一種微波柵欄雷達裝置與目標檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及雷達檢測領域，具體涉及一種微波柵欄雷達裝置與目標檢測方法。
【背景技術】
[0002] 周界檢測是指重要設施與外界環境相連時，加上了一道隔離措施，來阻擋一切未 被允許的人、動物的闖入。隨著社會的發展，人們對全天候、全天時周界檢測的需求日益強 烈，使得微波柵欄雷達應運而生，廣泛應用于反恐、島礁防衛、機場監視等諸多場合。
[0003] 由于FMCW雷達在周界檢測領域相對于脈沖雷達的優勢[ButlerW. Benef its ofwide area intrusion detection system usingFMCWradar]，現有微波概欄雷達多米用 FMCW信號體制。羅馬大學的Caruso M等人于2013年研制了一部X波段的FMCW機場監視 雷達[Caruso M. AnX-band FMCWradar for airports' perimeter surveillance]，該雷達米 用自差拍接收機結構，運用二維FFT算法實現了對機場周界入侵目標的檢測。
[0004] 附圖1給出了 FMCW雷達自差拍系統結構原理框圖。發射信號通過耦合器耦合后 得到兩路輸出，一路在環形器的控制下經由天線發射出去；另一路作為本振信號與回波信 號混頻，將混頻后的信號經過濾波放大后進行A/D轉換，繼而進行后續的信號處理工作。
[0005] 分析可知，現有技術在FMCW信號體制下，采用二維FFT算法，通過選擇較小的調頻 周期T以覆蓋更大的速度范圍。然而，對于遠距離周界入侵目標，回波延時與調頻周期如附 圖2所示可以比擬，使得回波信號與本振信號混頻時，由于在時間軸上錯開引起中頻信號 功率的損失；并且，現有技術在單通道結構下無法區分目標運動的方向，從而對遠離目標造 成虛警，降低了系統的檢測性能。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種微波柵欄雷達裝置與目標檢測方法，解決目前對遠距 離快速入侵目標檢測時，存在信號功率損失以及無法區分目標運動方向，從而導致雷達系 統性能下降的問題。
[0007] 本發明為實現上述目的，采用以下技術方案實現：
[0008] -種微波柵欄雷達裝置，其特征在于：包括時鐘管理器、信號收發單元、數字信號 處理器、控制器以及報警信息輸出接口，所述時鐘管理器為信號收發單元、數字信號處理 器、控制器提供時鐘，所述信號收發單元用于產生發射信號和本振信號，并對信號進行處 理，經處理后的信號輸入到數字信號處理器，控制器讀取數字信號處理器處理后的結果，并 根據處理結果判斷是否指示報警信息輸出接口輸出報警信息。
[0009] 進一步地，作為優選方案，所述信號收發單元包括發射部分和接收部分，所述發射 部分包括發射信號產生器和發射天線，發射信號產生器用于產生發射信號，并通過發射天 線將發射信號發射出去；所述接收部分包括本振信號產生器、接收天線、低噪聲放大器、混 頻器、帶通濾波器、放大器以及A/D轉換器，接收天線用于接收回波信號，回波信號經低噪 聲放大器放大之后與本振信號產生器產生的本振信號在混頻器中進行混頻，混頻后的信號 輸入到帶通濾波器中進行濾波處理，濾波后的信號經放大器放大后輸入到A/D轉換器中進 行模數轉換，得到的數字信號輸入到數字信號處理器。
[0010] 進一步地，作為優選方案，所述發射信號產生器包括直接頻率合成器A、混頻器A 和帶通濾波器A，所述本振信號產生器包括直接頻率合成器B、混頻器B和帶通濾波器B，直 接頻率合成器A和直接頻率合成器B分別通過控制器發出的不同頻率控制字進行控制，直 接頻率合成器A和直接頻率合成器B由時鐘管理器提供時鐘；
[0011] 還包括高頻振蕩器，高頻振蕩器產生兩路高頻信號，一路高頻信號與直接頻率合 成器A產生的信號在混頻器A中進行混頻后，輸入到帶通濾波器A中，經帶通濾波器A濾波 后得到發射信號；另一路高頻信號與直接頻率合成器B產生的信號在混頻器B中進行混頻 后，輸入到帶通濾波器B中，經帶通濾波器B濾波后得到本振信號。
[0012] 進一步地，作為優選方案，所述發射信號產生器包括直接頻率合成器C和倍頻鎖 相環C，本振信號產生器包括直接頻率合成器D和倍頻鎖相環D，直接頻率合成器C和直接 頻率合成器D由時鐘管理器提供時鐘，且直接頻率合成器C和直接頻率合成器D分別通過 控制器發出的不同頻率控制字進行控制，直接頻率合成器C產生的信號經倍頻鎖相環C倍 頻后，得到發射信號；直接頻率合成器D產生的信號經倍頻鎖相環D倍頻后，得到本振信號。
[0013] -種基于上述微波柵欄雷達裝置的目標檢測方法，包括以下步驟：
[0014] (a)產生發射信號，接收回波信號，并相對于發射信號延時產生本振信號；
[0015] (b)本振信號與回波信號進行混頻，然后對混頻后的信號進行濾波處理；
[0016] (C)對濾波后的信號進行放大處理，然后進行模數轉換，得到數字中頻信號；
[0017] (d)對數字中頻信號依次進行數字下變頻處理、運動目標顯示處理、二維FFT處 理；
[0018] (e)將步驟（d)得到的處理結果與設定的門限值進行比較，判斷有無入侵目標。
[0019] 進一步地，作為優選方案，所述步驟（a)的具體過程為：
[0020] (al)發射信號產生：
[0021] 設LFMCW(線性調頻連續波）發射信號的載波起始頻率為f。，調頻帶寬為B，調頻 周期為T，以[0，T]的時間區間作為參考時間區間，記初始時刻發射信號的相位為0,則發射 信號在t時刻的表達式為：
[0C
[0023] 其中，A。為發射信號的幅度，u = B/T為發射信號的調頻斜率；
[0024] (a2)回波信號接收：
[0025] 對于第m個周期的運動目標回波信號（其中m = 0, 1，... M，M表示一個相參處理 間隔內的周期數），在[0，T]的參考時間區間內相對于發射信號而言表現在運動目標的初 始距離不同；記目標的徑向運動速度為V，其相對于雷達視線的初始距離為R〇,則在第m個 周期其回波信號延時T ni(t)可表示為：
[0027] 其中，c為光速，令τ。=
21?。八為目標的初始回波延時，k = 2v/c為多普勒系數， 則第m個周期其回波信號延時Tni (t)可進一步表示為：
[0028] im(t) = τ 0-kmT-kt, t e [0, T] (3)
[0029] 因此，在[0，Τ]的參考時間區間內，第m個周期的回波信號表示為：
[0031] 其中γ為回波信號相對于發射信號幅度的衰減系數；
[0032] (a3)本振信號產生：
[0033] 本振信號相對于發射信號而言在時間軸上有一個固定的延時，這里，將要求的最 遠周界檢測距離記為參考距離R raf，則對應的延時為τ = 2R raf/c ;同時，本振信號在頻率 軸上載波起始頻率高于或低于發射信號載波起始頻率一個固定的頻率，該頻率為帶通濾波 器的中心頻率，記為f IF;這里，以高本振為例，則本振信號可表示為：
[0035] 其中，A。為本振信號的幅度，同時A。也是發射信號的幅度。
[0036] 進一步地，作為優選方案，所述步驟（b)的具體過程為：
[0037] (bl)低噪聲放大器對接收到的回波信號進行K倍的放大；
[0038] (b2)將放大后的信號與本振信號一起輸入到混頻器中，采用高本振下混頻方式進 行混頻；
[0039] (b3)混頻后的信號經過帶通濾波，即可得到差拍后的中頻回波信號；考慮到實際 參數選擇時，u τ /〈f。，k〈〈l并且中頻回波信號是一個時間帶寬積遠小于1的線性調頻信 號，可以忽略調頻項帶來的影響，這樣，經過合理近似后，得到第m個周期的輸出差頻分量 表示為：
[0043] 進一步地，作為優選方案，所述步驟（c)的具體過程為：
[0044] (cl)放大器對帶通濾波器輸出的信號進行調理，記調理后的信號幅度為A1;
[0045] (c2)A/D轉換器對該調理后的信號以Ts的采樣間隔進行采樣，得到采樣后的中頻 回波數據矩陣存儲形式如下：
[0046]
[0047] 其中，m = 0, 1，.. .M表示發射了 M+1個信號周期；η = 0, 1，... N-I表示每個周期 采樣N個信號點數；數據矩陣S的慢時間維數為Μ+1，快時間維數為Ν。
[0048] 進一步地，作為優選方案，所述步驟（d)的具體過程為：
[0049] (dl)數字下變頻處理：將數字中頻信號搬移到基帶，A/D采樣后的中頻回波數據 分別與數字控制振蕩器NCO產生的I路與Q路本振信號進行混頻、濾波與降采樣處理，得到 期望的基帶復指數信號，以I支路為例，NCO產生的I路數字本振信號表示為：<