专利名称：一种超宽带雷达式生命探测系统及方法
技术领域：
本发明涉及生命搜救探测设备领域，尤其涉及一种超宽带雷达式生命探测系统及方法。
背景技术：
众所周知，在地震、火灾、建筑坍塌等事故现场，对于生命体进行快速、准确的探测和定位是实现对生存人员及时有效救助的的根本保障。穿墙生命探测技术能探测到被多种障碍物遮挡的目标，尤其是生命体目标及其各种特征，可广泛应用于灾害救援、反恐、公安、 消防、医疗及军事侦察等领域，穿墙探测技术多种多样，按照工作模式可分为主动式和被动式两种，按照所采用的信息载体可分为超声波、超低频电磁波、微波、毫米波、X射线等。利用人体静电场、超低频电磁能被动探测系统虽然功耗小，不易被发现，但是要探测呼吸和心跳这样低至3HZ以下的信号，需要较长的探测时间，而且难以测距与定位；主动探测系统一般可以实现测距，存在两个或更多探测单元则能够对目标定位甚至成像，但功耗高，易暴露。 穿墙探测技术的载体也各有特点，电磁波传播速度快，工作频段高，可以在很高的重复频率下工作，但不能穿透金属介质；超声波能够穿透金属介质，但是传播速度较慢，不利于实时定位；X射线穿透性和分辨力都较好，但是对人体有危害。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种超宽带雷达式生命探测系统及方法，其不仅穿透墙壁能力强，探测精度高，而且操作简单方便。为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的一种超宽带雷达式生命探测系统，其包括雷达主机和控制终端，所述雷达主机包括发射天线、接收天线、发射机、接收机、主控系统及通信单元，所述控制终端用于发射探测指令和接收探测结果，所述通信单元用于雷达主机和控制终端之间的数据传输，所述主控系统接收到通信单元传入的探测指令后，触发发射机产生超宽带窄脉冲，所述发射天线用于在观测区域范围内辐射超宽带窄脉冲，所述接收天线用于接收脉冲回波，并将脉冲回波传入接收机进行采样，采样后的数据传入主控系统进行杂波抑制、检测、判决，所述通信单元将主控系统的处理结果传入控制终端进行显示。特别的，所述主控系统为嵌入式主控板，所述发射机包括预触发脉冲电路和Marx 电路，所述接收机包括射频前端、中频模拟信号转换数字信号(AD)电路及时序控制单元， 所述控制终端发射探测指令，探测指令经通信单元及嵌入式主控板进入时序控制单元，所述时序控制单元触发预触发脉冲电路，并在Marx电路的配合下产生纳秒级的超宽带窄脉冲，然后通过发射天线对观测区域进行辐射，接收天线接收脉冲回波，并将脉冲回波传入射频前端，所述射频前端对脉冲回波进行处理后进入中频AD电路，并在时序控制单元的控制下对脉冲回波进行等效采样。特别的，所述控制终端为手持终端，所述手持终端包括通信单元和个人数字助理(PDA)主板，所述PDA主板通过通信单元向主控系统发射指令并接收和显示来自主控系统的数据处理结果。特别的，所述中频模拟信号转换数字信号(AD)电路包括步进系统，该步进系统包括快斜波发生器、阶梯波发生器和比较器，脉冲回波进入中频AD电路后通过步进系统进行等效采样。特别的，所述通信单元为Wi-Fi单元。本发明还公开了一种超宽带雷达式生命探测方法，所述方法包括如下步骤Si、控制终端发射探测指令，探测指令经通信单元进入主控系统，所述主控系统触发发射机产生超宽带窄脉冲；S2、发射天线将超宽带窄脉冲辐射到观测区域；S3、接收天线接收脉冲回波，并将其传入接收机；S4、接收机对脉冲回波进行采样；S5、主控系统对采样后的数据进行杂波抑制、检测、判决；S6、通信单元将主控系统的处理结果传入控制终端进行显示。特别的，所述步骤Sl至S5具体包括控制终端发射探测指令，探测指令经通信单元及嵌入式主控板进入时序控制单元，所述时序控制单元触发预触发脉冲电路，并在Marx 电路的配合下产生纳秒级的超宽带窄脉冲，然后发射天线将超宽带窄脉冲辐射到观测区域，接收天线接收脉冲回波后进入射频前端，所述射频前端对脉冲回波进行处理后进入中频模拟信号转换数字信号(AD)电路，并在时序控制单元的控制下对脉冲回波进行等效采样。特别的，所述中频AD电路对脉冲回波进行等效采样具体包括快斜波发生器产生快斜波，阶梯波发生器产生阶梯波，所述快斜波和快斜波传入比较器后得到步进脉冲，脉冲回波实现等效采样。特别的，所述控制终端发射探测指令具体包括手持终端的PDA主板通过设置于手持终端内的通信单元发射探测指令并接收和显示探测结果。特别的，所述通信单元为Wi-Fi单元。本发明的有益效果为，所述一种超宽带雷达式生命探测系统及方法，其采用超宽带冲激雷达体制，其不但结构简单，平均功率低，而且可实现厘米量级的测距精度，能识别和区分不同目标类型，能克服窄带雷达的吸波效应，穿透墙壁的能力强，对复杂背景下的杂乱回波抑制能力强，可靠性高；采用等效采样方法对超宽带窄脉冲进行采样，利用较低的频率实现5GHz的等效采样，在保持系统性能的同时，降低了系统结构的复杂度，降低了系统成本；通过手持终端实现处理结果显示与命令控制，使用时可以实现人机分离，降低了环境对超宽带辐射信号的干扰，提高了系统检测性能。
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。图1是本发明超宽带雷达式生命探测系统的结构示意图；图2是本发明的发射机的原理示意图；图3是本发明的接收机的原理示意图4是本发明采用的等效采样方法的原理示意图；图5是本发明的步进系统的原理示意图；图6是本发明的发射天线和接受天线的结构示意图；图7是本发明的发射天线和接受天线的装配示意图；图8是本发明超宽带雷达式生命探测方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。请参照图1所示，图1是本发明超宽带雷达式生命探测系统的结构示意图。本实施例中，一种超宽带雷达式生命探测系统，包括雷达主机1和手持终端15，所述雷达主机1包括发射天线10、接收天线11、发射机2、接收机5、嵌入式主控板9、电源12 及Wi-Fi单元13，所述发射机2包括预触发脉冲电路3和Marx电路4，所述接收机5包括射频前端8、中频AD电路7及时序控制单元6，所述电源12为Marx电路4、嵌入式主控板 9、中频AD电路7及时序控制单元6供电，所述手持终端15包括Wi-Fi单元15和PDA主板 14，所述PDA主板14发射探测指令，探测指令经Wi-Fi单元13进入嵌入式主控板9，所述嵌入式主控板9控制时序控制单元6触发预触发脉冲电路3后，在Marx电路4配合下产生纳秒级的超宽带窄脉冲，然后通过发射天线10对观测区域进行辐射，脉冲回波经接收天线11 接收后进入射频前端8，所述射频前端8对脉冲回波进行处理后进入中频AD电路7，所述中频AD电路7在时序控制单元6的控制下进行等效采样，然后将数据传入嵌入式主控板9进行杂波抑制、检测、判决，并经Wi-Fi单元13将处理结果传入PDA主板14进行显示。请参照图2所示，图2是本发明的发射机的原理示意图。所述发射机2的核心是高功率纳秒脉冲源，本实施例中所述高功率纳秒脉冲源由预触发脉冲电路3和Marx电路4组成，现有技术中的高功率脉冲源主要是利用开关状态的通断切换来完成脉冲波形的形成过程，因此开关的性能直接影响了脉冲波形的指标。在综合考虑开关功率容限、响应时间、稳定度和重频上限等因素后，本实施例的预触发脉冲电路3选用雪崩三极管全固态微波电路进行高稳定度脉冲源的设计，并通过Marx电路4实现较高的发射功率，即多个管子由电源 12并联充电，然后串联向负载放电，使得输出脉冲幅度可以远高于电源电压。时序控制单元 6向雪崩三极管全固态微波电路发射可控重频触发信号，同时电源12的直流电(DC) 100V端子为发射机提供100V高压进行充电，雪崩三级管利用雪崩效应产生纳秒级脉冲，然后通过发射天线10对观测区域进行辐射。请参照图3所示，图3是本发明的接收机的原理示意图。所述接收机5包括射频前端8、中频AD电路7和时序控制单元6三部分，接收天线11收到纳秒脉冲回波后，进入射频前端8，为降低采样率要求，所述射频前端8利用皮秒步进时序选通技术对脉冲回波进行有效展宽，展宽回波进入中频AD电路7进行等效采样，采样数据经时序控制单元6的USB接口进入嵌入式主控板9进行信号处理，检测有无目标存在，所述时序控单元6不但为射频前端8提供的皮秒步进选通时序，还负责为中频AD电路7提供采样时序触发，为发射机2提供发射时序触发。请参照图4示，图4是本发明采用的等效采样方法的原理示意图。雷达接收机5 设计核心是设计高速脉冲采样电路，为了对高速模拟信号进行不失真采集，根据奈奎斯特
6采样定理，采样频率必须为信号频率的2倍以上，本实施例中接收脉冲的等效带宽近似为 500MHz，采样速率必须达到IGHz以上才能实现不失真采样，对器件速度、电路结构和系统调试要求很高，由于脉冲回波信号近似为周期信号，利用信号的周期性，采用等效时间采样原理能够以较低速的中频AD电路7实现高速的数据采集，从而在保持系统性能的前提下减小了系统实现难度。等效采样的基本原理如图4(a)所示，设待测量信号为f(t)，该信号是一个可重复信号，其重复周期为T，如图4 (b)和图4 (c)所示，取采样周期为TS = T+ Δ t，在t =0时采样取得信号f SO = f(0)，在t = T+At时取得信号f Sl = f(T+At) = f(At)； 依次类推，在t = n(T+At)时，取得信号€311 = €(1^+1^0 =f(nAt)；最后得到样品序f S0、f Sl、f S2、、f Sn，这些样品与采用周期为At的实时采样结果相同，如果以At为周期的采样满足采样定理，则上述等效采样就能够取f(t)的完整信息。由此可见，等效取样信号包含了原输入信号类似的所有频率成分，只是频率降低At/TS倍。请参照图5所示，图5是本发明的步进系统的原理示意图。等效时间采样通常采用步进采样的方法来实现，信号每周期被采样一次，经过η次采样后组成新波形，采样点都是沿着时间轴的正方向移动，每次采样点距被采样信号的周期起始点有一个步进值At的增量延时时间。等效采样系统依赖于良好的步进系统来实现At。步进系统的精度是实现等效采样的关键，也是采样系统电路设计时的难点，所述步进系统包括快斜波发生器、阶梯波发生器和比较器。本实施例采用美国Analog Device公司的高速数字可编程延时发生器 AD9500作为步进系统的核心器件，该器件将快斜波发生器、阶梯波发生器中的主要电路以及比较器集成在一个芯片内，最小延时分辨率可达到10ps，等效采样频率可达100GHz。并且AD9500采用ECL电路技术，不仅速度快，逻辑功能强，而且扇出能力高，噪声低，串扰小， 提高了步进系统的性能。请参照图6，图6是本发明的发射天线和接受天线的结构示意图。本实施例中的发射天线10和接受天线11均采用领结天线，领结天线属于超宽带天线，其具有较高的辐射效率和接收灵敏度，具有较好的方向性和足够的带宽，能够满足生命探测的需要，而且领结天线属于时域保真天线，其没有色散效应，不会使发射脉冲波形失真。图7所示为发射和接收天线的装配示意图，为了减小电磁信号的干扰，对发射天线10和接收天线11采用屏蔽腔进行屏蔽。本发明基本工作过程1)雷达主机1和手持终端15开机，手持终端15进入雷达软件界面。2)点击手持终端15软件界面下雷达运行按钮，通过Wi-Fi单元15向雷达主机1 发送雷达运行指令。3)雷达主机1通过发射机2发射电磁脉冲，通过发射天线10对观测区域进行辐射，脉冲回波经接收天线11接收后进入接收机5，接收机5对脉冲回波进行等效采样。4)采样数据在嵌入式主控板9进行处理，处理后数据通过Wi-Fi单元13回传给手持终端15，进行检测结果的实时显示。单次运行时间大约需要15秒至120秒。5)根据需要，选择继续进行下一次探测，或者退出软件，结束探测。6)手持终端15和雷达主机1关机。请参照图8所示，图8是本发明超宽带雷达式生命探测方法的流程图；本实施例中，一种超宽带雷达式生命探测方法，所述方法包括如下步骤
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步骤101、手持终端的PDA主板通过设置于手持终端内的Wi-Fi单元发射探测指令，探测指令通过设置于雷达主机内的Wi-Fi单元及嵌入式主控板进入时序控制单元，所述时序控制单元触发预触发脉冲电路，并在Marx电路的配合下产生纳秒级的超宽带窄脉冲。步骤102、发射天线将超宽带窄脉冲辐射到观测区域。步骤103、接收天线接收脉冲回波，并将其传入接收机的射频前端。步骤104、射频前端利用皮秒步进时序选通技术对脉冲回波进行有效展宽，展宽回波进入中频AD电路的步进系统，所述步进系统的快斜波发生器产生快斜波，阶梯波发生器产生阶梯波，快斜波和快斜波传入比较器后得到步进脉冲，脉冲回波实现等效采样。步骤105、嵌入式主控板对采样后的数据进行杂波抑制、检测、判决。步骤106、嵌入式主控板通过Wi-Fi单元将数据处理结果传入PDA主板进行显示。所述一种超宽带雷达式生命探测系统及方法采用超宽带冲激雷达体制，其不但设结构简单，平均功率低，而且可实现厘米量级的测距精度，能识别和区分不同目标类型，能克服窄带雷达的吸波效应，穿透墙壁的能力强，对复杂背景下的杂乱回波抑制能力强，可靠性高；采用等效采样方法对超宽带窄脉冲进行采样，利用较低的频率实现5GHz的等效采样，在保持系统性能的同时，降低了系统结构的复杂度，降低了系统成本；通过手持终端15 实现处理结果显示与命令控制，使用时可以实现人机分离，降低了环境对超宽带辐射信号的干扰，提高了系统检测性能。上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内。
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权利要求
1.一种超宽带雷达式生命探测系统，其特征在于，所述系统包括雷达主机和控制终端， 所述雷达主机包括发射天线、接收天线、发射机、接收机、主控系统及通信单元，所述控制终端用于发射探测指令和接收探测结果，所述通信单元用于雷达主机和控制终端之间的数据传输，所述主控系统接收到通信单元传入的探测指令后，触发发射机产生超宽带窄脉冲，所述发射天线用于在观测区域范围内辐射超宽带窄脉冲，所述接收天线用于接收脉冲回波， 并将脉冲回波传入接收机进行采样，采样后的数据传入主控系统进行杂波抑制、检测、判决，所述通信单元将主控系统的处理结果传入控制终端进行显示。
2.根据权利要求1所述的超宽带雷达式生命探测系统，其特征在于，所述主控系统为嵌入式主控板，所述发射机包括预触发脉冲电路和Marx电路，所述接收机包括射频前端、 中频模拟信号转换数字信号(AD)电路及时序控制单元，所述控制终端发射探测指令，探测指令经通信单元及嵌入式主控板进入时序控制单元，所述时序控制单元触发预触发脉冲电路，并在Marx电路的配合下产生纳秒级的超宽带窄脉冲，然后通过发射天线对观测区域进行辐射，脉冲回波经接收天线接收后进入射频前端，所述射频前端对脉冲回波进行处理后进入中频AD电路，并在时序控制单元的控制下对脉冲回波进行等效采样。
3.根据权利要求1或2所述的超宽带雷达式生命探测系统，其特征在于，所述控制终端为手持终端，所述手持终端包括通信单元和个人数字助理(PDA)主板，所述PDA主板通过通信单元向主控系统发射指令并接收和显示来自主控系统的数据处理结果。
4.根据权利要求2所述的超宽带雷达式生命探测系统，其特征在于，所述中频AD电路包括步进系统，所述步进系统包括快斜波发生器、阶梯波发生器和比较器，进入中频AD电路的脉冲回波通过步进系统进行等效采样。
5.根据权利要求1至4之一所述的超宽带雷达式生命探测系统，其特征在于，所述通信单元为Wi-Fi单元。
6.一种超宽带雷达式生命探测方法，其特征在于，包括如下步骤51、控制终端发射探测指令，探测指令经通信单元进入主控系统，所述主控系统触发发射机产生超宽带窄脉冲；52、发射天线将超宽带窄脉冲辐射到观测区域；53、接收天线接收脉冲回波，并将其传入接收机；54、接收机对脉冲回波进行采样；55、主控系统对采样后的数据进行杂波抑制、检测、判决；56、通信单元将主控系统的处理结果传入控制终端进行显示。
7.根据权利要求6所述的超宽带雷达式生命探测方法，其特征在于，所述步骤Sl至S5 具体包括控制终端发射探测指令，探测指令经通信单元及嵌入式主控板进入时序控制单元，所述时序控制单元触发预触发脉冲电路，并在Marx电路的配合下产生纳秒级的超宽带窄脉冲，然后发射天线将超宽带窄脉冲辐射到观测区域，接收天线接收脉冲回波后进入射频前端，所述射频前端对脉冲回波进行处理后进入中频模拟信号转换数字信号(AD)电路， 并在时序控制单元的控制下对脉冲回波进行等效采样。
8.根据权利要求6所述的超宽带雷达式生命探测方法，其特征在于，所述中频AD电路对脉冲回波进行等效采样具体包括快斜波发生器产生快斜波，阶梯波发生器产生阶梯波， 所述快斜波和快斜波传入比较器后得到步进脉冲，脉冲回波实现等效采样。
9.根据权利要求6至8之一所述的超宽带雷达式生命探测方法，其特征在于，所述控制终端发射探测指令具体包括手持终端的PDA主板通过设置于手持终端内的通信单元发射探测指令并接收和显示探测结果。
10.根据权利要求6至9之一所述的超宽带雷达式生命探测方法，其特征在于，所述通信单元为Wi-Fi单元。
全文摘要
本发明公开一种超宽带生命探测系统及方法，其包括雷达主机和控制终端，所述雷达主机包括发射天线、接收天线、发射机、接收机、主控系统及通信单元，所述控制终端发射探测指令，探测指令经通信单元进入主控系统，所述主控系统触发发射机产生超宽带窄脉冲，然后通过发射天线对观测区域进行辐射，所述接收天线接收脉冲回波，将脉冲回波传入接收机进行采样，采样后的数据传入主控系统进行杂波抑制、检测、判决，所述通信单元将主控系统的处理结果传入控制终端进行显示，与传统生命探测仪相比，控制终端可以遥控雷达主机按照所需要的模式进行工作；不仅穿透能力强，而且可靠性好，探测精度高。
文档编号G01V3/12GK102508305SQ20111029092
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者倪帅, 倪晓军, 朱国富, 辛勤 申请人:无锡军帅电子科技有限公司