本發(fā)明涉及安全防范以及定位領(lǐng)域，特別是一種基于頻譜分析的入侵目標(biāo)檢測定位方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在安全防范系統(tǒng)中，入侵檢測以及目標(biāo)定位的作用十分重要。目前常用的入侵檢測手段主要有被動紅外、主動紅外、對射、微波、視頻、磁性、聲音以及激光掃描等。除了激光掃描方式具有精確目標(biāo)定位的功能外，其余方式都只能做到區(qū)域定位。而激光掃描一方面成本昂貴，另一方面內(nèi)部有機(jī)械機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)馬達(dá))，可靠性與壽命受限，因此普及度不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提出了低成本高精度的入侵目標(biāo)檢測定位方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明技術(shù)方案提供一種基于頻譜分析的入侵目標(biāo)檢測定位方法，使用兩個超聲波測距儀分別對監(jiān)測范圍進(jìn)行監(jiān)測，每個超聲波測距儀同時測量多個目標(biāo)的距離并檢測回波的強(qiáng)度；當(dāng)超聲波測距儀的測量結(jié)果保持穩(wěn)定時，判斷未檢測到出現(xiàn)移動目標(biāo)，當(dāng)超聲波測距儀的測量結(jié)果發(fā)生變化，判斷檢測到出現(xiàn)移動目標(biāo)，并根據(jù)兩個超聲波測距儀的新增測量結(jié)果定位移動目標(biāo)；

所述每個超聲波測距儀同時測量多個目標(biāo)的距離并檢測回波的強(qiáng)度，實現(xiàn)方式如下，

采用線性掃頻方式生成超聲波，包括循環(huán)按照生成隨時間變化的信號，一路用于將超聲波發(fā)射出去，另一路用于準(zhǔn)備與接收的信號混頻；信號生成方式為，設(shè)超聲波發(fā)生的起始頻率為fs，掃頻時間為t，掃頻帶寬為d，發(fā)射的超聲波的頻率ft與時間t的關(guān)系為ft＝fs+t×d/t，t＝[0,t]；

對超聲波發(fā)射的信號和經(jīng)過反射延遲被接收的信號進(jìn)行混頻，得到差頻信號，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后記錄；

根據(jù)記錄結(jié)果進(jìn)行快速富立葉變換處理，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，從而提取各個頻率差異c，得到每個波峰相應(yīng)目標(biāo)的距離d和振幅a，包括根據(jù)c＝tr×d/t求取tr，再計算d＝s×tr/2，tr為信號的當(dāng)前發(fā)射時間加反射時間，s為光速；振幅a代表相應(yīng)強(qiáng)度。

而且，兩個超聲波測距儀選擇不同的超聲波頻率，互不干擾。

而且，掃頻時間t采用最大探測距離相應(yīng)的超聲波最長傳播時間。

而且，在第n次掃頻開始的同時，對第n-4，n-3，n-2，n-1次掃頻反射的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速富立葉變換處理。

而且，當(dāng)超聲波測距儀的測量結(jié)果發(fā)生變化，包括距離和強(qiáng)度有任一發(fā)生變化，都判斷檢測到出現(xiàn)移動目標(biāo)。

本發(fā)明相應(yīng)提供一種基于頻譜分析的入侵目標(biāo)檢測定位系統(tǒng)，設(shè)置兩個超聲波測距儀和一個監(jiān)測中心設(shè)備，兩個超聲波測距儀分別連接監(jiān)測中心設(shè)備；

所述超聲波測距儀用于分別對監(jiān)測范圍進(jìn)行監(jiān)測，每個超聲波測距儀同時測量多個目標(biāo)的距離并檢測回波的強(qiáng)度，測量結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)測中心設(shè)備；

所述每個超聲波測距儀同時測量多個目標(biāo)的距離并檢測回波的強(qiáng)度，實現(xiàn)方式如下，

采用線性掃頻方式生成超聲波，包括循環(huán)按照生成隨時間變化的信號，一路用于將超聲波發(fā)射出去，另一路用于準(zhǔn)備與接收的信號混頻；信號生成方式為，設(shè)超聲波發(fā)生的起始頻率為fs，掃頻時間為t，掃頻帶寬為d，發(fā)射的超聲波的頻率ft與時間t的關(guān)系為ft＝fs+t×d/t，t＝[0,t]；

對超聲波發(fā)射的信號和經(jīng)過反射延遲被接收的信號進(jìn)行混頻，得到差頻信號，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后記錄；

根據(jù)記錄結(jié)果進(jìn)行快速富立葉變換處理，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，從而提取各個頻率差異c，得到每個波峰相應(yīng)目標(biāo)的距離d和振幅a，包括根據(jù)c＝tr×d/t求取tr，再計算d＝s×tr/2，tr為信號的當(dāng)前發(fā)射時間加反射時間，s為光速；振幅a代表相應(yīng)強(qiáng)度；

所述監(jiān)測中心設(shè)備，用于根據(jù)兩個超聲波測距儀的測量結(jié)果進(jìn)行判斷，當(dāng)超聲波測距儀的測量結(jié)果保持穩(wěn)定時，判斷未檢測到出現(xiàn)移動目標(biāo)，當(dāng)超聲波測距儀的測量結(jié)果發(fā)生變化，判斷檢測到出現(xiàn)移動目標(biāo)，并根據(jù)兩個超聲波測距儀的新增測量結(jié)果定位移動目標(biāo)。

而且，兩個超聲波測距儀選擇不同的超聲波頻率，互不干擾。

而且，掃頻時間t采用最大探測距離相應(yīng)的超聲波最長傳播時間。

而且，在第n次掃頻開始的同時，對第n-4，n-3，n-2，n-1次掃頻反射的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速富立葉變換處理。10.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述基于頻譜分析的入侵目標(biāo)檢測定位系統(tǒng)，其特征在于：當(dāng)超聲波測距儀的測量結(jié)果發(fā)生變化，包括距離和強(qiáng)度有任一發(fā)生變化，都判斷檢測到出現(xiàn)移動目標(biāo)。

本發(fā)明使用超聲波進(jìn)行入侵檢測，并使用頻譜分析的方法代替回波前沿檢測，同時進(jìn)行目標(biāo)定位。本發(fā)明的每個超聲波測距儀同時測量多個目標(biāo)的距離并檢測回波的強(qiáng)度，得到監(jiān)測范圍內(nèi)所有目標(biāo)的距離以及目標(biāo)的反射屬性，成本低廉，性能可靠，易于實施。適于推廣使用，具有重要的市場價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的安裝現(xiàn)場示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例提出的多回波超聲測距裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例的監(jiān)測中心設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例利用多周期數(shù)據(jù)作fft處理的示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例的效果對比圖，其中圖6a為原始采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)fft之后的結(jié)果示意圖，圖6b為循環(huán)利用數(shù)據(jù)發(fā)采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)fft之后的結(jié)果示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明使用兩個超聲波測距儀分別對監(jiān)測范圍進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測范圍內(nèi)沒有移動目標(biāo)時，超聲波測距儀的測量結(jié)果保持穩(wěn)定，當(dāng)監(jiān)測范圍內(nèi)出現(xiàn)移動目標(biāo)時，超聲波測距儀的測量結(jié)果發(fā)生變化，根據(jù)兩個超聲波測距儀的測量結(jié)果進(jìn)行計算，即可將目標(biāo)進(jìn)行定位。

和現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明采用的超聲波測距儀同時測量多個目標(biāo)的距離并檢測回波的強(qiáng)度。通常的超聲波測距裝置，只檢測第一回波或者最強(qiáng)回波，因此測量的結(jié)果是單一目標(biāo)的距離，反射波前沿提取雖然方法簡單，但是可靠性低，容易受到干擾。而本發(fā)明中的超聲波測距裝置不再以檢測反射波前沿的方法檢測和分析回波，而是用fft變換、頻譜分析的方法提取多個回波的返回時間以及回波強(qiáng)度，從而可以準(zhǔn)確快速得到監(jiān)測范圍內(nèi)所有目標(biāo)的距離以及目標(biāo)的反射屬性。

本發(fā)明實施例提供一種基于頻譜分析的入侵目標(biāo)檢測定位方法，使用兩個超聲波測距儀分別對監(jiān)測范圍進(jìn)行監(jiān)測，每個超聲波測距儀同時測量多個目標(biāo)的距離并檢測回波的強(qiáng)度；當(dāng)超聲波測距儀的測量結(jié)果保持穩(wěn)定時，判斷未檢測到出現(xiàn)移動目標(biāo)，當(dāng)超聲波測距儀的測量結(jié)果發(fā)生變化，判斷檢測到出現(xiàn)移動目標(biāo)，并根據(jù)兩個超聲波測距儀的新增測量結(jié)果定位移動目標(biāo)；

所述每個超聲波測距儀同時測量多個目標(biāo)的距離并檢測回波的強(qiáng)度，實現(xiàn)方式如下，

采用線性掃頻方式生成超聲波，包括循環(huán)按照生成隨時間變化的信號，一路用于將超聲波發(fā)射出去，另一路用于準(zhǔn)備與接收的信號混頻；信號生成方式為，設(shè)超聲波發(fā)生的起始頻率為fs，掃頻時間為t，掃頻帶寬為d，發(fā)射的超聲波的頻率ft與時間t的關(guān)系為ft＝fs+t×d/t，t＝[0,t]；

對超聲波發(fā)射的信號和經(jīng)過反射延遲被接收的信號進(jìn)行混頻，得到差頻信號，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后記錄；

根據(jù)記錄結(jié)果進(jìn)行快速富立葉變換處理，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，從而提取各個頻率差異c，得到每個波峰相應(yīng)目標(biāo)的距離d和振幅a，包括根據(jù)c＝tr×d/t求取tr，再計算d＝s×tr/2，tr為信號的當(dāng)前發(fā)射時間加反射時間，s為光速；振幅a代表相應(yīng)強(qiáng)度。

本發(fā)明實施例還相應(yīng)提供一種基于頻譜分析的入侵目標(biāo)檢測定位系統(tǒng)，設(shè)置兩個超聲波測距儀和一個監(jiān)測中心設(shè)備，兩個超聲波測距儀分別連接監(jiān)測中心設(shè)備；參見圖1，安裝兩個超聲波測距儀2后，將兩個超聲波測距儀連接到監(jiān)測中心設(shè)備1。其中監(jiān)測中心設(shè)備1和超聲波測距儀2之間的聯(lián)結(jié)可以用無線方式，也可以用有線方式。超聲波測距測量方式同上。

所述監(jiān)測中心設(shè)備，用于根據(jù)兩個超聲波測距儀的測量結(jié)果進(jìn)行判斷，當(dāng)超聲波測距儀的測量結(jié)果保持穩(wěn)定時，判斷未檢測到出現(xiàn)移動目標(biāo)，當(dāng)超聲波測距儀的測量結(jié)果發(fā)生變化，判斷檢測到出現(xiàn)移動目標(biāo)，并根據(jù)兩個超聲波測距儀的新增測量結(jié)果定位移動目標(biāo)。

參見圖1，采用本發(fā)明實施例所提供入侵檢測系統(tǒng)的現(xiàn)場實例。監(jiān)測范圍內(nèi)現(xiàn)有四個固定目標(biāo)，分別記為3、4、5、6，正常情況下都存在于監(jiān)測范圍內(nèi)。假定的入侵目標(biāo)記為7，正常情況下不在監(jiān)測范圍內(nèi)，如果被監(jiān)測到，則說明是入侵目標(biāo)進(jìn)入現(xiàn)場。在需要監(jiān)測的范圍內(nèi)，確定兩個監(jiān)測點，各安裝一個超聲波測距儀2(為便于查看，圖2中第一個超聲波測距儀標(biāo)記為2，第二個超聲波測距儀標(biāo)記為2’)。具體實施時，這兩個監(jiān)測點的選擇原則是視野開闊，遮擋少，都能夠觀察到大部分被監(jiān)測的范圍。由于超聲波的傳播直線性較高，因此被遮擋的范圍無法監(jiān)測。

預(yù)先測量兩個監(jiān)測點的坐標(biāo)，作為計算目標(biāo)位置的參考點。

需要注意的是，兩個超聲波測距儀的超聲頻率應(yīng)該選擇不同的頻率，或者設(shè)置兩個超聲波測距儀的測量時間錯開，否則將會互相干擾，影響測量結(jié)果。

此時兩個超聲波測距儀2和2’開始連續(xù)測量，并將測量結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)測中心設(shè)備1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測量結(jié)果包含兩列，第一列是數(shù)據(jù)編號，第二列是目標(biāo)距離，第三列是目標(biāo)的反射屬性(反射強(qiáng)度)。

示例：

第一個超聲波測距儀2的測量結(jié)果：

1，5.9，0.6

2，11.2，0.2

第二個超聲波測距儀2’的測量結(jié)果：

1，4.2，0.6

2，8.8，0.4

3，10.0，0.2

表示在監(jiān)測范圍內(nèi)，能夠檢測到的目標(biāo)，其中有的監(jiān)測結(jié)果實際上是多個目標(biāo)的反射結(jié)果，例如對于第一個超聲波測距儀，距離是5.9的有兩個目標(biāo)3和4，但是超聲波測距儀無法分辨角度，因此測量結(jié)果表現(xiàn)為一條，由于最終對入侵檢測的判定是以測量結(jié)果的變化為依據(jù)，因此這并不影響監(jiān)測結(jié)果。另外，由于對于第一個超聲波測距儀來說，目標(biāo)5被目標(biāo)4遮擋，因此不能出現(xiàn)在測量結(jié)果中。

當(dāng)監(jiān)測范圍內(nèi)沒有入侵，即目標(biāo)7不在監(jiān)測范圍內(nèi)，并且現(xiàn)有目標(biāo)3，4，5，6沒有移動的情況下，兩個超聲波測距儀的測量結(jié)果會比較恒定，僅存在測量誤差。

當(dāng)監(jiān)測范圍內(nèi)發(fā)生入侵時，即目標(biāo)7進(jìn)入監(jiān)測范圍后，測量結(jié)果變成：

第一個超聲波測距儀的測量結(jié)果：

1，5.9，0.6

2，11.2，0.2

3，11.7，0.2

第二個超聲波測距儀的測量結(jié)果：

1，4.2，0.6

2，8.8，0.4

3，10.0，0.2

4，15.1，0.1

監(jiān)測中心設(shè)備的處理系統(tǒng)檢測到本次測量結(jié)果與上次的測量結(jié)果的差異，判定有入侵發(fā)生，然后根據(jù)測量結(jié)果判斷入侵目標(biāo)的位置：

找出新出現(xiàn)的測量結(jié)果，在第一個超聲波測距儀中是第3條：

3，11.7，0.2

在第二個超聲波測距儀中是第4條：

4，15.1，0.1

這兩條測量結(jié)果反映的是入侵目標(biāo)與兩個超聲波測距儀的距離，由于兩個超聲波測距儀的坐標(biāo)已經(jīng)在步驟中測得，因此容易求得入侵目標(biāo)的坐標(biāo)。

同樣道理，當(dāng)監(jiān)測范圍內(nèi)有目標(biāo)發(fā)生移動時，在測量結(jié)果中也會體現(xiàn)出來，因此也可監(jiān)測到。

因為入侵者可能避開入侵監(jiān)測，直接進(jìn)入防區(qū)挪動物品。安防實際應(yīng)用中，一般只要有活動目標(biāo)，無論是入侵的還是原有目標(biāo)移動，一律報警。

現(xiàn)有的超聲波測距儀僅提取了首個反射波的到達(dá)時間，并根據(jù)該時間與超聲波發(fā)射的時間差計算出目標(biāo)的距離，顯然達(dá)不到本發(fā)明的要求。而本發(fā)明中所需要的超聲波測距儀，需要測量多個目標(biāo)的距離和反射屬性，因此本發(fā)明提出了進(jìn)一步的技術(shù)方案。另外，由于在監(jiān)測范圍內(nèi)需要安裝不只一個超聲波測距儀，這些裝置同時工作，因此優(yōu)選使用不同的超聲波頻率，以免互相干擾。

本發(fā)明中提供了一種超聲波測距儀，采用線性掃頻方式生成超聲波，即所發(fā)射的超聲波頻率隨著時間線性變化，然后將收到的反射波與正在發(fā)射的信號頻率混頻，從而求出接收到的信號與正在發(fā)射的信號的頻率差，這個頻率差即反映了反射時間，從而可以求得反射目標(biāo)的距離。檢測頻率差適用的手段是fft，因此可以求得多個峰值，于是同時得到多個反射目標(biāo)的距離。

實施例的超聲波測距儀實現(xiàn)如下：

首先確定設(shè)計參數(shù)，由于超聲波的衰減以及傳播時間限制，需要限定需要探測的最大距離。根據(jù)當(dāng)前的超聲波傳感器性能并綜合通常的建筑物進(jìn)深，將最大探測距離設(shè)計為10米較為合理，此時超聲波最長傳播時間(發(fā)射+反射時間)約為2×10/340＝0.06秒，即60毫秒，則理論最高測量速率約為1/0.06＝17次/秒。實際上還有數(shù)據(jù)處理時間等因素以及考慮系統(tǒng)可靠性，一般可以達(dá)到10次/秒。如果監(jiān)測范圍超過10米，則需要將監(jiān)測范圍分區(qū)。

設(shè)置超聲波發(fā)生器的起始頻率為fs，掃頻時間t為0.06秒，由于超聲波換能器(發(fā)射器與接收器)的帶寬有限，因此掃頻帶寬不宜過寬，根據(jù)常見換能器的參數(shù)，優(yōu)選將掃頻帶寬d設(shè)置為500hz。

假設(shè)信號的當(dāng)前發(fā)射時間加反射時間為tr，則在每個掃頻周期內(nèi)的任意時刻，發(fā)射的超聲波的頻率ft與時間t的關(guān)系為：

ft＝fs+t×d/t(t＝[0,t])公式1

實施例中為，ft＝fs+t×500/0.06(t＝[0,0.06])。

而此時，超聲波接收器接收的超聲波信號為tr時間以前所發(fā)射的信號，因此其頻率fr為：

fr＝fs+(t-tr)×d/t(t＝[0,t])公式2

實施例中為，fr＝fs+(t-tr)×500/0.06(t＝[0,0.06])。

則頻率差異c求取如下，

c＝fr-ft＝tr×d/t公式3

實施例中為，fr-ft＝tr×500/0.06。

該差值c通過對發(fā)射信號和接收信號的混頻信號進(jìn)行離散數(shù)據(jù)的快速富立葉變換fft可以獲得，因此tr可以求得，反射目標(biāo)的距離d即為：

d＝s×tr/2(s＝聲速)公式4

對于多個目標(biāo)的反射信號，在快速富立葉變換fft變換結(jié)果中反映為多個峰值，將其分別提取即可得到多個目標(biāo)的距離，而反射信號的強(qiáng)度正好體現(xiàn)為fft結(jié)果中的幅度。

對于安防入侵定位，一般來說測距精度只需要達(dá)到0.2米就足夠了，因此將設(shè)計測距精度設(shè)置為0.2米。由此可計算，fft的分辨率需要優(yōu)于0.2/340*500/0.06＝4.9hz。而一個掃頻周期只有0.06秒，據(jù)此計算，在一個掃頻周期內(nèi)，fft的頻率分辨率只能達(dá)到16.67hz，如果要提高分辨率必須增加采樣時間，而這樣必然會降低監(jiān)測速率。

因此本發(fā)明采取了一個特殊的累積方法提高頻率分辨率，就是循環(huán)利用數(shù)據(jù)法，每次掃頻開始，就將先前的若干次(例如4次)的混頻數(shù)據(jù)采樣進(jìn)行fft分析，參見圖5，具體過程為：系統(tǒng)開始運(yùn)行后，第一次到第三次掃頻的時候，只是將每次的反射數(shù)據(jù)采集下來，不做fft分析，在第四次掃頻結(jié)束后，此時已經(jīng)積累了四次的掃頻反射數(shù)據(jù)，一共0.24秒，此時對這類累積的4次連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行fft分析，同時掃頻仍然在繼續(xù)進(jìn)行。在第五次掃頻結(jié)束后，開始第六次掃頻的同時，再對第2，3，4，5次掃頻反射數(shù)據(jù)進(jìn)行fft分析，如此一直運(yùn)行下去，即在第n次掃頻開始的同時，對第n-4，n-3，n-2，n-1次掃頻反射的數(shù)據(jù)進(jìn)行fft處理。這樣即可把采樣數(shù)據(jù)長度增加到0.24秒，頻率分辨率達(dá)到4.1667hz，但是很顯然，這樣會犧牲動態(tài)檢測效果。

圖6展示了原始采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)fft之后的結(jié)果(圖6a)和循環(huán)利用數(shù)據(jù)發(fā)采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)fft之后的結(jié)果(圖6b)的對比，被目標(biāo)反射的超聲波信號的反射時間分別為0.018秒、0.024秒，0.036秒，對應(yīng)的差頻信號頻率分別為150hz，200hz，300hz，可見圖6a中，原始數(shù)據(jù)直接變換的結(jié)果誤差較大，偏離了150hz，200hz，300hz，而圖6b中經(jīng)過循環(huán)利用的數(shù)據(jù)變換結(jié)果準(zhǔn)確度提高了很多。需要注意的是，由于噪聲影響以及混頻器產(chǎn)生的直流分量影響，fft的結(jié)果會在0hz處產(chǎn)生一個波峰，這個結(jié)果應(yīng)該被剔除掉，所帶來的后果是，本裝置有一個近距離盲區(qū)，大約為0.5米。由于裝置安裝在一定高度，通常超聲波測距儀安裝在距離地面0.5米以上，因此該問題對整體效果并無太大影響。

參見圖3，實施例的超聲波測距儀由單片機(jī)21，存儲器22，超聲波發(fā)射器23，升壓器24，超聲波接收器25，信號放大調(diào)理器26，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27，電源28，無線通信組件29構(gòu)成。單片機(jī)21的輸出經(jīng)升壓器24連接超聲波發(fā)射器23，超聲波接收器25、信號放大調(diào)理器26和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器27依次連接后接入單片機(jī)21，單片機(jī)21外圍連接無線通信組件29、存儲器22和電源28。具體實施時，也可以采用有線通信接口。

具體實施時，各器件可采用現(xiàn)有芯片或元件實現(xiàn)。實施例的各主要器件選型如下：

單片機(jī)21:stm32f103

存儲器22:內(nèi)置于單片機(jī)21中

超聲波發(fā)射器23：16mm40khz/28khzt

升壓器24：采用通用超聲波測距用變壓器，阻抗比大約1：100

超聲波接收器25：16mm40khz/28khzr

信號放大調(diào)理器26：lm324

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器adc27：內(nèi)置于單片機(jī)21中

參見圖3，實施例的超聲波測距儀包括單片機(jī)21，存儲器22，超聲波發(fā)射器23，功率放大器211，升壓器24，超聲波接收器25，信號放大調(diào)理器26，混頻器27，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器28，電源210，無線通信組件29。單片機(jī)21的輸出經(jīng)功率放大器211、升壓器24連接超聲波發(fā)射器23，超聲波接收器25經(jīng)信號放大調(diào)理器26接入混頻器27的一路輸入，功率放大器211接入混頻器27的另一路輸入，混頻器27的輸出經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器28接入單片機(jī)21，單片機(jī)21外圍連接無線通信組件29、存儲器22和電源210。具體實施時，也可以采用有線通信接口。

具體實施時，各器件可采用現(xiàn)有芯片或元件實現(xiàn)。實施例的主要器件選型如下：

單片機(jī)21:stm32f103

存儲器22:內(nèi)置于單片機(jī)21中

超聲波發(fā)射器23：16mm40khz/28khzt

功率放大器：bsz130n03msg

升壓器24：采用通用超聲波測距用變壓器，阻抗比大約1：100

超聲波接收器25：16mm40khz/28khzr

信號放大調(diào)理器26：lm324

混頻器27：2n9014

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器adc28：內(nèi)置于單片機(jī)21中

超聲波測距儀工作時執(zhí)行以下流程：

1，采用線性掃頻方式生成超聲波，可由單片機(jī)21循環(huán)按照公式1生成隨時間變化的信號，其中fs＝40khz。信號分成兩路，一路經(jīng)過功率放大器211和阻抗匹配以及升壓器24送至超聲波發(fā)射器23，將超聲波發(fā)射出去，另一路進(jìn)入混頻器27，準(zhǔn)備與接收的信號混頻。

實施例的信號生成方式如下，

設(shè)超聲波發(fā)生的起始頻率為fs，掃頻時間為t，掃頻帶寬為d，發(fā)射的超聲波的頻率ft與時間t的關(guān)系為ft＝fs+t×d/t，t＝[0,t]。

2，超聲波接收器25接收超聲波，將接收到的聲音信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過信號放大調(diào)理器26，送至混頻器27，此時混頻器27中既有來自步驟1的自身產(chǎn)生的信號，又有來自經(jīng)過反射延遲、被超聲波接收器25接收的信號，由于發(fā)射的超聲波信號的頻率是隨時間線性變化的，因此這兩路信號存在頻率差，經(jīng)過混頻器27后，得到這個差頻信號，差頻信號經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器adc28進(jìn)行數(shù)字化，單片機(jī)21接收這些數(shù)字化后的信息并記錄到存儲器22，一共記錄240毫秒的信號。

因為實施例在第n次掃頻開始的同時，對第n-4，n-3，n-2，n-1次掃頻反射的數(shù)據(jù)進(jìn)行fft處理，因此每次快速富立葉變換處理需要記錄240毫秒的信號。

3，單片機(jī)21將這240毫秒的信號進(jìn)行快速富立葉變換處理，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，從而提取各個頻率差異(c)，每個頻率差異反映了不同的反射時間，也就是不同的目標(biāo)距離，而不同頻率波峰的幅度，一定程度上可以反映反射目標(biāo)的距離和反射面積。將可以識別的波峰按照振幅從大到小排序，根據(jù)公式1，2，3，4，可以求得每個目標(biāo)的距離d，同時記錄反映該反射目標(biāo)的距離和相應(yīng)頻率波峰的振幅a。

即根據(jù)c＝tr×d/t，求取tr，再計算d＝s×tr/2。

4，單片機(jī)21將步驟3所得每個距離d和反射強(qiáng)度a通過無線通信組件29發(fā)送到監(jiān)測中心1

5，本次測量完成，回到第步驟1，進(jìn)行下一次測量過程。

需要注意的是，一個監(jiān)測范圍內(nèi)安裝有兩個超聲波測距裝置，即2和2’。這兩個裝置，必須選擇不同的超聲波頻率(例如一個fs＝28khz，另一個fs＝40khz)，以保證互不干擾。

實施例的監(jiān)測中心設(shè)備1的實現(xiàn)如下：

監(jiān)測中心設(shè)備1用于接收來自超聲波測距儀2的測量結(jié)果，并根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行計算，以判斷是否有入侵發(fā)生。具體實施時可以利用現(xiàn)有的監(jiān)控平臺，或者專用的監(jiān)測中心設(shè)備。

參見圖4，實施例的監(jiān)測中心設(shè)備1包含微處理器11、顯示器12、控制鍵盤13、電源14和無線通信組件15，顯示器12、控制鍵盤13、電源14和無線通信組件15分別連接微處理器11。因為超聲波測距儀采用無線通信組件，實施例的監(jiān)測中心設(shè)備1進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)置。

監(jiān)測中心設(shè)備1工作時執(zhí)行以下流程：

1，準(zhǔn)備工作：可由操作人員預(yù)先通過控制鍵盤13把超聲波測距裝置2和2’的坐標(biāo)輸入到監(jiān)測中心1中，以供計算入侵目標(biāo)位置使用。

2，無線通信組件15接收來自兩個超聲波測距裝置2和2’的測量結(jié)果，并將這些數(shù)據(jù)送至微處理器11。

3，微處理器11將數(shù)據(jù)存儲，并檢查該組數(shù)據(jù)與上一組數(shù)據(jù)(如果有的話)對比，如果未發(fā)生變化，則認(rèn)為無入侵目標(biāo)，否則根據(jù)差異數(shù)據(jù)和步驟1中輸入的坐標(biāo)計算入侵目標(biāo)的位置并將結(jié)果顯示在顯示器12上。

對比數(shù)據(jù)時，距離和強(qiáng)度有任一變化，都判斷入侵。具體實施時，超聲波測距無法分辨角度，因此如果入侵目標(biāo)的位置恰好位于原有目標(biāo)附近的時候，測距儀測得的距離值難以分辨入侵目標(biāo)與原有目標(biāo)，但是由于反射面積和反射目標(biāo)的屬性發(fā)生了變化，因此反射強(qiáng)度可能會有比較明顯的變化，將反射強(qiáng)度的變化也作為輔助判斷條件可以有效提高判斷準(zhǔn)確性。

4，本次探測完成，回到步驟2進(jìn)行下一次探測。

本發(fā)明中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明進(jìn)行舉例說明。任何熟悉該技術(shù)的技術(shù)人員在本發(fā)明做揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，都可輕易得到其變化或替換，因此本發(fā)明保護(hù)范圍都應(yīng)涵蓋在由權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍之內(nèi)。