专利名称：一种可用于多目标探测的单通道基于uwb的雷达式生命探测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及属于非接触生命参数探测技术领域，特别涉及一种可用于多目标探 测的单通道基于UWB的雷达式生命探测仪。
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，提供一种单通道的可实现 多目标探测的基于UWB的雷达式生命探测仪，解决多个静止人体目标的探测和定位问题。一种可用于多目标探测的单通道基于UWB的雷达式生命探测仪，包括UWB生 物雷达前端和计算单元，所述UWB生物雷达前端包括发射天线、接收天线、脉冲振荡 器、电磁脉冲产生器、取样积分器；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，再经高速A/D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，最终提取多个人体目标生命信息和各目标距离。所述的单通道UWB雷达式生命探测仪，所述滤波器采用增益为1、通带为 0.08-5000HZ硬件滤波电路。所述的单通道UWB雷达式生命探测仪，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。所述的单通道UWB雷达式生命探测仪，所述数字滤波模块采用160阶、截止频 率为0.5Hz的海明窗FIR数字滤波器。所述的单通道UWB雷达式生命探测仪，所述数字微分模块采用60阶数字微分
ο所述的单通道UWB雷达式生命探测仪，还包括波峰判别模块，用于根据空间频 率分析结果和系统预设置阈值判断波峰位置是否有人体目标存在。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。
图1为单通道超宽谱雷达式生命探测仪系统原理框图2为单通道超宽谱雷达式生命探测仪计算单元结构示意图3为超宽谱雷达参数设置示意图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为自由空间无目标的时频图(无目标)；
图9为自由空间单目标的时频图(目标实际位置6.5m)；
图10为自由空间双目标的时频图(目标实际位置2.5m和7.5m)；
图11为穿30cm砖墙单目标的时频图(目标实际位置6.0m)；
图12为穿30cm砖墙双目标的时频图(目标实际位置3.0m禾Π 6.0m)。
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本实施例提供一种单通道超宽谱雷达式生命探测仪，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3m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s = 6 + -^—x3(<m)......(1)
2048公式(1)中η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为本发明单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本实施例提供单通道超宽谱雷达生命探测仪参数指标系统的天线、收发系统相关参数指标如下(1)天线为介质耦合屏蔽型；(2)天线个数1个发射天线、1个接收天线；
(3)收发天线中心频率500MHz ；(4)带宽500MHz ；(5)时窗4 5000ns 可调；实施例3静目标微弱信号增强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。3.1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。3.2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。3.3滤波器的选择3.3.1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2)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
1.一种可用于多目标探测的单通道基于UWB的雷达式生命探测仪，其特征在于，包 括UWB生物雷达前端和计算单元，所述UWB生物雷达前端包括发射天线、接收天线、 脉冲振荡器、电磁脉冲产生器、取样积分器；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，再经高速A/D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，最终提取多个人体目标生命信息和各目标距离。
2.根据权利要求1所述的单通道UWB雷达式生命探测仪，其特征在于，所述滤波器 采用增益为1、通带为0.08-5000HZ硬件滤波电路。
3.根据权利要求1所述的单通道UWB雷达式生命探测仪，其特征在于，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。
4.根据权利要求3所述的单通道UWB雷达式生命探测仪，其特征在于，所述数字滤 波模块采用160阶、截止频率为0.5Hz的海明窗FIR数字滤波器。
5.根据权利要求3所述的单通道UWB雷达式生命探测仪，其特征在于，所述数字微 分模块采用60阶数字微分器。
6.根据权利要求3所述的单通道UWB雷达式生命探测仪，其特征在于，还包括波峰 判别模块，用于根据空间频率分析结果和系统预设置阈值判断波峰位置是否有人体目标 存在。
全文摘要
本发明公开了一种可用于多目标探测的单通道基于UWB的雷达式生命探测仪，包括UWB生物雷达前端和计算单元，所述UWB生物雷达前端包括发射天线、接收天线、脉冲振荡器、电磁脉冲产生器、取样积分器；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，再经高速A/D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，提取多个人体目标生命信息和各目标距离。
文档编号G01S17/08GK102008291SQ201010502319
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月11日 优先权日2010年10月11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