石油化工毫米波雷達技術(shù)研究

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摘要：本文介紹一種基于毫米波雷達感知技術(shù)的安防入侵報警系統(tǒng)，利用毫米波雷達全天候、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)石油化工安防特點進行了系統(tǒng)參數(shù)和信號處理算法設(shè)計，給出了具體的硬件實現(xiàn)方案，并介紹了安防雷達在現(xiàn)場應(yīng)用的監(jiān)測方案，通過現(xiàn)場試驗對其監(jiān)測功能和性能進行了驗證。

關(guān)鍵詞：入侵監(jiān)測；毫米波雷達；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)手段實現(xiàn)入侵監(jiān)測一般是在防護區(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。該技術(shù)采用先進的相參預(yù)警雷達技術(shù)，實現(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、高距離分辨力、良好的抗干擾性能等優(yōu)點。與其他類型的安防產(chǎn)品相比，安防雷達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，安防雷達不僅能對侵入目標(biāo)進行定位，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。與高速球型攝像機配合，可以實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤，不僅可以立即定位入侵點位，而且能夠獲得圖像信息，便于安保人員做出快速響應(yīng)。

1安防雷達原理

安防雷達通過發(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。由于安防雷達主要對近距離的人、車等小目標(biāo)進行探測，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)進行高精度的測量。目前主流應(yīng)用于安防的毫米波雷達使用24GHz頻段。而基于FMCW體制，安防雷達通過將發(fā)射機耦合過來的信號在接收機中與回波信號混頻產(chǎn)生差頻信號，通過后續(xù)電路對差頻信號進行放大濾波，以及數(shù)字信號處理方式進行信號解調(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。

2安防雷達的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)設(shè)計。安防雷達需要及時準(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)進行設(shè)計?？紤]到安防雷達以檢測入侵目標(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安防雷達主要對地面上的運動物體進行探測，其背景中的地物雜波會嚴(yán)重干擾雷達正常的安防工作，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濾波器來實現(xiàn)雜波去除。平衡雜波去除性能和實現(xiàn)難度，安防雷達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執(zhí)行兩次減法操作即可實現(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中的一個主要難點在于對噪聲干擾信號功率進行估計，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行估計，也稱單元平均CFAR?？紤]到安防雷達往往用來監(jiān)控防護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方法進行處理，以解決雜波邊緣虛警率增大的問題。2.3硬件實現(xiàn)。安防雷達由射頻前端模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)字信號處理模塊組成，下面對安防雷達各組成部分的軟硬件設(shè)計分別進行介紹。2.3.1射頻前端模塊。射頻前端集成了雷達發(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，可實現(xiàn)對雷達發(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信號處理模塊為實現(xiàn)2.2節(jié)中所述的信號處理算法，安防雷達采取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)再進行CFAR檢測，單脈沖測角以及目標(biāo)跟蹤。

3安防雷達現(xiàn)場應(yīng)用

本節(jié)介紹安防雷達在實際監(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)安裝的雷達探測系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，雷達和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)通過交換機傳輸?shù)奖O(jiān)控報警管理中的服務(wù)器，通過聯(lián)動協(xié)議實現(xiàn)雷達和視頻監(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，雷達可以對水平90度范圍內(nèi)的入侵者進行有效檢測，并實時顯示入侵目標(biāo)的運動軌跡，檢測距離最遠可達100m；目標(biāo)進入警戒區(qū)域時，或翻越圍墻時，系統(tǒng)報警，并聯(lián)動高速球機，實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。

4結(jié)論

本文首先講述了安防雷達的工作原理，并介紹了一種基于調(diào)頻連續(xù)波的毫米波安防雷達系統(tǒng)及軟件的設(shè)計和實現(xiàn)方案，可以對入侵目標(biāo)的距離、方位和速度進行測量，對目標(biāo)的這些運動參量進行綜合分析，提高了雷達的報警準(zhǔn)確率；最后詳細介紹了該雷達在場區(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，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