石油化工毫米波雷達(dá)技術(shù)研究

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摘要：本文介紹一種基于毫米波雷達(dá)感知技術(shù)的安防入侵報警系統(tǒng)，利用毫米波雷達(dá)全天候、高精度、高靈敏度的優(yōu)勢，通過線性調(diào)頻連續(xù)波體制和單脈沖技術(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)了石化安防場景下對入侵目標(biāo)的檢測、定位和跟蹤。本文首先闡述了毫米波安防雷達(dá)的測距測速測角的基本原理，然后根據(jù)石油化工安防特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)和信號處理算法設(shè)計，給出了具體的硬件實(shí)現(xiàn)方案，并介紹了安防雷達(dá)在現(xiàn)場應(yīng)用的監(jiān)測方案，通過現(xiàn)場試驗對其監(jiān)測功能和性能進(jìn)行了驗證。

關(guān)鍵詞：入侵監(jiān)測；毫米波雷達(dá)；石油化工安防；現(xiàn)場監(jiān)測應(yīng)用

入侵監(jiān)測是石化安防中極其關(guān)鍵的基礎(chǔ)性需求。技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)入侵監(jiān)測一般是在防護(hù)區(qū)域的邊界上安裝入侵探測器，當(dāng)有入侵發(fā)生時，探測器檢測識別后發(fā)出報警信號，震懾入侵者的同時，通知安保人員及時處理。本文設(shè)計了一種新型的安防監(jiān)測技術(shù)——毫米波安防雷達(dá)。該技術(shù)采用先進(jìn)的相參預(yù)警雷達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測區(qū)內(nèi)空間的立體覆蓋，具有體積小、重量輕、安裝方便、可靠性高以及距離盲區(qū)小、無速度盲點(diǎn)、高距離分辨力、良好的抗干擾性能等優(yōu)點(diǎn)。與其他類型的安防產(chǎn)品相比，安防雷達(dá)提供的是一個具有一定高度和厚度的連續(xù)的毫米波雷達(dá)波束，沒有鉆越和跳越的可能。與線纜型系統(tǒng)相比，安防雷達(dá)不僅能對侵入目標(biāo)進(jìn)行定位，而且可以獲取監(jiān)控場景內(nèi)移動物體的速度、方向、距離、角度信息，24小時無間隙監(jiān)控。與高速球型攝像機(jī)配合，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤，不僅可以立即定位入侵點(diǎn)位，而且能夠獲得圖像信息，便于安保人員做出快速響應(yīng)。

1安防雷達(dá)原理

安防雷達(dá)通過發(fā)射一束經(jīng)過調(diào)制的電磁波信號，電磁波遇到目標(biāo)后返回，目標(biāo)回波經(jīng)過信號處理后可以得到目標(biāo)位置速度等信息。由于安防雷達(dá)主要對近距離的人、車等小目標(biāo)進(jìn)行探測，因此其主要采用毫米波(MillimeterWave,MMW)頻段的電磁波信號和調(diào)頻連續(xù)波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)體制，其能夠以較小的天線尺寸來對目標(biāo)進(jìn)行高精度的測量。目前主流應(yīng)用于安防的毫米波雷達(dá)使用24GHz頻段。而基于FMCW體制，安防雷達(dá)通過將發(fā)射機(jī)耦合過來的信號在接收機(jī)中與回波信號混頻產(chǎn)生差頻信號，通過后續(xù)電路對差頻信號進(jìn)行放大濾波，以及數(shù)字信號處理方式進(jìn)行信號解調(diào)，從而得到目標(biāo)的方位、距離和速度信息，具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

2安防雷達(dá)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)設(shè)計。安防雷達(dá)需要及時準(zhǔn)確的對監(jiān)控場景中入侵目標(biāo)檢測，定位以及跟蹤。結(jié)合石化基地場站的安防需求和對象。安防雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)（表1）。2.2信號處理算法。2.2.1距離維。加窗由于在后面的距離維FFT處理中，輸出為具有高副瓣的辛克函數(shù)，使得容易產(chǎn)生虛警和干擾影響到目標(biāo)檢測，因此需要采用加窗技術(shù)抑制旁瓣。但加窗會引起主瓣展寬和信噪比降低，因此需要對窗函數(shù)進(jìn)行設(shè)計?？紤]到安防雷達(dá)以檢測入侵目標(biāo)為首要需求，而對于目標(biāo)位置和虛警概率要求次之，因此需選用信噪比損失小的窗函數(shù)。再綜合實(shí)現(xiàn)難度，選用海明窗作為距離維加窗函數(shù)。2.2.2雜波去除。MTI安防雷達(dá)主要對地面上的運(yùn)動物體進(jìn)行探測，其背景中的地物雜波會嚴(yán)重干擾雷達(dá)正常的安防工作，因此需要利用目標(biāo)和雜波間的速度差異，通過濾波來抑制雜波信號。由于地雜波頻譜集中于直流，在連續(xù)波雷達(dá)中可通過忽略直流來避免雜波。但由于安防場景中可能存在慢速弱小目標(biāo)，簡單的直流去除會使得這類目標(biāo)檢測性能下降嚴(yán)重，因此需采用MTI濾波器來實(shí)現(xiàn)雜波去除。平衡雜波去除性能和實(shí)現(xiàn)難度，安防雷達(dá)采用雙延遲線對消濾波器，這種濾波器具有較深的直流凹口和平坦的通帶響應(yīng)，且僅需對每個采樣點(diǎn)執(zhí)行兩次減法操作即可實(shí)現(xiàn)。2.2.3CFAR檢測。盡管通過MTI濾波器可以濾除大部分的地物雜波，但考慮到石化基地主要設(shè)置在風(fēng)沙雨雪較大的野外，因此需要采用恒虛警率（ConstantFalseAlarmRate,CFAR）技術(shù)進(jìn)行處理[6]?；镜腃FAR過程是將檢測單元信號與噪聲干擾信號比較，通過門限判決是否存在目標(biāo)。CFAR中的一個主要難點(diǎn)在于對噪聲干擾信號功率進(jìn)行估計，通常采用對與檢測單元相鄰的一組參考單元采樣值求平均來進(jìn)行估計，也稱單元平均CFAR?？紤]到安防雷達(dá)往往用來監(jiān)控防護(hù)圍墻附近的入侵目標(biāo)，其背景雜波呈邊緣特性，因此需采用GO(greatestof)CA-CFAR方法進(jìn)行處理，以解決雜波邊緣虛警率增大的問題。2.3硬件實(shí)現(xiàn)。安防雷達(dá)由射頻前端模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)字信號處理模塊組成，下面對安防雷達(dá)各組成部分的軟硬件設(shè)計分別進(jìn)行介紹。2.3.1射頻前端模塊。射頻前端集成了雷達(dá)發(fā)射和接收天線、信號通道、壓控振蕩器(VCO)、低噪放大器(LNA)、混頻器和中頻放大器等。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)需求，射頻前端選用英飛凌公司的24G雷達(dá)收發(fā)前端芯片BGT24MTR12，其包含1發(fā)2收的信號路徑、全集成低相噪VCO，發(fā)射功率最大可達(dá)15dBm。2.3.2信號調(diào)理模塊信號調(diào)理模塊主要功能完成射頻前端模塊的功能設(shè)置及中頻信號的調(diào)理，可實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)發(fā)射功率，發(fā)射帶寬，調(diào)制波形的產(chǎn)生、接收中頻增益的控制以及模數(shù)轉(zhuǎn)換。中頻信號預(yù)處理電路主要實(shí)現(xiàn)泄露調(diào)制信號頻率的抑制、高頻噪聲的濾除、信號放大、AD轉(zhuǎn)換等功能。2.3.3信號處理模塊為實(shí)現(xiàn)2.2節(jié)中所述的信號處理算法，安防雷達(dá)采取FPGA+DSP的硬件方案，F(xiàn)PGA接收到模數(shù)轉(zhuǎn)換后的回波數(shù)據(jù)后執(zhí)行加窗，MTI，F(xiàn)FT等操作。DSP通過EMIF接口讀取處理后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行CFAR檢測，單脈沖測角以及目標(biāo)跟蹤。

3安防雷達(dá)現(xiàn)場應(yīng)用

本節(jié)介紹安防雷達(dá)在實(shí)際監(jiān)測應(yīng)用中的方案設(shè)計和試驗情況?，F(xiàn)場測試位于陜西省天然氣股份有限公司西安分公司未央站，其場站所處位置為城區(qū)，旁邊單位密集緊鄰，場站周界長寬在100米以內(nèi)，周界類型為圍墻，圍墻上安裝有防翻越金屬刺網(wǎng)。3.1監(jiān)測方案設(shè)計。整個方案包括監(jiān)測預(yù)警前端、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控報警管理中心三個環(huán)節(jié)，其中監(jiān)測預(yù)警前端包括每個防區(qū)安裝的雷達(dá)探測系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，雷達(dá)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)通過交換機(jī)傳輸?shù)奖O(jiān)控報警管理中的服務(wù)器，通過聯(lián)動協(xié)議實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動和報警展示。3.2試驗情況。在安防系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，進(jìn)行了入侵檢測試驗。試驗內(nèi)容包括以不同路徑、不同速度靠近圍墻、在圍墻內(nèi)側(cè)和外側(cè)行走、模擬翻越圍墻等內(nèi)容。測試結(jié)果表明，雷達(dá)可以對水平90度范圍內(nèi)的入侵者進(jìn)行有效檢測，并實(shí)時顯示入侵目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，檢測距離最遠(yuǎn)可達(dá)100m；目標(biāo)進(jìn)入警戒區(qū)域時，或翻越圍墻時，系統(tǒng)報警，并聯(lián)動高速球機(jī)，實(shí)施跟蹤和顯示入侵目標(biāo)。經(jīng)過近一個月的測試，系統(tǒng)報警準(zhǔn)確，不受風(fēng)雨等天氣影響，抗干擾能力強(qiáng)。

4結(jié)論

本文首先講述了安防雷達(dá)的工作原理，并介紹了一種基于調(diào)頻連續(xù)波的毫米波安防雷達(dá)系統(tǒng)及軟件的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方案，可以對入侵目標(biāo)的距離、方位和速度進(jìn)行測量，對目標(biāo)的這些運(yùn)動參量進(jìn)行綜合分析，提高了雷達(dá)的報警準(zhǔn)確率；最后詳細(xì)介紹了該雷達(dá)在場區(qū)的現(xiàn)場應(yīng)用情況，現(xiàn)場試驗表明，該毫米波安防雷達(dá)具有全天候工作、不易受天氣等因素影響、誤報低、對入侵目標(biāo)的檢測準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，適合各類周界和區(qū)域的安防監(jiān)測應(yīng)用。

作者:孟鑫偉 梁曉龍 李斌 豐秦 韓玉杰 單位:陜西省天然氣股份有限公司