地面“鷹眼”督察儀

翁馨　陳佳浩

摘? 要：為解決現(xiàn)今社會，高空拋物造成的人員傷亡、財產(chǎn)受損等安全問題。同時，克服現(xiàn)有基于視覺的高空拋物檢測裝置弊端，本作品提出一種基于毫米波雷達的高空拋物檢測與預警裝置。這將有效彌補基于視覺系統(tǒng)高空拋物檢測裝置的不足，盡可能降低類似安全事故的發(fā)生頻率，并且為高空拋物檢測預警裝置研發(fā)提供新的思路。

關鍵詞：毫米波雷達;高空拋物檢測;神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習;大數(shù)據(jù)與信息集成

引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市文明的不斷提升，越來越多的高層樓宇聳立街頭。然而高空拋物致人傷亡，個人財產(chǎn)，公共設施受損的事故卻層出不窮。一個個被拋下來的物品，至此成為城市文明上空的污點。因此，高空安全隱患問題日益被廣大人民所重視。為了預防此類事件的發(fā)生，高空拋物檢測與預警裝置應運而生，然而現(xiàn)階段主要的檢測裝置僅局限于通過視頻、拍攝成像、紅外成像的技術方式進行設計。由于基于主流技術的產(chǎn)品存在應用環(huán)境局限性大（比如暗夜條件、極端天氣條件下裝置將不能很好地檢測高空拋物），對物體跟蹤、識別性能差以及物體定位精度低等諸多技術瓶頸，為了進一步減輕高空拋物導致的惡劣后果，優(yōu)化產(chǎn)品技術，本團隊提出了基于毫米波雷達的高空拋物檢測與預警裝置的研發(fā)。

毫米波雷達優(yōu)勢概述

毫米波雷達發(fā)射的毫米波，其頻域通常在30～300GHz，波長范圍在1～10mm，介于厘米波和光波之間。毫米波導引頭具有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點，對霧、煙、灰塵的穿透能力強，并且具有全天候工作的特點。

毫米波雷達具備的天線口徑和窄波束使它能實現(xiàn)高跟蹤精度和引導精度;易于進行低仰角跟蹤，抗地面多徑和雜波干擾;對近空目標具有高橫向分辨力;對區(qū)域成像和目標監(jiān)視具備高角分辨力;通過窄波束的抗干擾性能和高天線增益使它容易檢測小目標，甚至是電線、電桿和彈丸等。

雷達具備的大帶寬特點具有高信息速率，容易采用窄脈沖或寬帶調(diào)頻信號獲得目標的細節(jié)結構特征;具有寬的擴譜能力和減少多徑、雜波并增強抗干擾能力;具有高距離分辨力，易得到精確的目標跟蹤和識別能力，相鄰頻率的雷達或毫米波識別器工作，易克服相互干擾。

項目技術路線

通過毫米波雷達的天線陣列和前端射頻模塊，應用C/C++算法測得高空拋物的實時位置、速度和角度信息，再通過物體的雷達發(fā)射特征，基于深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡技術來識別高空拋物，從而實現(xiàn)全天候、全地域、全時段的高空拋物檢測定位。分析高空拋物的運動規(guī)律，反向推理物體的拋出樓層，同時提供及時的地面拋物危險預警。

項目技術手段

在本次基于毫米波雷達測速的高空拋物的項目研發(fā)中，本團隊在整體上分為雷達測速、雷達數(shù)據(jù)分析與神經(jīng)網(wǎng)絡建模以及后端功能實現(xiàn)三部分。在雷達測速部分，團隊在參考對比之下，在信號處理方向上，探討測速本質——譜峰搜索;然后利用快速傅里葉變換這一數(shù)字信號處理領域中的經(jīng)典方法，實現(xiàn)了對雷達回波信號的頻譜譜峰位置的快速捕獲;為進一步提高連續(xù)毫米波雷達的測速精度，在快速傅里葉變換的基礎上，再引入Chirp Z變換方法，通過頻譜細化實現(xiàn)了對測速算法計算分辨率的有效提升;最后借助MATLAB軟件或者Python等進行離線分析。

在經(jīng)過ADC采集雷達的中頻信號數(shù)據(jù)之后，團隊在完成對頻譜分析問題的基礎上，應用神經(jīng)網(wǎng)絡建立物體拋落軌跡模型，精準定位，以及對軌跡進行預測，判斷物體下落位置及時提供預警信號。在神經(jīng)網(wǎng)絡的運動目標軌跡預測網(wǎng)絡搭建中，團隊參考采用基于RNN的運動目標軌跡預測方法，搭建長短時記憶（Long Short Term Memory，LSTM）網(wǎng)絡模型;采用基于多層網(wǎng)格搜索的模型參數(shù)優(yōu)選算法對網(wǎng)絡模型的步長L、隱藏節(jié)點個數(shù)H和學習率η進行優(yōu)選;最后，采用隨時間反向傳播算法（Back Propagation through Time，BPTT）對LSTM網(wǎng)絡模型的權重參數(shù)進行優(yōu)化訓練。

在對高空拋物對象運動目標軌跡預測實驗與結果分析中，首先對模型關鍵參數(shù)進行優(yōu)選，確定模型步長L、隱藏節(jié)點個數(shù)H和學習率η;然后進行運動目標軌跡預測實驗，采用LSTM模型，將所搭建網(wǎng)絡應用于高空拋物物體運動軌跡的預測當中。

綜上，團隊在研發(fā)過程中進行了多次試驗以及優(yōu)化建模，借助已有的技術手段來優(yōu)化項目過程，不斷改進和追求更好的縮短從雷達檢測到預警信號發(fā)出整個過程所用時間，提高產(chǎn)品的安全性以及可靠性。

結束語

綜上所述，隨著人們對高空拋物事件越來越重視，市場對高空拋物精確檢測設備的渴求也與日俱增。基于毫米波雷達的高空拋物檢測與預警裝置順應市場需求，開辟了檢測技術的新道路，很大程度上提高了檢測的準確性和快捷性。但就如何提升實際應用成效，還有待本團隊進一步根據(jù)市場分析和人民需要來進行相關調(diào)整。但是我們始終堅信，基于毫米波雷達的高空拋物檢測與預警裝置必將被大眾認可，成為人們頭頂最為堅實的保護傘;為構建法治社會、和諧社會、文明社會提供強有力的保障！

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