高频探地雷达安检软件系统设计与实现
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关键词： 安检软件系统; 高频探地雷达; 金属检测; 自定义协议; 信号增益; 时间窗
中图分类号： TN95⁃34; TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2019）05⁃0070⁃05
Design and implementation of security inspection software system based on
high⁃frequency ground penetrating radar
HAN Jingjing1， 2， QIAO Xu1， YANG Feng1
（1. China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China;
2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Pingxiang University， Pingxiang 337055， China）
Abstract： The high⁃frequency ground penetrating radar includes the 1.6 GHz radar antenna， radar host and wireless terminal. The wireless terminal is connected with radar host through 2.4 GHz UHF WiFi， and can display the inspection results. The self⁃defined data transmission protocol is used to control the state of radar host， adjust the signal gain and time window. On the basis of high⁃frequency ground penetrating radar， a security inspection software system based on Android is developed to detect the dangerous metal products. The difference of the detection results is studied under different distance conditions by means of the experimental tests of non⁃metallic target and metal target. The results demonstrated that， with the same detection distance， the reflected signal of the metal target is stronger than that of the non⁃metallic target. The security inspection software system can detect the dangerous metal products according to the difference of reflected signals.
Keywords： security inspection software system; high⁃frequency ground penetrating radar; metal detection; self⁃defined protocol; signal gain; time window
0 引 言
在商场、医院等公共场所，人群密集且流动性强，对安全隐患的预防十分重要。常见的安全隐患绝大部分是枪支、刀具等金属危险品。传统安检手段主要有安检机、便携式X光机、手持式金属探测器和金属探测门等。
安检机采用X射线和实时成像技术[1]，检测放置在输送带上的行李等物品。实时成像技术包括工业电视成像技术[2]、计算机射线照相技术[3]、计算机断层扫描技术[4]和数字平板成像技术[5]等几种。安检机能够清晰地区分出金属、液体、固体有机物等，但是体积太大携带不便。便携式X光机是一种简化的安检机[6]。与安检机相比，便携式X光机减少了传动机构和屏蔽措施，有效减小了体积，但是长期使用会对人体造成过量輻射[7]。手持式金属探测器[8]和金属探测门[9]通过比较电磁波接收信号和基准信号的差异，可以检查随身携带的金属物品，但是探测距离有限[10]。
与以上几种安检手段相比，高频探地雷达能够发现移动金属目标且探测距离较远，对人体没有伤害，比较适合用于商场、医院等公共场所的安全检查。在高频探地雷达基础上开发基于Android的安检软件系统，利用自定义数据传输协议传输探测到的数据，通过比较数据的差异，实现对金属危险品的检测。
1 高频探地雷达
高频探地雷达包括雷达天线、雷达主机和无线终端三部分，如图1所示，为了增强便携性，将雷达天线和雷达主机封装起来，由内置锂电池供电。雷达天线采用共偏置模式，主频为1.6 GHz。雷达主机以STM32F407为主控核心，外扩以太网PHYLAN8720A芯片构成雷达的数据采集模块和数据传输模块。无线终端为基于Android系统的平板电脑等移动设备。
Android系统包含Graphics，Net等开发包，提供了对HTTP，UDP等协议的封装，支持套接字编程，系统控件丰富[11]。Android设备使用方便，小巧便携，能够有效提高安检效率，降低劳动强度。因此，在高频探地雷达的基础上，开发基于Android的安检软件系统。
2 安检软件系统
基于Android的安检软件系统用于接收并处理雷达主机传输的数据，显示数据处理的结果。软件系统主要包括自定义数据传输协议、参数设置和终端显示。其中，自定义数据传输协议是建立在物理层上的通信数据包格式，包括常规控制命令、常规控制命令应答、参数命令和探地雷达数据;参数设置包括对采集信号进行增益处理、调节采样时间窗等功能;终端显示有两种形式，一种是雷达灰度图，另一种是雷达波形图。
2.1 自定义数据传输协议
自定义数据传输协议包括常规控制命令、常规控制命令应答、参数命令和探地雷达数据。常规控制命令长度为5 B，格式如图2所示，包含首标志位、索引和尾标志位。首尾标志位各占2 B，通过首尾标志位可以判别命令完整性。索引占1 B，通过索引定义了控制命令的功能。例如，0xAA⁃0xAA⁃0x00⁃0xBB⁃0xBB是无线终端给雷达主机发送创建连接的命令。
常规控制命令应答长度为5 B，格式如图3所示，包含首标志位、索引和尾标志位。首尾标志位各占2 B，通过首尾标志位可以判别命令完整性。索引占1 B，通过索引定义了控制命令应答的功能。例如，雷达主机收到无线终端发送的创建连接的命令后，如果无线终端和雷达主机已经连接起来，雷达主机会返回应答命令0xAA⁃0xBB⁃0x00⁃0xCC⁃0xDD。
参数命令长度为14 B，格式如图4所示，包含首标志位、采样频率、采样点数、时间窗、固定延时、恒流源值和尾标志位。首尾标志位各占2 B，通过首尾标志位可以判别命令完整性。参数长度各占2 B，采样频率、采样点数、固定延时等参数控制探地雷达的采集方式。例如，采样频率为30 kHz、采样点数为512、时间窗为20 ns、固定延时为2 000 ns、恒流源值为51 200的参数命令为0xCC⁃0xCC⁃0x1E⁃0x00⁃0x00⁃0x02⁃0x14⁃0x00⁃0xD0⁃0x07⁃0x00⁃0xC8⁃0xDD⁃0xDD。
探地雷达数据以数据道为单位，采样点数为512时，每条数据道长度为1 030 B，格式如图5所示，包含首标志位、数据道标号、采样值和尾标志位。首尾标志位各占2 B，通过首尾标志位可以判别命令完整性。数据道标号占2 B，用来记录数据道在该探地雷达数据上的编号。采样值长度为1 024 B，每个采样点占2 B，记录采样后的探地雷达数据。
通过自定义数据传输协议，无线终端控制探地雷达主机采集探地雷达数据。无线终端采集控制包括等待、暂停等五种状态，各状态切换如图6a）所示。探地雷达主机数据采样包括准备、开始等五种状态，各状态切换如图6b）所示。
2.2 参数设置
由于雷达信號随着探测距离的延长而减弱，通过数据增益，可以放大雷达反射信号，提高对远距离目标的探测效果。信号增益通过调节时域控制曲线，放大不同时刻的雷达信号。增益前的信号如图7a）所示，增益后的信号如图7b）所示。通过比较发现，经过增益处理，信号局部得到明显放大。
采样时间窗是指脉冲发射与接收的时间间隔。时间窗越大，探测距离越远，通常时间窗[w]与探测距离[d]满足如下表达式：
[d=cw2e] （1）
式中：[c]为真空中的光速;[e]为相对介电常数。通过调节时间窗，可以改变探测的距离，考虑到空气中信号的衰减，时间窗并非越大越好。
2.3 终端显示
终端显示有两种形式，分别为雷达灰度图显示和雷达波形图显示。图像的显示利用了Android系统可以自定义控件的特点，在收到数据后，依据设定的参数处理数据，在自定义view上输出图像，如图8所示。
3 实验测试
为测试高频探地雷达探测金属目标的能力，本文设计两组实验。
第一组实验用于测试静止状态下，高频探地雷达探测金属目标的能力。实验中，采用0.26 m×0.19 m×0.02 m的图书作为非金属目标，采用0.25 m×0.25 m×0.003 m的金属板作为金属目标。高频探地雷达在空气中的有效探测距离为1.5 m，取20 ns时间窗，2 000 ns信号采样延时。分别测试非金属目标与天线垂直距离为0.1 m，0.4 m和0.7 m时的雷达波形图[B]，结果如图9a）、图9d）和图9g）所示。再分别测试金属目标与天线垂直距离为0.1 m，0.4 m和0.7 m时的雷达波形图[M]，结果如图9b）、图9e）和图9h）所示。不妨设差值[L]为非金属目标与金属目标雷达波形图的差值绝对值，即：
[L=B-M] （2）
由式（2）可知，非金属与金属雷达波形图的差异变大时，[L]的幅值增加。通过[L]的幅值大小可以确定非金属与金属雷达波形图的差异最大时刻[T]，如图9所示。
通过实验发现，当目标与天线垂直距离为0.1 m时，[L]在3.6 ns处的幅值明显增加，由于直达波位于2.8 ns处，设2.8 ns为反射信号的零点。空气的相对介电常数约为1.0，由式（1）可知，此时目标的位置距离天线0.120 m。当目标与天线垂直距离为0.4 m时，[L]在5.7 ns处的幅值明显增加，同理可知，此时目标的位置距离天线0.435 m。当目标与天线垂直距离为0.7 m时，[L]在7.7 ns处的幅值明显增加，同理可知，此时目标的位置距离天线0.735 m。在目标出现的位置，探地雷达信号差值[L]的幅值均明显增加，说明金属目标与非金属目标的反射信号存在差异。观察雷达波形图发现，金属目标的反射信号强于非金属目标。高频探地雷达通过比较反射信号的强弱，探测金属目标。
第二组实验用于测试运动状态下，高频探地雷达探测金属目标的能力。目标与天线垂直距离从0.7 m开始，经过0.4 m移动到0.1 m。取20 ns时间窗，2 000 ns信号采样延时。得到金属、非金属目标的雷达灰度图如图10所示。
可以看出，當探测到目标时灰度图发生了明显变化。根据灰度图中反射信号所在的时刻计算出目标与天线的距离。金属目标与非金属目标反射波能量不同，因此灰度图上的信号强弱也不同。距离相同时，金属目标的反射波能量强于非金属目标，因此，同一时刻灰度图上的金属目标信号强于非金属目标信号。高频探地雷达通过灰度图上出现的较强信号及其时刻探测金属目标。
4 结 语
本文针对目前市场上安检设备体积大、探测距离有限等缺点，结合自定义数据传输协议，设计了基于Android的高频探地雷达安检软件系统。该系统通过自定义数据传输协议，控制探地雷达主机采集探地雷达数据。通过实验验证，无论处于相对静止还是相对运动状态下，金属目标反射信号均较强，通过该反射信号可以探测金属目标所在的相对位置。
由于大气中气体分子的吸收作用，高频探地雷达信号衰减较严重。当目标与天线垂直距离超过1.5 m以上时，探地雷达的探测效果就会下降。因此后续需要改进信号增强算法，提高高频探地雷达的探测距离。
注：本文通讯作者为乔旭。
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