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        石油化工毫米波雷达技术研究

        摘要:本文介绍一种基于毫米波雷达感知技术的安防入侵报警系统,利用毫米波雷达全天候、高精度、高灵敏度的优势,通过线性调频连续波体制和单脉冲技术,有效地实现了石化安防场景下对入侵目标的检测、定位和跟踪。本文首先阐述了毫米波安防雷达的测距测速测角的基本原理,然后根据石油化工安防特点进行了系统参数和信号处理算法设计,给出了具体的硬件实现方案,并介绍了安防雷达在现场应用的监测方案,通过现场试验对其监测功能和性能进行了验证。

        关键词:入侵监测;毫米波雷达;石油化工安防;现场监测应用

        入侵监测是石化安防中极其关键的基础性需求。技术手段实现入侵监测一般是在防护区域的边界上安装入侵探测器,当有入侵发生时,探测器检测识别后发出报警信号,震慑入侵者的同时,通知安保人员及时处理。本文设计了一种新型的安防监测技术――毫米波安防雷达。该技术采用先进的相参预警雷达技术,实现了对监测区内空间的立体覆盖,具有体积小、重量轻、安装方便、可靠性高以及距离盲区小、无速度盲点、高距离分辨力、良好的抗干扰性能等优点。与其他类型的安防产品相比,安防雷达提供的是一个具有一定高度和厚度的连续的毫米波雷达波束,没有钻越和跳越的可能。与线缆型系统相比,安防雷达不仅能对侵入目标进行定位,而且可以获取监控场景内移动物体的速度、方向、距离、角度信息,24小时无间隙监控。与高速球型摄像机配合,可以实现目标跟踪,不仅可以立即定位入侵点位,而且能够获得图像信息,便于安保人员做出快速响应。

        1安防雷达原理

        安防雷达通过发射一束经过调制的电磁波信号,电磁波遇到目标后返回,目标回波经过信号处理后可以得到目标位置速度等信息。由于安防雷达主要对近距离的人、车等小目标进行探测,因此其主要采用毫米波(MillimeterWave,MMW)频段的电磁波信号和调频连续波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)体制,其能够以较小的天线尺寸来对目标进行高精度的测量。目前主流应用于安防的毫米波雷达使用24GHz频段。而基于FMCW体制,安防雷达通过将发射机耦合过来的信号在接收机中与回波信号混频产生差频信号,通过后续电路对差频信号进行放大滤波,以及数字信号处理方式进行信号解调,从而得到目标的方位、距离和速度信息,具有结构简单,性能稳定可靠,成本较低的优点。

        2安防雷达的设计与实现

        2.1系统设计。安防雷达需要及时准确的对监控场景中入侵目标检测,定位以及跟踪。结合石化基地场站的安防需求和对象。安防雷达系统参数(表1)。2.2信号处理算法。2.2.1距离维。加窗由于在后面的距离维FFT处理中,输出为具有高副瓣的辛克函数,使得容易产生虚警和干扰影响到目标检测,因此需要采用加窗技术抑制旁瓣。但加窗会引起主瓣展宽和信噪比降低,因此需要对窗函数进行设计。考虑到安防雷达以检测入侵目标为首要需求,而对于目标位置和虚警概率要求次之,因此需选用信噪比损失小的窗函数。再综合实现难度,选用海明窗作为距离维加窗函数。2.2.2杂波去除。MTI安防雷达主要对地面上的运动物体进行探测,其背景中的地物杂波会严重干扰雷达正常的安防工作,因此需要利用目标和杂波间的速度差异,通过滤波来抑制杂波信号。由于地杂波频谱集中于直流,在连续波雷达中可通过忽略直流来避免杂波。但由于安防场景中可能存在慢速弱小目标,简单的直流去除会使得这类目标检测性能下降严重,因此需采用MTI滤波器来实现杂波去除。平衡杂波去除性能和实现难度,安防雷达采用双延迟线对消滤波器,这种滤波器具有较深的直流凹口和平坦的通带响应,且仅需对每个采样点执行两次减法操作即可实现。2.2.3CFAR检测。尽管通过MTI滤波器可以滤除大部分的地物杂波,但考虑到石化基地主要设置在风沙雨雪较大的野外,因此需要采用恒虚警率(ConstantFalseAlarmRate,CFAR)技术进行处理[6]。基本的CFAR过程是将检测单元信号与噪声干扰信号比较,通过门限判决是否存在目标。CFAR中的一个主要难点在于对噪声干扰信号功率进行估计,通常采用对与检测单元相邻的一组参考单元采样值求平均来进行估计,也称单元平均CFAR。考虑到安防雷达往往用来监控防护围墙附近的入侵目标,其背景杂波呈边缘特性,因此需采用GO(greatestof)CA-CFAR方法进行处理,以解决杂波边缘虚警率增大的问题。2.3硬件实现。安防雷达由射频前端模块、信号调理模块、数字信号处理模块组成,下面对安防雷达各组成部分的软硬件设计分别进行介绍。2.3.1射频前端模块。射频前端集成了雷达发射和接收天线、信号通道、压控振荡器(VCO)、低噪放大器(LNA)、混频器和中频放大器等。根据系统参数需求,射频前端选用英飞凌公司的24G雷达收发前端芯片BGT24MTR12,其包含1发2收的信号路径、全集成低相噪VCO,发射功率最大可达15dBm。2.3.2信号调理模块信号调理模块主要功能完成射频前端模块的功能设置及中频信号的调理,可实现对雷达发射功率,发射带宽,调制波形的产生、接收中频增益的控制以及模数转换。中频信号预处理电路主要实现泄露调制信号频率的抑制、高频噪声的滤除、信号放大、AD转换等功能。2.3.3信号处理模块为实现2.2节中所述的信号处理算法,安防雷达采取FPGA+DSP的硬件方案,FPGA接收到模数转换后的回波数据后执行加窗,MTI,FFT等操作。DSP通过EMIF接口读取处理后的数据再进行CFAR检测,单脉冲测角以及目标跟踪。

        3安防雷达现场应用

        本节介绍安防雷达在实际监测应用中的方案设计和试验情况。现场测试位于陕西省天然气股份有限公司西安分公司未央站,其场站所处位置为城区,旁边单位密集紧邻,场站周界长宽在100米以内,周界类型为围墙,围墙上安装有防翻越金属刺网。3.1监测方案设计。整个方案包括监测预警前端、数据传输、监控报警管理中心三个环节,其中监测预警前端包括每个防区安装的雷达探测系统及视频监控系统,雷达和视频监控数据通过交换机传输到监控报警管理中的服务器,通过联动协议实现雷达和视频监控系统的联动和报警展示。3.2试验情况。在安防系统安装调试完成后,进行了入侵检测试验。试验内容包括以不同路径、不同速度靠近围墙、在围墙内侧和外侧行走、模拟翻越围墙等内容。测试结果表明,雷达可以对水平90度范围内的入侵者进行有效检测,并实时显示入侵目标的运动轨迹,检测距离最远可达100m;目标进入警戒区域时,或翻越围墙时,系统报警,并联动高速球机,实施跟踪和显示入侵目标。经过近一个月的测试,系统报警准确,不受风雨等天气影响,抗干扰能力强。

        4结论

        本文首先讲述了安防雷达的工作原理,并介绍了一种基于调频连续波的毫米波安防雷达系统及软件的设计和实现方案,可以对入侵目标的距离、方位和速度进行测量,对目标的这些运动参量进行综合分析,提高了雷达的报警准确率;最后详细介绍了该雷达在场区的现场应用情况,现场试验表明,该毫米波安防雷达具有全天候工作、不易受天气等因素影响、误报低、对入侵目标的检测准确率高等优点,适合各类周界和区域的安防监测应用。

        作者:孟鑫伟 梁晓龙 李斌 丰秦 韩玉杰 单位:陕西省天然气股份有限公司

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