專利名稱：一種多通道基于uwb雷達式生命探測儀的多個人體目標二維定位方法
技術領域：
本發明涉及屬于非接觸生命參數探測技術領域，特別涉及一種多通道基于UWB的 雷達式生命探測儀的多個人體目標二維定位方法。
背景技術：
雷達式生命探測儀是一種融合雷達技術和生物醫學工程技術可穿透非金屬介質 (磚墻、廢墟等)非接觸、遠距離地探測人類生命體(呼吸、心跳、體動等)的一種新興特殊 雷達。而雷達式生命探測儀技術則是以生命體為探測目標的一項新興技術，是國際科技界 公認的一個非常重要的前沿技術領域。由于該技術對被測量對象無任何約束，無需接觸性 電極、傳感器、電纜等的連接，而且可以隔一定的距離、穿透一定的介質(如衣服、紗布、磚 墻、廢墟等)對人體進行識別探測，所以可廣泛用于災害被埋人員搜救、反恐斗爭中隔墻監 控及戰場偵察等領域，特別是在應急救援、反恐等領域具有不可替代的優勢。目標識別能力和距離、角度分辨力是當今雷達式生命探測儀領域研究的兩個重 點，也是本文需要突破的關鍵問題。目前，較為成熟的基于連續波雷達體制的雷達式生命探 測儀系統只能給出有人無人的結果，而無法給出目標的距離和角度信息等，穿透能力也有 待進一步提高。鑒于超寬譜雷達所具有的優勢，我們采用了目前國際上先進的超寬譜技術， 將其與非接觸生命探測技術相結合，研究基于超寬譜的非接觸探人雷達技術。現行的雷達式生命探測技術以對單目標的探測識別為主，對多目標的探測和定位 也僅限于運動目標。到目前為止，該領域尚未解決多個靜止人體目標的識別和二維定位問 題。多靜目標探測識別定位技術是國際生命探測領域的一個新的研究方向和難點，該技術 是雷達式生命探測儀的關鍵技術，它制約著雷達式生命探測儀的廣泛應用。多靜目標探測 識別定位難題的解決可以極大地提高非接觸生命探測中的探測效率，滿足實際工作中對多 目標快速探測定位的需求。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種多通道基于UWB的 雷達式生命探測儀的二維定位方法，解決多個靜止人體目標的二維探測和定位問題。本發明采用如下技術方案—種多通道基于UWB雷達式生命探測儀的多個人體目標二維定位方法，所述生命 探測儀包括一個發射天線和三個接收天線，分別組成三個雷達回波信號通道，所述二維定 位方法包括以下步驟A1，各通道對靜止人體的微弱生命信號進行增強，各通道采用8點間 4積分法在距離上對雷達回波信號進行積分；再將積分后的信號打散進行分解、重構，合成 目標回波信號和距離信號；對目標回波信號進行數字濾波和數字微分，實現微弱有用信號 的增強；A2，一維距離區分，各個通道根據數字濾波和數字微分后的目標回波信號以及所述 距離信號進行空間頻率分析，在三個通道分別得到目標的三個投影信號；A3，根據所述三個投影信號確定目標的二維位置信息并形成顯示圖像。所述的多個人體目標二維定位方法，所述發射天線和其中一個接收天線緊密排列 置于中央，另外兩接收天線設置于兩邊，形成形似啞鈴的結構。所述的多個人體目標二維定位方法，所述步驟Al具體執行以下操作A11，在距離 上分別對三路雷達回波信號進行積分；A12，將經過積分后的三路雷達回波信號分別進行分 解、重構，合成三路目標回波信號和三路距離信號；A13，對三路目標回波信號分別進行數字 濾波和數字微分；A14，根據數字濾波和數字微分后的三路目標回波信號以及三路距離信號 進行空間頻率分析，得到目標的三個投影信號。所述的多個人體目標二維定位方法，所述步驟A2之前還包括投影信號預處理步 驟，用于將所述三個投影信號進行去中值和歸一化處理。所述的多個人體目標二維定位方法，所述步驟A3具體執行以下操作A31，對三個 通道的預處理后投影信號作一維傅里葉變換；A32，對所述經過一維傅里葉變換后的投影信 號乘以一維權重因子I P I ；A33，對乘以一維權重因子I P I后的投影信號作逆傅立葉變換； A34，對經過逆傅立葉變換的投影信號作直接反投影。所述的多個人體目標二維定位方法，步驟A32所述的一維權重因子I P I的最終確 定如下式所示，為某通道處理后的投影信號，為一維傅立葉變換后的投影信號。所述的多個人體目標二維定位方法，還包括拖尾消除步驟，用于對得到的顯示圖 像進行拖尾消除。所述的多個人體目標二維定位方法，采用以下方法進行拖尾消除將顯示區域的 二維平面內的像素值預設置一閾值，將低于所述閾值的像素涂成背景顏色。所述的多個人體目標二維定位方法，所述顯示圖像的顯示方式為二維平面偽彩的 顯示方式，并同時顯示距離和角度，來實現多目標的定位和探測結果顯示。本發明的創新之處在于(1)提出了先實現對靜止人體目標微弱生命特征的增強、人體識別和一維距離區 分，再進行多目標二維定位的新方法，為雷達式生命探測儀的多個靜止人體目標定位開辟 新的途徑。(2)采用以改形的時頻分析方法一空頻分析(空間、頻率)為主的一維距離區分 算法對單通道超寬譜雷達式生命探測儀系統采集的回波信號進行拆分、重組和有關處理， 可望為生命探測中多個靜目標的一維距離區分提供新的方法。(3)提出了最佳天線陣結構方式長啞鈴型結構。以該結構方式進行探測，可使探 測系統以最少的天線，最簡單的結構，獲得最佳的多目標定位效果。
圖1為單通道超寬譜雷達式生命探測儀系統原理框圖；圖2為多通道超寬譜雷達式生命探測儀計算單元結構示意圖；圖3為超寬譜雷達參數設置示意圖；圖4為目標回波信號和距離信號；圖5為硬件濾波電路組成方框圖；圖6為微分算法前后的信號波形比較(30秒數據)；
圖7為波峰判別方法對雙目標數據進行判別的結果圖8為角度確定算法示意圖；圖9為收發分置天線形式的電磁波傳播路徑；圖10為收發一體和收發分置天線形式的天線回波信號；圖11為多通道系統的目標二維位置確定示意圖；圖12為濾波反投影法；圖13為消除拖尾現象后(閾值150)的定位結果圖；圖14為消除拖尾現象后(閾值230)的定位結果圖；圖15為單目標定位結果圖；圖16為雙目標定位結果圖；圖17為三目標定位結果圖；圖18為雙目標定位結果圖(拖尾消除)；圖19為三目標定位結果圖(拖尾消除)。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例，對本發明進行詳細說明。實施例1本實施例以多通道中某一通道為例說明，圖1為單通道超寬譜雷達式生命探測儀 系統原理框圖。首先脈沖振蕩器產生脈沖信號，該信號觸發電磁脈沖產生器產生窄脈沖，并 通過發射天線輻射出去。反射信號經過接收天線送到取樣積分器，由脈沖振蕩器產生的信 號經過延時電路產生距離門，對接收信號進行選擇，信號通過取樣積分電路，經過成千上萬 個脈沖的積累后微弱信號被檢測出來，并進行放大濾波，再經高速采集卡采樣后送入計算 單元，由計算單元對采集到的信號進行分析處理并識別，最后計算目標距離。如圖1所示，虛線框內為雷達前端，系統的中心頻率和帶寬同為500MHz，波束覆蓋 角度為60。計算單元控制距離門產生器來獲得探測區域內不同距離段的回波信號。計算機可控制的參數為起始距離、探測范圍、采樣頻率和天線增益。如圖3所示， 天線穿透磚墻后，探測區域為一扇形，通過設置起始距離和探測范圍，可以實現圖中陰影部 分的扇形區域的掃描探測，如果回波信號經分析后顯示有目標信息，就可以判定此扇形區 域內有目標。通過不斷的調整起始距離，可以實現一定區域內的斷層掃描。而調整探測范 圍(天線的接收點數不變)，則可以調整探測系統的靈敏度，改變系統的目標距離分辨力， 實現一定區域內的粗掃和細掃。例如，起始距離設置為6m(40納秒)，探測范圍設置為3m(20納秒)，本系統的回波 信號為2048個點組成的序列，那么當前雷達有效探測區域為天線正前方6m 9m，角度為 60的扇形區域，回波信號只反映縱向上:3m的信息，且將: 的范圍平均等分為2048份，即每 次采樣得到2048個數據，我們稱之為2048個點，第η點代表的距離為5 = 6 +......(1)公式(1)中n為點序數。根據奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍，我們設定A/D采樣頻率為64Hz。圖2為本發明多通道超寬譜雷達式生命探測儀計算單元結構示意圖；所述計算單 元包括信號積分模塊、信號分解重構模塊、數字濾波模塊和數字微分模塊、空間頻率分析模 塊，所述信號積分模塊在距離上對信號進行積分，所述信號分解重構模塊將信號打散進行 分解、重構，合成目標回波信號和距離信號，所述數字濾波和數字微分模塊對目標回波信號 進行數字濾波和數字微分，所述空間頻率分析模塊用于根據數字濾波和數字微分后的目標 回波信號以及距離信號進行空間頻率分析，得到目標一維距離。實施例2本實施例以多通道中的一個通道為例對靜目標微弱信號增強方法進行說明，要實現靜止人體目標的識別，首先應該對靜止人體的微弱生命信號進行增強。在 本實施例中，針對UWB雷達回波信號的特點，采用微弱生物醫學信號處理方法對經過高速 采樣后的信號進行處理和有用信號的增強，來提高信噪比，實現對人體目標的基本識別。采用8點間4點積分法在距離上對信號進行積分；再將信號打散進行分解、重構， 合成目標回波信號和距離信號；對目標回波信號進行數字濾波和數字微分，以實現微弱有 用信號的增強。2.1信號的積分本實施例中采用的高速采集卡采樣率為64Hz，則經AD采樣后的數據量大，不利于 實時運算；數據量減少太多又會導致回波信號缺少足夠的距離信息。所以在確保擁有足夠 的距離分辨力的情況下本實施例選取8點間4積分法對采樣后信號進行分段積分。8點間4積分法就是把數據每8點相加取平均，每兩次積分間隔4點(0 7，4 11，8 15，后面類推)，使采樣后信號數據量經過距離上的積分變成了原信號的四分之一， 在不損失信號特征的情況下減少了信號的序列長度，降低了運算量，加快了運算速度。2. 2信號的分解重構將積分后信號按時間和空間兩個域進行分解、重構，合成含有時間信息的目標回 波信號X(t)和含有空間信息的距離信號y(d)，其中t為時間變量，d為距離變量。目標回 波信號反映的是對應距離點上的信號幅值隨時間變化的情況，目標回波信號的橫坐標是時 間；而距離信號則為同一時刻不同距離上的各點的幅值組成的序列，距離信號的橫坐標為 距離。圖4為隨機選擇的一路目標回波信號(1600點，25秒)和距離信號(60ns，9m)波形 圖。目標回波信號提高了信噪比，更有利于生命特征信號的提取，距離信號在大大降 低運算量的同時，又保證了合適的距離分辨力。2. 3濾波器的選擇2. 3. 1硬件濾波器在本實施例中將硬件濾波電路接入高速AD采集卡之前，濾波器帶寬為可調，在 前期預實驗中，先后試驗了帶寬為 0. 08-10Hz、0. 08-100Hz、0. 08_1000Hz、0. 08_2000Hz、 0. 08-3000Hz、0. 08-4000Hz、0. 08-5000Hz的幾種濾波器，通過效果對比，最終選定了 0. 08-5000HZ作為硬件濾波電路的通帶，增益分為兩檔增益為1時，放大倍數為1倍，增益 為2時，放大倍數為2倍。分別采用不加硬件濾波電路的單通道UWB系統、加硬件濾波電路(增益為1)的單通道UWB系統和加硬件濾波電路(增益為幻的單通道UWB系統隨機采集數據各16組(無 目標、單目標數據)，合計共48組數據。對這48組數據分別采用計算單元包含的算法進行 處理和判別，統計識別正確率，統計結果如下表1所示。表1增減硬件濾波器時的識別正確率情況(48組數據)
權利要求
1.一種多通道基于UWB的雷達式生命探測儀的多個人體目標二維定位方法，所述生命 探測儀包括一個發射天線和三個接收天線，分別組成三個雷達回波信號通道，其特征在于， 所述二維定位方法包括以下步驟Al，各通道對靜止人體的微弱生命信號進行增強，各通道 采用8點間4積分法在距離上對雷達回波信號進行積分；再將積分后的信號打散進行分解、 重構，合成目標回波信號和距離信號；對目標回波信號進行數字濾波和數字微分，實現微弱 有用信號的增強；A2，一維距離區分，各個通道根據數字濾波和數字微分后的目標回波信號 以及所述距離信號進行空間頻率分析，在三個通道分別得到目標的三個投影信號；A3，根據 所述三個投影信號確定目標的二維位置信息并形成顯示圖像。
2.根據權利要求1所述的多個人體目標二維定位方法，其特征在于，所述發射天線和 其中一個接收天線緊密排列置于中央，另外兩接收天線設置于兩邊，形成形似啞鈴的結構。
3.根據權利要求1所述的多個人體目標二維定位方法，其特征在于，所述步驟Al具體 執行以下操作A11，在距離上分別對三路雷達回波信號進行積分；A12，將經過積分后的三 路雷達回波信號分別進行分解、重構，合成三路目標回波信號和三路距離信號；A13，對三路 目標回波信號分別進行數字濾波和數字微分；A14，根據數字濾波和數字微分后的三路目標 回波信號以及三路距離信號進行空間頻率分析，得到目標的三個投影信號。
4.根據權利要求3所述的多個人體目標二維定位方法，其特征在于，所述步驟A2之前 還包括投影信號預處理步驟，用于將所述三個投影信號進行去中值和歸一化處理。
5.根據權利要求4所述的多個人體目標二維定位方法，其特征在于，所述步驟A3具體 執行以下操作A31，對三個通道的預處理后投影信號作一維傅里葉變換；A32，對所述經過 一維傅里葉變換后的投影信號乘以一維權重因子I ρ I ；A33，對乘以一維權重因子I P I后 的投影信號作逆傅立葉變換；A34，對經過逆傅立葉變換的投影信號作直接反投影。
6.根據權利要求5所述的多個人體目標二維定位方法，其特征 在于，步驟A32所述的一維權重因子I P I的最終確定如下式所示dpi = 1 0.08Hz < F {gs(0}< 0.7Hzη d\LJ寸Λ<7 ，g0(t)為某通道處理后的投影信號，[H = O ^ {ge(0}< 0.08Hz 或>0·7ΗζF1Ig0 (t)}為一維傅立葉變換后的投影信號。
7.根據權利要求1至6任一所述的多個人體目標二維定位方法，其特征在于，還包括拖 尾消除步驟，用于對得到的顯示圖像進行拖尾消除。
8.根據權利要求7所述的多個人體目標二維定位方法，其特征在于，采用以下方法進 行拖尾消除將顯示區域的二維平面內的像素值預設置一閾值，將低于所述閾值的像素涂 成背景顏色。
9.根據權利要求7所述的多個人體目標二維定位方法，其特征在于，所述顯示圖像的 顯示方式為二維平面偽彩的顯示方式，并同時顯示距離和角度，來實現多目標的定位和探 測結果顯示。
全文摘要
本發明公開了一種多通道基于UWB雷達式生命探測儀的多個人體目標二維定位方法，所述生命探測儀包括一個發射天線和三個接收天線，分別組成三個雷達回波信號通道，所述二維定位方法包括以下步驟A1、各通道對靜止人體的微弱生命信號進行增強，各通道采用8點間4積分法在距離上對雷達回波信號進行積分；再將積分后的信號打散進行分解、重構，合成目標回波信號和距離信號；對目標回波信號進行數字濾波和數字微分，實現微弱有用信號的增強；A2、一維距離區分，各個通道根據數字濾波和數字微分后的目標回波信號以及所述距離信號進行空間頻率分析，在三個通道分別得到目標的三個投影信號；A3、根據所述三個投影信號確定目標的二維位置信息并形成顯示圖像。
文檔編號G01S13/88GK102073042SQ20101052083
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月27日 優先權日2010年10月27日
發明者于霄, 呂昊, 張楊, 李巖峰, 李釗, 王健琪, 荊西京 申請人:中國人民解放軍第四軍醫大學