一種基于定位濾波算法的相控陣雷達目標識別系統及方法與流程

本發明涉及監獄、安防等監控領域，具體涉及一種基于定位濾波算法的相控陣雷達目標識別系統及方法。

背景技術：

監獄、看守所一直以來都是安全防范的重點部門。隨著科技的發展及信息技術的普及，這些單位的安防措施也在不斷升級和優化。從早期單一的監控報警系統，一直到現在的數字化、網絡化綜合安防系統。新型安防系統的建設進入了一個新的階段，安防的智能化、自動化、網絡化、信息化和集成化已成為必然的趨勢。監獄報警系統通過對監獄圍墻、隔離帶區域進行嚴密的監控，杜絕越獄事件的發生。傳統物理周界系統是由圍墻、刀刺滾籠、隔離網、高壓電網等手段，配以武警24小時崗哨，基本滿足監獄的要求。但隨著一些惡性越獄事件的發生，對社會造成極其惡劣的影響，監獄安防系統的升級勢在必行，電子周界報警系統應運而生。

目前的電子周界系統主要采用紅外對射、震動電纜、泄露電纜、微波對射等手段，不僅受周圍環境、天氣和電磁干擾影響，而且識別性能差、誤報多且漏洞較多，易被犯人利用及突破。

技術實現要素：

為解決現有技術存在的不足，本發明公開了一種基于定位濾波算法的相控陣雷達目標識別系統及方法，應用于監獄的周界識別。

為實現上述目的，本發明的具體方案如下：

一種基于定位濾波算法的相控陣雷達目標識別系統，包括：

相控陣雷達，用于將所檢測的區域的運動目標的參數并上報至監控終端；

監控終端，用于根據上報的信息判斷是否有運動目標出現在設定的防區范圍內，并將判斷信息傳輸至雷達監控主機，雷達監控主機與監控平臺通信；

監控平臺，用于對整個監控區域下監控終端的防區范圍的進行設置；

監控終端針對上報的信息采用定位濾波算法對運動目標進行識別定位并將定位信息依次傳輸至雷達監控主機及監控平臺。

進一步的，所述監控平臺與雷達監控主機通過以太網方式連接，通過監控平臺進行設置防區范圍，并且將設置的防區范圍信息下發給雷達監控主機，雷達監控主機再將信息下發給監測終端，監測終端對配置的防區范圍信息進行保存。

進一步的，所述監控平臺進行設置防區范圍時使用多邊形防區規劃方式進行設置。

進一步的，所述雷達監控主機與監控終端連接，通過電纜給監控終端供電。

進一步的，所述雷達監控主機和監控終端采用的通信方式為CAN總線方式、以太網方式或光纖環網方式，通過更換不同的通信轉換器實現監控主機和監控終端之間的連接。

進一步的，所述監控終端與相控陣雷達通過RS232串口連接，進行通信信息的交互。監控終端與雷達監控主機電源和通信接口處配置相應的防雷擊保護單元。

一種基于定位濾波算法的相控陣雷達目標識別方法，包括以下步驟：

當相控陣雷達監控規劃的防區范圍內出現運動目標時，相控陣雷達將監控數據傳給監控終端；

監控終端進行判斷：當目標回波功率在設定范圍內且同時在防區范圍內時，認為該運動目標為有效目標；

監控終端開啟窗口模式，進入預警狀態；

根據監控平臺設定的告警時間，在規定時間內，窗口數據不滿，則清窗，回到初始狀態，重新監測運動目標；

相控陣雷達繼續在規劃的防區范圍內監視運動目標，監控終端繼續進行判斷，當目標回波功率在設定范圍內且同時在防區范圍內時，認為該運動目標為有效目標；

當再次出現運動目標以后，目標的位置坐標數據在以上一個目標點的坐標位置為圓心，時間*K為半徑的范圍內時，確定為監控目標，加入窗口；時間指的是兩側上報的目標時間間隔；

在規定時間內，當窗口數據滿時，監控終端進入告警狀態，現場聯動語音和燈光告警。

進一步的，所述監控終端判斷在防區范圍內利用改進弧長法確定目標點是否在設定的多邊形防區范圍內。

進一步的，所述改進弧長法要求多邊形是有向多邊形，即規定沿多邊形的正向，邊的左側為多邊形的內域，以被測點為圓心，作單位圓，將全部有向邊向單位圓作徑向投影，并計算其在單位圓上弧長的代數和，代數和為0，目標點在多邊形外部；代數和為2π，目標點在多邊形內部；代數和為π，目標點在多邊形邊上。

進一步的，將設定的多邊形的坐標原點平移到被測目標點P[i]，新坐標系將平面劃分為4個象限，對每個多邊形頂點，只考慮其所在的象限，然后按鄰接順序訪問多邊形的各個頂點，分析P[i]和P[i+1]，其中，P[i+1]表示P[i]的下一個頂點，有下列三種情況：

(1)P[i+1]在P[i]的下一象限，此時弧長和加π/2；

(2)P[i+1]在P[i]的上一象限，此時弧長和減π/2；

(3)P[i+1]在P[i]的相對象限，首先計算f＝y[i+1]*x[i]-x[i+1]*y[i](叉積)，若f＝0，則點在多邊形上；若f<0，弧長和減π；若f>0，弧長和加π，x[i]和y[i]表示P[i]的坐標，同理，x[i+1]y[i+1]是P[i+1]的坐標。

弧長和為2π時，目標點在多邊形內部；0時，目標點在多邊形外部，π時，目標點在多邊形上。

進一步的，計算出弧長和，結合相控陣雷達所能檢測的區域為左右30°，上下20°的扇型區域，確定出目標點是否在相控雷達設定的監視區域范圍內。

進一步的，所述監控目標的確定采用滑動窗口的方式，窗口大小利用監控平臺設定的告警確認次數進行調節，窗口大小與告警確認次數相同，告警確認次數表示需要檢測到監控目標次數后才進行告警。

進一步的，當監控終端的窗口數據進入告警狀態以后，同時滿足回波功率范圍并且在設定目標防區范圍的有效數據，均上傳至監控平臺，由監控平臺進行目標融合處理。

進一步的，目標融合處理，是指監控平臺融合多個相控陣雷達上報的重合的區域，防止一個目標展示為多個目標，記錄并更新告警時間。

在監控終端的防區范圍內的固定障礙物設定一個圓形區域，在監控時，對此區域的目標進行濾除，不作為有效目標。

本發明的有益效果：

通過本發明的實施，可以對設定的有效監視區域內的目標進行動態監測，同時通過監控目標的確定和濾除算法，可以識別有效的目標，去除干擾和無效目標。有效的減少了誤報警。

應用于監獄的周界識別，對監獄圍墻、隔離帶區域進行嚴密的監控，杜絕越獄事件的發生。

本發明所用相控陣雷達具有體積小、重量輕、可靠性高、價格便宜以及無距離盲區、無速度盲點、高距離分辨力、良好的抗干擾性能等優點。系統穩定性和可靠性更高，提高了監獄的監控安全性。

附圖說明

圖1本本發明系統示意圖；

圖2位本發明監控區域示意圖；

圖3為本發明目標識別及其濾波流程圖。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明進行詳細說明：

如圖1所示，一種相控雷達目標識別系統包括監控平臺，雷達監控主機，監測終端以及與監控終端連接的相控陣雷達。本系統可以包含多個雷達監控主機，每臺監控主機可以掛載多個監控終端，各個監控終端之間的防區可以根據需求靈活配置，從而形成全面完整的監控區域。

監控平臺與雷達監控主機通過以太網方式連接，工作人員通過監控平臺可以進行防區設置，并且將防區設置的信息下發給監控主機，監控主機再將信息下發給監測終端，監測終端對防區配置信息進行保存。監控平臺可以根據用戶需求實現地圖展示、目標展示、聯動報警、目標排查、數據記錄、目標軌跡展示、防區規劃、目標融合、目標跟蹤等功能。

雷達監控主機與監控終端連接，通過電纜給監控終端供電。監控主機和監控終端可以采用多種通信方式，一種為CAN總線方式，一種為以太網方式，一種為光纖環網方式，通過更換不同的通信轉換器實現監控主機和監控終端之間的連接。

監控終端與相控陣雷達通過RS232串口連接，進行通信信息的交互。監控終端與監控主機電源和通信接口處配置相應的防雷擊保護單元，以適應室外安裝環境，保證系統運行可靠穩定。

相控陣雷達采用微帶相控陣天線設計，FMCW體制，無需機械運動部件，實時掃描監控區域。水平角度30度，垂直角度20度，半徑80米范圍，最多追蹤32個目標。

相控雷達定時將檢測到的運動目標的位置、速度、回波功率等參數通過RS232串口上報至監測終端，監測終端根據上報的信息進行判斷，確定是否有目標出現在防區范圍，如果防區內有目標出現，進行告警處理。為濾除小目標、閃爍目標等干擾，檢測終端需要對雷達上報的進行分析處理，最終對目標進行識別定位。

監控終端之間的負責的防區范圍存在重復的位置，重復的部分由監控平臺根據各個相控陣雷達上報的位置以及相對位置關系進行融合。

監測終端識別定位的具體的過程為：

步驟1：雷達監控的防區規劃；

步驟2：監控目標確定及濾除算法；

步驟3：監控區域目標濾除以及小目標過濾；

所述步驟1，如圖2所示，相控陣雷達所能檢測的區域為左右30°，上下20°的錐型區域，現場使用時往往需要確定監測范圍。本系統使用平面的多邊形防區規劃方式，由監控平臺設定防區位置后，下發至監控終端。相控陣雷達的檢測范圍是四棱錐形，但是相控陣雷達在上報時采用的是基于平面扇型區域的坐標。

監控終端得到雷達上報的目標后，利用改進弧長法確定目標點是否在多邊型防區范圍內。

改進弧長法要求多邊形是有向多邊形，即規定沿多邊形的正向，邊的左側為多邊形的內域。以被測點為圓心，作單位圓，將全部有向邊向單位圓作徑向投影，并計算其在單位圓上弧長的代數和。代數和為0，點在多邊形外部；代數和為2π，點在多邊形內部；代數和為π，點在多邊形邊上。改進弧長法用于判斷一個點是否在設定的多邊形防區內。

將設定的多邊形的坐標原點平移到被測目標點P[i]，新坐標系將平面劃分為4個象限，對每個多邊形頂點，只考慮其所在的象限，然后按鄰接順序訪問多邊形的各個頂點，分析P[i]和P[i+1]，其中，P[i+1]表示P[i]的下一個頂點，有下列三種情況：

(1)P[i+1]在P[i]的下一象限，此時弧長和加π/2；

(2)P[i+1]在P[i]的上一象限，此時弧長和減π/2；

(3)P[i+1]在P[i]的相對象限，首先計算f＝y[i+1]*x[i]-x[i+1]*y[i](叉積)，若f＝0，則點在多邊形上；若f<0，弧長和減π；若f>0，弧長和加π，x[i]和y[i]表示P[i]的坐標，同理，x[i+1]y[i+1]是P[i+1]的坐標。

弧長和為2π時，目標點在多邊形內部；0時，目標點在多邊形外部，π時，目標點在多邊形上。

根據以上方法計算出弧長和，結合相控雷達所能檢測的區域為左右30°，上下20°的扇型區域，就可以確定出目標點是否在相控雷達設定的監視區域范圍內。

步驟2，監控目標的確定采用滑動窗口的方式，窗口大小利用監控平臺設定的告警確認次數進行調節，窗口大小與告警確認次數相同。告警確認次數表示需要檢測到設定目標次數后才進行告警。此處的滑動窗口指的是軟件實現的浮動的緩存。

滑動窗口的方式是指，當有雷達監控規劃的防區內出現目標，且目標回波功率在設定范圍內，監控終端開啟窗口模式，進入預警狀態。

回波功率指的是目標在雷達監測下的類似于反射指標。其大小反應了目標對雷達發射波信號后，目標反射信號強度的大小，常用與目標大小判斷。

相控雷達繼續在規劃的防區內監視目標，當再次出現目標以后，目標的位置坐標數據以上一個目標點的坐標位置為圓心，時間*K為半徑的范圍內時，加入窗口。這里用一個K作為系數，原因為目標距離雷達越遠時，位置誤差越大，因此，需要一個與目標距離雷達的距離相關的動態系數K，此系數由監控平臺設定。突然閃爍的目標，不會滿足此要求，此處對突然閃爍的目標進行濾除。時間指的是兩側上報的目標時間間隔。如果目標在檢測范圍內時，200ms上報一次目標。如果其中一次為檢測到時，時間取400ms。兩次未檢測到時，取600，依次類推。

根據系統設定的告警時間，例如：1S內，當窗口數據滿時，也即是符合要求的目標數達到設定要求，也就是到達監控平臺給監控終端設定的告警確認次數時，監控終端進入告警狀態，現場聯動語音和燈光告警。當時間到，但是窗口數據不滿，則清窗。

當監控終端的窗口數據進入告警狀態以后，同時滿足回波功率范圍并且在設定目標防區的有效數據，均上傳至監控平臺，由監控平臺進行目標融合處理。

所謂目標融合處理，是指監控平臺融合多個雷達上報的重合的區域，監控平臺根據雷達的坐標關系，確認兩個雷達上報的目標是否是同一個目標，從而進行融合處理，同時又防止一個目標展示為多個目標，記錄并更新告警時間。

例如：告警時間設定為20S，窗口為2。

告警時間剩余15s時，如果新進入一個目標，此時由于處在非常態，直接將告警時間延長是20S。

由于雷達給出的速度并不精確，并且，目標距離雷達越遠時，目標位置誤差越大。

K初定按照k＝0.4y+10計算，y為縱向距離，單位為米，通過(0,10)及(100,50)兩個點計算得到，距離雷達越遠時，y越大，則K越大，應用于濾波算法時，應給與更大的模糊范圍。(0,10)及(100,50)這兩個坐標的獲取：根據0米200ms坐標誤差2米(k*0.2＝2)，100米200ms誤差10米(k*0.2＝10)得到0.4和10兩個系數。誤差范圍根據雷達時間測試得到，并留有余量。

步驟3，如果在防區內，有小樹等固定障礙物，在風力的作用下它也會晃動引起雷達上報監控數據給監控終端，這就需要再布設雷達的時候，提前了解所監控區域的固定障礙物，針對固定障礙物設定一個圓形區域，在監控時，對此區域的目標進行濾除，不作為有效目標。

同時，雷達上報的目標數據中，當目標的回波功率小于監控平臺的設定值時，監控終端可以將其濾除，不做上報。

如圖3所示，本申請的系統工作時的目標識別及濾波流程如下：

步驟1：當有相控陣雷達監控規劃的防區內出現目標，相控陣雷達將監控數據傳給監控終端；

步驟2：監控終端進行判斷，當目標回波功率在設定范圍內且的防區內，認為為有效目標

步驟3：監控終端開啟窗口模式，進入預警狀態。

步驟4：根據系統設定的告警時間，在規定時間內，窗口數據不滿，則清窗。回到初始狀態，重新監測目標。

步驟5：相控陣雷達繼續在規劃的防區內監視目標，監控終端進行判斷，當目標回波功率在設定范圍內且的防區內，認為為有效目標

步驟6：當再次出現目標以后，目標的位置坐標數據以上一個目標點的坐標位置為圓心，時間*K為半徑的范圍內時，加入窗口。

步驟7：在規定時間內，當窗口數據滿時，監控終端進入告警狀態，現場聯動語音和燈光告警。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。