基于雷達(dá)技術(shù)的人身安全防護(hù)系統(tǒng)

劉萬柱

【摘要】 本文簡(jiǎn)要介紹了基于雷達(dá)技術(shù)的人身安全防護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)、原理等內(nèi)容。包括各個(gè)子系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)等，它們既有各自獨(dú)立存在的特性，又有互相配合、密切相關(guān)的有機(jī)聯(lián)系。通過本文能夠使大家對(duì)基于雷達(dá)技術(shù)的人身安全防護(hù)系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)的有一個(gè)深入的認(rèn)識(shí)。

【關(guān)鍵詞】 雷達(dá)探測(cè) 方位引導(dǎo) 報(bào)警終端 無線遙控

隨著現(xiàn)代高速公路的快速發(fā)展，帶來的交通安全事故也在逐漸增多，就需要更多的交通執(zhí)法人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)事故處理，如何利用一些設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)處理事故人員的人身安全進(jìn)行保護(hù)是交通執(zhí)法部門關(guān)注的焦點(diǎn)。綜合以上背景，設(shè)計(jì)了這套基于雷達(dá)技術(shù)的人身安全防護(hù)系統(tǒng)，可以有效輔助交通執(zhí)法人員及時(shí)規(guī)避危險(xiǎn)車輛從而保護(hù)其人身安全。

一、系統(tǒng)概要

1.1系統(tǒng)的概念

基于雷達(dá)技術(shù)的人身安全防護(hù)系統(tǒng)作為交通執(zhí)法人員單兵安全預(yù)警裝備，安裝在執(zhí)勤警車頂部，實(shí)時(shí)監(jiān)視前方車輛威脅目標(biāo)，按照預(yù)置的報(bào)警條件自主報(bào)警輸出，為交通執(zhí)法人員道路事故處理過程提供安全預(yù)警的聲、光、振動(dòng)等報(bào)警信息，保障交通執(zhí)法人員的人身安全。

1.2系統(tǒng)的特點(diǎn)

基于雷達(dá)技術(shù)的人身安全防護(hù)系統(tǒng)利用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)對(duì)目標(biāo)車輛進(jìn)行探測(cè)。采用多通道技術(shù)及先進(jìn)的車道識(shí)別、目標(biāo)精細(xì)檢測(cè)及跟蹤算法，可以實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)視區(qū)域內(nèi)多個(gè)運(yùn)動(dòng)車輛的距離信息、速度信息（包括速度大小及運(yùn)動(dòng)方向），并進(jìn)行車輛的行駛道路識(shí)別。可以根據(jù)設(shè)定條件自動(dòng)識(shí)別威脅車輛，當(dāng)檢測(cè)到危險(xiǎn)車輛時(shí)觸發(fā)報(bào)警模塊并通過無線方式發(fā)送給無線報(bào)警終端。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)的組成及功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)。可分解為五個(gè)模塊：雷達(dá)探測(cè)模塊、方位引導(dǎo)模塊、報(bào)警終端、無線遙控模塊。各個(gè)模塊功能如下所述。

2.1.1雷達(dá)探測(cè)模塊

用于探測(cè)來往車輛，并根據(jù)車輛速度、距離、方位信息，來判定是否達(dá)到報(bào)警閾值，并利用無線射頻技術(shù)，把報(bào)警信息發(fā)送到報(bào)警終端。

2.1.2方位引導(dǎo)模塊

利用雷達(dá)信號(hào)反射原理，用于標(biāo)定雷達(dá)探測(cè)信號(hào)的方位，使雷達(dá)探測(cè)模塊可以按照設(shè)定的區(qū)域進(jìn)行車輛的探測(cè)跟蹤。對(duì)雷達(dá)探測(cè)模塊車輛行駛道路的識(shí)別起到了輔助作用，有效的減少了虛警率。

2.1.3報(bào)警終端

交通執(zhí)法人員佩戴在身上，與皮膚接觸。當(dāng)收到雷達(dá)探測(cè)模塊發(fā)出的報(bào)警信息，立刻發(fā)出聲、光、振動(dòng)三種形式的報(bào)警警示，提醒交通執(zhí)法人員注意有危險(xiǎn)車輛靠近，盡快躲避到安全區(qū)域。

2.1.4無線遙控模塊

通過紅外遙控信號(hào)，來控制雷達(dá)探測(cè)模塊的工作狀態(tài)。例如：開機(jī)、關(guān)機(jī)、功能性調(diào)整等。

2.2各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶對(duì)人身安全防護(hù)的需要和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則，要求各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足各方面的需求，力求達(dá)到既能有多功能的綜合信息服務(wù)性能，實(shí)現(xiàn)智能化管控，又要符合經(jīng)濟(jì)合理的原則。各個(gè)子模塊的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下所述。

2.2.1 雷達(dá)探測(cè)模塊

就系統(tǒng)的劃分而言，雷達(dá)探測(cè)模塊是本系統(tǒng)的核心組成部分。

雷達(dá)探測(cè)模塊主要由以下七部分組成：雷達(dá)組件、射頻組件、模擬電路板、數(shù)字電路板、顯示控制板、電源板、云臺(tái)。

各部分主要設(shè)計(jì)如下：

（1）雷達(dá)組件

用于產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)，并通過雷達(dá)天線以電磁波的形式發(fā)射出去，形成以雷達(dá)天線為原點(diǎn)，夾角為10度的扇形輻射區(qū)域。當(dāng)發(fā)射的電磁波遇到行使中的車輛自然會(huì)產(chǎn)生反射，雷達(dá)天線通過接收反射回來的電磁波來判定車輛行使的速度、距離、方位信息。

（2）射頻組件

用于產(chǎn)生射頻信號(hào)，并通過全向射頻天線把滿足報(bào)警條件的信息發(fā)送給報(bào)警終端。

（3）模擬電路板

雷達(dá)天線接收反射回來的電磁波信號(hào)輸入到模擬電路板，完成對(duì)回波信號(hào)的濾波、放大等處理。

（4）數(shù)字電路板

經(jīng)模擬電路板處理后的信號(hào)輸入到數(shù)字電路板，完成AGC（自動(dòng)增益控制）及進(jìn)一步的信號(hào)處理。數(shù)字電路板通過相關(guān)通信接口與外部計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行有線的數(shù)據(jù)通信，來讀取雷達(dá)探測(cè)模塊的報(bào)警信息等。數(shù)字電路板通過相關(guān)連接接口與電機(jī)控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，以達(dá)到數(shù)字電路板對(duì)電機(jī)的控制。

（5）顯示控制板

雷達(dá)探測(cè)模塊具有工作狀態(tài)指示功能，例如：開機(jī)指示、關(guān)機(jī)指示、工作指示、自檢狀態(tài)指示等。通過顯示控制板來完成以上工作狀態(tài)指示功能。

（6）電源板

用于雷達(dá)探測(cè)模塊的各個(gè)組件及電路板的供電。以滿足雷達(dá)探測(cè)模塊的正常工作。

（7）云臺(tái)

因雷達(dá)信號(hào)的覆蓋范圍是固定角度的扇形區(qū)域，并具有固定的指向性。當(dāng)雷達(dá)探測(cè)模塊安裝位置有偏差時(shí)，可使用云臺(tái)來帶動(dòng)雷達(dá)探測(cè)模塊的本體，進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)的指向調(diào)節(jié)。

2.2.2方位引導(dǎo)模塊

方位引導(dǎo)模塊主要是輔助雷達(dá)探測(cè)模塊完成設(shè)定區(qū)域內(nèi)的探測(cè)。方位引導(dǎo)模塊無任何電氣特性。主要由固定裝置和金屬反射體組成。金屬反射體可以根據(jù)實(shí)際要求做成特定的形狀。

當(dāng)雷達(dá)信號(hào)遇到方位引導(dǎo)模塊就會(huì)以很強(qiáng)的反射波被雷達(dá)探測(cè)模塊接收，此時(shí)，雷達(dá)探測(cè)器就以方位引導(dǎo)模塊為基準(zhǔn)，來設(shè)定雷達(dá)的探測(cè)區(qū)域，可以由最初的扇形雷達(dá)信號(hào)覆蓋區(qū)域設(shè)定成矩形雷達(dá)信號(hào)覆蓋區(qū)域。

2.2.3報(bào)警終端

報(bào)警終端通過聲、光、振動(dòng)的方式來警示交通執(zhí)法人員。報(bào)警終端運(yùn)用無線射頻通信的方式與雷達(dá)探測(cè)模塊中的射頻組件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.2.4無線遙控模塊

無線遙控模塊采用紅外通信技術(shù)，來控制雷達(dá)探測(cè)模塊的相關(guān)功能。根據(jù)具體功能需求，來定義無線遙控模塊的按鍵功能。

三、系統(tǒng)原理

雷達(dá)探測(cè)模塊工作在k波段。采取天線收發(fā)分開的連續(xù)波調(diào)頻多普勒體制，通過長(zhǎng)時(shí)間回波積累和距離多普勒二維處理進(jìn)行目標(biāo)速度、距離信息的提取。通過多目標(biāo)回波信息的目標(biāo)匹配、跟蹤濾波完成目標(biāo)識(shí)別，符合預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)給到報(bào)警終端。

雷達(dá)探測(cè)模塊利用MTI（動(dòng)目標(biāo)顯示）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)道路上車輛運(yùn)動(dòng)與靜止目標(biāo)的區(qū)分。MTI技術(shù)是利用動(dòng)目標(biāo)回波的多普勒頻移來區(qū)分動(dòng)目標(biāo)和固定目標(biāo)。由于靜止目標(biāo)多普勒頻率為0，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多普勒頻率不為0，從而就達(dá)到了消除固定雜波，保留運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息的目的。

雷達(dá)探測(cè)模塊利用MTD（動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度的提取。由于單純的MTI只是對(duì)靜止目標(biāo)進(jìn)行了抑制，保留運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息，但是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度、距離等信息其實(shí)還是未知的。在MTI后首先通過CFAR（恒虛警檢測(cè)），然后進(jìn)行FFT（快速傅氏變換），便得到各個(gè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。

雷達(dá)探測(cè)模塊利用Kalman（卡爾曼）濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤和預(yù)測(cè)。卡爾曼濾波算法基本思想是根據(jù)測(cè)量值和預(yù)測(cè)值估計(jì)實(shí)際值，從而提高系統(tǒng)可靠性和精度。

四、結(jié)束語

應(yīng)用給交警執(zhí)法人員的安全防護(hù)設(shè)備較少，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還沒有健全。目前，基于雷達(dá)技術(shù)的人員安全防護(hù)產(chǎn)品在國(guó)際、國(guó)內(nèi)還沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，對(duì)科研經(jīng)費(fèi)的大力投入，我們有理由相信，不久的將來，適用于高速公路人員安全防護(hù)的產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

參 考 文 獻(xiàn)

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