专利名称：单目标三维定位的“l”形天线阵列及多通道uwb生命探测雷达的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可实现单目标三维定位的多通道UWB生命探测雷达的“L”形天线阵列，属于生命探测雷达探测技术领域。
背景技术：
生命探测雷达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。而生命探测雷达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。目前，灾害救援、国家安全等一些重要领域对生命探测雷达提出了新的更高的要求。但是单通道超宽谱生命探测雷达仅能够获得目标的一维距离信息，而现有的多通道超宽谱生命探测雷达也只是能够实现对目标距离、方位的二维定位。如果能够实现对目标的探测和三维定位，将为搜救人员提供更为丰富和准确(三维)的定位信息，有利于精确施救；另外，三维定位的实现，使探测搜救人员一次扫描探测区域由平面变为更大的立体空间，有助于提高生命探测雷达的探测范围和探测效率。现有的天线阵列多为点阵(收发天线近似处于一个点上)和线阵(各天线分布于一个二维平面上)的形式，他们只能探测目标的一维距离或者实现目标的二维定位，如长哑铃型结构的天线阵列，这种天线阵列为1发3收线阵天线形式，其中1收1发天线紧密排列至于中央，而另外两个接收天线置于两边(与中央一对收发天线在同一条直线上)的形似长哑铃的结构形式，由于它是一种线阵的结构形式，所以长哑铃形结构的天线阵列只能解决目标的探测和二维定位问题，而不能实现目标的三维定位。要想实现单目标的三维定位必须设计出具有面阵或者空间阵(即天线阵列中的各天线分布在立体空间中)的天线阵列结构形式，同时还要要求天线数目最少，天线阵列结构最简单。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种多通道可实现单目标探测和三维定位的“L”形天线阵列(面阵)UWB生命探测雷达，解决单个人体目标的探测和三维定位问题。本实用新型采用如下技术方案—种单目标三维定位的多通道“L”形天线阵列，包括四个天线，其中包括一个发射天线，三个接收天线，所述四个天线处于空间内同一平面上，发射天线和其中一个接收天线紧密排列置于“L”形的拐点处，另外两个接收天线分别置于发射天线的右方和上方，形成近似“L”形的天线阵列。一种单目标三维定位的多通道基于UWB的生命探测雷达，包括UWB雷达前端和处理单元，所述UWB雷达前端包括多通道“L”形天线阵列、脉冲振荡器、电磁脉冲产生器、取样积分器；所述多通道“L”形天线阵列包括一个发射天线、三个接收天线；所述脉冲振荡器产生脉冲信号，该信号触发电磁脉冲发生器产生窄脉冲，并通过所述发射天线辐射出去；反射信号经过每个所述接收天线送到取样积分器，由脉冲振荡器产生的脉冲信号同时经过延时电路和距离门产生器产生距离门，对接收信号进行选择，信号通过取样积分电路，经过积累后微弱信号被检测出来，并经由放大器和滤波器进行放大、滤波得到三路雷达回波信号，所述三路雷达回波信号经高速A/D采集卡采样后送入处理单元，由处理单元对采集到的三路雷达回波信号进行分析处理和计算，最终得到人体目标空间三维位置信息。所述的多通道基于UWB的生命探测雷达，所述处理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、空间频率分析模块和目标三维位置计算模块，所述信号积分模块在距离上分别对三路雷达回波信号进行积分，所述信号分解重构模块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，所述数字滤波和数字微分模块对三路目标回波信号分别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，得到目标的三个一维距离信息；所述目标三维位置计算模块用于根据所述的三个一维距离信息计算确定目标的三维位置信息从而实现对单个目标的三维定位。“L”形天线阵列结构。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、便携的系统结构，实现单目标的探测和三维定位。
图1为多通道“L”形天线阵列UWB生命探测雷达系统原理框图；图2为“L”形天线阵列空间结构图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。实施例1本实施例首先提供一种多通道“L”形天线阵列，所述的多通道“L”形天线阵列， 包括四个天线，其中包括一个发射天线，三个接收天线，所述四个天线处于空间内同一平面上，发射天线和其中一个接收天线紧密排列置于“L”形的拐点处，另外两个接收天线分别置于发射天线的右方和上方，形成近似“L”形的天线阵列。“L”形天线阵列空间结构图如图2所示，“L”形天线阵列是以天线阵列的空间形状来命名的。天线阵列由一个发射天线和三个接收天线组成，发射天线用数字“0”来编号， 三个接收天线分别以数字“ 1，2，3”来编号，每一对发射、接收天线组成一个通道，共三个通道，三通道同时探测实现单目标三维定位。将天线阵列放在空间直角坐标系的XOZ坐标平面上，发射天线0位于空间坐标系的原点，接收天线3与发射天线0紧密排列在一起组成一个收发一体的通道，收发一体的天线由于距离较近可以近似认为处于空间坐标系的原点位置，其他两个接收天线分别位于X坐标轴和ζ坐标轴上且与坐标系原点的距离相等，该距离可根据需要的方位分辨率来调整。由上述的三通道天线阵列可以对空间任意一点P实现三维定位。实施例2本实施例提供一种应用上述“L”形天线阵列的所述的多通道UWB生命探测雷达。如图1所示，一种多通道基于UWB的生命探测雷达的原理框图，包括UWB雷达前端和处理单元，所述UWB雷达前端包括所述的多通道“L”形天线阵列(包括一个发射天线、三个接收天线)、脉冲振荡器、电磁脉冲产生器、取样积分器；所述发射天线与每一个所述接收天线组成一个通道，共组成三个通道；所述脉冲振荡器产生脉冲信号，该信号触发电磁脉冲发生器产生窄脉冲，并通过所述发射天线辐射出去；反射信号经过每个所述接收天线送到取样积分器，由脉冲振荡器产生的脉冲信号同时经过延时电路和距离门产生器产生距离门，对接收信号进行选择，信号通过取样积分电路，经过积累后微弱信号被检测出来，并经由放大器和滤波器进行放大、滤波得到三路雷达回波信号，所述三路雷达回波信号经高速 A/D采集卡采样后送入处理单元，由处理单元对采集到的三路雷达回波信号进行分析处理和计算，最终得到人体目标空间三维位置信息。所述处理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、空间频率分析模块和目标三维位置计算模块，所述信号积分模块在距离上分别对三路雷达回波信号进行积分，所述信号分解重构模块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，所述数字滤波和数字微分模块对三路目标回波信号分别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，得到目标的三个一维距离信息；所述目标三维位置计算模块用于根据所述的三个一维距离信息计算确定目标的三维位置信息从而实现对单个目标的三维定位。所述的多通道UWB生命探测雷达，所述定位结果显示方式为显示目标的三维坐标。在二维平面内，目标的位置是对通过对电磁波行程进行计算来确定的，即发射天线发出的电磁波到达目标，又被目标反射回来，再到达各接收天线所经过的行程。发射天线 Tx到目标的距离为SO (t)，目标到接收天线Rxl的距离为S1 (t)，到接收天线Rx2的距离为 S2(t)。电磁波从发射天线Tx发射出来到达目标，再从目标反射回来到达接收天线Rxl和 Rx2 所用的时间分别为 T1= (S0 (t)+S1WVc, τ2= (S0(t)+S2(t))/c。由 T1^P τ2 可以确定两个椭圆，两个椭圆的交点即为目标的位置。同理，对于空间内收发分离的一组天线，如果电磁波行程一定的话，则可以确定一个椭球，对于收发一体的天线则可以确定一个球，被探测目标则位于椭球或者球的表面上。 两个通道所确定的两个椭球相交于一条曲线，该曲线穿过第三个通道所确定的椭球或者球面则可以得到关于天线阵列面对称的两点，联立三个通道所确定的椭球或者球面方程可以解得两组解。由于被探测的目标一定位于天线阵列面的一侧，由此可以排除其中一个解而得到单目标的坐标。将发射天线_目标点P-接收天线1的距离所确定的椭圆旋转到ZOY面上得到椭圆方程
权利要求1.一种单目标三维定位的多通道“L”形天线阵列，其特征在于，包括四个天线，其中包括一个发射天线，三个接收天线，所述四个天线处于空间内同一平面上，发射天线和其中一个接收天线紧密排列置于“L”形的拐点处，另外两个接收天线分别置于发射天线的右方和上方，形成近似“ L”形的天线阵列。
2.一种单目标三维定位的多通道基于UWB的生命探测雷达，其特征在于，包括UWB雷达前端和处理单元，所述UWB雷达前端包括多通道“L”形天线阵列、脉冲振荡器、电磁脉冲产生器、取样积分器；所述多通道“L”形天线阵列包括一个发射天线、三个接收天线；所述脉冲振荡器产生脉冲信号，该信号触发电磁脉冲发生器产生窄脉冲，并通过所述发射天线辐射出去；反射信号经过每个所述接收天线送到取样积分器，由脉冲振荡器产生的脉冲信号同时经过延时电路和距离门产生器产生距离门，对接收信号进行选择，信号通过取样积分电路，经过积累后微弱信号被检测出来，并经由放大器和滤波器进行放大、滤波得到三路雷达回波信号，所述三路雷达回波信号经高速A/D采集卡采样后送入处理单元，由处理单元对采集到的三路雷达回波信号进行分析处理和计算，最终得到人体目标空间三维位置信肩、ο
3.根据权利要求2所述的多通道基于UWB的生命探测雷达，其特征在于，所述处理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、空间频率分析模块和目标三维位置计算模块，所述信号积分模块在距离上分别对三路雷达回波信号进行积分，所述信号分解重构模块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，所述数字滤波和数字微分模块对三路目标回波信号分别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，得到目标的三个一维距离信息；所述目标三维位置计算模块用于根据所述的三个一维距离信息计算确定目标的三维位置信息从而实现对单个目标的三维定位。
专利摘要本实用新型公开了一种单目标三维定位的多通道“L”形天线阵列及多通道UWB生命探测雷达，所述多通道“L”形天线阵列包括四个天线，其中包括一个发射天线，三个接收天线，所述四个天线处于空间内同一平面上，发射天线和其中一个接收天线紧密排列置于“L”形的拐点处，另外两个接收天线分别置于发射天线的右方和上方，形成近似“L”形的天线阵列。“L”形天线阵列结构。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、便携的系统结构，实现单目标的探测和三维定位。
文档编号H01Q21/00GK202221813SQ20112027552
公开日2012年5月16日 申请日期2011年8月1日 优先权日2011年8月1日
发明者吕昊, 张杨, 李岩峰, 李钊, 焦腾, 王健琪, 荆西京, 雷涛 申请人:中国人民解放军第四军医大学