
4^收器302B響應發送信號332和調製信號330的頻率範圍內的信 號。接收器302B接收的接收信號338可以包含也可以不包含由調製反 射器308引入的特性340。接收信號338使用來自收發信機302中的 發送器302A中的部分載波信號轉換成基帶。前置放大器和濾波器312 放大和過濾接收信號338並且將經調節的接收信號338傳遞給解調器 314。接收信號338由解調器314解調以由處理器316處理接收信號 338進行信號分析，從而分析由調製反射器308引入的特性340的量。 此量可以是監視區域334中的障礙物的表示。
在收發信機302中，發送信號332或其載波部分與接收信號338 混合，其中在一個示範實施例中，載波信號^皮抵消，由此讓邊帶由處 理器316進行分析。可以分析邊帶以確定所需的特性340，並且由此 確定監視區域334中物體的存在或不存在。
在一個示範實施例中，處理器316進行的信號分析過程包括檢測 和對比接收信號338的邊帶中的能量量，例如由邊帶峰值幅度表示。 接收信號338由前置放大器濾波器312過濾以去除可能造成來自移動 物體的都卜勒效應的回聲。在這樣的過濾之後，在監視區域334內不 存在物體時，接收信號338僅包括由調製反射器308引入的特性340。 在一個示範實施例中，調製頻率選擇為高於由監視區域334內的物體 移動造成的都卜勒效應頻率的頻率。如上所述，在使用10GHz的發送
信號332的載波頻率時，可以使用4KHz、 4.7KHz、 5.7KHz或6.7KHz
的頻率。
如以上示例中所述，所需特性340可以是接收信號338中包含的 邊帶的特定幅度、頻率和/或相4立。可以分析接收信號及其邊帶並且與 預定義的值、閾值或模型進行對比。例如，如果接收信號的邊帶具有 超過預定義值的幅度峰值或能量水平，處理器316可以確定監視區域 334內不存在障礙物。但是，如果接收信號的邊帶的幅度峰值低於預 定義值或閾值，則處理器316將確定監視區域334內有障礙物。在一 個實施例中，可以確定第一邊帶的峰值幅度減小3 dB以上表示監視區 域334內有物體。
接收信號338中的邊帶的邊帶能量量也可以用於確定存在或不存 在物體。如果確定的能量水平^[氐於預定水平，處理器316可以確定監 視區域334內存在物體。在一個實施例中，系統可以檢測和確定4妄收 信號338的第一、第二和第三邊帶中的總能量量。此類邊帶的總能量 水平與預定能量水平進行對比。在一個實施例中，在總能量水平為正 常水平的80%時，即減少20%，處理器316確定監視區域334內存在 障礙物。在其它實施例中，可以分析一個或多個邊帶和/或邊帶的能量 或峰值幅度偏差可介於5%至50%之間。
在一個示範實施例中，峰^_幅度或能量水平檢測的預定對比水平 在產品開發、產品設計和/或產品部署期間根據測試和操作建立，並且 取決於發送頻率。在一些實施例中，系統300包括可變輸入功能(未示 出)，讓操作員可以調節處理器316的靈敏度或閾值水平，用於確定接 收信號338是否包含所需的特性340並且由此確定是否在監視區域334 內檢測到物體。
如果接收信號338包含如上所述由調製反射器308引入的所需量 的特性340，系統300會提供監視區域334無障礙物的指示。由調製 反射器308生成的所需量的特性340的存在表示接收信號338原本作 為發送信號332發送、由調製反射器308調製並且作為具有特性340
的調製信號330重新發送。調製信號330中所需量的特性340的接收 還確保接收的不當或錯誤信號不會提供監視區域334無障礙物的錯誤 指示。
在備選實施例中，系統300可以包含兩個或更多收發信機302， 每個以各自的頻率工作。在此實施例中，可以視作有兩個單獨的接收 信號338由接收器302B接收，或者一個接收信號338被接收，但接收 信號338具有一個以上的信號部分。從一種觀點來看，兩個發送信號 332由兩個收發信機302發送，並且具有兩種特性340的兩個調製信 號330由調製反射器308生成。在任一情況下，對每個接收信號338 應用上述信號調節、解調和分析過程。處理器316作出的監視區域334 中有無障礙物的判決由每個接收信號338的信號分析組合確定。
在另一個示範實施例中，收發信機302單獨檢測來自多個調製反 射器308的多個調製信號330和特性340。在這樣的實施例中，每個 調製反射器308 ^皮調整為在唯一和單獨的調製頻率對發送信號332進 行頻率或相位調製。每個接收器302B被調整為解調信號以確定特性 340,由此確定每個定義的監視區域334內是否存在障礙物。在這樣的 實施例中，每組發送器302A、調製反射器308和^接收器302定義單獨 的監視區域334，可包括由每組通信發送器302A、調製反射器308和 接收器302B之間的區域定義的多條路徑。例如，參見圖9。
在另 一個示範實施例中，GPS系統322從全球定位衛星(GPS)系統 (未示出)接收數據信號。在此實施例中，系統300從接收的GPS數據 中接收時間和/或同步信號並且將其存儲在存儲器(未示出)中。處理器 316可以利用接收的GPS數據束增強系統300的報告、管理和/或診斷 能力。
在工作中，系統300的監視工作在從道口柵門系統324接收表示 柵門已關閉的柵門關閉信號時開始。在收到柵門關閉信號時，系統300 開始發送發送信號332並且接收接收信號338以監視監視區域334在 柵門關閉後道口中是否有障礙物。在一個實施例中，在軌道打開信號
激活後，系統300停止檢測道口或監視區域334。在另一個實例例中， 如果監視區域334未被預期的障礙如通過的鐵路車輛所阻礙，系統300 繼續檢查監視區域334。
在檢測不到障礙時，系統300生成同意行動(consent action)326， 在一個實施例中是由處理器316發起的繼電器(relay)初始化。在道口區 域或監視區域334檢測到障礙物時，不會生成開放區域指示並且會採 取進一步動作。在一個這樣的實施例中，處理器316發起警報動作328, 例如警報繼電器的發起。在另一個示範實施例中，事件或動作數據存 儲在存儲器(未示出)中，使得可以在稍後的時間或由遠程管理系統(未 示出)對數據事件進行分析。
在另一個優選實施例中，處理器316配置為4是供一個或多個操作 功能。這些包括接收有關柵門打開系統324的柵門降低或升高的信息。 在從柵門打開系統324收到指示柵門已經降低的信息或柵門關閉信號 時，處理器316可以發起由發送器302A進行的發送信號332的傳輸。 在解調器314收到經處理的接收信號338時，處理器316分析接收信 號是否具有特性340。在處理器316通過接收信號338確定上述所需 量的特性340時，處理器316可生成同意信號326。在處理器316確 定接收信號338不含所需量的特性340並且由此確定監視區域334中 有障礙物時，處理器316生成佔用區域警報328。
在其它示範實施例中，處理器316可選地探測和驗證系統300的 內部組件的完整性。處理器316還可以發起和提供自診，並且檢測所 有系統組件(參見320)的工作效率，包括提供發送器302A和接收器 302B的自動自測。處理器316還可以提供系統300的各種輸入和輸出 的控制和管理，例如通信埠/鏈路(未示出)，包括從GPS系統322獲 取時間參考信號。處理器316還可以管理與包含發送器302A、接收器 302B、調製反射器308、無源反射器310及其它系統設備的系統300 設備機拒相關聯的防入侵傳感器。處理器316還可以將系統故障警報 作為本地警報提供或提供給遠程管理實體或系統(未示出)。處理器316
結合存儲器(未示出)可以按照處理器316的決定而記錄或存儲動作或 事件並且生成此類事件、動作和狀態的通信至遠程站點、系統或實體。 在圖4中，顯示了本發明的一個實施例的工作狀態。第一狀態是 系統關閉狀態402。在開始為系統300供電時，處理器316轉換到初 始化狀態404。在此狀態中，處理器316 ^r證其配置和工作狀態。如 果配置不存在，處理器316轉換到配置狀態406以從外部來源獲取配 置信息或數據。在一個實施例中，此信息可以經由通信鏈路(未示出) 從遠程管理系統獲取。如果正確的配置數據存在，處理器316控制在 處理器316的上次重設之前出現的反覆性錯誤的存在。如果錯誤存在， 則處理器316轉換到不可用狀態408並且等待經由通信鏈路的外部命 令重啟系統300進行的監測。如果系統中有錯誤，處理器316也可以 轉換到不可用狀態408，並且對外部系統或管理系統作出警報或通知 以指示需要修理。在另一實施例中，不可用狀態408可以自動發起系 統重啟(未示出)。
如果處理器316通過了初始化狀態404的測試和配置診斷，處理 器316轉換到待命狀態410。在此狀態中，系統可以工作並且等待外 部指示以進入分析狀態412。在待命狀態410期間，系統工作正常無 任何錯誤並且等待"柵門關閉"信號。處理器316監視系統的安全和自 診以確定是否出現系統可操作性的變化。處理器316更新從GPS系統 322接收的時間和同步數據。在一個實施例中，進入分析狀態412的 外部指示是從外部來源收到鐵路道口柵門已經降低。
相應地，在待命狀態410期間，處理器316從全球定位衛星(GPS) 接收器系統322接收信息。此信息可能包括任何可用GPS衛星提供的 信息。在一個實施例中，此信息包括時間和/或同步信息。 一旦系統接 收激活信號，例如柵門關閉信號，處理器316從待命狀態410轉換到 分析狀態412。
在分析狀態412中，處理器316設置定時器並且從發送器302發 起發送信號332的傳輸。在一個實施例中，定時器設置為5秒鐘。系
統從接收器302接收信號，經分析以確定如上所述由調製反射器308 引入的特性340。如果接收器302收到包含所需量的特性340的調製 信號330，並且在定時器終止之前接收器302不斷收到，處理器316 確定監視區域334無障礙物。當這種情況發生時，處理器316就轉換 到區域"乾淨"狀態414。區域"乾淨"狀態414發起同意動作326，並 且在接收指示柵門已打開(未示出)的信號之後，處理器316返回待命狀 態410。在一個示範實施例中，同意動作326是"全部乾淨，，繼電器的設 置，但也可以是其它動作，包括經由通信鏈路(未示出)發送消息至遠 程站點或系統。
處理器316分析來自接收器302的接收信號338,並且確定監視 區域334內是否存在障礙物。在一個示範實施例中， 一旦在定時器期 間確定了障礙物(如上所述)，系統就轉換到區域^L佔狀態416。在區域 被佔狀態416中，繼續監視接收信號338以確定障礙物是否繼續位於 監視區域334中或者障礙物是否已移離監視區域334並且區域內不再 有障礙。如果確定是這樣並且定時器已過期，系統轉換到區域"乾淨，， 狀態414。如果處理器316確定障礙物在監視區域334內移動(如下所 述)，系統繼續監視障礙物的存在。為了這種確定，濾波器算法與監視 區域334的反覆掃描結合使用。如果在定義的時間段之後，在一個實 例例中為定時器的時間之後，區域被佔狀態416發起警報動作328。 在一個實施例中，警報動作328可以是警報繼電器(未示出)的激活。在 另一實施例中，警報動作328可以是其它動作，包括經由通信鏈路(未 示出)發送警報消息到遠程站點或系統。
如果在分析狀態410、區域-波佔狀態416或區域"乾淨"狀態414 期間，處理器316接收柵門不再關閉的信號，處理器316就去激活任 何同意或警報動作，並且將系統返回待命狀態410。
如果在待命狀態410、分析^l犬態412、區域"乾淨"狀態414或區域 被佔狀態416期間，在系統或系統操作中檢測到或出現錯誤，系統轉 換到致命錯誤狀態418。無論何時系統自診識別了發送器302A或接收 器302B、系統組件或控制邏輯或由處理器316操作的軟體發生故障， 系統也轉換到致命錯誤狀態418。在致命錯誤狀態418中，診斷的錯 誤會記錄在存儲器(未示出)中並且可能發起系統重啟(未示出)。在另一 實施例中，系統轉換到初始化狀態404以進行進一步分析或系統重啟 (未示出)。
圖5A和5B統稱為圖5,其中說明了自動檢測未授權區域入侵的 方法500的 一個示範實施例，例如檢測與鐵路道口相關的監視區域334 內障礙物的存在。處於空閒狀態502的系統在高度、定期或連續基礎 上從GPS系統332接收信息。系統等待啟動事件或命令。在一個示範 實施例中，系統在柵門關閉時自動啟動，例如在框506中收到柵門關 閉信號時。在收到柵門關閉信號506或從柵門關閉系統508收到指示 時，處理器316發起或設置定時器510。此外，處理器316在框512 發起由發送器302進行的發送信號332的傳輸。在一個示範實施例中， 發送信號332在框514由調製反射器308直接接收。在另一實施例中， 發送信號332由無源反射器310接收並且從無源反射器310反射到調 制反射器308。在任一情況下，調製反射器308在框514接收發送信 號332。調製反射器308在框518使用任何適當的調製技術調製接收 信號338並且在框520反射或發送調製信號330。
調製信號330反射回4^收器302B或作為調製信號330A發送到無 源反射器310，然後無源反射器310將包含特性340的調製信號330B 反射到接收器302B。在任一情況下，接收器302B可在框522接收包 含或不包含由調製反射器308引入的所需量的特性340的信號338。 在框528中處理接收信號338以確定接收信號338中是否如上所述存 在所需量的特性340。在一個可選實施例中，接收信號338在框526 中先由前置放大器和濾波器312處理以獲得經處理的信號如基帶信 號。
如果在框530中檢測到所需量的特性340(如上所述)，處理器316 在框532中會檢查定時器是否已過期。如果定時器未過期，處理器316
在框528中繼續分析接收信號338。如果在框530中繼續檢測到所需 量的特性340並且在框532中定時器已過期，處理器316在框534中 發起"千淨"區域同意動作。 一旦發起同意動作，系統在框544中返 回空閒狀態。
如果在框528中的分析期間，處理器316在框530中確定不存在 所需量的特性340,處理器316會檢查定時器以確保它未過期。如果 定時器在框536中已過期，處理器316在框542中發起警才艮動作328。 一旦在框542中發起警報動作328,系統在框544中返回空閒狀態。
但是，如果在框528中的分析期間處理器316在框530中確定接 收信號338不包含所需量的特性340並且定時器未過期，處理器316 在框538確定檢測到的物體或障礙在監視區域334內移動還是靜止不 動。處理器316通過對比一個接收信號338B與另一接收信號338A並 且確定和分析兩個信號之間的變化或差異來確定檢測到的物體在監視 區域334中移動還是靜止不動。第一接收信號338A可與第二接收信 號338B進行對比。第一接收信號338A和第二接收信號338B之間的 變化可與閾值、衝莫型或籤章(signature)進行對比，以確定第二4矣收信號 338B中檢測的物體是否為第一接收信號338A中檢測到的同一物體， 如果是，變化可能表示物體在監視區域334內移動。例如，如果第一 邊帶的幅度變化在不到2秒時間段內低於閾值幅度，處理器316可確 定物體在監視區域334內移動。
在備選方案中，接收信號338的第一邊帶幅度峰值變化20%可能 表示移動物體。處理器316可以通過評估接收信號338 —段時間以識 別接收信號338中的邊帶幅度、頻率或能量變化，從而進行此確定。 此外，在上述使用兩個或更多收發信機定義單個監視區域334的實施 例中，可以分析兩個或更多接收信號338。在這樣的實施例中，可以 通過分析兩個或更多調製信號330的兩個或更多特性340來指示移動。
如果處理器316確定障礙或物體在監視區域334中移動或運動， 處理器316在框540會^r查定時器。如果定時器在框540已過期，處
理器316在框542中發起警報動作。但是，如果定時器在框540尚未 過期，系統在框528繼續分析4妾收信號338。如果在框538確定物體 未在監視區域334中移動，系統在框528繼續分析接收信號338以確 定調製特性。此過程會繼續，直至定時器過期。
圖6說明用於單軌交叉的示範鐵路道口檢測器系統，指示了收發 信機302、調製反射器308和結果監視區域334的布局的一個實施例。 單軌602由道口柵門604A和604B以及柵門606A和606B封閉。第一 收發信機608發送第一發送信號332A(未示出)至第一調製反射器610 並且調製反射器610反射第一調製信號330A(未示出)至第一收發信機 608,由此定義第一監^f見區域612。第二收發信機614發送第二發送信 號332B(未示出)至第二調製反射器616並且第二調製反射器616反射 第二調製信號330B至第二收發信機614,由此定義第二監視區域618。 在此單軌鐵路道口中，系統定義的監視區域334是監視區域612和618。
圖7說明用於雙軌交叉的示範鐵路道口檢測器系統，指示了收發 信機302、調製反射器308和相關監視區域334的布局的一個實施例。 軌道702和704受柵門706A和706B以及柵門708A和708B保護。第 一收發信機710發送第一微波束714至調製反射器712。第一監視區 域334由束714定義。第二收發信機716發送第二微波束720至調製 反射器718。第二監視區域334由束720定義。在此雙軌鐵路道口中， 系統定義的監視區域334是由714和720定義的區域。
圖8說明用於雙軌交叉的示範鐵路道口檢測器系統，指示了收發 信機302、調製反射器308、無源反射器310和監^L區域334的布局的 一個實施例。軌道802和804受柵門806A和806B以及柵門808A和 808B保護。第一收發信機810發送第一微波束816由無源反射器812 接收。無源反射器812反射接收束816至調製反射器814，由此創建 第二束818。第一收發信機的結果監視區域是由束816和818定義的 區域。第二收發信機820發送第三微波束828至無源反射器822。無 源反射器822反射接收束828至調製反射器824，由此創建第四束826。第二收發信機的結果監視區域是由束828和826定義的區域。
圖9說明用於三軌交叉的示範鐵路道口檢測器系統，指示了收發 信機302、調製反射器308和監視區域334的布局的一個實施例。軌 道902 、904和906受柵門卯8A和908B以及柵門910A和910B保護。 第一收發信機912發送三個微波束。收發信機912的第一束916發送 至第一調製反射器914。第一收發信機912的第二束920發送至笫二 調製反射器918。第一收發信機912的第三束924發送至第三調製反 射器922。這樣，第一收發信機912的監視區域334是由束916、 920 和924定義的區域。第二收發信機926以類似方式發送三個微波束。 收發信機930的第一束926發送至第一調製反射器928。第二收發信 機926的第二束934發送至第二調製反射器932。第二收發信機926 的第三束938發送至第三調製反射器936。這樣，第二收發信機926 的監視區域334是由束930、 934和938定義的區域。
在圖9所示的實施例中，收發信機912和926分別發送一個以上 的發送信號332,每個發送信號332送往單獨的調製反射器308。每個 調製反射器308配置為通過引入p舉一特性340唯一地調製發送信號332 以基於由每個調製反射器308接收的接收發送信號332而生成相關的 唯一調製信號330。接收器302B從一個或多個調製反射器308接收發 送信號。接收器302B、前置放大器312、解調器314和處理器316配 置為如上所述識別每個唯一的調製信號330和特性340以確定每個接 收的調製信號330中的唯一特性340並且由此確定物體的存在與否。 這些中的每一個分別確定，以〗更分別確定是否已接收每個和各個特性 340的所需量，由此確定每個和各個監視區域916、 920、 924、 930、 934和938中是否存在障礙物。在此示範實施例中，系統和方法工作 以為特定配置和實施例檢測每個調製信號330中的每個和各個特性 340的量。在這樣的實施例中，為每個和各個單獨的調製信號執行圖5 中定義的方法和過程。
圖IO說明用於檢測禁區1001中的入侵的系統，例如由周界定義的區域。圖IO顯示收發信機、調製反射器和結果監^f見周界的布局的一
個示範實施例。第一收發信機1002發送第一發送信號(未示出)至第一 調製反射器1004並且調製反射器1004反射第 一調製信號(未示出)至第 一收發信機1002,由此定義第一監視周界區域1006。第二收發信機 1012發送第二發送信號(未示出)至第二調製反射器1014並且第二調 制反射器1014反射第二調製信號至第二收發信機1012,由此定義第 二監視周界區域1016。第三收發信機1022發送第三發送信號至第三 調製反射器1024並且調製反射器1024反射第三調製信號(未示出)至第 三收發信機1022,由此定義笫三監視周界區域1026。第四收發信機 1032發送第四發送信號(未示出)至第四調製反射器1034並且調製反射 器1034反射第四調製信號(未示出)至第四收發信機1032，由此定義第 四監視周界區域1036。應該理解，此布局可用於許多監視應用，其中 禁區可由周界定義，如在機場、海港、橋梁、隧道、工業地點、軍事 地點、住宅綜合體等情況下。應該理解，禁區不需要完全被封閉周界 限制。此外，圖10中所示的配置只是說明性的，因為禁區的形狀可以 是任何地理配置。而且收發信才幾、調製反射器和無源反射器的數量， 如有的話，將視任何指定應用的需要而有所不同。
在一個示範實施例中，微波入侵屏障，如圖10中所示的示範屏障 1106,可能具有指定的80米的長度並且可能與鄰近微波屏障重疊約 20米。應該理解，周界長度可以視任何指定應用如機場大小而有所不 同。例如，對於更大的機場，周界長度可以從數公裡延伸至更長長度。
道口應用(如鐵路道口、跑道道口、高速/>路道口等)與周界保護、 車輛地面移動控制和跑道侵入^呆護應用如機場、軍事基地等之間的差 異在於，在此類應用中，要檢測的目標可以是移動(如臨時的)目標， 如經過的入侵者、移進或移出監視區域的車輛或移進監視跑道區域的 飛機，而在鐵路道口中，問題是目標是否停留在道口。例如，在鐵路 道口應用中，檢測系統可以配置為僅在柵門關閉後打開微波屏障幾秒 種，如約10秒鐘，然後將信號水平，如信號幅度水平，與固定閾值檢
測水平進行對比。例如，可以選擇閾值檢測水平以確定"空區域"，比 如不設障區域對設障區域。通過對比，在周界應用中，檢測系統可以 配置為保持微波屏障連續打開，並且還可以使用可變閾值檢測水平配 置，以在周界應用中提供改進的入侵檢測。
圖11示意說明根據本發明一方面自動變化檢測閾值以檢測禁區
中的入侵的微波檢測系統1100。系統1100可包含用於圖3所示系統 300中的元件。例如，圖11的系統1100可包含微波發送器/接收器302 和調製反射器308。收發信機302提供接收信號338給前置放大器312, 前置放大器312提供經處理的信號給解調器314。解調器314提供解 調的接收信號338給處理器316,以進行信號分析。
發送信號332由發送器302A發送並且由一個或多個調製反射器 (MDR) 308接收。調製反射器308接收發送信號332並且引入特性以 創建調製信號330。調製信號330由調製反射器308發送或反射並且 由接收器302B接收。發送信號332和調製信號330定義監視區域334, 使得監視區域334中的障礙物檢測M送信號332或調製信號330的 擾亂的功能，如上文所述。例如，如果接收信號的邊帶的幅度峰值低 於預定義值或固定閾值，此狀況可能表示受保護周界中有入侵。
在一個示範實施例中，；險測系統1100的工作原理可如下所示調 制反射器308授予的調製造成調製信號中唯一可識別的特性。處理這 些特性允許檢測入侵者的存在(或不存在)。例如，相位調製可以創建 發送信號，如原本由收發信機302發送的信號中不存在的調製信號中 的邊帶。來自調製反射器308的調製信號由收發信機302中的解調器 接收和解調，並且經過處理以量化由調製反射器308引入(並且在監視 區域內有入侵者時進一步受影響)的此類特性。此量化，如測量一個或 多個特性的峰值幅度水平，允許檢測監視區域內入侵者的存在(或不存 在)。例如，如果接收信號的邊帶具有超過預定義值的幅度峰值或能量 水平，處理器316可以確定監視區域內不存在入侵者，而如果幅度峰 值或能量水平低於預定義值，則處理器316可以確定監視區域內存在 入侵者。
在本發明的一個方面，系統1100還包^^耦合到處理器316的閾值 調整單元344，用於例如響應系統1100的增益變化自動調整檢測閾值。 此可變閾值可用於對相對更快的信號變化，如入侵者移入監視周界， 實現更高靈敏度的微波屏障。相對更快的信號變化可能包括相對典型 較慢發生的信號變化發生得更快的信號變化，例如可由於環境狀況變 化或由於監視周界植物生長等發生的變化。在一個實例中，可變閾值 可基於在對微波屏障信號應用"平滑"算法(如低通濾波器)，並且減去補 償接收信號中的慢信號變化以生成可變閾值時獲得的接收信號幅度水 平。例如，在屏障信號水平低於此可變閾值(和/或低於固定閾值)時， 檢測系統可配置為生成"入侵警才艮"消息，指示哪個屏障檢測到入侵。 這可用於打開振鈴器和/或適當定位的攝像機(如作為機場視頻監視系 統的一部分)。這樣，可以顯示入侵圖像。此信息還可用於在機場地圖 上顯示入侵位置，指示哪個微波屏障檢測到入侵。因此，檢測系統1100 可配置為與不同設備(如視覺監禍L設備)交互作用，以便在觸發初始警 報時注意指定周界部分。
系統增益通常是指構成系統1100的電子鏈的幅度增益。在周界應 用中，—由於植被(如草)生長、溫度變化、傳感器外罩正面積水等因素， 可能會出現系統增益漂移。對於由積水造成的增益變化，可以提供允 許從包含天線304、 306的傳感器外罩的正面調整天線距離的水校準裝 置。已經發現，如果天線，如天線304和/或336，置於距傳感器外罩 正面的適當距離，此表面上積水的影響變得可以忽略。例如，通過在 變化天線距正面的距離時測量信號電平，相對正面放置天線以最大化 信號電平，然後向傳感器正面的方向移動天線直至測量到信號水平的 預定降低，如低於最大信號水平約10%,可以確定此距離。在使用特 定載波頻率，如10GHz範圍內的載波頻率時，大氣條件如雨或霧對系 統增益的影響可以忽略。
周界系統1100的入侵通常導致特定量的載波信號電平減小。相反
地，系統1100的增益增大導致屏障信號電平增大，從而在檢測閾值固
定為預定值時可能導致系統1100檢測入侵的靈敏度減小。例如，入侵
造成的屏障信號電平減小可能導致信號電平低於預定義的固定閾值， 但是在系統增益增大時可能不會導致信號電平下降到低於預定義的固 定閾值，也許會導致未能檢測到入侵者。追蹤系統增益變化的可變閾
值更能抵抗增大的增益影響。在圖12所示的示範實施例中，可變閾值 1200可以變化以使得屏障信號電平1202和可變閾值1200之間的所需 差值1206保持響應系統增益。例如，可變閾值1200可響應增益增大 水平1208從虛線1204所示的之前水平上升，並且響應增益減小水平 1210下降以保持信號電平和檢測閾值之間的所需差值1206。在圖13 所示的另 一實施例中，可變閾值1300可用於從已經增大或減小的信號 電平1302分別減去或加上，以保持信號電平1302和固定檢測閾值1306 之間的所需差值1304。
回到圖11，測試調製器342可用於測試系統1100的電子增益。 在一個實施例中，測試調製器342可在檢測系統1100的正常工作模式 中定期使用。測試調製器342對檢測可能影響系統檢測能力的增益漂 移很有幫助。如上所述，增益值增大會導致系統檢測靈敏度增小。在 一個實施例中，測試調製器342可配置為將參考信號343注入系統 1100，如注入接收器302B。處理器316使用參考信號343在解調器輸 出的電平來測量系統IIOO的電子增益。處理器316可為閾值調整單元 344提供表明系統1100的測量增益的增益測量信號346。根據增益測 量信號346,閾值調整單元344可以調整可變閾值以補償系統1100的 增益變化。閾值調製單元344可為處理器316提供調整的可變閾值信 號以用於根據經由解調器314接收的信號電平而識別入侵。例如，處 理器316可以對比接收的信號電平和可變閾值，以確定信號電平是否 低於可變閾值，或者可以按變量閾值修改信號電平，然後對比修改的 信號和固定閾值以確定修改的信號電平是否低於固定檢觀'j閾值，即表 示入侵。
本領域的技術人員知道，本文中所示和所述的方法執行或進行順 序不是必須的，除非另有說明。也就是說，預期方法的方面或步驟可 以用任何順序執行，除非另有i兌明，所述方法可包括比本文中公開的 更多、更少或替代方面或步驟。
在不背離本發明範圍的情況下，可以對上述示範結構和方法進行 各種更改，上述說明中包含或附圖中顯示的所有內容應視為說明性而 不是限制性的。例如，所述系統和方法可用於監視機場跑道以追蹤和/ 或識別移入和移出跑道監視地l殳的飛機或其它車輛，從而幫助防止因 飛機或其它車輛闖入監視地段而造成事故。在另一示範實施例中，系 統可用於追蹤進入或離開監視區域的車輛的移動。
在介紹本發明或其優選實施例的元件時，定語"一個"、"該"和"所 述"用於表示一個或多個元件。術語"包含"、"包括，，和"具有"是包含性 的，並且表示除了列出的元件可能還有其它元件。
權利要求
1.一種微波檢測系統，包括發送器，配置為沿路徑發送信號以檢測到監視區域的入侵者；調製反射器，配置為接收所述發送信號以生成具有由所述調製反射器引入的特性的調製信號，所述調製反射器配置為發送所述調製信號；接收器，被定位以接收所述調製信號；自適應閾值調整單元，配置為用於響應所述系統增益變化而提供可變檢測閾值；以及處理器，配置為用於處理由所述接收器提供的所述調製信號，並且配置為用於相應於由所述自適應閾值調整單元提供的所述可變檢測閾值而測量已處理的調製信號中的特性。
2. 如權利要求l所述的系統，還包含測試調製器，配置為用於將 測試信號注入所述接收器以允許確定所述系統增益。
3. 如權利要求2所述的系統，其中所述處理器還配置為用於測量 所述測試信號以確定所述系統增益。
4. 如權利要求3所述的系統，其中所述處理器還配置為用於為所 述自適應閾值調整單元提供指示所述系統增益的增益測量信號。
5. 如權利要求4所述的系統，其中所述自適應閾值調整單元還配 置為用於為所述處理器提供閾值調整信號，以指示所述可變檢測閾值。
6. 如權利要求5所述的系統，其中所述處理器還配置為用於在所 述系統增益減小時從所接收的調製信號中減去所述可變檢測閾值。
7. 如權利要求5所述的系統，其中所述處理器還配置為用於在所 述系統增益增大時從所接收的調製信號加上所述可變檢測閾值。
8. 如權利要求l所述的系統，其中所述自適應閾值調整單元還配 置為用於在所述系統增益增大時增大所述可變檢測閾值。
9. 如權利要求l所述的系統，其中所述自適應閾值調整單元還配置為用於在所迷系統增益減小時減小所述可變檢測閾值。
10. 如權利要求1所述的系統，其中所述監視區域是禁區，並且 所述系統配置為用於自動檢測所述禁區中的入侵。
11. 如權利要求1所述的系統，其中所述監視區域是機場跑道， 並且所述系統配置為用於自動4企測所述跑道中的物體4曼入。
12. 如權利要求1所述的系統，其中所述系統配置為用於在一個 或多個監視區域中自動追蹤物體的地面移動。
13. —種自動檢測監視區域中的入侵的方法，所述方法包括 沿路徑發送微波信號以檢測到禁區的入侵者； 在調製反射器處接收所述微波信號；調製由所述調製反射器4^收的信號，以生成具有特性的調製信號。 發送所述調製信號以由接收器接收； 響應於所述系統的增益而調整檢測閾值；以及 處理所述接收的調製信號，以相應於所述檢測閾值來測量接收的 調製信號中的特性。
14. 如權利要求13所述的方法，還包括確定所述系統的增益。
15. 如權利要求14所述的方法，其中在所確定的增益指示相比之 前確定的增益有增益增大時，增大所述^r測閾值。
16. 如權利要求14所述的方法，其中在確定的增益指示相比之前 確定的增益有增益減小時，減小檢測閾值。
17. 如權利要求14所述的方法，其中響應於所確定的增益而調整 檢測閾值包括相應於所述系統增益增大而從所接收的調製信號中減去 信號電平量。
18. 如權利要求14所述的方法，其中響應於所確定的增益而調整 檢測閾值包括相應於所述系統增益減小而向所接收的調製信號加上信 號電平量。
19. 如權利要求13所述的方法，還包括作為相應於所述檢測水平閾值的所測量特性的功能而發起動作。
20. 如權利要求19所述的方法，其中所述動作包括生成入侵警報, 所述入侵警報指示已檢測到所迷監視區域中的入侵。
21. 如權利要求13所述的方法，其中所述監視區域是禁區。
22. 如權劉要求13所述的方法，其中所述監視區域是機場跑道， 所述方法還包括自動檢測所述跑道中的物體侵入。
23. 如權利要求13所述的方法，還包括響應於所述物體進入或離 開所述監視區域的檢測而在一個或多個監視區域中自動追蹤物體的地 面移動。
全文摘要
一種微波檢測系統，包含發送器，配置為沿路徑發送信號以檢測受監控區域的入侵者；以及調製反射器，配置為接收發送的信號以生成具有由該調製反射器引入的特性的調製信號，調製反射器配置為發送所述調製信號。所述系統還包含定位以接收調製信號的接收器以及配置為用於提供可變檢測閾值以響應系統增益變化的自適應閾值調整單元。所述系統還包含處理器，配置為用於處理由接收器提供的調製信號，並且配置用於根據由自適應閾值調整單元提供的可變檢測閾值來測量已處理調製信號中的特性。
文檔編號G01S7/292GK101346640SQ200680048671
公開日2009年1月14日 申請日期2006年12月18日 優先權日2005年12月23日
發明者M·M·扎德, M·皮拉利, P·託拉薩 申請人:通用電氣公司