专利名称：超宽带生命搜救探测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型主要涉及到生命搜救探测设备领域，特指一种超宽带生命搜救探测仪，其主 要适用于火场、烟雾、建筑物废墟、地震救灾等高危场所进行快速有效的生命探测、定位。
背景技术：
在地震、火灾、建筑物废墟等事故现场，对生命体进行快速、准确地探测、定位，是实 现对生存人员及时、有效救助的根本保障。目前市场上的生命搜救探测仪产品主要可分为音 频生命探测仪、光学生命探测仪、红外生命探测仪几种。这些救生系统除了无法穿透障碍物 侦测生命体的移动信息外，大部分产品对救援环境条件要求较为苛刻，例如光学、红外摄像 系统，侦测的范围非常有限并且只有在遇险者进入摄像机镜头或传感器的视野后才会报警。 而基于音频的侦测系统大大受限于作用距离和废墟周边的噪声影响，对于强噪声干扰环境下 的搜救，误警概率大，工作稳定性较差，并且需要遇险者能够清醒地发出声音或规律性的击 打声。
实用新型内容
本实用新型要解决的问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种 适用范围广、抗干扰能力强、探测速度快、可靠性好、精确度高的超宽带生命搜救探测仪。
为解决上述技术问题，本实用新型提出的解决方案为 一种超宽带生命搜救探测仪，其 特征在于它包括主控系统、超宽带脉冲发射机、接收机以及显示单元，所述超宽带脉冲发 射机包括与主控系统输出端相连的延时控制单元以及超宽带脉冲源阵列、超宽带发射天线阵 列和数字精控延迟线，超宽带脉冲源阵列根据由主控系统的控制信号经过发射天线阵列对观 测空间进行辐射和时域波束扫描，所述接收机包括超宽带接收天线、距离门产生单元、距离 门延时单元以及高速数字采集单元，超宽带脉冲回波经超宽带接收天线接收，由距离门产生 单元产生的距离门选通后，通过高速数字采集单元进行回波采集，最终将数据传输至主控系 统，对接收回波数据结合相关算法进行目标检测、定位、跟踪，并由显示单元成像显示。
所述超宽带脉冲源阵列由一个以上的超宽带脉冲源组成，超宽带发射天线阵列由一个以 上超宽带发射天线组成，数字精控延迟线与一个超宽带脉冲源、 一个超宽带发射天线依次相 连构成一组脉冲发射单元。
与现有技术相比，本实用新型的优点就在于
1、本实用新型的超宽带生命搜救探测仪，可广泛应用于建筑物废墟、火场、地震救灾等
3高危场所，进行快速有效的生命探测、定位作业。与当前采用光学、红外、音频技术的类似 产品相比，具有无需钻孔、无需铺设电缆、抗强噪声、全天候作业等优点；2、 本实用新型的超宽带生命搜救探测仪，其采用硬件窄波门、时域相干积累、智能波形 识别与软波门设置等射频抑制技术，使得本款生命探测仪不仅具有天然的抗音频强噪声的能 力，还具有良好的射频抑制-抗射频噪声的能力；3、 本实用新型的超宽带生命搜救探测仪，实现了丌环体制时域波束扫描技术，这使得无 需借助雷达伺服系统机械转动天线阵列，就能实现对目标区域内各个方向上的快速扫描，方 便目标搜索，加快搜索进程。
图l是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型中发射机超宽带脉冲源模块的电路原理示意图；图3是本实用新型中延时控制单元与数字精控延时线的电路框架示意图；图4是本实用新型中FPGA的电路原理示意图；图5是本实用新型中所采用的回波特征矢量提取算法的流程示意图；图6是本实用新型中所采用的回波相干积累双门限识别检测算法的流程示意图。图例说明1、主控系统 2、延时控制单元3、数字精控延迟线 4、超宽带脉冲源5、超宽带发射天线 6、距离门延时单元7、距离门产生单元 8、超宽带接收天线9、高速数字采集单元 10、显示单元具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。如图1所示，本实用新型的超宽带生命搜救探测仪，其基于超宽带冲激脉冲雷达探测原理， 利用超宽带脉冲所具有的强穿透性、高分辨力特性，结合射频抑制-抗强噪声等后端数据处理 核心算法，实现对火场、烟雾、建筑物废墟、地震救灾等高危场所强噪声背景下，生命体的 快速有效的探测、定位。该探测仪包括主控系统l、超宽带脉冲发射机、接收机以及显示单元 10，超宽带脉冲发射机包括与主控系统1输出端相连的延时控制单元2以及超宽带脉冲源阵列、 超宽带发射天线阵列和数字精控延迟线，超宽带脉冲源阵列根据由主控系统l的控制信号经过 发射天线阵列对观测空间进行辐射和时域波束扫描，并利用延时控制单元2和数字精控延迟线3，调节各个超宽带脉冲源4的触发微弱时差序列，保证脉冲源阵列输出脉冲在空间预定方向 上，触发时差与相互间波程差完全抵消，从而对空间一定角度范围内实现时域波束扫描。接 收机包括超宽带接收天线8、距离门产生单元7、距离门延时单元6以及高速数字采集单元9， 超宽带脉冲回波经超宽带接收天线8接收，由距离门产生单元7产生的距离门选通后，通过高 速数字采集单元9进行回波采集，最终将数据传输至主控系统l，对接收回波数据结合相关算 法进行目标检测、定位、跟踪，并由显示单元10成像显示。显示单元10主要完成对目标搜索、 探测结果的实时显示。在本实施例中，超宽带脉冲源阵列由一个以上的超宽带脉冲源4组成， 超宽带发射天线阵列由一个以上超宽带发射天线5组成，数字精控延迟线与一个超宽带脉冲源 4、 一个超宽带发射天线5依次相连构成一组脉冲发射单元。主控系统l与超宽带脉冲发射机、 接收机通过数据电缆连接，对超宽带脉冲发射机提供精确的延迟控制指令，并对接收回波数 据结合相关算法进行目标检测、定位、跟踪，并作实时二维/三维成像显示。主控系统l主要 用来对超宽带脉冲发射机提供精确的延迟控制指令，并对接收回波数据结合相关算法进行目 标检测、定位、跟踪，并成像显示。其中采用时域相干积累、智能波形识别与软波门设置等 核心算法，大大提高了本系统的射频抑制-抗强噪声能力。此外还包括时域波束扫描时阵列 天线单元之间的触发时基延迟运算、波门搜索、探测区域内网格划分与成像、动目标检测与 跟踪等算法。在本实施例中，超宽带发射天线5、超宽带接收天线8均釆用平面螺旋天线形式；数字精控延迟线3采用Maxim公司DS1020-15 、DS1020-200可编程延迟线，歩进精度分别为0.15ns、 2.0ns，歩进位数8位。高速数字采集单元9采用加拿大Gage公司的CompuScope 85G A/D采 集卡。图1中的延时控制单元2、距离门延时单元6、距离门产生单元7可集成在一块FPGA 电路板上完成。参见图2，为超宽带脉冲源4的电路图，电路中采用雪崩三极管Tl-T5构成 欠容量MARX电路，MARX电路中采用电容Cl-C5作为充电元件，欠容量充电法不要求各 电容所充电荷在雪崩级联过程中均能够对末端负载放电，相反只要求能维持到下一级或几级 雪崩管雪崩时间即可。故电容取值远小于常规MARX电路中取值大小。以雪崩三极管TO为 核心的预脉冲电路则提供前沿陡峭的过触发信号，对雪崩三极管Tl-T5构成的MARX电路进 行触发，最终实现波形高稳定、时延高、精确可控超宽带冲激脉冲源单元。参见图3，为本 实用新型中延时控制单元2与数字精控延时线3的电路框架结构示意图，延时控制单元2由 RS232接口芯片MAX232、单片机、FPGA、输入缓冲器、时钟、程序ROM组成；数字精控 延时线3由细调延时线1 8、粗调延时线1 8和输出驱动1 8构成。当该电路作为开环体 制脉冲源阵列时域波束合成与扫描的触发信号使用时，单片机通过RS232接口芯片MAX232与计算机进行通信，并将计算机的控制指令传送给FPGA， FPGA根据控制指令计算各通道需 要的延时量，并通过控制粗调延时线、细调延时线来进行实现。图4给出了该块FPGA电路 图，FPGA芯片选用型号Xilinx公司的Spartan-3。其中引脚5为主控系统发出的总的触发 信号。引脚17为采集单元距离门信号。引脚25-引脚28为延时控制单元给出的发射脉冲源阵 列各个支路的数字精控延迟线触发信号。所有的逻辑控制、时序控制均在FPGA芯片内部实 现。在实际工作中，本实用新型超宽带生命搜集探测仪的使用方法如下1、 将搜救仪传感器部分(包括发射机和接收机，已一体化集成在一个机箱封装内)放置 于带探测废墟上，利用光纤将传感器部分与主控系统l互连。2、 丌机后，主控系统l自动进入操作界面，自检正常后，便自动开始对探测区域的搜索探测。3、 如果成功发现生命体，将会在显示单元10上以圆点的光斑形式进行指示，对目标进行 跟踪并警报发出蜂鸣声。未检索到生命体，则显示单元10上无目标显示，搜救人员可将传感 器转移至下一个搜救场所。根据时域波束扫描的基本定理，即不考虑单元天线子方向图，超宽带N元线阵方向图波 束要扫描至与法线成6夹角方向，第w个单元的脉冲与第iV个单元发射时差为w =—(jV —")Jsin^/c (公式l)其中，A《—^表示第w个单元的脉冲发射时基较第iV个单元的延时；iV表示阵元数；J表 示阵元间距；S表示预定的扫描指向；c表示光速。即第n个单元的时基较第N个单元提前(iV - n)d sin ^ / c 。图5为本实用新型主控系统1中所采用回波特征矢量提取算法流程图。结合各个特征量的 基本定义，比如单个回波的峰值信噪比、组峰数目、组峰间距等信息，利用计算机语言进行 算法描述，基于回波时域采集信号，提取特征分量。将上述各个特征分量进行联合，可以构 造回波特征矢量。进一步将特征矢量提取核心算法，生成动态链接库，集成在雷达系统操作 软件中。同时，算法还具有智能学习能力，基于实验数据进行智能训练，最终得到一般目标 回波各个特征分量的统计值空间分布范围，进一步提高了算法识别检测成功概率。图6为本实用新型主控系统1中所采用回波相干积累双门限识别检测算法流程图。通过单 次采样样本完成回波检测，由于冲激脉冲雷达回波信噪比较低，为有效降低误警概率，本实 用新型采用相干积累双门限检测方法。检测步骤参考图4所示。首先基于单次样本进行特征矢量门限检测，检测门限A,为矢量形式，记作X,-^。按照同样步骤，对iV个样本进行重复检测后，对成功检测次数*与成功检测次数门限八2进行比较，最终作出有无信号的判读。这种对目标回波的双门限检测算法，本质上是对真实目标信号与射频干扰等虚假信号的特征多次 统计研判，自然对射频、噪声抑制具有一定效果，从而可以较好的提高信噪比与目标检测概 率，有效降低误警概率。显然，对连续采样的iV个独立样本，提取特征矢量，有A:个样本特 征矢量超过检测门限A,的概率满足二项式分布户(&) = <^,(1 —P广-* (公式2) 其中，P为单次采样特征矢量超过检测门限A,的概率；C,t= , W ,。第二检测门限八2为《/^个单次样本超过检测门限 。这样，最终相干积累双门限识别检测发现概率&与虚警概率^。分别为^=!:^",(1—(公式3)4 = ic^(l-尸,。广 (公式4) 其中，A,表示单次检测发现概率；P^表示单次检测虚警概率。除此之外，硬件窄波门、时域相干积累、智能波形识别与软波门设置等方法的采用对于 采样窗内的强射频噪声起到了进一步的抑制效果。由于UWB雷达信号的频谱分布在电磁波频段，对救援环境下声波段的强噪声干扰具有天 然的免疫力。但同时，超宽带雷达接收机相对带宽较大，空间无线电信号与回波信号有可能 同时进入接收机，构成射频干扰。本实用新型采用硬件窄波门、时域相干积累、特征矢量提 取、双门限检测、智能波形识别与软波门设置等核心技术，大大提高了本系统的射频抗噪能 力。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实 施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于 本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1、一种超宽带生命搜救探测仪，其特征在于它包括主控系统(1)、超宽带脉冲发射机、接收机以及显示单元(10)，所述超宽带脉冲发射机包括与主控系统(1)输出端相连的延时控制单元(2)以及超宽带脉冲源阵列、超宽带发射天线阵列和数字精控延迟线，超宽带脉冲源阵列根据由主控系统(1)的控制信号经过发射天线阵列对观测空间进行辐射和时域波束扫描，所述接收机包括超宽带接收天线(8)、距离门产生单元(7)、距离门延时单元(6)以及高速数字采集单元(9)，超宽带脉冲回波经超宽带接收天线(8)接收，由距离门产生单元(7)产生的距离门选通后，通过高速数字采集单元(9)进行回波采集，最终将数据传输至主控系统(1)，对接收回波数据结合相关算法进行目标检测、定位、跟踪，并由显示单元(10)成像显示。
2、 根据权利要求1所述的超宽带生命搜救探测仪，其特征在于所述超宽带脉冲源阵列由一个以上的超宽带脉冲源(4)组成，超宽带发射天线阵列由一个以上超宽带发射天线(5)组成，数字精控延迟线与一个超宽带脉冲源(4)、 一个超宽带发射天线(5)依次相连构成一组脉冲发射单元。
专利摘要一种超宽带生命搜救探测仪，它包括主控系统、超宽带脉冲发射机、接收机以及显示单元，超宽带脉冲发射机包括与主控系统输出端相连的延时控制单元以及超宽带脉冲源阵列、超宽带发射天线阵列和数字精控延迟线，超宽带脉冲源阵列经过发射天线阵列对观测空间进行辐射和时域波束扫描，接收机包括超宽带接收天线、距离门产生单元、距离门延时单元以及高速数字采集单元，超宽带脉冲回波经超宽带接收天线接收，由距离门产生单元产生的距离门选通后，通过高速数字采集单元进行回波采集，最终将数据传输至主控系统，得到最终结果后并由显示单元成像显示。本实用新型具有适用范围广、抗干扰能力强、探测速度快、可靠性好、精确度高等优点。
文档编号G01S13/06GK201293836SQ200820159318
公开日2009年8月19日 申请日期2008年11月20日 优先权日2008年11月20日
发明者吴永清, 伟 张, 劼 梁, 韩明华 申请人:长沙华诺星空电子技术有限公司