一種毫米波波束賦形與探測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種毫米波波束賦形與探測方法。為了保證實(shí)時(shí)監(jiān)測，將面積很大的整個(gè)監(jiān)測區(qū)域劃分成多個(gè)屬于不同危險(xiǎn)敏感級別的探測子區(qū)域，探測雷達(dá)天線陣同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束對各個(gè)子區(qū)域進(jìn)行掃描監(jiān)測。此外，不同危險(xiǎn)敏感級別的子區(qū)域通過自適應(yīng)波束探測算法采取相應(yīng)的波束掃描方式，以滿足各子區(qū)域?qū)τ谔綔y精度和實(shí)時(shí)性的不同要求。由于各區(qū)域的危險(xiǎn)敏感級別不同，可針對各區(qū)域分別采用各自最合適的預(yù)警策略。借助與本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)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(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及災(zāi)害和異物入侵探測領(lǐng)域，特別是涉及一種毫米波波束賦形與探測方法
【背景技術(shù)】
[0002]我國地域遼闊，自然地理?xiàng)l件比較復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，極易誘發(fā)各類地質(zhì)災(zāi)害。在我國超過2/3的山區(qū)均有滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。此外，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，但是公路、鐵路、隧道等一些分布在山區(qū)集中地區(qū)的交通線路，其地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。一旦道路旁的山體出現(xiàn)塌方、滑坡、泥石流、雪崩、洪水、異物入侵等現(xiàn)象，則會影響交通線路的運(yùn)營安全，也會對人類生命安全和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)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(jiān)測并能夠提供預(yù)警的自動探測及預(yù)警技術(shù)。
[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(tǒng)更容易小型化。為此，它們在通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、遙感技術(shù)、射電天文學(xué)和波譜學(xué)方面都有重大的意義。
[0004]通過對現(xiàn)有專利及相關(guān)技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的關(guān)于自然災(zāi)害和異物入侵監(jiān)測預(yù)警的方案主要有三類:
[0005](I)通過在災(zāi)害多發(fā)地段布設(shè)無線傳輸傳感器和監(jiān)測基站[I ]，監(jiān)測基站獲取無線傳輸傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。傳感器類型包括地質(zhì)位移傳感器、土壤水分傳感器、雨量傳感器、開關(guān)量傳感器或者傾角傳感器等，監(jiān)測站通過對傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析判斷有無自然災(zāi)害或異物入侵危險(xiǎn)發(fā)生。
[0006](2)使用激光對預(yù)定區(qū)域進(jìn)行水平激光照射，同時(shí)通過視頻監(jiān)控設(shè)備采集預(yù)定區(qū)域的圖像[2]。當(dāng)存在激光反射特征，且確定所述激光發(fā)射特征滿足特定條件時(shí)，判斷該區(qū)域存在障礙物，然后通過采集的圖像人工輔助判斷危險(xiǎn)性。
[0007](3)在需要監(jiān)視的重點(diǎn)區(qū)域，通過近程警戒雷達(dá)掃描探測。文獻(xiàn)[3]提出了將警戒雷達(dá)應(yīng)用在邊界線上，用于發(fā)現(xiàn)和識別試圖通過邊界線上的車輛、行人和其他物體。文獻(xiàn)
[4]將近程警戒雷達(dá)應(yīng)用在鐵路災(zāi)害監(jiān)測上，鋼軌兩側(cè)各安裝I個(gè)雷達(dá)探測器，組成100米范圍立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。通過計(jì)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(xiàn)
[5]提出了在機(jī)場跑道異物檢測上應(yīng)用近程警戒雷達(dá)與攝像交互檢測的方案，避免跑道異物對機(jī)場安全造成的危害。
[0008]上述現(xiàn)有技術(shù)(I)中，無線傳輸傳感器監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測基站需要沿監(jiān)測區(qū)域(如鐵路、公路沿線)大密度鋪設(shè)，維護(hù)成本較高，且如果部分傳感器出現(xiàn)異常，則導(dǎo)致整體監(jiān)測系統(tǒng)的故障，且其災(zāi)害預(yù)警性能還取決于信息傳輸通道的可靠性。同時(shí)，該方案只局限于對滑坡的監(jiān)測，對于落石、異物侵限等失去監(jiān)測功能。
[0009]上述現(xiàn)有技術(shù)(2)中，激光探測僅局限于平面探測，不能探測出目標(biāo)的立體信息。在夜間探測時(shí)需要額外使用可見光對預(yù)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(yán)重影響圖像信息的采集質(zhì)量，因而當(dāng)激光探測出異常狀態(tài)時(shí)，不能準(zhǔn)確判斷是何種災(zāi)害引起，導(dǎo)致大量虛警出現(xiàn)。
[0010]上述現(xiàn)有技術(shù)(3)中，為了將雷達(dá)探測結(jié)果回傳給監(jiān)控中心，需要專門搭建一套監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，重復(fù)利用率低。由于出現(xiàn)災(zāi)害的概率較低，且每個(gè)雷達(dá)獨(dú)立工作，會造成雷達(dá)信號處理性能的冗余和成本的浪費(fèi)。雷達(dá)采用機(jī)械掃描方式，掃描周期長，可探測的區(qū)域有限，且易發(fā)生漏檢。系統(tǒng)預(yù)警的方式是探測到目標(biāo)就采取預(yù)警，無法對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤以獲取更詳細(xì)的信息，使得系統(tǒng)虛警率偏高。采用圖像識別技術(shù)，不利于獲取災(zāi)害發(fā)生的具體地點(diǎn)以及采取應(yīng)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(xiàn)
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]鑒于以上陳述的已有方案的不足，本發(fā)明的目的是提供一種用于自然災(zāi)害和異物入侵探測的毫米波波束賦形方法及預(yù)警系統(tǒng)。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(jiān)測及自動預(yù)警，通過波束賦形實(shí)現(xiàn)定向波束覆蓋，包括如下的技術(shù)手段:
[0019]將整個(gè)監(jiān)測區(qū)域劃分成多個(gè)屬于不同危險(xiǎn)敏感級別的探測子區(qū)域，探測雷達(dá)天線陣采用分頻技術(shù)同時(shí)產(chǎn)生N個(gè)波束對每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立探測；危險(xiǎn)敏感級別越高的子區(qū)域使用越高的毫米波頻段的波束;此外，依子區(qū)域不同的危險(xiǎn)敏感級別，采用自適應(yīng)波束探測算法提供相應(yīng)的波束掃描方式以滿足各子區(qū)域?qū)τ谔綔y精度和實(shí)時(shí)性的不同要求。
[0020]所述自適應(yīng)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(jìn)行全區(qū)域的順序掃描;跟蹤模式下，主要用波束在掃描模式中發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)的周圍掃描，如果掃描模式中發(fā)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)，則跟蹤模式中采用分時(shí)的方式跟蹤多個(gè)目標(biāo);且:
[0021](I)波束處于跟蹤模式下的時(shí)間以預(yù)先設(shè)定的跟蹤容忍時(shí)間為度，超過跟蹤容忍時(shí)間后即切換到掃描模式；
[0022](2)對于危險(xiǎn)敏感級別較低的區(qū)域，只采取寬波束掃描模式；
[0023](3)對于危險(xiǎn)敏感級別較高的區(qū)域，既要保證實(shí)時(shí)性又要考慮分辨率要求，因此自適應(yīng)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(xiǎn)敏感級別特別高的區(qū)域，只采取窄波束掃描模式。
[0025]在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)發(fā)生災(zāi)害的可能性大小以及危險(xiǎn)程度設(shè)置不同的危險(xiǎn)敏感級另IJ，例如，根據(jù)監(jiān)測需求將危險(xiǎn)敏感級別為設(shè)置高、中、低三種。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域較大時(shí)，為了保證探測實(shí)時(shí)性，將整個(gè)探測區(qū)域根據(jù)探測周期和掃描速度分成N個(gè)子區(qū)域，探測雷達(dá)天線陣采用分頻技術(shù)同時(shí)產(chǎn)生N個(gè)波束，對每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立探測。并且按發(fā)生災(zāi)害的概率以及危險(xiǎn)程度對各個(gè)子區(qū)域進(jìn)行危險(xiǎn)敏感級別劃分。
[0026]危險(xiǎn)級別為高的子區(qū)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(xiǎn)級別為中等的子區(qū)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(xiǎn)級別為低的子區(qū)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(jù)場景需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到各個(gè)探測子區(qū)域的角度分辨率的需求以及回波干擾隔離。根據(jù)各個(gè)子區(qū)域的距離分辨率需求，不同危險(xiǎn)級別子區(qū)域使用不同的探測信號帶寬，危險(xiǎn)級別越高的子區(qū)域使用的信號帶寬越大。
[0027]在不同的探測子區(qū)域，根據(jù)自適應(yīng)波束探測算法確定波束掃描方式。自適應(yīng)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(jìn)行全區(qū)域的順序掃描。跟蹤模式下，主要用波束在掃描模式中發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)的周圍掃描。如果掃描模式中發(fā)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)，則跟蹤模式中采用分時(shí)的方式跟蹤的多個(gè)目標(biāo)。為了保證波束在跟蹤目標(biāo)的同時(shí)又能兼顧全區(qū)域內(nèi)有無其他目標(biāo)出現(xiàn)，本發(fā)明提出了跟蹤容忍時(shí)間的定義，即當(dāng)波束處于跟蹤模式下的時(shí)間超過跟蹤容忍時(shí)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(qū)域的危險(xiǎn)敏感級別有關(guān)。危險(xiǎn)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(xiǎn)敏感級別的子區(qū)域使用自適應(yīng)波束探測算法時(shí)采用不同的工作方式。具體如下:
[0029](I)對于危險(xiǎn)敏感級別低的區(qū)域，需要的探測分辨率不必太高，因此自適應(yīng)波束探測算法在該區(qū)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(gè)區(qū)域，快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，減少漏檢的發(fā)生；
[0030](2)對于危險(xiǎn)敏感級別較高的區(qū)域，既要保證實(shí)時(shí)性又要考慮分辨率要求，因此自適應(yīng)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(fā)現(xiàn)目標(biāo)，跟蹤模式下使用窄波束。
[0031](3)對于危險(xiǎn)敏感級別特別高的區(qū)域，分辨率要求很高，區(qū)域面積較小時(shí)，順序掃描全區(qū)域的時(shí)間較小，可只米取窄波束掃描模式。
[0032]自適應(yīng)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(gè)子區(qū)域，通過對回波信號進(jìn)行動目標(biāo)檢測(Moving Targets Detect1n，簡稱MTD)，檢測有無動目標(biāo)出現(xiàn)，如果有，則記錄下目標(biāo)的徑向距離和速度信息，同時(shí)通過波束的碼本信息確定目標(biāo)的方位信息。全局掃描完后如果有目標(biāo)出現(xiàn)則跟蹤記錄的目標(biāo)進(jìn)入跟蹤模式，否則重復(fù)步驟(I);
[0034](2)根據(jù)步驟(I)中得到的目標(biāo)信息，在目標(biāo)周圍設(shè)立矩形掃描窗。掃描窗的寬度跟目標(biāo)的速度有關(guān)。當(dāng)目標(biāo)的方位向運(yùn)動方向未知時(shí)，掃描窗選取徑向運(yùn)動方向?qū)?yīng)的掃描窗口。通過對目標(biāo)的多次跟蹤，可以得到目標(biāo)方位向的運(yùn)動趨勢，掃描窗選取方位向和徑向運(yùn)動方向?qū)?yīng)的部分掃描窗口，選窗順序?yàn)橐杂涗浤繕?biāo)為中心，逐漸向外選?。?br>[0035](3)根據(jù)步驟(2)獲得的掃描窗，使用窄波束依次對掃描窗的區(qū)域進(jìn)行探測，如果探測到目標(biāo)則重新在新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)周圍設(shè)立掃描窗，跳轉(zhuǎn)到步驟(2)。如果所有掃描窗都探測完還是沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則認(rèn)為目標(biāo)跟蹤丟失，退回到步驟(I)的掃描模式。
[0036](4)如果進(jìn)入跟蹤模式下的時(shí)間超過跟蹤容忍時(shí)間，退回到步驟(I)的掃描模式。
[0037]不同危險(xiǎn)敏感級別的探測子區(qū)域，使用不同的預(yù)警策略。危險(xiǎn)敏感級別最高的子區(qū)域一旦檢測到目標(biāo)則根據(jù)目標(biāo)的大小判斷是否需要預(yù)警;危險(xiǎn)敏感級別相對較低的子區(qū)域，根據(jù)多周期探測積累所獲得的目標(biāo)運(yùn)動軌跡作出預(yù)警決策，當(dāng)運(yùn)動軌跡有向更高級別區(qū)域運(yùn)動的趨勢則預(yù)警。
[0038]本發(fā)明有益效果如下:
[0039]近距離的高危險(xiǎn)級子區(qū)域采用高頻段的窄波束，遠(yuǎn)距離的低危險(xiǎn)級子區(qū)域采用低頻段的寬波束，減少毫米波損耗，滿足各個(gè)子區(qū)域的探測角度分辨率需求。
[0040]不同危險(xiǎn)敏感級別的子區(qū)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(yīng)波束跟蹤掃描可根據(jù)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(xiǎn)敏感級別的探測區(qū)域使用不同的預(yù)警策略，使得預(yù)警流程更加合理化，有效減少虛警率，僅預(yù)警會對系統(tǒng)安全產(chǎn)生較高威脅的目標(biāo)。
[0043]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉例本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
【附圖說明】
[0044]通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0045]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示意圖；
[0046]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的鐵路探測區(qū)域的示例圖；
[0047]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的自適應(yīng)波束探測方案中的混合波束的流程圖；；
[0048]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的水平運(yùn)動方向未知的掃描窗選取示例圖；
[0049]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的水平運(yùn)動方向已知的掃描窗選取示例圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050]下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的示例性實(shí)施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實(shí)施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施例所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)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(fā)明提供了一種毫米波波束賦形與探測方法，本發(fā)明實(shí)例將毫米波波束賦形方法實(shí)施于鐵路沿線自然災(zāi)害和異物入侵探測，能夠提高鐵路沿線自然災(zāi)害與鐵軌周圍異物入侵的檢測效率。
[0052]如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示意圖，為實(shí)現(xiàn)資源共享、減少建設(shè)成本，本探測雷達(dá)探測系統(tǒng)與鐵路移動通信系統(tǒng)共站建設(shè)，其組成包括BBlKBuildingBase band Unit)池、交換結(jié)構(gòu)、公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)授權(quán)頻段RRU(Rad1 Remote Unit)與非授權(quán)毫米波頻段RRU，RRU通過高速回傳與交換結(jié)構(gòu)連接，然后交換結(jié)構(gòu)通過高速回傳連接到BBU池。公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)授權(quán)頻段RRU進(jìn)行大范圍覆蓋，保障低容量通信數(shù)據(jù)的可靠傳輸;毫米波頻段RRU布置天線陣，通過波束賦形技術(shù)實(shí)現(xiàn)定向波束覆蓋。為提高通信與災(zāi)害探測的有效性，當(dāng)有列車通過時(shí)，毫米波頻段RRU與列車進(jìn)行通信;沒有列車通過時(shí)，進(jìn)行波束掃描、環(huán)境監(jiān)測。特別需要說明的是，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，通信與探測也可以使用頻分的方式同時(shí)全時(shí)段工作。
[0053]本發(fā)明提出的毫米波波束賦形方法在本實(shí)施例中主要應(yīng)用在毫米波頻段RRU基站上。RRU基站主要部署在需要重點(diǎn)監(jiān)測的區(qū)域，以山區(qū)鐵路沿線為實(shí)施例。如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例的探測區(qū)域示例。探測區(qū)域根據(jù)危險(xiǎn)敏感程度和面積大小被分為3個(gè)部分。區(qū)I代表鐵軌沿線區(qū)域，該區(qū)域面積不大，但卻是重點(diǎn)監(jiān)測的對象，本實(shí)施例中設(shè)定為高危險(xiǎn)敏感區(qū)域；區(qū)2為有防護(hù)欄的邊坡區(qū)域，該區(qū)域面積適中，但由于緊鄰區(qū)I，設(shè)定為中度危險(xiǎn)敏感區(qū)域；區(qū)3為山體表面，面積較大，且距離區(qū)I較遠(yuǎn)，設(shè)定為低危險(xiǎn)敏感區(qū)域。RRU基站上的探測雷達(dá)天線陣同時(shí)產(chǎn)生3個(gè)波束對各個(gè)探測區(qū)域進(jìn)行探測。
[0054]由于探測雷達(dá)安裝于通信基站上，不能很好的做到天線之間的隔離，會導(dǎo)致同頻回波信號的干擾，所以本發(fā)明中探測系統(tǒng)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(gè)區(qū)域的掃描波束可以使用不同的頻段，以達(dá)到各個(gè)探測區(qū)域的回波隔離的效果。探測雷達(dá)距離分辨率與帶寬有關(guān)，帶寬越大，距離分辨率越小。角度分辨率與頻率有關(guān)，頻率越高，角度分辨率越小。探測雷達(dá)距離分辨率和角度分辨率的值越小，對目標(biāo)的分辨能力越強(qiáng)，更加有利于對目標(biāo)的分辨與檢測。根據(jù)毫米波的衰減特性，距離較近的區(qū)域使用較高頻段，距離較遠(yuǎn)的區(qū)域使用較低頻段，可有效減少路徑損耗。
[0055]根據(jù)以上所述，對于區(qū)I，由于危險(xiǎn)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(shè)定探測信號中心頻率為20GHz，帶寬為1GHz。對于區(qū)2，由于危險(xiǎn)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(shè)定探測信號中心頻率為19GHz，帶寬為500MHz。對于區(qū)3，由于危險(xiǎn)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(shè)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(jié)合，可在一定程度上減少傳輸損耗，減少預(yù)警系統(tǒng)的復(fù)雜度。
[0056]本發(fā)明提出了自適應(yīng)波束探測算法，對于不同的探測子區(qū)域，根據(jù)其危險(xiǎn)級別的探測需求和區(qū)域面積的大小選擇對應(yīng)的波束掃描方式，既可以滿足危險(xiǎn)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(shí)間的折中問題，同時(shí)還可大大提高波束的掃描利用效率。
[0057](I)對于區(qū)1，由于危險(xiǎn)敏感級別較高，需要準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的位置信息。此外，區(qū)I面積相對較小，順序掃描區(qū)I的全部區(qū)域時(shí)間較短，所以采用掃描模式，并且采用窄波束；
[0058](2)對于區(qū)2，危險(xiǎn)敏感級別為中等，面積相對區(qū)I較大，只使用窄波束跟蹤掃描完時(shí)間較長，容易產(chǎn)生漏檢。只使用寬波束跟蹤掃描時(shí)，掃描時(shí)間較短，但是角度分辨率較大，不利于實(shí)時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。因此自適應(yīng)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(fā)現(xiàn)目標(biāo)，跟蹤模式下使用窄波束；
[0059](3)對于區(qū)3，由于距離核心探測區(qū)較遠(yuǎn)，分辨率要求較低，因此自適應(yīng)波束探測算法在該區(qū)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(gè)區(qū)域，快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，減少漏檢的發(fā)生。
[0060]下面以區(qū)2為例重點(diǎn)介紹下自適應(yīng)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(qū)2，通過對回波信號進(jìn)行動目標(biāo)檢測(Moving Targets Detect1n，簡稱MTD)，檢測有無動目標(biāo)出現(xiàn)，如果有則記錄下目標(biāo)的徑向距離和速度信息，同時(shí)通過波束的碼本信息確定目標(biāo)的方位信息。全局掃描完后如果有目標(biāo)出現(xiàn)則跟蹤記錄的目標(biāo)進(jìn)入跟蹤模式，否則重復(fù)步驟(I);
[0062](2)根據(jù)步驟(I)中得到的目標(biāo)信息，在目標(biāo)周圍設(shè)立矩形掃描窗。掃描窗的寬度與目標(biāo)的速度成正比。當(dāng)目標(biāo)徑向向下運(yùn)動，水平運(yùn)動方向未知時(shí)，如圖4所示，此時(shí)參考窗只需要選取下半?yún)^(qū)域，選窗的順序?yàn)閳D中數(shù)字的順序。當(dāng)水平運(yùn)動方向已知，如圖5，目標(biāo)向右下角運(yùn)動，此時(shí)選窗范圍還可以進(jìn)一步縮小，選窗的順序?yàn)閳D中數(shù)字的順序；
[0063](3)根據(jù)步驟(2)獲得的掃描窗，使用窄波束依次對掃描窗的區(qū)域進(jìn)行探測，如果探測到目標(biāo)則重新在新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)周圍設(shè)立掃描窗，跳轉(zhuǎn)到步驟(2)。如果所有掃描窗都探測完還是沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則認(rèn)為目標(biāo)跟蹤丟失，退回到步驟(I)的掃描模式。
[0064](4)如果進(jìn)入跟蹤模式下的時(shí)間超過跟蹤容忍時(shí)間，退回到步驟(I)的掃描模式。
[0065]本發(fā)明同時(shí)提出了一種針對不同危險(xiǎn)敏感級別探測區(qū)域的預(yù)警策略，不同危險(xiǎn)敏感級別的探測子區(qū)域，使用相應(yīng)的預(yù)警策略。在本發(fā)明實(shí)施例中，區(qū)I一旦檢測到目標(biāo)則通過C_RAN(Centralized-Radiο Access Networks)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向控制中心以及即將到來的列車發(fā)送預(yù)警信息；區(qū)2、區(qū)3主要是用于探測目標(biāo)運(yùn)動趨勢，只有目標(biāo)向鐵軌方向運(yùn)動才會具有威脅性，因而區(qū)2、區(qū)3根據(jù)所獲得的目標(biāo)運(yùn)動軌跡作出預(yù)警決策，運(yùn)動軌跡有向更高級別區(qū)域運(yùn)動的趨勢則發(fā)出預(yù)警。
[0066]采用本發(fā)明的基本方案，在實(shí)際實(shí)施時(shí)，可以衍生出多種不同的等同產(chǎn)品，但凡是根據(jù)發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思，加以等同替換與改變，均被認(rèn)為屬于發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(jiān)測及自動預(yù)警，通過波束賦形實(shí)現(xiàn)定向波束覆蓋，包括如下的技術(shù)手段: 將整個(gè)監(jiān)測區(qū)域劃分成多個(gè)屬于不同危險(xiǎn)敏感級別的探測子區(qū)域，探測雷達(dá)天線陣采用分頻技術(shù)同時(shí)產(chǎn)生N個(gè)波束對每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立探測；危險(xiǎn)敏感級別越高的子區(qū)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(qū)域不同的危險(xiǎn)敏感級另IJ，采用自適應(yīng)波束探測算法提供相應(yīng)的波束掃描方式以滿足各子區(qū)域?qū)τ谔綔y精度和實(shí)時(shí)性的不同要求； 所述自適應(yīng)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(jìn)行全區(qū)域的順序掃描;跟蹤模式下，主要用波束在掃描模式中發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)的周圍掃描，如果掃描模式中發(fā)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)，則跟蹤模式中采用分時(shí)的方式跟蹤多個(gè)目標(biāo);且: (1)波束處于跟蹤模式下的時(shí)間以預(yù)先設(shè)定的跟蹤容忍時(shí)間為度，超過跟蹤容忍時(shí)間后即切換到掃描模式； (2)對于危險(xiǎn)敏感級別較低的區(qū)域，只采取寬波束掃描模式； (3)對于危險(xiǎn)敏感級別較高的區(qū)域，既要保證實(shí)時(shí)性又要考慮分辨率要求，因此自適應(yīng)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(xiǎn)敏感級別特別高的區(qū)域，只采取窄波束掃描模式。2.根據(jù)權(quán)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(yīng)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(gè)子區(qū)域，通過對回波信號進(jìn)行動目標(biāo)檢測MTD，檢測有無動目標(biāo)出現(xiàn)，如果有則記錄下目標(biāo)的徑向距離和速度信息，同時(shí)通過波束的碼本信息確定目標(biāo)的方位信息;全局掃描完后如果有目標(biāo)出現(xiàn)則跟蹤記錄的目標(biāo)進(jìn)入跟蹤模式，否則重復(fù)步驟(I); (2)根據(jù)步驟(I)中得到的目標(biāo)信息，在目標(biāo)周圍設(shè)立矩形掃描窗；掃描窗寬度與目標(biāo)的速度相關(guān)，當(dāng)目標(biāo)的方位向運(yùn)動方向未知時(shí)，掃描窗選取徑向運(yùn)動方向?qū)?yīng)的掃描窗口；通過對目標(biāo)的多次跟蹤，得到目標(biāo)方位向的運(yùn)動趨勢，掃描窗選取方位向和徑向運(yùn)動方向?qū)?yīng)的部分掃描窗口，選窗順序以記錄目標(biāo)為中心，逐漸向外選取； (3)根據(jù)步驟(2)獲得的掃描窗，使用窄波束依次對掃描窗的區(qū)域進(jìn)行探測，如果探測到目標(biāo)，則重新在新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)周圍設(shè)立掃描窗，跳轉(zhuǎn)到步驟(2);如果所有掃描窗都探測完還是沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則認(rèn)為目標(biāo)跟蹤丟失，退回到步驟(I)的掃描模式； (4)如果進(jìn)入跟蹤模式下的時(shí)間超過跟蹤容忍時(shí)間，退回到步驟(2)的掃描模式。3.根據(jù)權(quán)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(xiǎn)敏感級別的探測子區(qū)域，使用不同的預(yù)警策略，所述預(yù)警策略具體包括: 危險(xiǎn)敏感級別最高的子區(qū)域一旦檢測到目標(biāo)則根據(jù)目標(biāo)的大小判斷是否需要預(yù)警;危險(xiǎn)敏感級別相對較低的子區(qū)域，根據(jù)多周期探測積累所獲得的目標(biāo)運(yùn)動軌跡作出預(yù)警決策，當(dāng)運(yùn)動軌跡有向更高級別區(qū)域運(yùn)動的趨勢則預(yù)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(fā)明人】李超, 方旭明, 何勵(lì)勵(lì), 李恒超
【申請人】西南交通大學(xué), 中國鐵路總公司