毫米波雷達(dá)技術(shù)及其在石油化工安防中的應(yīng)用

文/孟鑫偉 梁曉龍 李斌 豐秦 韓玉杰

（1.陜西省天然氣股份有限公司 陜西省西安市 710016 2.海隆石油集團(tuán)（上海）信息技術(shù)有限公司 上海市 200949）

入侵監(jiān)測(cè)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(cè)一般是在防護(hù)區(qū)域的邊界上安裝入侵探測(cè)器，當(dāng)有入侵發(fā)生時(shí)，探測(cè)器檢測(cè)識(shí)別后發(fā)出報(bào)警信號(hào)，震懾入侵者的同時(shí)，通知安保人員及時(shí)處理。

本文設(shè)計(jì)了一種新型的安防監(jiān)測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)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(wú)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(gè)具有一定高度和厚度的連續(xù)的毫米波雷達(dá)波束，沒(méi)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(duì)侵入目標(biāo)進(jìn)行定位，而且可以獲取監(jiān)控場(chǎng)景內(nèi)移動(dòng)物體的速度、方向、距離、角度信息，24 小時(shí)無(wú)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(guò)發(fā)射一束經(jīng)過(guò)調(diào)制的電磁波信號(hào)，電磁波遇到目標(biāo)后返回，目標(biāo)回波經(jīng)過(guò)信號(hào)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(duì)近距離的人、車(chē)等小目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，因此其主要采用毫米波(Millimeter Wave, MMW)頻段的電磁波信號(hào)和調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)體制，其能夠以較小的天線尺寸來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度的測(cè)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(guò)將發(fā)射機(jī)耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)在接收機(jī)中與回波信號(hào)混頻產(chǎn)生差頻信號(hào)，通過(guò)后續(xù)電路對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行放大濾波，以及數(shù)字信號(hào)處理方式進(jìn)行信號(hào)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(jiǎn)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安防雷達(dá)需要及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景中入侵目標(biāo)檢測(cè)，定位以及跟蹤。結(jié)合石化基地場(chǎng)站的安防需求和對(duì)象。

安防雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)（表1）。

2.2 信號(hào)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(cè)，因此需要采用加窗技術(shù)抑制旁瓣。但加窗會(huì)引起主瓣展寬和信噪比降低，因此需要對(duì)窗函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。考慮到安防雷達(dá)以檢測(cè)入侵目標(biāo)為首要需求，而對(duì)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)。

表1

2.2.2 雜波去除MTI

安防雷達(dá)主要對(duì)地面上的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行探測(cè)，其背景中的地物雜波會(huì)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(guò)濾波來(lái)抑制雜波信號(hào)。由于地雜波頻譜集中于直流，在連續(xù)波雷達(dá)中可通過(guò)忽略直流來(lái)避免雜波。但由于安防場(chǎng)景中可能存在慢速弱小目標(biāo)，簡(jiǎn)單的直流去除會(huì)使得這類目標(biāo)檢測(cè)性能下降嚴(yán)重，因此需采用MTI 濾波器來(lái)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(duì)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(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)執(zhí)行兩次減法操作即可實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 CFAR 檢測(cè)

盡管通過(guò)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（Constant False Alarm Rate, CFAR）技術(shù)進(jìn)行處理[6]。基本的CFAR 過(guò)程是將檢測(cè)單元信號(hào)與噪聲干擾信號(hào)比較，通過(guò)門(mén)限判決是否存在目標(biāo)。CFAR 中的一個(gè)主要難點(diǎn)在于對(duì)噪聲干擾信號(hào)功率進(jìn)行估計(jì)，通常采用對(duì)與檢測(cè)單元相鄰的一組參考單元采樣值求平均來(lái)進(jìn)行估計(jì)，也稱單元平均CFAR。考慮到安防雷達(dá)往往用來(lái)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(greatest of)CA-CFAR 方法進(jìn)行處理，以解決雜波邊緣虛警率增大的問(wèn)題。

2.3 硬件實(shí)現(xiàn)

安防雷達(dá)由射頻前端模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊組成，下面對(duì)安防雷達(dá)各組成部分的軟硬件設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)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(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)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(hào)的調(diào)理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)預(yù)處理電路主要實(shí)現(xiàn)泄露調(diào)制信號(hào)頻率的抑制、高頻噪聲的濾除、信號(hào)放大、AD 轉(zhuǎn)換等功能。

2.3.3 信號(hào)處理模塊

為實(shí)現(xiàn)2.2 節(jié)中所述的信號(hào)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(guò)EMIF 接口讀取處理后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行CFAR 檢測(cè)，單脈沖測(cè)角以及目標(biāo)跟蹤。

3 安防雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本節(jié)介紹安防雷達(dá)在實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)情況。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(chǎng)站所處位置為城區(qū)，旁邊單位密集緊鄰，場(chǎng)站周界長(zhǎng)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(cè)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)方案包括監(jiān)測(cè)預(yù)警前端、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控報(bào)警管理中心三個(gè)環(huán)節(jié)，其中監(jiān)測(cè)預(yù)警前端包括每個(gè)防區(qū)安裝的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，雷達(dá)和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)交換機(jī)傳輸?shù)奖O(jiān)控報(bào)警管理中的服務(wù)器，通過(guò)聯(lián)動(dòng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)和報(bào)警展示。

3.2 試驗(yàn)情況

在安防系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，進(jìn)行了入侵檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果表明，雷達(dá)可以對(duì)水平90 度范圍內(nèi)的入侵者進(jìn)行有效檢測(cè)，并實(shí)時(shí)顯示入侵目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，檢測(cè)距離最遠(yuǎn)可達(dá)100m；目標(biāo)進(jìn)入警戒區(qū)域時(shí)，或翻越圍墻時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)高速球機(jī)，實(shí)施跟蹤和顯示入侵目標(biāo)。經(jīng)過(guò)近一個(gè)月的測(cè)試，系統(tǒng)報(bào)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(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，可以對(duì)入侵目標(biāo)的距離、方位和速度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)目標(biāo)的這些運(yùn)動(dòng)參量進(jìn)行綜合分析，提高了雷達(dá)的報(bào)警準(zhǔn)確率；最后詳細(xì)介紹了該雷達(dá)在場(chǎng)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(bào)低、對(duì)入侵目標(biāo)的檢測(cè)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(cè)應(yīng)用。