一種毫米波波束賦形與探測方法
【專利摘要】本發明公開了一種毫米波波束賦形與探測方法。為了保證實時監測，將面積很大的整個監測區域劃分成多個屬于不同危險敏感級別的探測子區域，探測雷達天線陣同時產生多個波束對各個子區域進行掃描監測。此外，不同危險敏感級別的子區域通過自適應波束探測算法采取相應的波束掃描方式，以滿足各子區域對于探測精度和實時性的不同要求。由于各區域的危險敏感級別不同，可針對各區域分別采用各自最合適的預警策略。借助與本發明實施例的技術方案，能夠提高探測的精度，降低探測虛警率與漏檢率，提高探測效率。
【專利說明】
一種毫米波波束賦形與探測方法
技術領域
[0001]本發明涉及災害和異物入侵探測領域，特別是涉及一種毫米波波束賦形與探測方法
【背景技術】
[0002]我國地域遼闊，自然地理條件比較復雜，地質構造運動強烈，極易誘發各類地質災害。在我國超過2/3的山區均有滑坡、崩塌地質災害發生。此外，我國基礎設施建設發展迅速，但是公路、鐵路、隧道等一些分布在山區集中地區的交通線路，其地質災害頻發。一旦道路旁的山體出現塌方、滑坡、泥石流、雪崩、洪水、異物入侵等現象，則會影響交通線路的運營安全，也會對人類生命安全和財產安全構成直接危害。因此，迫切需要一種能夠在各種天氣條件下在高危地段長期監測并能夠提供預警的自動探測及預警技術。
[0003]毫米波頻段擁有豐富的頻譜資源，波束比微波窄得多，與激光相比受天氣影響程度較小。毫米波元器件的尺寸較小，因此毫米波系統更容易小型化。為此，它們在通信、雷達、制導、遙感技術、射電天文學和波譜學方面都有重大的意義。
[0004]通過對現有專利及相關技術的檢索發現，現有的關于自然災害和異物入侵監測預警的方案主要有三類:
[0005](I)通過在災害多發地段布設無線傳輸傳感器和監測基站[I ]，監測基站獲取無線傳輸傳感器的實時數據。傳感器類型包括地質位移傳感器、土壤水分傳感器、雨量傳感器、開關量傳感器或者傾角傳感器等，監測站通過對傳感器實時數據的分析判斷有無自然災害或異物入侵危險發生。
[0006](2)使用激光對預定區域進行水平激光照射，同時通過視頻監控設備采集預定區域的圖像[2]。當存在激光反射特征，且確定所述激光發射特征滿足特定條件時，判斷該區域存在障礙物，然后通過采集的圖像人工輔助判斷危險性。
[0007](3)在需要監視的重點區域，通過近程警戒雷達掃描探測。文獻[3]提出了將警戒雷達應用在邊界線上，用于發現和識別試圖通過邊界線上的車輛、行人和其他物體。文獻
[4]將近程警戒雷達應用在鐵路災害監測上，鋼軌兩側各安裝I個雷達探測器，組成100米范圍立體監測網絡。通過計算入侵物大致大小及與鋼軌的相對位置，從而評估是否安全。文獻
[5]提出了在機場跑道異物檢測上應用近程警戒雷達與攝像交互檢測的方案，避免跑道異物對機場安全造成的危害。
[0008]上述現有技術(I)中，無線傳輸傳感器監測設備和監測基站需要沿監測區域(如鐵路、公路沿線)大密度鋪設，維護成本較高，且如果部分傳感器出現異常，則導致整體監測系統的故障，且其災害預警性能還取決于信息傳輸通道的可靠性。同時，該方案只局限于對滑坡的監測，對于落石、異物侵限等失去監測功能。
[0009]上述現有技術(2)中，激光探測僅局限于平面探測，不能探測出目標的立體信息。在夜間探測時需要額外使用可見光對預定路段照明，即使如此，在降雨、降雪、起霧等惡劣天氣情況下或者在道路周圍存在干擾光源的情況下，將嚴重影響圖像信息的采集質量，因而當激光探測出異常狀態時，不能準確判斷是何種災害引起，導致大量虛警出現。
[0010]上述現有技術(3)中，為了將雷達探測結果回傳給監控中心，需要專門搭建一套監控網絡，重復利用率低。由于出現災害的概率較低，且每個雷達獨立工作，會造成雷達信號處理性能的冗余和成本的浪費。雷達采用機械掃描方式，掃描周期長，可探測的區域有限，且易發生漏檢。系統預警的方式是探測到目標就采取預警，無法對目標進行跟蹤以獲取更詳細的信息，使得系統虛警率偏高。采用圖像識別技術，不利于獲取災害發生的具體地點以及采取應急措施。此外，其使用的頻段是低頻頻段，帶寬低，探測檢測精度受限。
[0011]參考文獻
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[0016][5]李煜，肖剛.機場跑道異物檢測系統設計與研究[J].激光與紅外，2011,41(8):909-915.

【發明內容】

[0017]鑒于以上陳述的已有方案的不足，本發明的目的是提供一種用于自然災害和異物入侵探測的毫米波波束賦形方法及預警系統。主要的方案是:
[0018]—種毫米波波束賦形與探測方法，在較大范圍高危地段提供長期監測及自動預警，通過波束賦形實現定向波束覆蓋，包括如下的技術手段:
[0019]將整個監測區域劃分成多個屬于不同危險敏感級別的探測子區域，探測雷達天線陣采用分頻技術同時產生N個波束對每個子區域進行獨立探測；危險敏感級別越高的子區域使用越高的毫米波頻段的波束;此外，依子區域不同的危險敏感級別，采用自適應波束探測算法提供相應的波束掃描方式以滿足各子區域對于探測精度和實時性的不同要求。
[0020]所述自適應波束探測算法有兩種基本模式:掃描模式和跟蹤模式;掃描模式下，使用波束進行全區域的順序掃描;跟蹤模式下，主要用波束在掃描模式中發現的目標的周圍掃描，如果掃描模式中發現多個目標，則跟蹤模式中采用分時的方式跟蹤多個目標;且:
[0021](I)波束處于跟蹤模式下的時間以預先設定的跟蹤容忍時間為度，超過跟蹤容忍時間后即切換到掃描模式；
[0022](2)對于危險敏感級別較低的區域，只采取寬波束掃描模式；
[0023](3)對于危險敏感級別較高的區域，既要保證實時性又要考慮分辨率要求，因此自適應波束探測算法可使用混合模式，即先掃描模式后跟蹤模式；
[0024](4)對于危險敏感級別特別高的區域，只采取窄波束掃描模式。
[0025]在實際應用中，根據發生災害的可能性大小以及危險程度設置不同的危險敏感級另IJ，例如，根據監測需求將危險敏感級別為設置高、中、低三種。當監測區域較大時，為了保證探測實時性，將整個探測區域根據探測周期和掃描速度分成N個子區域，探測雷達天線陣采用分頻技術同時產生N個波束，對每個子區域進行獨立探測。并且按發生災害的概率以及危險程度對各個子區域進行危險敏感級別劃分。
[0026]危險級別為高的子區域采用毫米波高頻段的窄波束，得到最高的角度分辨率。危險級別為中等的子區域采用中間頻段以及相對較寬的波束，得到較高的角度分辨率。危險級別為低的子區域采用低頻段的寬波束，得到較低的角度分辨率。具體的頻段選擇可根據場景需求進行設計，以達到各個探測子區域的角度分辨率的需求以及回波干擾隔離。根據各個子區域的距離分辨率需求，不同危險級別子區域使用不同的探測信號帶寬，危險級別越高的子區域使用的信號帶寬越大。
[0027]在不同的探測子區域，根據自適應波束探測算法確定波束掃描方式。自適應波束探測算法有兩種模式，掃描模式和跟蹤模式。掃描模式下，使用波束進行全區域的順序掃描。跟蹤模式下，主要用波束在掃描模式中發現的目標的周圍掃描。如果掃描模式中發現多個目標，則跟蹤模式中采用分時的方式跟蹤的多個目標。為了保證波束在跟蹤目標的同時又能兼顧全區域內有無其他目標出現，本發明提出了跟蹤容忍時間的定義，即當波束處于跟蹤模式下的時間超過跟蹤容忍時間后就切換到掃描模式。掃描模式和跟蹤模式下波束的具體寬度與所在區域的危險敏感級別有關。危險敏感級別越高，探測方位分辨率要求越高，波束寬度越窄。
[0028]不同危險敏感級別的子區域使用自適應波束探測算法時采用不同的工作方式。具體如下:
[0029](I)對于危險敏感級別低的區域，需要的探測分辨率不必太高，因此自適應波束探測算法在該區域可只使用掃描模式，并且采用寬波束可以快速掃描完整個區域，快速發現目標，減少漏檢的發生；
[0030](2)對于危險敏感級別較高的區域，既要保證實時性又要考慮分辨率要求，因此自適應波束探測算法可使用混合模式，即先掃描模式后跟蹤模式。掃描模式下使用寬波束，主要用于快速發現目標，跟蹤模式下使用窄波束。
[0031](3)對于危險敏感級別特別高的區域，分辨率要求很高，區域面積較小時，順序掃描全區域的時間較小，可只米取窄波束掃描模式。
[0032]自適應波束探測算法中混合模式的具體步驟如下:
[0033](I)掃描模式下先使用寬波束順序掃描整個子區域，通過對回波信號進行動目標檢測(Moving Targets Detect1n，簡稱MTD)，檢測有無動目標出現，如果有，則記錄下目標的徑向距離和速度信息，同時通過波束的碼本信息確定目標的方位信息。全局掃描完后如果有目標出現則跟蹤記錄的目標進入跟蹤模式，否則重復步驟(I);
[0034](2)根據步驟(I)中得到的目標信息，在目標周圍設立矩形掃描窗。掃描窗的寬度跟目標的速度有關。當目標的方位向運動方向未知時，掃描窗選取徑向運動方向對應的掃描窗口。通過對目標的多次跟蹤，可以得到目標方位向的運動趨勢，掃描窗選取方位向和徑向運動方向對應的部分掃描窗口，選窗順序為以記錄目標為中心，逐漸向外選取；
[0035](3)根據步驟(2)獲得的掃描窗，使用窄波束依次對掃描窗的區域進行探測，如果探測到目標則重新在新發現的目標周圍設立掃描窗，跳轉到步驟(2)。如果所有掃描窗都探測完還是沒有發現目標，則認為目標跟蹤丟失，退回到步驟(I)的掃描模式。
[0036](4)如果進入跟蹤模式下的時間超過跟蹤容忍時間，退回到步驟(I)的掃描模式。
[0037]不同危險敏感級別的探測子區域，使用不同的預警策略。危險敏感級別最高的子區域一旦檢測到目標則根據目標的大小判斷是否需要預警;危險敏感級別相對較低的子區域，根據多周期探測積累所獲得的目標運動軌跡作出預警決策，當運動軌跡有向更高級別區域運動的趨勢則預警。
[0038]本發明有益效果如下:
[0039]近距離的高危險級子區域采用高頻段的窄波束，遠距離的低危險級子區域采用低頻段的寬波束，減少毫米波損耗，滿足各個子區域的探測角度分辨率需求。
[0040]不同危險敏感級別的子區域使用不同的信號帶寬，滿足其探測距離分辨率要求，提尚探測精度。
[0041]通過自適應波束跟蹤掃描可根據探測需求合理的選擇波束探測方案，可降低探測虛警率與漏檢率，提高探測效率。
[0042]不同危險敏感級別的探測區域使用不同的預警策略，使得預警流程更加合理化，有效減少虛警率，僅預警會對系統安全產生較高威脅的目標。
[0043]上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發明的上述和其它目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下特舉例本發明的【具體實施方式】。
【附圖說明】
[0044]通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對于本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優選實施方式的目的，而并不認為是對本發明的限制。在附圖中:
[0045]圖1是本發明實施例的系統網絡架構的示意圖；
[0046]圖2是本發明實施例的鐵路探測區域的示例圖；
[0047]圖3是本發明實施例的自適應波束探測方案中的混合波束的流程圖；；
[0048]圖4是本發明實施例的水平運動方向未知的掃描窗選取示例圖；
[0049]圖5是本發明實施例的水平運動方向已知的掃描窗選取示例圖。
【具體實施方式】
[0050]下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠將本公開的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。
[0051]為了提高探測的精度、降低探測虛警率與漏檢率、提高探測效率，本發明提供了一種毫米波波束賦形與探測方法，本發明實例將毫米波波束賦形方法實施于鐵路沿線自然災害和異物入侵探測，能夠提高鐵路沿線自然災害與鐵軌周圍異物入侵的檢測效率。
[0052]如圖1所示，為本發明實施例的系統網絡架構的示意圖，為實現資源共享、減少建設成本，本探測雷達探測系統與鐵路移動通信系統共站建設，其組成包括BBlKBuildingBase band Unit)池、交換結構、公網或專網授權頻段RRU(Rad1 Remote Unit)與非授權毫米波頻段RRU，RRU通過高速回傳與交換結構連接，然后交換結構通過高速回傳連接到BBU池。公網或專網授權頻段RRU進行大范圍覆蓋，保障低容量通信數據的可靠傳輸;毫米波頻段RRU布置天線陣，通過波束賦形技術實現定向波束覆蓋。為提高通信與災害探測的有效性，當有列車通過時，毫米波頻段RRU與列車進行通信;沒有列車通過時，進行波束掃描、環境監測。特別需要說明的是，根據實際應用場景，通信與探測也可以使用頻分的方式同時全時段工作。
[0053]本發明提出的毫米波波束賦形方法在本實施例中主要應用在毫米波頻段RRU基站上。RRU基站主要部署在需要重點監測的區域，以山區鐵路沿線為實施例。如圖2所示，為本發明實施例的探測區域示例。探測區域根據危險敏感程度和面積大小被分為3個部分。區I代表鐵軌沿線區域，該區域面積不大，但卻是重點監測的對象，本實施例中設定為高危險敏感區域；區2為有防護欄的邊坡區域，該區域面積適中，但由于緊鄰區I，設定為中度危險敏感區域；區3為山體表面，面積較大，且距離區I較遠，設定為低危險敏感區域。RRU基站上的探測雷達天線陣同時產生3個波束對各個探測區域進行探測。
[0054]由于探測雷達安裝于通信基站上，不能很好的做到天線之間的隔離，會導致同頻回波信號的干擾，所以本發明中探測系統采用非許可證的毫米波頻段，可以使用的帶寬范圍較大，如考慮到大氣損耗及探測精度可選擇19GHz附近頻段，最大帶寬1GHz。各個區域的掃描波束可以使用不同的頻段，以達到各個探測區域的回波隔離的效果。探測雷達距離分辨率與帶寬有關，帶寬越大，距離分辨率越小。角度分辨率與頻率有關，頻率越高，角度分辨率越小。探測雷達距離分辨率和角度分辨率的值越小，對目標的分辨能力越強，更加有利于對目標的分辨與檢測。根據毫米波的衰減特性，距離較近的區域使用較高頻段，距離較遠的區域使用較低頻段，可有效減少路徑損耗。
[0055]根據以上所述，對于區I，由于危險敏感級別為高，因此使用毫米波高頻段的窄波束來得到最高的角度分辨率，此外，使用最大的信號帶寬來得到最高的距離分辨率。設定探測信號中心頻率為20GHz，帶寬為1GHz。對于區2，由于危險敏感度為中等，探測分辨率需求居中，因此使用中間頻段的較寬波束以及較大的信號帶寬得到較好的分辨率。設定探測信號中心頻率為19GHz，帶寬為500MHz。對于區3，由于危險敏感級別為低，因此使用低頻段的寬波束和較小的信號帶寬得到較低的距離分辨率和角度分辨率。設定探測信號中心頻率為18GHz，帶寬為200MHz。該方案很好的將毫米波衰減特性與探測精度等需求相結合，可在一定程度上減少傳輸損耗，減少預警系統的復雜度。
[0056]本發明提出了自適應波束探測算法，對于不同的探測子區域，根據其危險級別的探測需求和區域面積的大小選擇對應的波束掃描方式，既可以滿足危險敏感級別要求的分辨率要求，又可以解決波束寬度與掃描時間的折中問題，同時還可大大提高波束的掃描利用效率。
[0057](I)對于區1，由于危險敏感級別較高，需要準確獲取目標的位置信息。此外，區I面積相對較小，順序掃描區I的全部區域時間較短，所以采用掃描模式，并且采用窄波束；
[0058](2)對于區2，危險敏感級別為中等，面積相對區I較大，只使用窄波束跟蹤掃描完時間較長，容易產生漏檢。只使用寬波束跟蹤掃描時，掃描時間較短，但是角度分辨率較大，不利于實時對目標進行跟蹤。因此自適應波束探測算法可使用混合模式，即先掃描模式后跟蹤模式。掃描模式下使用寬波束，主要用于快速發現目標，跟蹤模式下使用窄波束；
[0059](3)對于區3，由于距離核心探測區較遠，分辨率要求較低，因此自適應波束探測算法在該區域可只使用掃描模式，波束采用寬波束，可以快速掃描完整個區域，快速發現目標，減少漏檢的發生。
[0060]下面以區2為例重點介紹下自適應波束探測算法的混合模式，如圖3，具體步驟如下:
[0061](I)掃描模式下先使用寬波束順序掃描區2，通過對回波信號進行動目標檢測(Moving Targets Detect1n，簡稱MTD)，檢測有無動目標出現，如果有則記錄下目標的徑向距離和速度信息，同時通過波束的碼本信息確定目標的方位信息。全局掃描完后如果有目標出現則跟蹤記錄的目標進入跟蹤模式，否則重復步驟(I);
[0062](2)根據步驟(I)中得到的目標信息，在目標周圍設立矩形掃描窗。掃描窗的寬度與目標的速度成正比。當目標徑向向下運動，水平運動方向未知時，如圖4所示，此時參考窗只需要選取下半區域，選窗的順序為圖中數字的順序。當水平運動方向已知，如圖5，目標向右下角運動，此時選窗范圍還可以進一步縮小，選窗的順序為圖中數字的順序；
[0063](3)根據步驟(2)獲得的掃描窗，使用窄波束依次對掃描窗的區域進行探測，如果探測到目標則重新在新發現的目標周圍設立掃描窗，跳轉到步驟(2)。如果所有掃描窗都探測完還是沒有發現目標，則認為目標跟蹤丟失，退回到步驟(I)的掃描模式。
[0064](4)如果進入跟蹤模式下的時間超過跟蹤容忍時間，退回到步驟(I)的掃描模式。
[0065]本發明同時提出了一種針對不同危險敏感級別探測區域的預警策略，不同危險敏感級別的探測子區域，使用相應的預警策略。在本發明實施例中，區I一旦檢測到目標則通過C_RAN(Centralized-Radiο Access Networks)網絡架構向控制中心以及即將到來的列車發送預警信息；區2、區3主要是用于探測目標運動趨勢，只有目標向鐵軌方向運動才會具有威脅性，因而區2、區3根據所獲得的目標運動軌跡作出預警決策，運動軌跡有向更高級別區域運動的趨勢則發出預警。
[0066]采用本發明的基本方案，在實際實施時，可以衍生出多種不同的等同產品，但凡是根據發明的技術方案及其發明構思，加以等同替換與改變，均被認為屬于發明的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種毫米波波束賦形與探測方法，在較大范圍高危地段提供長期監測及自動預警，通過波束賦形實現定向波束覆蓋，包括如下的技術手段: 將整個監測區域劃分成多個屬于不同危險敏感級別的探測子區域，探測雷達天線陣采用分頻技術同時產生N個波束對每個子區域進行獨立探測；危險敏感級別越高的子區域使用越高的毫米波頻段，越高的信號帶寬和越窄的波束;此外，依子區域不同的危險敏感級另IJ，采用自適應波束探測算法提供相應的波束掃描方式以滿足各子區域對于探測精度和實時性的不同要求； 所述自適應波束探測算法有兩種基本模式:掃描模式和跟蹤模式;掃描模式下，使用波束進行全區域的順序掃描;跟蹤模式下，主要用波束在掃描模式中發現的目標的周圍掃描，如果掃描模式中發現多個目標，則跟蹤模式中采用分時的方式跟蹤多個目標;且: (1)波束處于跟蹤模式下的時間以預先設定的跟蹤容忍時間為度，超過跟蹤容忍時間后即切換到掃描模式； (2)對于危險敏感級別較低的區域，只采取寬波束掃描模式； (3)對于危險敏感級別較高的區域，既要保證實時性又要考慮分辨率要求，因此自適應波束探測算法可使用混合模式，即先掃描模式后跟蹤模式； (4)對于危險敏感級別特別高的區域，只采取窄波束掃描模式。2.根據權利要求1所述的毫米波波束賦形與探測方法，其特征在于，所述自適應波束探測算法中混合模式的具體步驟如下: (1)掃描模式下先使用寬波束順序掃描整個子區域，通過對回波信號進行動目標檢測MTD，檢測有無動目標出現，如果有則記錄下目標的徑向距離和速度信息，同時通過波束的碼本信息確定目標的方位信息;全局掃描完后如果有目標出現則跟蹤記錄的目標進入跟蹤模式，否則重復步驟(I); (2)根據步驟(I)中得到的目標信息，在目標周圍設立矩形掃描窗；掃描窗寬度與目標的速度相關，當目標的方位向運動方向未知時，掃描窗選取徑向運動方向對應的掃描窗口；通過對目標的多次跟蹤，得到目標方位向的運動趨勢，掃描窗選取方位向和徑向運動方向對應的部分掃描窗口，選窗順序以記錄目標為中心，逐漸向外選取； (3)根據步驟(2)獲得的掃描窗，使用窄波束依次對掃描窗的區域進行探測，如果探測到目標，則重新在新發現的目標周圍設立掃描窗，跳轉到步驟(2);如果所有掃描窗都探測完還是沒有發現目標，則認為目標跟蹤丟失，退回到步驟(I)的掃描模式； (4)如果進入跟蹤模式下的時間超過跟蹤容忍時間，退回到步驟(2)的掃描模式。3.根據權利要求1所述的毫米波波束賦形與探測方法，其特征在于，對所述不同危險敏感級別的探測子區域，使用不同的預警策略，所述預警策略具體包括: 危險敏感級別最高的子區域一旦檢測到目標則根據目標的大小判斷是否需要預警;危險敏感級別相對較低的子區域，根據多周期探測積累所獲得的目標運動軌跡作出預警決策，當運動軌跡有向更高級別區域運動的趨勢則預警。
【文檔編號】H04B7/06GK105897324SQ201610312827
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】李超, 方旭明, 何勵勵, 李恒超
【申請人】西南交通大學, 中國鐵路總公司