基于超声相控阵的嵌入式入侵探测系统及检测方法

摘要

本发明公开了一种基于超声相控阵的入侵探测系统及检测方法，结构简单、成本低、易于实现、易于调整、具有较高的稳定性和全天候工作等优点。该入侵探测系统包括一MCU主控模块，一超声相控阵列，串联连接的一FPGA时序控制模块和一超声换能器驱动模块，串联连接的一信号放大及调理模块和一高速A/D转换模块，以及一输出告警模块和一总线接口。本发明采用了基于超声相控阵的传感器技术，不仅具有超声波传感器固有的优点，还可克服现有入侵探测器的缺点，扩大入侵探测器的应用范围、降低了虚警率、提高了测量精度，与现有的入侵探测技术组成多鉴探头，可有限提高防控范围和有效性，是一种新型的探测技术。

说明书

技术领域

本发明涉及一种入侵探测系统，具体涉及一种基于超声相控阵的嵌入式入侵探测系统 及检测方法。属于传感器技术领域。

背景技术

超声相控阵技术已广泛地应用在工业无损探伤、医疗无创检验和水声探测等各个方面， 从早期的一维检测，发展到二维和三维成像，其应用范围和检测精度越来越高。超声相控 阵是利用在空间按照特定分布设置的N个具有较大发射角的普通超声换能器组成的一维或 二维阵列，按照特定的时序和相位分别发射超声波包，在空间形成一个特定点（焦点）上 各波包产生相干叠加（干涉），叠加后的超声波在遇到障碍物时反射回来，由超声换能器接 收。在接收端经信号处理，所得到的信号强度会明显超过非焦点上的信号，从而实现对前 方特定位置空间障碍物的探测或得到障碍物的距离信息；另外按照特定的时序和相位分别 发射超声波，会在探测空间形成一个指向性很强的窄波束（相对于单个超声换能器而言）， 在遇到障碍物返回后会得到障碍物的准确方位信息。该波束使用电子扫描的办法（非机械 扫描）在探测空间内逐层快速扫描，从而实现对三维探测空间内物体的方位、距离等实现 三维成像（背景图像），当有入侵发生时，则扫描所得到的当前图像会与背景图像产生差异， 从而探测出入侵的发生。随着电子技术及传感器技术的发展，人们不断地借助于最新的电 子技术发展成果来研制新型的入侵探测传感器，如红外、微波、基于多普勒效应和回波探 测技术的超声等传感器。为降低单一品种的传感器误报警率（失效率），也有将多种传感器 集成在一起形成的多鉴传感器。在上述传感器中，超声传感器因其不会受到光照、烟雾、 雨雪、温度、易燃易爆等环境因素的影响，从而在一些特殊应用场合具有不可替代的作用。 我国国标GB10408.2-1989对超声波入侵探测器的技术标准进行了详细的规定。

但按照该国标的规定所研制的超声波入侵探测传感器由于受所采用技术的限制，无法 对入侵体的方位、外形尺寸、移动方向、移动速度等信息进行准确探测，且对于超低速（小 于0.3米/秒）和超高速（大于小于20米/秒）运动的物体，误报警率会迅速提高，从而限 制了其适用范围。即使采用多个不同方位分布的探头，亦无法解决上述问题。

近年来，超声相控阵技术在工业探伤、医疗、军事等诸多领域得到快速发展，但在入 侵探测应用领域尚未见到相关的解决方案和报道。

关于超声相控阵技术的理论依据有：

1.将多个发射超声换能器按照特定的二维分布组成超声相控阵列，从而可以在空间聚 焦成一束超声波束。在远场的条件下，假定各换能器具有相同的灵敏度，则其主瓣宽度满 足：

$q=\frac{1}{\pi }[\arcsin (\sin {\theta }_0+\frac{1}{\mathrm{Nd}})-\arcsin (\sin {\theta }_0-\frac{\lambda }{\mathrm{Nd}})]---\left(1\right)$

其中q为波束宽度，λ为超声波波长，N为阵列中换能器的数量，d为换能器的间距， θ₀为方向角。

当θ较小的时候，上述公式可简化为：

$q\approx \frac{2\lambda }{\mathrm{Nd}\cos {\theta }_0}---\left(2\right)$

由上述公式可得，只要合理地选择波长λ、阵列个数N以及换能器的间距d，就可以得 到需要的波束宽度。

2.假定空间某点T与发射点F的距离是l，超声波在空气中的传播速度是c，则超声波 从F点传到T点所需要的时间t为：

t＝l/c≈l/348   （3）

因此通过计算各个发射点到达T点的时间，反演即可得到各发射点的发射延迟时间及 发射信号的相位，从而可以使各个发射点发出的超声波在T点同相位相加，形成很强的反 射波，如果在T点存在障碍物，则会在2t±△t的时间窗内检到较强的回波信号，否则只 能测到噪声信号。其中2△t为窗口宽度。

由以上推导可知，窄波束保证了探测的方位精度，焦点实现了距离的精确测量。通过 对探测区域内不同焦点的扫描，即可在空间形成一个具有一定长、宽、高的无形栅栏，从 而可对任何进入此栅栏的入侵物体的方位、速度、走向、数量、几何尺寸乃至大致的外形 进行测量，从而实现了多信息、高精度、且对移动速度具有很宽的测量范围的入侵检测。

中国专利申请98122623.X公开了一种超声梳状探测器阵列组件，用于安装在被测物体 表面来施加超声信号到被测物体上。该专利解决了当前使用的梳状探测器所遇到的易碎且 易出故障、传感器之间的距离是固定的且不能改变、与表面不完全光滑的被测物体耦合时 存在间隙等困难，即针对特定应用提出了一种超声阵列的结构。

中国专利申请200480036233.1公开了一种超声变换器和将倒装二维阵列技术应用于弯曲 阵列的方法包括支撑基底、集成电路和压电元件的阵列。支撑基底具有非线性表面。属于一 种装配工艺技术的改进。

中国专利申请201010166913.2公开了一种非金属结构超声检测用阵列换能器及其控制系 统。其缺陷是该系统只可检测60cm的区域，不适用于远距离探测。

中国专利申请201210024954.7公开了一种超声波探测器和超声波诊断装置。该专利涉及 一种超声波探测器和超声波诊断装置，仅应用于医疗领域中对人体内部器官的诊断成像，同 样无法应用于远距离探测。

综上所述，以上几个专利均不能实现远距离对入侵物体实现扫描探测、外形测量、行进 方向及速度测量、粗略成像等功能。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于超声相控阵的入侵探测系 统及检测方法，结构简单、成本低、易于实现、易于调整、具有较高的稳定性和全天候工 作等优点。本发明采用了基于超声相控阵的传感器技术，不仅具有超声波传感器固有的优 点，还可克服现有入侵探测器的缺点，扩大入侵探测器的应用范围、降低了虚警率、提高 了测量精度，与现有的入侵探测技术组成多鉴探头，可有限提高防控范围和有效性，是一 种新型的探测技术。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

基于超声相控阵的嵌入式入侵探测系统，包括一MCU主控模块，

一超声相控阵列，

串联连接的一FPGA时序控制模块和一超声换能器驱动模块，前者连接于MCU主控模块， 后者连接于超声相控阵列，超声换能器驱动模块按照FPGA时序控制模块设定的延迟时间依 次发送若干个设定相位的方波脉冲信号驱动超声相控阵列；

串联连接的一信号放大及调理模块和一高速A/D转换模块，前者连接于超声相控阵列， 后者连接于MCU主控模块，由前方障碍物聚焦处返回的信号通过接收传感器转换成电信号 后，经信号放大及调理模块一系列的放大、滤波后送至A/D转换模块，最终转换成数字信 号并送至MCU主控模块处理；以及

一输出告警模块和一总线接口模块，均连接于MCU主控模块，所述输出告警模块在检 测到入侵发生时对外提供一对触点，用来实现声光报警；或者，通过总线接口模块，将报 警信号通过通用总线发送给报警控制主机（上位机），从而实现报警远程监控与联动。

所述MCU主控模块为基于ARM Cortex-M3内核的32位单片机为主控芯片。

所述超声相控阵列是二维空间分布的若干个发射超声换能器。

所述信号放大及调理模块为可调增益放大器和有源带通滤波器。

所述接收传感器为接收超声换能器。

基于超声相控阵的嵌入式入侵探测系统的检测方法，步骤如下：

1）将多个发射超声换能器进行二维空间分布组成超声相控阵列；

2）FPGA时序控制模块根据空间待扫描点的不同，通过超声换能器驱动模块控制各个发 射超声换能器在不同时刻各自发出一束同相位的短波束，实现超声波束的空间聚焦和扫描； 同时，FPGA时序控制模块还向MCU主控模块发出同步时钟，从而提高检测精度；

3）聚焦后的超声波在焦点附近如果遇到障碍物时就会反射回来，由接收超声换能器作 为接收传感器接收回波信号，并转换成电信号；

4）接收到的信号经信号放大及调理模块的放大调理后，进入A/D转换模块并送至MCU 主控模块进行处理；MCU主控模块根据计算得到的焦点回波时间形成同步信号，实现同步检 测；

5）借助于电子扫描技术对待探测空间进行快速分层扫描，根据回波信号形成空间栅栏 区域内物体的三维二值数字图像并存储；通过对不同时刻数字图像差值检测，即得到此栅 栏区域内入侵物体的方位、速度、走向、数量、几何尺寸乃至外形信息。

所述步骤3）中，设置多个接收超声换能器作为接收器，分别在不同的时段对不同焦点 的回波信号进行接收。

MCU主控模块还控制FPGA时序控制模块对入侵物体实现跟踪扫描，以得到入侵物体的 信息。

对于非探测方向、非焦点上的障碍物返回的信号，信号放大及调理模块能够通过信号 的模式识别以及时间窗加以甄别。

本发明的有益效果是：

1）引入的FPGA技术完成了相位延时算法控制，实现了8通道数据的精确相位控制， 对超声发射的高精度聚焦提供了基础，在精度和控制简单程度上有了很大的提高。同时FPGA 具有系统参数可重配置的特点，使得系统结构的设计修改更加简单、灵活，更利于系统的 单片集成。

2）设置多个专门的超声换能器作为接收器，不同的时段对不同焦点的回波信号分别进 行接收，提高了空间扫描速度。

3）采用高性能、低功耗和低成本的ARM Cortex-M3内核微控制器，简化了硬件电路和 开发环境，优化了软件编程，降低了系统的复杂度和成本。

4）系统的环境适应能力强。超声波具有不受光线、磁场、粉尘等环境因素的影响，在 恶劣的环境下有很强的适应能力，特别是在具有腐蚀性气体、辐射、粉尘以及爆炸性危险 的环境。

5）充分利用相控阵能够在声束角范围内实现任意角度和深度的聚焦，实现了在一定空 间范围内的扇扫描，能够有效地获得入侵障碍物的方位、距离等空间信息，能够提供其他 同类系统所无法提供的障碍物外形信息。

6）经测试，在某个传感器发生故障的情况下，其他传感器可以通过再重组，重新投入 工作，从而提高了系统的鲁棒性，这也是在现实环境中实现具有高鲁棒性行为的机器人的 关键。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2（a）是激励脉冲信号发送示意图；

图2（b）是超声聚焦示意图；

图3超声相控阵平面图；

图4是本发明探测空间断面示意图；

图5是离散化的一个扫描面示意图；

图6（a）是在距离相控阵中心1.5米处焦点（0°）位置处测放置障碍物后测得的超声 波回波波形；

图6（b）是在距离相控阵中心1.5米处的同心圆上偏移开焦点5°位置处测放置障碍 物后测得的超声波回波波形；

图6（c）是在距离相控阵中心1.5米处的同心圆上偏移开焦点20°的位置处测放置障 碍物后测得的超声波回波波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为 了解释本发明，并不对其内容进行限定。

如图1所示，本发明包括一MCU主控模块，为基于ARM Cortex-M3内核的32位单片机 为主控芯片；

一超声相控阵列，为二维空间分布的若干个发射超声换能器；本实施例中，用八个超 声换能器在平面上组成的一个2×4的二维矩形面发射阵列，放置在发射阵列面的两个长边 旁附近的两个超声换能器作为接收传感器，这10个超声换能器均采用中心频率为40KHz、 收发一体的压电陶瓷超声换能器，详见图3所示；

串联连接的一FPGA时序控制模块和一超声换能器驱动模块，前者连接于MCU主控模块， 后者连接于超声相控阵列，超声换能器驱动模块按照FPGA时序控制模块设定的延迟时间依 次发送若干个设定相位的方波脉冲信号驱动超声相控阵列；

串联连接的一信号放大及调理模块和一高速A/D转换模块，前者连接于超声相控阵列， 后者连接于MCU主控模块，其中，信号放大及调理模块为可调增益放大器和有源带通滤波 器；由前方障碍物聚焦处返回的信号通过接收超声换能器转换成电信号后，经信号放大及 调理模块进行一系列的放大、滤波后送至高速A/D转换模块，最终转换成数字信号并送至 MCU主控模块处理；以及

一输出告警模块和一总线接口模块，均连接于MCU主控模块，输出告警模块在检测到 入侵发生时对外提供一对触点，用来实现声光报警；或者，通过总线接口模块，将报警信 号通过通用总线发送给报警控制主机（上位机），从而实现报警远程监控与联动。

本发明以意法半导体公司的STM32F407单片机为核心，实现对各部分功能模块的控制 和响应。FPGA时序控制模块从系统的MCU主控模块获得扫描启动信号之后，就会按照预定 的规则和时序依次发送激励脉冲信号，但因FPGA时序控制模块输出的信号功率有限，要驱 动超声换能器必须对激励脉冲信号进行放大。每扫描完成一个点之后，根据预先计算的数 值，时序控制模块在回波信号到达接收探头时向MCU主控模块发送一个帧同步信号和位置 同步信号，告知MCU主控模块开始进行A/D转换，同时可提高探测精度。如果MCU主控模 块超过一定时间没有接收到帧同步信号，说明扫描过程中出现错误，此时应强制重启FPGA 时序控制模块,重新扫描。为提高空间扫描速度，在本实施例中设置两个专门的超声换能器 作为接收器，分别在不同的时段对不同焦点的回波信号进行接收，详见图1、2（a）和2（b）。 超声波前方障碍物聚焦处返回的信号，MCU主控模块通过控制FPGA时序控制模块和超声换 能器驱动模块按照一定的规则和时序激发各个发射超声换能器来调整焦点的位置和聚焦的 方向，从而便捷地实现对前方特定区域的扫描探测，并根据接收并处理后的回波信号得到 截面上入侵物体的空间信息；驱动模块按照FPGA时序控制模块预先设定的延迟时间依次发 送若干一定功率的方波脉冲信号驱动超声相控阵；聚焦后的超声波在焦点附近遇到障碍物 反射回来后，需要将超声波回波信号转换成电信号，转换后的电信号较微弱，需进行放大； 超声波传感器发送的超声波信号为球面波，接收的回波信号有可能从各个角度反射回来， 在高放大倍数后会引进噪声，为尽量减少噪声信号，有必要对放大后的信号进行滤波；经 放大、滤波等信号处理后送高速A/D转换电路，A/D转换后的数字信号送STM32F103处理。 具体完成检波、确定焦点位置的算法、阈值检测、过零检测、小波变换等处理。MCU主控模 块通过FPGA时序控制模块和驱动模块对超声相控阵发射的超声波束进行控制，通过依次对 截面上所有焦点进行扫描，从而形成对前方特定距离截面上的特定焦点的聚焦，并根据回 波信号形成截面上入侵物的2D数字信息；系统对环境扫描完成之后根据扫描结果返回相应 的提示信息，通过告警输出模块对使用者的下一步行动做出明确的指示；入侵障碍物信息 也会通过总线接口与多种信息输出装置相连，如发送给上位机。

结合图1，本发明以嵌入式系统为核心，以超声相控阵为传感器构建的一个能实现对检 测空间进行入侵探测的系统。该系统能够实现障碍物扫描探测、外形测量、行进速度测量、 方位测量、粗略成像功能，并可实现相关信息输出。

基于超声相控阵的嵌入式入侵探测系统的检测方法，步骤如下：

1）将多个发射超声换能器进行二维空间分布组成超声相控阵列；

2）FPGA时序控制模块根据空间待扫描点的不同，通过超声换能器驱动模块控制各个发 射超声换能器在不同时刻各自发出一束同相位的短波束，实现超声波束的空间聚焦和扫描； 同时，FPGA时序控制模块还向CPU模块发出同步时钟，从而提高检测精度；

3）聚焦后的超声波在焦点附近如果遇到障碍物时就会反射回来，由接收超声换能器作 为接收传感器接收回波信号，并转换成电信号：设置多个接收超声换能器作为接收器，分 别在不同的时段对不同焦点的回波信号进行接收；

4）接收到的信号经信号放大及调理模块的放大调理后，进入A/D转换模块并送至MCU 主控模块进行处理；MCU主控模块根据计算得到的焦点回波时间形成同步信号，实现同步检 测；

5）借助于电子扫描技术对待探测空间进行快速分层扫描，根据回波信号形成空间栅栏 区域内物体的三维二值数字图像并存储；通过对不同时刻数字图像进行差值检测，即得到 此栅栏区域内入侵物体的方位、速度、走向、数量、几何尺寸乃至外形信息。

MCU主控模块还控制FPGA时序控制模块对入侵物体实现跟踪扫描，以得到入侵物体的 信息。

对于非探测方向、非焦点上的障碍物返回的信号，信号放大及调理模块能够通过信号 的模式识别以及时间窗加以甄别。

结合图1，当对空间障碍物的分辨率要求不高时，通过降低对截面的离散化分度、简化 相控阵的结构，可使整个系统得以简化，其实现的主要功能有：

⑴超声波的发射、数据接收、数据处理、存储及提示信息输出功能。

⑵入侵物体的识别、扫描图像形成、信号放大、图形信息输出及数据存储功能。

⑶超声波发射延时、发射信号的相位控制、信号采集、接收信号的时间加窗处理、图 像信号的坐标定位及实时信息输出功能。

⑷通过记忆已获得的信息从而对入侵物体的行驶参数（速度、方向等）、大致外形进行 测量。

结合图3，所述的超声相控阵采用8个中心频率为40KHz、收发一体的TCF40-18TR1压 电陶瓷超声换能器来组成简化的二维矩形阵列，在FPGA时序模块的控制下，通过延时触发 （实现发射聚焦）、同步触发（控制发射信号的相位）及定时发射（对不同的截面实施扫描）， 形成对不同焦点和不同断面的扫描功能。超声换能器可以根据需要分别独立或同时发射超 声波，形成空间焦点聚焦的波束。

结合图4、5，本发明所扫描的空间栅栏区为离阵列一定距离的一个具有一定纵深、宽 度和高度的空间。本实施例采用的是一个矩形空间，其最近的断面中心距离相控阵中心3.5 米，最远的断面中心距离相控阵中心5.5米，下边距地面高度100mm，上边距地面高度 1900mm，左右宽度约1800mm（可根据需要调整）；详见图4、图5。

结合图3、4、5，通过交错地安排每个扫描面的焦点，可以在监视空间上形成足够密度 的扫描点。为简化系统设计，本实施例采用了多发多收的工作模式。如果对每个焦点均采 用发射、接收这一完整的扫描程序完成后再依次扫描的方法，则扫描完一个断面所需的时 间太长，无法保证所有扫描过的焦点均处在同一个平面附近。为减少扫描所需的时间，通 过合理安排扫描点的次序，令各焦点的回波按给定的时间窗的宽度依次分别到达接收换能 器从而可以有效地减少扫描所需的时间。

在扫描焦点位置不变的前提下，为加快扫描速度，可将对各空间扫描点的参数事先计 算完成后做成表格，利用查表方式实现扫描。本实施例采用FPGA时序控制模块的有限状态 机来实现超声信号产生、波束扫描、相位控制和发射周期控制等功能。FPGA时序控制模块 同时还向MCU主控模块送出帧同步信号和焦点同步信号，用于信号处理模块对焦点实现精 确定位。

图6示出了同样障碍物下聚焦与非聚焦信号的图形，其中，图6（a）是在距离相控阵 中心1.5米处焦点（0°）位置处测放置障碍物后测得的超声波回波波形，图6（b）是在距 离相控阵中心1.5米处的同心圆上偏移开焦点5°位置处测放置障碍物后测得的超声波回波 波形，图6（c）是在距离相控阵中心1.5米处的同心圆上偏移开焦点20°的位置处测放置 障碍物后测得的超声波回波波形。由这三个图可以看出，经过相控阵的聚焦后，超声能量 大部分集中在焦点附近大约5°的范围内。由公式（2）可得，如果适当的改变N和d，在 其他条件不变时，可以使聚焦后的超声能量更集中。

本发明所涉及的系统为嵌入式系统，该系统可与必要的外部输出模块一起构成一个独 立的入侵探测系统，亦可作为一个模块与其他探测器一起协同工作，组成多鉴探测系统。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的 各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。