專利名稱：單通道基于uwb雷達(dá)式生命探測儀的多個(gè)人體目標(biāo)識別和一維定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及屬于非接觸生命參數(shù)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可用于多目標(biāo)探 測的單通道基于UWB的雷達(dá)式生命探測儀。
背景技術(shù)：
雷達(dá)式生命探測儀是一種融合雷達(dá)技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)可穿透非金屬介質(zhì) (磚墻、廢墟等)非接觸、遠(yuǎn)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(dá)。而雷達(dá)式生命探測儀技術(shù)則是以生命體為探測目標(biāo)的一項(xiàng)新興技術(shù)，是國際 科技界公認(rèn)的一個(gè)非常重要的前沿技術(shù)領(lǐng)域。由于該技術(shù)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(zhì)(如 衣服、紗布、磚墻、廢墟等)對人體進(jìn)行識別探測，所以可廣泛用于災(zāi)害被埋人員搜 救、反恐斗爭中隔墻監(jiān)控及戰(zhàn)場偵察等領(lǐng)域，特別是在應(yīng)急救援、反恐等領(lǐng)域具有不可 替代的優(yōu)勢。
目標(biāo)識別能力和距離、角度分辨力是當(dāng)今雷達(dá)式生命探測儀領(lǐng)域研究的兩個(gè)重 點(diǎn)，也是本文需要突破的關(guān)鍵問題。目前，較為成熟的基于連續(xù)波雷達(dá)體制的雷達(dá)式生 命探測儀系統(tǒng)只能給出有人無人的結(jié)果，而無法給出目標(biāo)的距離和角度信息等，穿透能 力也有待進(jìn)一步提高。鑒于超寬譜雷達(dá)所具有的優(yōu)勢，我們采用了目前國際上先進(jìn)的 超寬譜技術(shù)，將其與非接觸生命探測技術(shù)相結(jié)合，研究基于超寬譜的非接觸探人雷達(dá)技 術(shù)。
現(xiàn)行的雷達(dá)式生命探測技術(shù)以對單目標(biāo)的探測識別為主，對多目標(biāo)的探測和定 位也僅限于運(yùn)動目標(biāo)。到目前為止，該領(lǐng)域尚未解決多個(gè)靜止人體目標(biāo)的識別和定位問 題。多靜目標(biāo)探測識別定位技術(shù)是國際生命探測領(lǐng)域的一個(gè)新的研究方向和難點(diǎn)，該技 術(shù)是雷達(dá)式生命探測儀的關(guān)鍵技術(shù)，它制約著雷達(dá)式生命探測儀的廣泛應(yīng)用。多靜目標(biāo) 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(shí)際工作 中對多目標(biāo)快速探測定位的需求。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單通道的基于 UWB的雷達(dá)式生命探測儀的人體目標(biāo)識別和一維定位方法，解決多個(gè)靜止人體目標(biāo)的識 別和定位問題。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
—種基于單通道UWB雷達(dá)式生命探測儀的人體目標(biāo)識別和一維定位方法，包括 以下步驟Al，靜止人體的微弱生命信號增強(qiáng)步驟，采用8點(diǎn)間4積分法在距離上對信 號進(jìn)行積分；再將信號打散進(jìn)行分解、重構(gòu)，合成目標(biāo)回波信號和距離信號；對目標(biāo)回 波信號進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)字微分，實(shí)現(xiàn)微弱有用信號的增強(qiáng)；A2，一維距離區(qū)分步驟，根據(jù)數(shù)字濾波和數(shù)字微分后的目標(biāo)回波信號以及所述距離信號進(jìn)行空間頻率分析，得到 目標(biāo)一維距離。
所述的人體目標(biāo)識別和一維定位方法，所述數(shù)字濾波采用160階、截止頻率為 0.5Hz的海明窗FIR數(shù)字濾波器。
所述的人體目標(biāo)識別和一維定位方法，所述數(shù)字微分采用60階數(shù)字微分器。
所述的人體目標(biāo)識別和一維定位方法，還包括波峰判別步驟，用于根據(jù)空間頻 率分析結(jié)果和系統(tǒng)預(yù)設(shè)置閾值判斷空間頻率分析結(jié)果中是否有人體目標(biāo)存在。
本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于
(1)提出了先實(shí)現(xiàn)對靜止人體目標(biāo)微弱生命特征的增強(qiáng)、人體識別和一維距離區(qū) 分，再進(jìn)行多目標(biāo)二維定位的新方法，為雷達(dá)式生命探測儀的多個(gè)靜止人體目標(biāo)定位開 辟新的途徑。
(2)采用以改形的時(shí)頻分析方法一空頻分析(空間、頻率)為主的一維距離區(qū) 分算法對單通道超寬譜雷達(dá)式生命探測儀系統(tǒng)采集的回波信號進(jìn)行拆分、重組和有關(guān)處 理，可望為生命探測中多個(gè)靜目標(biāo)的一維距離區(qū)分提供新的方法。


圖1為單通道超寬譜雷達(dá)式生命探測儀系統(tǒng)原理框圖2為單通道超寬譜雷達(dá)式生命探測儀計(jì)算單元結(jié)構(gòu)示意圖3為超寬譜雷達(dá)參數(shù)設(shè)置示意圖4為目標(biāo)回波信號和距離信號；
圖5為硬件濾波電路組成方框圖6為微分算法前后的信號波形比較(30秒數(shù)據(jù))；
圖7為波峰判別方法對雙目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行判別的結(jié)果；
圖8為自由空間無目標(biāo)的時(shí)頻圖(無目標(biāo))；
圖9為自由空間單目標(biāo)的時(shí)頻圖(目標(biāo)實(shí)際位置6.5m)；
圖10為自由空間雙目標(biāo)的時(shí)頻圖(目標(biāo)實(shí)際位置2.5m和7.5m)；
圖11為穿30cm磚墻單目標(biāo)的時(shí)頻圖(目標(biāo)實(shí)際位置6.0m)；
圖12為穿30cm磚墻雙目標(biāo)的時(shí)頻圖(目標(biāo)實(shí)際位置3.0m禾Π 6.0m)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
本實(shí)施例提供一種單通道超寬譜雷達(dá)式生命探測儀，圖1為單通道超寬譜雷達(dá) 式生命探測儀系統(tǒng)原理框圖。首先脈沖振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，該信號觸發(fā)電磁脈沖產(chǎn)生 器產(chǎn)生窄脈沖，并通過發(fā)射天線輻射出去。反射信號經(jīng)過接收天線送到取樣積分器，由 脈沖振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)過延時(shí)電路產(chǎn)生距離門，對接收信號進(jìn)行選擇，信號通過取樣 積分電路，經(jīng)過成千上萬個(gè)脈沖的積累后微弱信號被檢測出來，并進(jìn)行放大濾波，再經(jīng) 高速采集卡采樣后送入計(jì)算單元，由計(jì)算單元對采集到的信號進(jìn)行分析處理并識別，最 后計(jì)算目標(biāo)距離。
如圖1所示，虛線框內(nèi)為雷達(dá)前端，系統(tǒng)的中心頻率和帶寬同為500MHz，波 束覆蓋角度為60°。計(jì)算單元控制距離門產(chǎn)生器來獲得探測區(qū)域內(nèi)不同距離段的回波信號。
計(jì)算機(jī)可控制的參數(shù)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(qū)域?yàn)橐簧刃?，通過設(shè)置起始距離和探測范圍，可以實(shí)現(xiàn) 圖中陰影部分的扇形區(qū)域的掃描探測，如果回波信號經(jīng)分析后顯示有目標(biāo)信息，就可以 判定此扇形區(qū)域內(nèi)有目標(biāo)。通過不斷的調(diào)整起始距離，可以實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)的斷層掃 描。而調(diào)整探測范圍(天線的接收點(diǎn)數(shù)不變)，則可以調(diào)整探測系統(tǒng)的靈敏度，改變系統(tǒng) 的目標(biāo)距離分辨力，實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)的粗掃和細(xì)掃。
例如，起始距離設(shè)置為6m(40納秒)，探測范圍設(shè)置為3m(20納秒)，本系統(tǒng)的 回波信號為2048個(gè)點(diǎn)組成的序列，那么當(dāng)前雷達(dá)有效探測區(qū)域?yàn)樘炀€正前方6m 9m， 角度為60°的扇形區(qū)域，回波信號只反映縱向上3m的信息，且將3m的范圍平均等分為 2048份，即每次采樣得到2048個(gè)數(shù)據(jù)，我們稱之為2048個(gè)點(diǎn)，第η點(diǎn)代表的距離為H
公式(1)中η為點(diǎn)序數(shù)。
根據(jù)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(shè)定A/ D采樣頻率為64Hz。
圖2為本發(fā)明單通道超寬譜雷達(dá)式生命探測儀計(jì)算單元結(jié)構(gòu)示意圖；所述計(jì)算 單元包括信號積分模塊、信號分解重構(gòu)模塊、數(shù)字濾波模塊和數(shù)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(jìn)行積分，所述信號分解重構(gòu)模塊將信號 打散進(jìn)行分解、重構(gòu)，合成目標(biāo)回波信號和距離信號，所述數(shù)字濾波和數(shù)字微分模塊對 目標(biāo)回波信號進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)字微分，所述空間頻率分析模塊用于根據(jù)數(shù)字濾波和數(shù) 字微分后的目標(biāo)回波信號以及距離信號進(jìn)行空間頻率分析，得到目標(biāo)一維距離。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提供單通道超寬譜雷達(dá)生命探測儀參數(shù)指標(biāo)
系統(tǒng)的天線、收發(fā)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如下
(1)天線為介質(zhì)耦合屏蔽型；
(2)天線個(gè)數(shù)1個(gè)發(fā)射天線、1個(gè)接收天線；
(3)收發(fā)天線中心頻率500MHz ；
(4)帶寬500MHz ；
(5)時(shí)窗4 5000ns 可調(diào)；
實(shí)施例3
靜目標(biāo)微弱信號增強(qiáng)
要實(shí)現(xiàn)靜止人體目標(biāo)的識別，首先應(yīng)該對靜止人體的微弱生命信號進(jìn)行增強(qiáng)。 在本實(shí)施例中，針對UWB雷達(dá)回波信號的特點(diǎn)，采用微弱生物醫(yī)學(xué)信號處理方法對經(jīng)過 高速采樣后信號進(jìn)行處理和有用信號的增強(qiáng)，來提高信噪比，實(shí)現(xiàn)對人體目標(biāo)的基本識 別。
采用8點(diǎn)間4點(diǎn)積分法在距離上對信號進(jìn)行積分；再將信號打散進(jìn)行分解、重構(gòu)，合成目標(biāo)回波信號和距離信號；對目標(biāo)回波信號進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)字微分，以實(shí)現(xiàn) 微弱有用信號的增強(qiáng)。
3.1信號的積分
本實(shí)施例中采用的高速采集卡采樣率為64Hz，則經(jīng)AD采樣后的數(shù)據(jù)量大，不 利于實(shí)時(shí)運(yùn)算；數(shù)據(jù)量減少太多又會導(dǎo)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(shí)施例選取8點(diǎn)間4積分法對采樣后信號進(jìn)行分段積分。
8點(diǎn)間4積分法就是把數(shù)據(jù)每8點(diǎn)相加取平均，每兩次積分間隔4點(diǎn)(0 7， 4 11，8 15，后面類推)，使采樣后信號數(shù)據(jù)量經(jīng)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(yùn)算量，加快了運(yùn) 算速度。
3.2信號的分解重構(gòu)
將積分后信號按時(shí)間和空間兩個(gè)域進(jìn)行分解、重構(gòu)，合成含有時(shí)間信息的目標(biāo) 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(shí)間變量，d為距離變量。目標(biāo) 回波信號反映的是對應(yīng)距離點(diǎn)上的信號幅值隨時(shí)間變化的情況，目標(biāo)回波信號的橫坐標(biāo) 是時(shí)間；而距離信號則為同一時(shí)刻不同距離上的各點(diǎn)的幅值組成的序列，距離信號的橫 坐標(biāo)為距離。圖4為隨機(jī)選擇的一路目標(biāo)回波信號(1600點(diǎn)，25秒)和距離信號(60ns， 9m)波形圖。
目標(biāo)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(yùn)算量的同時(shí)，又保證了合適的距離分辨力。
3.3濾波器的選擇
3.3.1硬件濾波器
在本實(shí)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(diào)，在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)中，先后試驗(yàn)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(shí)，放 大倍數(shù)為1倍，增益為2時(shí)，放大倍數(shù)為2倍。
分別采用不加硬件濾波電路的單通道UWB系統(tǒng)、加硬件濾波電路(增益為1)的 單通道UWB系統(tǒng)和加硬件濾波電路(增益為2~)的單通道UWB系統(tǒng)隨機(jī)采集數(shù)據(jù)各16 組(無目標(biāo)、單目標(biāo)數(shù)據(jù))，合計(jì)共48組數(shù)據(jù)。對這48組數(shù)據(jù)分別采用計(jì)算單元包含的 算法進(jìn)行處理和判別，統(tǒng)計(jì)識別正確率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表1所示。
表1增減硬件濾波器時(shí)的識別正確率情況(48組數(shù)據(jù))
權(quán)利要求
1.一種單通道基于UWB雷達(dá)式生命探測儀的多個(gè)人體目標(biāo)識別和一維定位方法，其 特征在于，包括以下步驟Al，靜止人體的微弱生命信號增強(qiáng)步驟，采用8點(diǎn)間4積分 法在距離上對信號進(jìn)行積分；再將信號打散進(jìn)行分解、重構(gòu)，合成目標(biāo)回波信號和距離 信號；對目標(biāo)回波信號進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)字微分，實(shí)現(xiàn)微弱有用信號的增強(qiáng)；A2，一維 距離區(qū)分步驟，根據(jù)數(shù)字濾波和數(shù)字微分后的目標(biāo)回波信號以及所述距離信號進(jìn)行空間 頻率分析，得到目標(biāo)一維距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體目標(biāo)識別和一維定位方法，其特征在于所述數(shù)字濾波采 用160階、截止頻率為0.5Hz的海明窗FIR數(shù)字濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體目標(biāo)識別和一維定位方法，其特征在于，所述數(shù)字微分 采用60階數(shù)字微分器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體目標(biāo)識別和一維定位方法，其特征在于，還包括波峰判 別步驟，用于根據(jù)空間頻率分析結(jié)果和系統(tǒng)預(yù)設(shè)置閾值判斷空間頻率分析結(jié)果中是否有 人體目標(biāo)存在。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單通道基于UWB雷達(dá)式生命探測儀的多個(gè)人體目標(biāo)識別及其定位方法，包括以下步驟A1，靜止人體的微弱生命信號增強(qiáng)步驟，采用8點(diǎn)間4積分法在距離上對信號進(jìn)行積分；再將信號打散進(jìn)行分解、重構(gòu)，合成目標(biāo)回波信號和距離信號；對目標(biāo)回波信號進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)字微分，實(shí)現(xiàn)微弱有用信號的增強(qiáng)；A2，一維距離區(qū)分步驟，根據(jù)數(shù)字濾波和數(shù)字微分后的目標(biāo)回波信號以及所述距離信號進(jìn)行空間頻率分析，得到目標(biāo)一維距離。
文檔編號G01S13/08GK102018515SQ20101050232
公開日2011年4月20日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者呂昊, 張楊, 李巖峰, 李釗, 焦騰, 王健琪, 荊西京 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)