石油化工毫米波雷達技術研究

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摘要：本文介紹一種基于毫米波雷達感知技術的安防入侵報警系統，利用毫米波雷達全天候、高精度、高靈敏度的優勢，通過線性調頻連續波體制和單脈沖技術，有效地實現了石化安防場景下對入侵目標的檢測、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，然后根據石油化工安防特點進行了系統參數和信號處理算法設計，給出了具體的硬件實現方案，并介紹了安防雷達在現場應用的監測方案，通過現場試驗對其監測功能和性能進行了驗證。

關鍵詞：入侵監測；毫米波雷達；石油化工安防；現場監測應用

入侵監測是石化安防中極其關鍵的基礎性需求。技術手段實現入侵監測一般是在防護區域的邊界上安裝入侵探測器，當有入侵發生時，探測器檢測識別后發出報警信號，震懾入侵者的同時，通知安保人員及時處理。本文設計了一種新型的安防監測技術——毫米波安防雷達。該技術采用先進的相參預警雷達技術，實現了對監測區內空間的立體覆蓋，具有體積小、重量輕、安裝方便、可靠性高以及距離盲區小、無速度盲點、高距離分辨力、良好的抗干擾性能等優點。與其他類型的安防產品相比，安防雷達提供的是一個具有一定高度和厚度的連續的毫米波雷達波束，沒有鉆越和跳越的可能。與線纜型系統相比，安防雷達不僅能對侵入目標進行定位，而且可以獲取監控場景內移動物體的速度、方向、距離、角度信息，24小時無間隙監控。與高速球型攝像機配合，可以實現目標跟蹤，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。

1安防雷達原理

安防雷達通過發射一束經過調制的電磁波信號，電磁波遇到目標后返回，目標回波經過信號處理后可以得到目標位置速度等信息。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頻連續波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)體制，其能夠以較小的天線尺寸來對目標進行高精度的測量。目前主流應用于安防的毫米波雷達使用24GHz頻段。而基于FMCW體制，安防雷達通過將發射機耦合過來的信號在接收機中與回波信號混頻產生差頻信號，通過后續電路對差頻信號進行放大濾波，以及數字信號處理方式進行信號解調，從而得到目標的方位、距離和速度信息，具有結構簡單，性能穩定可靠，成本較低的優點。

2安防雷達的設計與實現

2.1系統設計。安防雷達需要及時準確的對監控場景中入侵目標檢測，定位以及跟蹤。結合石化基地場站的安防需求和對象。安防雷達系統參數（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，使得容易產生虛警和干擾影響到目標檢測，因此需要采用加窗技術抑制旁瓣。但加窗會引起主瓣展寬和信噪比降低，因此需要對窗函數進行設計。考慮到安防雷達以檢測入侵目標為首要需求，而對于目標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。再綜合實現難度，選用海明窗作為距離維加窗函數。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重干擾雷達正常的安防工作，因此需要利用目標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，簡單的直流去除會使得這類目標檢測性能下降嚴重，因此需采用MTI濾波器來實現雜波去除。平衡雜波去除性能和實現難度，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，且僅需對每個采樣點執行兩次減法操作即可實現。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置在風沙雨雪較大的野外，因此需要采用恒虛警率（ConstantFalseAlarmRate,CFAR）技術進行處理[6]。基本的CFAR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。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。考慮到安防雷達往往用來監控防護圍墻附近的入侵目標，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。安防雷達由射頻前端模塊、信號調理模塊、數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。根據系統參數需求，射頻前端選用英飛凌公司的24G雷達收發前端芯片BGT24MTR12，其包含1發2收的信號路徑、全集成低相噪VCO，發射功率最大可達15dBm。2.3.2信號調理模塊信號調理模塊主要功能完成射頻前端模塊的功能設置及中頻信號的調理，可實現對雷達發射功率，發射帶寬，調制波形的產生、接收中頻增益的控制以及模數轉換。中頻信號預處理電路主要實現泄露調制信號頻率的抑制、高頻噪聲的濾除、信號放大、AD轉換等功能。2.3.3信號處理模塊為實現2.2節中所述的信號處理算法，安防雷達采取FPGA+DSP的硬件方案，FPGA接收到模數轉換后的回波數據后執行加窗，MTI，FFT等操作。DSP通過EMIF接口讀取處理后的數據再進行CFAR檢測，單脈沖測角以及目標跟蹤。

3安防雷達現場應用

本節介紹安防雷達在實際監測應用中的方案設計和試驗情況。現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，旁邊單位密集緊鄰，場站周界長寬在100米以內，周界類型為圍墻，圍墻上安裝有防翻越金屬刺網。3.1監測方案設計。整個方案包括監測預警前端、數據傳輸、監控報警管理中心三個環節，其中監測預警前端包括每個防區安裝的雷達探測系統及視頻監控系統，雷達和視頻監控數據通過交換機傳輸到監控報警管理中的服務器，通過聯動協議實現雷達和視頻監控系統的聯動和報警展示。3.2試驗情況。在安防系統安裝調試完成后，進行了入侵檢測試驗。試驗內容包括以不同路徑、不同速度靠近圍墻、在圍墻內側和外側行走、模擬翻越圍墻等內容。測試結果表明，雷達可以對水平90度范圍內的入侵者進行有效檢測，并實時顯示入侵目標的運動軌跡，檢測距離最遠可達100m；目標進入警戒區域時，或翻越圍墻時，系統報警，并聯動高速球機，實施跟蹤和顯示入侵目標。經過近一個月的測試，系統報警準確，不受風雨等天氣影響，抗干擾能力強。

4結論

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頻連續波的毫米波安防雷達系統及軟件的設計和實現方案，可以對入侵目標的距離、方位和速度進行測量，對目標的這些運動參量進行綜合分析，提高了雷達的報警準確率；最后詳細介紹了該雷達在場區的現場應用情況，現場試驗表明，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、對入侵目標的檢測準確率高等優點，適合各類周界和區域的安防監測應用。

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