高頻探地雷達(dá)安檢軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓婧婧 喬旭 楊峰

關(guān)鍵詞： 安檢軟件系統(tǒng); 高頻探地雷達(dá); 金屬檢測; 自定義協(xié)議; 信號增益; 時間窗

中圖分類號： TN95?34; TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）05?0070?05

Design and implementation of security inspection software system based on

high?frequency ground penetrating radar

HAN Jingjing1， 2， QIAO Xu1， YANG Feng1

（1. China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China;

2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Pingxiang University， Pingxiang 337055， China）

Abstract： The high?frequency ground penetrating radar includes the 1.6 GHz radar antenna， radar host and wireless terminal. The wireless terminal is connected with radar host through 2.4 GHz UHF WiFi， and can display the inspection results. The self?defined data transmission protocol is used to control the state of radar host， adjust the signal gain and time window. On the basis of high?frequency ground penetrating radar， a security inspection software system based on Android is developed to detect the dangerous metal products. The difference of the detection results is studied under different distance conditions by means of the experimental tests of non?metallic target and metal target. The results demonstrated that， with the same detection distance， the reflected signal of the metal target is stronger than that of the non?metallic target. The security inspection software system can detect the dangerous metal products according to the difference of reflected signals.

Keywords： security inspection software system; high?frequency ground penetrating radar; metal detection; self?defined protocol; signal gain; time window

0 ?引 ?言

在商場、醫(yī)院等公共場所，人群密集且流動性強(qiáng)，對安全隱患的預(yù)防十分重要。常見的安全隱患絕大部分是槍支、刀具等金屬危險品。傳統(tǒng)安檢手段主要有安檢機(jī)、便攜式X光機(jī)、手持式金屬探測器和金屬探測門等。

安檢機(jī)采用X射線和實(shí)時成像技術(shù)[1]，檢測放置在輸送帶上的行李等物品。實(shí)時成像技術(shù)包括工業(yè)電視成像技術(shù)[2]、計(jì)算機(jī)射線照相技術(shù)[3]、計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)[4]和數(shù)字平板成像技術(shù)[5]等幾種。安檢機(jī)能夠清晰地區(qū)分出金屬、液體、固體有機(jī)物等，但是體積太大攜帶不便。便攜式X光機(jī)是一種簡化的安檢機(jī)[6]。與安檢機(jī)相比，便攜式X光機(jī)減少了傳動機(jī)構(gòu)和屏蔽措施，有效減小了體積，但是長期使用會對人體造成過量輻射[7]。手持式金屬探測器[8]和金屬探測門[9]通過比較電磁波接收信號和基準(zhǔn)信號的差異，可以檢查隨身攜帶的金屬物品，但是探測距離有限[10]。

與以上幾種安檢手段相比，高頻探地雷達(dá)能夠發(fā)現(xiàn)移動金屬目標(biāo)且探測距離較遠(yuǎn)，對人體沒有傷害，比較適合用于商場、醫(yī)院等公共場所的安全檢查。在高頻探地雷達(dá)基礎(chǔ)上開發(fā)基于Android的安檢軟件系統(tǒng)，利用自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳輸探測到的數(shù)據(jù)，通過比較數(shù)據(jù)的差異，實(shí)現(xiàn)對金屬危險品的檢測。

1 ?高頻探地雷達(dá)

高頻探地雷達(dá)包括雷達(dá)天線、雷達(dá)主機(jī)和無線終端三部分，如圖1所示，為了增強(qiáng)便攜性，將雷達(dá)天線和雷達(dá)主機(jī)封裝起來，由內(nèi)置鋰電池供電。雷達(dá)天線采用共偏置模式，主頻為1.6 GHz。雷達(dá)主機(jī)以STM32F407為主控核心，外擴(kuò)以太網(wǎng)PHYLAN8720A芯片構(gòu)成雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。無線終端為基于Android系統(tǒng)的平板電腦等移動設(shè)備。

Android系統(tǒng)包含Graphics，Net等開發(fā)包，提供了對HTTP，UDP等協(xié)議的封裝，支持套接字編程，系統(tǒng)控件豐富[11]。Android設(shè)備使用方便，小巧便攜，能夠有效提高安檢效率，降低勞動強(qiáng)度。因此，在高頻探地雷達(dá)的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于Android的安檢軟件系統(tǒng)。

2 ?安檢軟件系統(tǒng)

基于Android的安檢軟件系統(tǒng)用于接收并處理雷達(dá)主機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。軟件系統(tǒng)主要包括自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、參數(shù)設(shè)置和終端顯示。其中，自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是建立在物理層上的通信數(shù)據(jù)包格式，包括常規(guī)控制命令、常規(guī)控制命令應(yīng)答、參數(shù)命令和探地雷達(dá)數(shù)據(jù);參數(shù)設(shè)置包括對采集信號進(jìn)行增益處理、調(diào)節(jié)采樣時間窗等功能;終端顯示有兩種形式，一種是雷達(dá)灰度圖，另一種是雷達(dá)波形圖。

2.1 ?自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議包括常規(guī)控制命令、常規(guī)控制命令應(yīng)答、參數(shù)命令和探地雷達(dá)數(shù)據(jù)。常規(guī)控制命令長度為5 B，格式如圖2所示，包含首標(biāo)志位、索引和尾標(biāo)志位。首尾標(biāo)志位各占2 B，通過首尾標(biāo)志位可以判別命令完整性。索引占1 B，通過索引定義了控制命令的功能。例如，0xAA?0xAA?0x00?0xBB?0xBB是無線終端給雷達(dá)主機(jī)發(fā)送創(chuàng)建連接的命令。

常規(guī)控制命令應(yīng)答長度為5 B，格式如圖3所示，包含首標(biāo)志位、索引和尾標(biāo)志位。首尾標(biāo)志位各占2 B，通過首尾標(biāo)志位可以判別命令完整性。索引占1 B，通過索引定義了控制命令應(yīng)答的功能。例如，雷達(dá)主機(jī)收到無線終端發(fā)送的創(chuàng)建連接的命令后，如果無線終端和雷達(dá)主機(jī)已經(jīng)連接起來，雷達(dá)主機(jī)會返回應(yīng)答命令0xAA?0xBB?0x00?0xCC?0xDD。

參數(shù)命令長度為14 B，格式如圖4所示，包含首標(biāo)志位、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、時間窗、固定延時、恒流源值和尾標(biāo)志位。首尾標(biāo)志位各占2 B，通過首尾標(biāo)志位可以判別命令完整性。參數(shù)長度各占2 B，采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、固定延時等參數(shù)控制探地雷達(dá)的采集方式。例如，采樣頻率為30 kHz、采樣點(diǎn)數(shù)為512、時間窗為20 ns、固定延時為2 000 ns、恒流源值為51 200的參數(shù)命令為0xCC?0xCC?0x1E?0x00?0x00?0x02?0x14?0x00?0xD0?0x07?0x00?0xC8?0xDD?0xDD。

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)道為單位，采樣點(diǎn)數(shù)為512時，每條數(shù)據(jù)道長度為1 030 B，格式如圖5所示，包含首標(biāo)志位、數(shù)據(jù)道標(biāo)號、采樣值和尾標(biāo)志位。首尾標(biāo)志位各占2 B，通過首尾標(biāo)志位可以判別命令完整性。數(shù)據(jù)道標(biāo)號占2 B，用來記錄數(shù)據(jù)道在該探地雷達(dá)數(shù)據(jù)上的編號。采樣值長度為1 024 B，每個采樣點(diǎn)占2 B，記錄采樣后的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)。

通過自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，無線終端控制探地雷達(dá)主機(jī)采集探地雷達(dá)數(shù)據(jù)。無線終端采集控制包括等待、暫停等五種狀態(tài)，各狀態(tài)切換如圖6a）所示。探地雷達(dá)主機(jī)數(shù)據(jù)采樣包括準(zhǔn)備、開始等五種狀態(tài)，各狀態(tài)切換如圖6b）所示。

2.2 ?參數(shù)設(shè)置

由于雷達(dá)信號隨著探測距離的延長而減弱，通過數(shù)據(jù)增益，可以放大雷達(dá)反射信號，提高對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測效果。信號增益通過調(diào)節(jié)時域控制曲線，放大不同時刻的雷達(dá)信號。增益前的信號如圖7a）所示，增益后的信號如圖7b）所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過增益處理，信號局部得到明顯放大。

采樣時間窗是指脈沖發(fā)射與接收的時間間隔。時間窗越大，探測距離越遠(yuǎn)，通常時間窗[w]與探測距離[d]滿足如下表達(dá)式：

[d=cw2e] ?（1）

式中：[c]為真空中的光速;[e]為相對介電常數(shù)。通過調(diào)節(jié)時間窗，可以改變探測的距離，考慮到空氣中信號的衰減，時間窗并非越大越好。

2.3 ?終端顯示

終端顯示有兩種形式，分別為雷達(dá)灰度圖顯示和雷達(dá)波形圖顯示。圖像的顯示利用了Android系統(tǒng)可以自定義控件的特點(diǎn)，在收到數(shù)據(jù)后，依據(jù)設(shè)定的參數(shù)處理數(shù)據(jù)，在自定義view上輸出圖像，如圖8所示。

3 ?實(shí)驗(yàn)測試

為測試高頻探地雷達(dá)探測金屬目標(biāo)的能力，本文設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)。

第一組實(shí)驗(yàn)用于測試靜止?fàn)顟B(tài)下，高頻探地雷達(dá)探測金屬目標(biāo)的能力。實(shí)驗(yàn)中，采用0.26 m×0.19 m×0.02 m的圖書作為非金屬目標(biāo)，采用0.25 m×0.25 m×0.003 m的金屬板作為金屬目標(biāo)。高頻探地雷達(dá)在空氣中的有效探測距離為1.5 m，取20 ns時間窗，2 000 ns信號采樣延時。分別測試非金屬目標(biāo)與天線垂直距離為0.1 m，0.4 m和0.7 m時的雷達(dá)波形圖[B]，結(jié)果如圖9a）、圖9d）和圖9g）所示。再分別測試金屬目標(biāo)與天線垂直距離為0.1 m，0.4 m和0.7 m時的雷達(dá)波形圖[M]，結(jié)果如圖9b）、圖9e）和圖9h）所示。不妨設(shè)差值[L]為非金屬目標(biāo)與金屬目標(biāo)雷達(dá)波形圖的差值絕對值，即：

[L=B-M] （2）

由式（2）可知，非金屬與金屬雷達(dá)波形圖的差異變大時，[L]的幅值增加。通過[L]的幅值大小可以確定非金屬與金屬雷達(dá)波形圖的差異最大時刻[T]，如圖9所示。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)與天線垂直距離為0.1 m時，[L]在3.6 ns處的幅值明顯增加，由于直達(dá)波位于2.8 ns處，設(shè)2.8 ns為反射信號的零點(diǎn)。空氣的相對介電常數(shù)約為1.0，由式（1）可知，此時目標(biāo)的位置距離天線0.120 m。當(dāng)目標(biāo)與天線垂直距離為0.4 m時，[L]在5.7 ns處的幅值明顯增加，同理可知，此時目標(biāo)的位置距離天線0.435 m。當(dāng)目標(biāo)與天線垂直距離為0.7 m時，[L]在7.7 ns處的幅值明顯增加，同理可知，此時目標(biāo)的位置距離天線0.735 m。在目標(biāo)出現(xiàn)的位置，探地雷達(dá)信號差值[L]的幅值均明顯增加，說明金屬目標(biāo)與非金屬目標(biāo)的反射信號存在差異。觀察雷達(dá)波形圖發(fā)現(xiàn)，金屬目標(biāo)的反射信號強(qiáng)于非金屬目標(biāo)。高頻探地雷達(dá)通過比較反射信號的強(qiáng)弱，探測金屬目標(biāo)。

第二組實(shí)驗(yàn)用于測試運(yùn)動狀態(tài)下，高頻探地雷達(dá)探測金屬目標(biāo)的能力。目標(biāo)與天線垂直距離從0.7 m開始，經(jīng)過0.4 m移動到0.1 m。取20 ns時間窗，2 000 ns信號采樣延時。得到金屬、非金屬目標(biāo)的雷達(dá)灰度圖如圖10所示。

可以看出，當(dāng)探測到目標(biāo)時灰度圖發(fā)生了明顯變化。根據(jù)灰度圖中反射信號所在的時刻計(jì)算出目標(biāo)與天線的距離。金屬目標(biāo)與非金屬目標(biāo)反射波能量不同，因此灰度圖上的信號強(qiáng)弱也不同。距離相同時，金屬目標(biāo)的反射波能量強(qiáng)于非金屬目標(biāo)，因此，同一時刻灰度圖上的金屬目標(biāo)信號強(qiáng)于非金屬目標(biāo)信號。高頻探地雷達(dá)通過灰度圖上出現(xiàn)的較強(qiáng)信號及其時刻探測金屬目標(biāo)。

4 ?結(jié) ?語

本文針對目前市場上安檢設(shè)備體積大、探測距離有限等缺點(diǎn)，結(jié)合自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，設(shè)計(jì)了基于Android的高頻探地雷達(dá)安檢軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，控制探地雷達(dá)主機(jī)采集探地雷達(dá)數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無論處于相對靜止還是相對運(yùn)動狀態(tài)下，金屬目標(biāo)反射信號均較強(qiáng)，通過該反射信號可以探測金屬目標(biāo)所在的相對位置。

由于大氣中氣體分子的吸收作用，高頻探地雷達(dá)信號衰減較嚴(yán)重。當(dāng)目標(biāo)與天線垂直距離超過1.5 m以上時，探地雷達(dá)的探測效果就會下降。因此后續(xù)需要改進(jìn)信號增強(qiáng)算法，提高高頻探地雷達(dá)的探測距離。

注：本文通訊作者為喬旭。

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