一种微波栅栏雷达装置与目标检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及雷达检测领域，具体涉及一种微波栅栏雷达装置与目标检测方法。
【背景技术】
[0002] 周界检测是指重要设施与外界环境相连时，加上了一道隔离措施，来阻挡一切未 被允许的人、动物的闯入。随着社会的发展，人们对全天候、全天时周界检测的需求日益强 烈，使得微波栅栏雷达应运而生，广泛应用于反恐、岛礁防卫、机场监视等诸多场合。
[0003] 由于FMCW雷达在周界检测领域相对于脉冲雷达的优势[ButlerW. Benef its ofwide area intrusion detection system usingFMCWradar]，现有微波概栏雷达多米用 FMCW信号体制。罗马大学的Caruso M等人于2013年研制了一部X波段的FMCW机场监视 雷达[Caruso M. AnX-band FMCWradar for airports' perimeter surveillance]，该雷达米 用自差拍接收机结构，运用二维FFT算法实现了对机场周界入侵目标的检测。
[0004] 附图1给出了 FMCW雷达自差拍系统结构原理框图。发射信号通过耦合器耦合后 得到两路输出，一路在环形器的控制下经由天线发射出去；另一路作为本振信号与回波信 号混频，将混频后的信号经过滤波放大后进行A/D转换，继而进行后续的信号处理工作。
[0005] 分析可知，现有技术在FMCW信号体制下，采用二维FFT算法，通过选择较小的调频 周期T以覆盖更大的速度范围。然而，对于远距离周界入侵目标，回波延时与调频周期如附 图2所示可以比拟，使得回波信号与本振信号混频时，由于在时间轴上错开引起中频信号 功率的损失；并且，现有技术在单通道结构下无法区分目标运动的方向，从而对远离目标造 成虚警，降低了系统的检测性能。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种微波栅栏雷达装置与目标检测方法，解决目前对远距 离快速入侵目标检测时，存在信号功率损失以及无法区分目标运动方向，从而导致雷达系 统性能下降的问题。
[0007] 本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：
[0008] -种微波栅栏雷达装置，其特征在于：包括时钟管理器、信号收发单元、数字信号 处理器、控制器以及报警信息输出接口，所述时钟管理器为信号收发单元、数字信号处理 器、控制器提供时钟，所述信号收发单元用于产生发射信号和本振信号，并对信号进行处 理，经处理后的信号输入到数字信号处理器，控制器读取数字信号处理器处理后的结果，并 根据处理结果判断是否指示报警信息输出接口输出报警信息。
[0009] 进一步地，作为优选方案，所述信号收发单元包括发射部分和接收部分，所述发射 部分包括发射信号产生器和发射天线，发射信号产生器用于产生发射信号，并通过发射天 线将发射信号发射出去；所述接收部分包括本振信号产生器、接收天线、低噪声放大器、混 频器、带通滤波器、放大器以及A/D转换器，接收天线用于接收回波信号，回波信号经低噪 声放大器放大之后与本振信号产生器产生的本振信号在混频器中进行混频，混频后的信号 输入到带通滤波器中进行滤波处理，滤波后的信号经放大器放大后输入到A/D转换器中进 行模数转换，得到的数字信号输入到数字信号处理器。
[0010] 进一步地，作为优选方案，所述发射信号产生器包括直接频率合成器A、混频器A 和带通滤波器A，所述本振信号产生器包括直接频率合成器B、混频器B和带通滤波器B，直 接频率合成器A和直接频率合成器B分别通过控制器发出的不同频率控制字进行控制，直 接频率合成器A和直接频率合成器B由时钟管理器提供时钟；
[0011] 还包括高频振荡器，高频振荡器产生两路高频信号，一路高频信号与直接频率合 成器A产生的信号在混频器A中进行混频后，输入到带通滤波器A中，经带通滤波器A滤波 后得到发射信号；另一路高频信号与直接频率合成器B产生的信号在混频器B中进行混频 后，输入到带通滤波器B中，经带通滤波器B滤波后得到本振信号。
[0012] 进一步地，作为优选方案，所述发射信号产生器包括直接频率合成器C和倍频锁 相环C，本振信号产生器包括直接频率合成器D和倍频锁相环D，直接频率合成器C和直接 频率合成器D由时钟管理器提供时钟，且直接频率合成器C和直接频率合成器D分别通过 控制器发出的不同频率控制字进行控制，直接频率合成器C产生的信号经倍频锁相环C倍 频后，得到发射信号；直接频率合成器D产生的信号经倍频锁相环D倍频后，得到本振信号。
[0013] -种基于上述微波栅栏雷达装置的目标检测方法，包括以下步骤：
[0014] (a)产生发射信号，接收回波信号，并相对于发射信号延时产生本振信号；
[0015] (b)本振信号与回波信号进行混频，然后对混频后的信号进行滤波处理；
[0016] (C)对滤波后的信号进行放大处理，然后进行模数转换，得到数字中频信号；
[0017] (d)对数字中频信号依次进行数字下变频处理、运动目标显示处理、二维FFT处 理；
[0018] (e)将步骤（d)得到的处理结果与设定的门限值进行比较，判断有无入侵目标。
[0019] 进一步地，作为优选方案，所述步骤（a)的具体过程为：
[0020] (al)发射信号产生：
[0021] 设LFMCW(线性调频连续波）发射信号的载波起始频率为f。，调频带宽为B，调频 周期为T，以[0，T]的时间区间作为参考时间区间，记初始时刻发射信号的相位为0,则发射 信号在t时刻的表达式为：
[0C
[0023] 其中，A。为发射信号的幅度，u = B/T为发射信号的调频斜率；
[0024] (a2)回波信号接收：
[0025] 对于第m个周期的运动目标回波信号（其中m = 0, 1，... M，M表示一个相参处理 间隔内的周期数），在[0，T]的参考时间区间内相对于发射信号而言表现在运动目标的初 始距离不同；记目标的径向运动速度为V，其相对于雷达视线的初始距离为R〇,则在第m个 周期其回波信号延时T ni(t)可表示为：
[0027] 其中，c为光速，令τ。=
21?。八为目标的初始回波延时，k = 2v/c为多普勒系数， 则第m个周期其回波信号延时Tni (t)可进一步表示为：
[0028] im(t) = τ 0-kmT-kt, t e [0, T] (3)
[0029] 因此，在[0，Τ]的参考时间区间内，第m个周期的回波信号表示为：
[0031] 其中γ为回波信号相对于发射信号幅度的衰减系数；
[0032] (a3)本振信号产生：
[0033] 本振信号相对于发射信号而言在时间轴上有一个固定的延时，这里，将要求的最 远周界检测距离记为参考距离R raf，则对应的延时为τ = 2R raf/c ;同时，本振信号在频率 轴上载波起始频率高于或低于发射信号载波起始频率一个固定的频率，该频率为带通滤波 器的中心频率，记为f IF;这里，以高本振为例，则本振信号可表示为：
[0035] 其中，A。为本振信号的幅度，同时A。也是发射信号的幅度。
[0036] 进一步地，作为优选方案，所述步骤（b)的具体过程为：
[0037] (bl)低噪声放大器对接收到的回波信号进行K倍的放大；
[0038] (b2)将放大后的信号与本振信号一起输入到混频器中，采用高本振下混频方式进 行混频；
[0039] (b3)混频后的信号经过带通滤波，即可得到差拍后的中频回波信号；考虑到实际 参数选择时，u τ /〈f。，k〈〈l并且中频回波信号是一个时间带宽积远小于1的线性调频信 号，可以忽略调频项带来的影响，这样，经过合理近似后，得到第m个周期的输出差频分量 表示为：
[0043] 进一步地，作为优选方案，所述步骤（c)的具体过程为：
[0044] (cl)放大器对带通滤波器输出的信号进行调理，记调理后的信号幅度为A1;
[0045] (c2)A/D转换器对该调理后的信号以Ts的采样间隔进行采样，得到采样后的中频 回波数据矩阵存储形式如下：
[0046]
[0047] 其中，m = 0, 1，.. .M表示发射了 M+1个信号周期；η = 0, 1，... N-I表示每个周期 采样N个信号点数；数据矩阵S的慢时间维数为Μ+1，快时间维数为Ν。
[0048] 进一步地，作为优选方案，所述步骤（d)的具体过程为：
[0049] (dl)数字下变频处理：将数字中频信号搬移到基带，A/D采样后的中频回波数据 分别与数字控制振荡器NCO产生的I路与Q路本振信号进行混频、滤波与降采样处理，得到 期望的基带复指数信号，以I支路为例，NCO产生的I路数字本振信号表示为：<