[发明专利]全向阵列超声波异动目标监测系统及运动轨迹追踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波传感技术，尤其涉及一种全向阵列超声波异动目标监测系统及运动轨迹追踪方法。

背景技术

从广义的角度看，封闭空间内的异常移动目标监测包含了对结构形变等缓慢变化目标的监测，以及对非法入侵物体等快速变化目标的监测。目前用于封闭空间异常移动目标监测的技术手段有摄像、激光、红外、分布式光纤等。上述技术大多只能针对特定方向进行监测，需要依靠多点组网或云台支座转动才能实现多方位的空间监测，尽管如此，空间内仍存在较多监测盲区。对非法入侵而言，摄像、激光等监测技术不易隐蔽，容易遭到规避或破坏；红外技术可以监测有生命特征的物体，对结构形变异动则无能为力；而分布式光纤技术在布设维护方面相对麻烦，影响空间结构的外观。另一方面，将超声波用于安防报警已有成熟应用，但目前的应用模式比较简单，多数针对单一方向，并且不具备对异动目标的自适应追踪能力。目前超声波技术用于结构形变的安全监测还没有成熟的应用，最新的技术是利用超声波的波束角具有一定发散性效应，实现对波束角监测区范围内的结构表面上所有点的覆盖性监测（如201110147270.1号中国专利申请提出的“基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法”），在此基础上，建立分布式超声波形变监测系统，进一步确定形变发生位置在超声波束角监测区范围何处（如201210116341.6号中国专利申请提出的“分布式超声波地下空间结构形变监测系统及区域定位方法”）。但上述技术涉及的分布式超声波组网采用的是一环扣一环的链状组网布局，适合长距离的空间结构（例如隧道）形变监测，不具备对异动目标的自适应追踪能力。如何实现对封闭空间的异常移动目标全方位监测，同时使监测具有较宽的适用范围，既可用于对结构形变等缓慢变化目标的监测，也可用于对非法入侵物体等快速变化目标的监测，至今仍无妥善的技术方法。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种全向阵列超声波异动目标监测系统，它由球形支架和多个探测器组成；多个探测器设置于球形支架所形成的球体表面上，所述探测器为超声波收发一体式传感器，探测器发射超声波的方向与球体的径向方向重合，且各个探测器与球心之间的距离相等。采用前述结构后，结合本发明的监测方法，可实现对封闭空间内的结构体形变和异物侵入的全向监测，监测区域覆盖全面，无盲区，且超声波不可见，无法被遮挡，非法入侵者难以躲避，可有效保证监测区域范围内的安全，相比于其他监测设备，本发明还具备结构简单、成本低廉、布设方便的优势。

在前述结构的基础上，本发明还作了如下改进：由球形支架所形成的球体表面上，按等角度差设置多条经线和纬线，探测器设置于经线和纬线的交点处，且探测器数量与经线和纬线的交点数量一一对应。探测器采用这种按经、纬线分布的布置方式后，可将探测器的位置关系映射为二维图表（即探测器二维位置关系表），便于扫描路径的规划和控制方法的实施。

在前述结构的基础上，本发明还提出了与前述结构结合使用的基于全向阵列超声波异动目标监测系统的运动轨迹追踪方法，其步骤为：

1）在球形支架上布置多个探测器；

2）根据空间向量和立体几何知识，确定各个探测器对应的监测区域；

3）按各个探测器的位置相邻关系，将球面上的多个探测器的位置映射为一探测器二维位置关系表；

4）以探测器二维位置关系表上的某一探测器为起点，另一探测器为终点，在探测器二维位置关系表上勾画一条连接起点和终点的路径，该路径串起所有的探测器且路径与每个探测器仅相交一次（由于球体在三维空间上各向都是连续的，因此可以映射出多种探测器二维位置关系表，即使选定了起点和终点的位置，它们在不同的探测器二维位置关系表上也可能居于不同位置，所以前述的路径规划肯定是能够实现的；其中，路径的起点既可以将其设置于探测器二维位置关系表的中部，采用螺旋形式向周围扫描（如图3所示），也可以将起点设置于探测器二维位置关系表的边沿，采用逐行或逐列的方式进行扫描）；控制各个探测器按勾画出的路径依次工作并获取各个探测器采集到的数据；当所有探测器都完成一次运行后，即完成了一个扫描周期，然后从起点开始，重新进行下一个扫描周期的操作；

5）运行过程中，若某一监测区域范围内的结构体出现形变，或某一监测区域范围内有物体在移动，则该监测区域对应的探测器采集到的数据就会发生变化，系统据此确定该监测区域范围内有非法侵入的物体，或结构体出现形变。

采用前述方案后，可及时获知被监测空间内的实时状态，并可立即对出现异常情况的区域进行定位，实现简单、运行稳定可靠。