专利名称：一种多通道基于uwb雷达式生命探测仪的多个人体目标二维定位方法
技术领域：
本发明涉及属于非接触生命参数探测技术领域，特别涉及一种多通道基于UWB的 雷达式生命探测仪的多个人体目标二维定位方法。
背景技术：
雷达式生命探测仪是一种融合雷达技术和生物医学工程技术可穿透非金属介质 (砖墙、废墟等)非接触、远距离地探测人类生命体(呼吸、心跳、体动等)的一种新兴特殊 雷达。而雷达式生命探测仪技术则是以生命体为探测目标的一项新兴技术，是国际科技界 公认的一个非常重要的前沿技术领域。由于该技术对被测量对象无任何约束，无需接触性 电极、传感器、电缆等的连接，而且可以隔一定的距离、穿透一定的介质(如衣服、纱布、砖 墙、废墟等)对人体进行识别探测，所以可广泛用于灾害被埋人员搜救、反恐斗争中隔墙监 控及战场侦察等领域，特别是在应急救援、反恐等领域具有不可替代的优势。目标识别能力和距离、角度分辨力是当今雷达式生命探测仪领域研究的两个重 点，也是本文需要突破的关键问题。目前，较为成熟的基于连续波雷达体制的雷达式生命探 测仪系统只能给出有人无人的结果，而无法给出目标的距离和角度信息等，穿透能力也有 待进一步提高。鉴于超宽谱雷达所具有的优势，我们采用了目前国际上先进的超宽谱技术， 将其与非接触生命探测技术相结合，研究基于超宽谱的非接触探人雷达技术。现行的雷达式生命探测技术以对单目标的探测识别为主，对多目标的探测和定位 也仅限于运动目标。到目前为止，该领域尚未解决多个静止人体目标的识别和二维定位问 题。多静目标探测识别定位技术是国际生命探测领域的一个新的研究方向和难点，该技术 是雷达式生命探测仪的关键技术，它制约着雷达式生命探测仪的广泛应用。多静目标探测 识别定位难题的解决可以极大地提高非接触生命探测中的探测效率，满足实际工作中对多 目标快速探测定位的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种多通道基于UWB的 雷达式生命探测仪的二维定位方法，解决多个静止人体目标的二维探测和定位问题。本发明采用如下技术方案—种多通道基于UWB雷达式生命探测仪的多个人体目标二维定位方法，所述生命 探测仪包括一个发射天线和三个接收天线，分别组成三个雷达回波信号通道，所述二维定 位方法包括以下步骤A1，各通道对静止人体的微弱生命信号进行增强，各通道采用8点间 4积分法在距离上对雷达回波信号进行积分；再将积分后的信号打散进行分解、重构，合成 目标回波信号和距离信号；对目标回波信号进行数字滤波和数字微分，实现微弱有用信号 的增强；A2，一维距离区分，各个通道根据数字滤波和数字微分后的目标回波信号以及所述 距离信号进行空间频率分析，在三个通道分别得到目标的三个投影信号；A3，根据所述三个投影信号确定目标的二维位置信息并形成显示图像。所述的多个人体目标二维定位方法，所述发射天线和其中一个接收天线紧密排列 置于中央，另外两接收天线设置于两边，形成形似哑铃的结构。所述的多个人体目标二维定位方法，所述步骤Al具体执行以下操作A11，在距离 上分别对三路雷达回波信号进行积分；A12，将经过积分后的三路雷达回波信号分别进行分 解、重构，合成三路目标回波信号和三路距离信号；A13，对三路目标回波信号分别进行数字 滤波和数字微分；A14，根据数字滤波和数字微分后的三路目标回波信号以及三路距离信号 进行空间频率分析，得到目标的三个投影信号。所述的多个人体目标二维定位方法，所述步骤A2之前还包括投影信号预处理步 骤，用于将所述三个投影信号进行去中值和归一化处理。所述的多个人体目标二维定位方法，所述步骤A3具体执行以下操作A31，对三个 通道的预处理后投影信号作一维傅里叶变换；A32，对所述经过一维傅里叶变换后的投影信 号乘以一维权重因子I P I ；A33，对乘以一维权重因子I P I后的投影信号作逆傅立叶变换； A34，对经过逆傅立叶变换的投影信号作直接反投影。所述的多个人体目标二维定位方法，步骤A32所述的一维权重因子I P I的最终确 定如下式所示，为某通道处理后的投影信号，为一维傅立叶变换后的投影信号。所述的多个人体目标二维定位方法，还包括拖尾消除步骤，用于对得到的显示图 像进行拖尾消除。所述的多个人体目标二维定位方法，采用以下方法进行拖尾消除将显示区域的 二维平面内的像素值预设置一阈值，将低于所述阈值的像素涂成背景颜色。所述的多个人体目标二维定位方法，所述显示图像的显示方式为二维平面伪彩的 显示方式，并同时显示距离和角度，来实现多目标的定位和探测结果显示。本发明的创新之处在于(1)提出了先实现对静止人体目标微弱生命特征的增强、人体识别和一维距离区 分，再进行多目标二维定位的新方法，为雷达式生命探测仪的多个静止人体目标定位开辟 新的途径。(2)采用以改形的时频分析方法一空频分析(空间、频率)为主的一维距离区分 算法对单通道超宽谱雷达式生命探测仪系统采集的回波信号进行拆分、重组和有关处理， 可望为生命探测中多个静目标的一维距离区分提供新的方法。(3)提出了最佳天线阵结构方式长哑铃型结构。以该结构方式进行探测，可使探 测系统以最少的天线，最简单的结构，获得最佳的多目标定位效果。
图1为单通道超宽谱雷达式生命探测仪系统原理框图；图2为多通道超宽谱雷达式生命探测仪计算单元结构示意图；图3为超宽谱雷达参数设置示意图；图4为目标回波信号和距离信号；图5为硬件滤波电路组成方框图；图6为微分算法前后的信号波形比较(30秒数据)；
图7为波峰判别方法对双目标数据进行判别的结果图8为角度确定算法示意图；图9为收发分置天线形式的电磁波传播路径；图10为收发一体和收发分置天线形式的天线回波信号；图11为多通道系统的目标二维位置确定示意图；图12为滤波反投影法；图13为消除拖尾现象后(阈值150)的定位结果图；图14为消除拖尾现象后(阈值230)的定位结果图；图15为单目标定位结果图；图16为双目标定位结果图；图17为三目标定位结果图；图18为双目标定位结果图(拖尾消除)；图19为三目标定位结果图(拖尾消除)。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。实施例1本实施例以多通道中某一通道为例说明，图1为单通道超宽谱雷达式生命探测仪 系统原理框图。首先脉冲振荡器产生脉冲信号，该信号触发电磁脉冲产生器产生窄脉冲，并 通过发射天线辐射出去。反射信号经过接收天线送到取样积分器，由脉冲振荡器产生的信 号经过延时电路产生距离门，对接收信号进行选择，信号通过取样积分电路，经过成千上万 个脉冲的积累后微弱信号被检测出来，并进行放大滤波，再经高速采集卡采样后送入计算 单元，由计算单元对采集到的信号进行分析处理并识别，最后计算目标距离。如图1所示，虚线框内为雷达前端，系统的中心频率和带宽同为500MHz，波束覆盖 角度为60。计算单元控制距离门产生器来获得探测区域内不同距离段的回波信号。计算机可控制的参数为起始距离、探测范围、采样频率和天线增益。如图3所示， 天线穿透砖墙后，探测区域为一扇形，通过设置起始距离和探测范围，可以实现图中阴影部 分的扇形区域的扫描探测，如果回波信号经分析后显示有目标信息，就可以判定此扇形区 域内有目标。通过不断的调整起始距离，可以实现一定区域内的断层扫描。而调整探测范 围(天线的接收点数不变)，则可以调整探测系统的灵敏度，改变系统的目标距离分辨力， 实现一定区域内的粗扫和细扫。例如，起始距离设置为6m(40纳秒)，探测范围设置为3m(20纳秒)，本系统的回波 信号为2048个点组成的序列，那么当前雷达有效探测区域为天线正前方6m 9m，角度为 60的扇形区域，回波信号只反映纵向上:3m的信息，且将: 的范围平均等分为2048份，即每 次采样得到2048个数据，我们称之为2048个点，第η点代表的距离为5 = 6 +......(1)公式(1)中n为点序数。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须大于信号最高频率的两倍，我们设定A/D采样频率为64Hz。图2为本发明多通道超宽谱雷达式生命探测仪计算单元结构示意图；所述计算单 元包括信号积分模块、信号分解重构模块、数字滤波模块和数字微分模块、空间频率分析模 块，所述信号积分模块在距离上对信号进行积分，所述信号分解重构模块将信号打散进行 分解、重构，合成目标回波信号和距离信号，所述数字滤波和数字微分模块对目标回波信号 进行数字滤波和数字微分，所述空间频率分析模块用于根据数字滤波和数字微分后的目标 回波信号以及距离信号进行空间频率分析，得到目标一维距离。实施例2本实施例以多通道中的一个通道为例对静目标微弱信号增强方法进行说明，要实现静止人体目标的识别，首先应该对静止人体的微弱生命信号进行增强。在 本实施例中，针对UWB雷达回波信号的特点，采用微弱生物医学信号处理方法对经过高速 采样后的信号进行处理和有用信号的增强，来提高信噪比，实现对人体目标的基本识别。采用8点间4点积分法在距离上对信号进行积分；再将信号打散进行分解、重构， 合成目标回波信号和距离信号；对目标回波信号进行数字滤波和数字微分，以实现微弱有 用信号的增强。2.1信号的积分本实施例中采用的高速采集卡采样率为64Hz，则经AD采样后的数据量大，不利于 实时运算；数据量减少太多又会导致回波信号缺少足够的距离信息。所以在确保拥有足够 的距离分辨力的情况下本实施例选取8点间4积分法对采样后信号进行分段积分。8点间4积分法就是把数据每8点相加取平均，每两次积分间隔4点(0 7，4 11，8 15，后面类推)，使采样后信号数据量经过距离上的积分变成了原信号的四分之一， 在不损失信号特征的情况下减少了信号的序列长度，降低了运算量，加快了运算速度。2. 2信号的分解重构将积分后信号按时间和空间两个域进行分解、重构，合成含有时间信息的目标回 波信号X(t)和含有空间信息的距离信号y(d)，其中t为时间变量，d为距离变量。目标回 波信号反映的是对应距离点上的信号幅值随时间变化的情况，目标回波信号的横坐标是时 间；而距离信号则为同一时刻不同距离上的各点的幅值组成的序列，距离信号的横坐标为 距离。图4为随机选择的一路目标回波信号(1600点，25秒)和距离信号(60ns，9m)波形 图。目标回波信号提高了信噪比，更有利于生命特征信号的提取，距离信号在大大降 低运算量的同时，又保证了合适的距离分辨力。2. 3滤波器的选择2. 3. 1硬件滤波器在本实施例中将硬件滤波电路接入高速AD采集卡之前，滤波器带宽为可调，在 前期预实验中，先后试验了带宽为 0. 08-10Hz、0. 08-100Hz、0. 08_1000Hz、0. 08_2000Hz、 0. 08-3000Hz、0. 08-4000Hz、0. 08-5000Hz的几种滤波器，通过效果对比，最终选定了 0. 08-5000HZ作为硬件滤波电路的通带，增益分为两档增益为1时，放大倍数为1倍，增益 为2时，放大倍数为2倍。分别采用不加硬件滤波电路的单通道UWB系统、加硬件滤波电路(增益为1)的单通道UWB系统和加硬件滤波电路(增益为幻的单通道UWB系统随机采集数据各16组(无 目标、单目标数据)，合计共48组数据。对这48组数据分别采用计算单元包含的算法进行 处理和判别，统计识别正确率，统计结果如下表1所示。表1增减硬件滤波器时的识别正确率情况(48组数据)
权利要求
1.一种多通道基于UWB的雷达式生命探测仪的多个人体目标二维定位方法，所述生命 探测仪包括一个发射天线和三个接收天线，分别组成三个雷达回波信号通道，其特征在于， 所述二维定位方法包括以下步骤Al，各通道对静止人体的微弱生命信号进行增强，各通道 采用8点间4积分法在距离上对雷达回波信号进行积分；再将积分后的信号打散进行分解、 重构，合成目标回波信号和距离信号；对目标回波信号进行数字滤波和数字微分，实现微弱 有用信号的增强；A2，一维距离区分，各个通道根据数字滤波和数字微分后的目标回波信号 以及所述距离信号进行空间频率分析，在三个通道分别得到目标的三个投影信号；A3，根据 所述三个投影信号确定目标的二维位置信息并形成显示图像。
2.根据权利要求1所述的多个人体目标二维定位方法，其特征在于，所述发射天线和 其中一个接收天线紧密排列置于中央，另外两接收天线设置于两边，形成形似哑铃的结构。
3.根据权利要求1所述的多个人体目标二维定位方法，其特征在于，所述步骤Al具体 执行以下操作A11，在距离上分别对三路雷达回波信号进行积分；A12，将经过积分后的三 路雷达回波信号分别进行分解、重构，合成三路目标回波信号和三路距离信号；A13，对三路 目标回波信号分别进行数字滤波和数字微分；A14，根据数字滤波和数字微分后的三路目标 回波信号以及三路距离信号进行空间频率分析，得到目标的三个投影信号。
4.根据权利要求3所述的多个人体目标二维定位方法，其特征在于，所述步骤A2之前 还包括投影信号预处理步骤，用于将所述三个投影信号进行去中值和归一化处理。
5.根据权利要求4所述的多个人体目标二维定位方法，其特征在于，所述步骤A3具体 执行以下操作A31，对三个通道的预处理后投影信号作一维傅里叶变换；A32，对所述经过 一维傅里叶变换后的投影信号乘以一维权重因子I ρ I ；A33，对乘以一维权重因子I P I后 的投影信号作逆傅立叶变换；A34，对经过逆傅立叶变换的投影信号作直接反投影。
6.根据权利要求5所述的多个人体目标二维定位方法，其特征 在于，步骤A32所述的一维权重因子I P I的最终确定如下式所示dpi = 1 0.08Hz < F {gs(0}< 0.7Hzη d\LJ寸Λ<7 ，g0(t)为某通道处理后的投影信号，[H = O ^ {ge(0}< 0.08Hz 或>0·7ΗζF1Ig0 (t)}为一维傅立叶变换后的投影信号。
7.根据权利要求1至6任一所述的多个人体目标二维定位方法，其特征在于，还包括拖 尾消除步骤，用于对得到的显示图像进行拖尾消除。
8.根据权利要求7所述的多个人体目标二维定位方法，其特征在于，采用以下方法进 行拖尾消除将显示区域的二维平面内的像素值预设置一阈值，将低于所述阈值的像素涂 成背景颜色。
9.根据权利要求7所述的多个人体目标二维定位方法，其特征在于，所述显示图像的 显示方式为二维平面伪彩的显示方式，并同时显示距离和角度，来实现多目标的定位和探 测结果显示。
全文摘要
本发明公开了一种多通道基于UWB雷达式生命探测仪的多个人体目标二维定位方法，所述生命探测仪包括一个发射天线和三个接收天线，分别组成三个雷达回波信号通道，所述二维定位方法包括以下步骤A1、各通道对静止人体的微弱生命信号进行增强，各通道采用8点间4积分法在距离上对雷达回波信号进行积分；再将积分后的信号打散进行分解、重构，合成目标回波信号和距离信号；对目标回波信号进行数字滤波和数字微分，实现微弱有用信号的增强；A2、一维距离区分，各个通道根据数字滤波和数字微分后的目标回波信号以及所述距离信号进行空间频率分析，在三个通道分别得到目标的三个投影信号；A3、根据所述三个投影信号确定目标的二维位置信息并形成显示图像。
文档编号G01S13/88GK102073042SQ20101052083
公开日2011年5月25日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者于霄, 吕昊, 张杨, 李岩峰, 李钊, 王健琪, 荆西京 申请人:中国人民解放军第四军医大学