CN101458326B - 基于伪码调相连续波体制的生命探测装置 - Google Patents

基于伪码调相连续波体制的生命探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于伪码调相连续波体制的生命探测装置。本发明装置中，应用伪随机编码信号对中频信号进行调相，然后上变频到微波经功率放大，由发送天线辐射出去。进入到接收天线的回波信号经过低噪声放大、两次混频和滤波放大后变为模拟基带信号，经高速采样转化为数字信号，应用大规模FPGA器件对数字信号进行杂波对消、距离门相关、数字滤波，在高速DSP处理器中进行FFT变换并作出判决，将判决结果送至终端显示。该探测装置可用于发现位于墙体或其它障碍物后的人员，且可以测出人员与探测装置之间的距离，为搜寻、救援提供方便，该探测装置具有较强的抗杂波和背景干扰的能力。

Description

基于伪码调相连续波体制的生命探测装置
技术领域
本发明属于生命探测的技术，特别是一种基于伪码调相连续波体制的生命探测装置。
背景技术
民用生命探测器主要探测墙体、废墟或障碍物后处于静止或微动状态的人员。这是一种新型的探测设备，其主要应用于以下场合：当有人质和绑匪共处于一个房间里时，需要知道嫌疑犯和人质在房间里的位置，并将他们区分开来，便于实施人质援救；当有狙击手隐蔽在建筑物内，警察要强攻建筑物时，需要确定狙击手的位置，以免人员伤亡；当发生地震灾害时，人员被掩埋在废墟下面，这时需要尽快寻找到被埋在废墟下面仍然活着的人员；当用于军事侦察时，希望知道前方掩体下敌方人员的布置情况。因此，生命探测器可在反恐、地质灾害人员救护等领域发挥重要作用。在探测现场，除了墙体、废墟和其它障碍物引起的强杂波干扰外，还不可避免地存在人员走动、风吹草动等干扰，因此生命探测器必须具备一定的抗干扰能力。
专利申请号为95191869.9、发明名称为《探测活物体的方法和装置》的中国专利，是用于感测活人体的方法和装置，由电磁波发射模块和接收机构成。通过对接收机中生命机能信号的检测发现被埋的人，监测者由此区分活人与死人，适用于监视建筑物内的人或者用于感测病人的生命机能。但该专利容易受到外界环境干扰，且无法确定人员与探测器的距离。
专利申请号为00226272.X、发明名称为《雷达手电筒》的中国专利，是一种手电筒式雷达，在手电筒外壳的前端设有一个发射与接收天线，外壳里里设有一个微波发射电路和接收识别电路，它利用雷达探测的原理、并通过被探物与手电筒之间的相对移动找到目标。该专利用于目标寻找，但不能探测处于相对静止状态的人员，且不具备穿透障碍物的能力。
专利申请号为02224624.X、发明名称为《雷达非接触式生命参数探测装置》的中国专利，是一种非接触式生命探测雷达，由多级滤波器、放大电路、解调电路等构成，它对雷达输出的扫频和点频信号进行处理，提取出活的人体的呼吸和心跳体动信号，可用于寻找废墟下或障碍物后的活人、非接触监护等。但该专利采用多级高阶滤波，探测时间长，易受外界环境干扰，且无法确定人员与探测器的距离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗干扰能力强、且可以测距的基于伪码调相连续波体制的生命探测装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，频率综合器产生频率为f1的两路中频信号发f1和收f1，频率为f2的两路微波信号发f2和收f2，以及第一时钟和第二时钟，发f1送往伪码调制器，发f2送往上变频器，收f2送至第一混频器，收f1送至第二混频器，第一时钟送至伪码产生器，第二时钟送至数字信号处理器；伪码产生器在第一时钟作用下产生一定频率和周期的伪码信号和伪码信号同步；所述的伪码信号输入到伪码调制器，对中频信号发f1进行相位调制，产生伪码调相的f1中频信号，该信号在上变频器中与发f2本振信号相乘、滤波，将该伪码调相的f1中频信号频谱搬移到微波f1+f2上，经功率放大器放大后至发射天线辐射出去；接收天线接收外界反射的电磁波，经低噪声放大器滤波、放大，进入第一混频器与收f2本振信号进行混频，将回波信号的载频频率降至f1，该信号进入中频放大器滤波、放大，滤除镜像频率，中频放大器的输出进入第二混频器与收f1本振信号进行混频，将回波信号的载频降至基带，该信号经滤波放大器滤波、放大后得到基带回波信号，基带回波信号进入数字信号处理器进行高速模/数变换、杂波对消、距离门相关、数字滤波、FFT变换、信号判决，最后将处理结果送终端显示。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)抗干扰能力强，该装置采用伪码调相连续波体制，对建筑物、墙体、废墟引起的杂波干扰和人员走动、风吹草动等引起的其它干扰具有良好的抑制能力。(2)可以测量目标与探测装置之间的距离，为目标搜寻提供方便。(3)除了可应用于近距离生命探测外，还可以用于远距离人员、车辆等目标探测。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明基于伪码调相连续波体制的生命探测装置组成框图。
图2是本发明的数字信号处理器的功能框图。
图3是本发明的数字信号处理器和终端的联合工作过程。
具体实施方式
结合图1，本发明基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，包括发射天线、功率放大器、上变频器、伪码调制器、伪码产生器、频率综合器、接收天线、低噪声放大器、第一混频器、中频放大器、第二混频器、滤波放大器、数字信号处理器和终端。频率综合器产生频率为f1的两路中频信号发f1和收f1，频率为f2的两路微波信号发f2和收f2，以及第一时钟和第二时钟，发f1送往伪码调制器，发f2送往上变频器，收f2送至第一混频器，收f1送至第二混频器，第一时钟送至伪码产生器，第二时钟送至数字信号处理器；伪码产生器在第一时钟作用下产生一定频率和周期的伪码信号和伪码信号同步；所述的伪码信号输入到伪码调制器，对中频信号发f1进行相位调制，产生伪码调相的f1中频信号，该信号在上变频器中与发f2本振信号相乘、滤波，将该伪码调相的f1中频信号频谱搬移到微波f1+f2上，经功率放大器放大后至发射天线辐射出去；接收天线接收外界反射的电磁波，经低噪声放大器滤波、放大，进入第一混频器与收f2本振信号进行混频，将回波信号的载频频率降至f1，该信号进入中频放大器滤波、放大，滤除镜像频率，中频放大器的输出进入第二混频器与收f1本振信号进行混频，将回波信号的载频降至基带，该信号经滤波放大器滤波、放大后得到基带回波信号，基带回波信号进入数字信号处理器进行高速模/数变换、杂波对消、距离门相关、数字滤波、FFT变换、信号判决，最后将处理结果送终端显示。
上述的频率综合器利用一高稳定的晶振产生系统的中频源、微波源和数字电路时钟。所产生的频率为f1的发f1信号送往伪码调制器作调制载波用，所产生的频率为f1的收f1信号送往第二混频器作本振信号用，频率为f2的发f2信号和收f2分别送往上变频器和第一混频器作本振信号用，其中f1为中频，几十到几百MHz，f2为微波，几个GHz，发f1与收f1，发f2与收f2，频率相同但幅度有差异。数字电路时钟包括第一时钟和第二时钟，其中第一时钟送至伪码产生器，第二时钟送至数字信号处理器。
伪码产生器在第一时钟的作用下产生伪码信号。伪码信号是最大长度线性反馈移位寄存器序列，采用多级移位寄存器进行线性反馈而成。本发明装置采用伪码调相连续波体制，其码宽与测距精度相对应，码周期与最大不模糊距离相对应，实际中根据需要调整码宽和码周期，通过高速信号处理可以提高测距精度。伪码产生器除了产生伪码信号外，还产生伪码信号同步供数字信号处理器作杂波对消和距离门相关用。
伪码调制器完成中频调制功能。对伪码产生器输出的伪码信号和频率综合器输出的发f1信号进行相乘，输出受伪码信号调制的中频信号，即伪码调相的f1中频信号。
上变频器利用频率综合器提供的发f2信号将伪码调制器输出的伪码调相的f1中频信号频谱搬移到微波f1+f2上，即输出伪码调相的载波频率为f1+f2的微波信号。
功率放大器将上变频器的输出信号进行功率放大。发射天线将功率放大器输出的载波频率为f1+f2的伪码调相信号辐射到外部空间，接收天线接收外界反射回来的电磁波信号。发射天线和接收天线除了保证一定的天线增益外，还必须保证两者之间的隔离度大于60dB。功率放大器的放大倍数与发射天线的增益配合保证一定的有效辐射功率。
从接收天线下来的回波信号进入低噪声放大器滤波、放大，低噪声放大器的带宽覆盖回波信号频谱，其特点是引入的噪声低，其放大倍数满足第一混频对输入信号的要求即可。
低噪声放大器的输出接到第一混频器的一个输入端，另一个输入端是频率综合器输出的收f2微波本振信号，两个输入信号在第一混频器中相乘、滤波，将回波信号的载波频率(f1+f2)降至f1。
中频放大器对第一混频器输出的信号进行滤波、放大，滤除镜像频率。
第二混频器对中频放大器的输出与频率综合器输出的收f1中频本振信号相乘、滤波，输出基带回波信号。
滤波放大器对基带回波信号进一步滤波和放大，使得输出的基带回波信号满足数字信号处理器中高速模/数变换的输入信号要求。
数字信号处理器主要完成对基带回波信号的高速模/数变换、杂波对消、距离门相关、数字滤波、FFT变换、信号判决等处理，并将处理结果送至终端显示。数字信号处理器同时接收来自终端的指令，如基带回波数据传送、杂波参数修正等指令，并作相应的处理。数字信号处理器的功能框图参见图2。
数字信号处理器硬件由高速模/数转换、FPGA、双端口RAM和DSP处理器四部分组成。高速模/数变换在第二时钟的作用下将基带回波信号转换为数字回波信号，模/数变换的量化精度为12-16位。FPGA主要完成了三个功能：杂波对消、距离门相关和数字滤波。
在数字信号处理器中，信号的同步对杂波对消、距离门相关非常重要，伪码产生器输出的伪码信号同步即为装置的系统同步信号，接收的数字回波信号杂波参数提取、杂波信号产生、杂波对消、距离门参考信号产生和距离门相关都是以该系统同步信号为基础的。
杂波对消的具体工作过程是：探测装置上电后，终端上发起基带回波数据传送指令后，DSP处理器控制高速模/数变换采集一段时间的基带回波信号，存在双端口RAM中，DSP处理器读取双端口RAM的数据并将其传送至终端。终端分析回波信号，提取其中杂波信号的时延和幅度等参数后，向DSP处理器发出杂波参数修正指令，将这些杂波参数传给DSP处理器。DSP处理器再将这些参数传送至FPGA，FPGA中的杂波信号产生模块读取杂波参数，修正后产生新的杂波信号，在杂波对消模块与数字回波信号进行抵消运算，获得抑制杂波的回波信号，供距离门相关用。
距离门相关的工作过程是：距离门参考信号产生模块在第二时钟和伪码信号同步信号下，依次产生不同时延的伪码信号即距离门参考信号，与杂波对消模块的输出信号依次作多路距离门相关运算，得到不同距离门的相关输出。
数字滤波的工作过程是：事先根据回波多普勒信号带宽设计数字滤波器的频率特性，由此确定滤波器的类型和阶数，通常采用FIR滤波。通过计算得到滤波器的系数，将这些系数事先存入FPGA的RAM区。距离门相关输出到来时就依次进行多级滤波，其滤波结果存入双端口RAM中。
双端口RAM为具有两个独立读写端口的静态存储器，供FPGA和DSP处理器之间存取数据用。
DSP处理器从双端口RAM中读取FPGA数字滤波的输出数据，进行FFT变换或复杂信号处理，分析频谱特征，应用判决法则判断回波中是否有人，如无人，直接输出判断结果，若有人，则给出该人与探测器的之间的距离。DSP处理器将数字滤波的输出、FFT输出和判决结果送至终端。数字信号处理器和终端的联合工作过程参见图3。
终端接收DSP处理器传送过来的数据，显示回波时域、频域波形及判决结果，同时终端还完成杂波参数分析工作，向DSP处理器发送基带回波数据传送、杂波参数修正指令。杂波参数分析程序事先对建筑物、墙体和废墟等障碍物建立基于伪码调相连续波体制的生命探测装置的基带数字回波信号模型，模型越逼近，则提取的杂波参数越准确，对应的杂波对消效果越好。终端和数字信号处理器的联合工作过程参见图3。
为防止因操作人员引起的附加干扰，探测装置的数字信号处理器应与终端之间保持十米以上的距离。

Claims (9)

1.一种基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，其特征在于：频率综合器产生频率为f1的两路中频信号发f1和收f1，频率为f2的两路微波信号发f2和收f2，以及第一时钟和第二时钟，发f1送往伪码调制器，发f2送往上变频器，收f2送至第一混频器，收f1送至第二混频器，第一时钟送至伪码产生器，第二时钟送至数字信号处理器；伪码产生器在第一时钟作用下产生一定频率和周期的伪码信号和伪码信号同步；所述的伪码信号输入到伪码调制器，对中频信号发f1进行相位调制，产生伪码调相的f1中频信号，该信号在上变频器中与发f2本振信号相乘、滤波，将该伪码调相的f1中频信号频谱搬移到微波f1+f2上，经功率放大器放大后至发射天线辐射出去；接收天线接收外界反射的电磁波，经低噪声放大器滤波、放大，进入第一混频器与收f2本振信号进行混频，将回波信号的载频频率降至f1，该信号进入中频放大器滤波、放大，滤除镜像频率，中频放大器的输出进入第二混频器与收f1本振信号进行混频，将回波信号的载频降至基带，该信号经滤波放大器滤波、放大后得到基带回波信号，基带回波信号进入数字信号处理器进行高速模/数变换、杂波对消、距离门相关、数字滤波、FFT变换、信号判决，最后将处理结果送终端显示。
2.根据权利要求1所述的基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，其特征在于：发射天线和接收天线之间的隔离度大于60dB。
3.根据权利要求1所述的基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，其特征在于：数字信号处理器的硬件由高速模/数转换、FPGA、双端口RAM和DSP处理器四部分组成，高速模/数变换在第二时钟的作用下将基带回波信号转变为数字基带信号，FPGA在第二时钟、伪码信号同步的作用下，完成对数字基带信号的杂波对消、距离门相关和数字滤波功能，双端口RAM供FPGA和DSP处理器之间存取数据用，DSP完成FFT变换、信号判决，并担负数字信号处理器与终端之间的数据传输和指令传递任务。
4.根据权利要求1或3所述的基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，其特征在于FPGA中的杂波对消的工作过程为：探测装置上电后，终端发起基带回波数据传送指令，DSP处理器控制高速模/数变换采集基带回波信号，存在双端口RAM中，DSP处理器读取双端口RAM的数据并将其传送至终端，该终端分析回波信号，提取杂波信号的时延和幅度参数后，向DSP处理器发出杂波参数修正指令，将这些杂波参数传给 DSP处理器，该DSP处理器再将这些参数传送至FPGA，该FPGA中的杂波信号产生模块读取杂波参数，修正后产生新的杂波信号，在杂波对消模块与数字化回波信号进行抵消运算，获得抑制杂波的回波信号，供距离门相关用。 
5.根据权利要求1或3所述的基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，其特征在于FPGA中的距离门相关的工作过程为：距离门参考信号产生模块在第二时钟和伪码信号同步信号下，依次产生不同时延的伪码信号即距离门参考信号，与杂波对消模块的输出信号依次作多路距离门相关运算，得到不同距离门的相关输出。 
6.根据权利要求1或3所述的基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，其特征在于FPGA中的数字滤波的工作过程为：对不同距离门的相关输出分别进行多级滤波，滤去高频分量，并将滤波结果存入双端口RAM中。 
7.根据权利要求1所述的基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，其特征在于：在数字信号处理器中，伪码产生器输出的伪码信号同步为该探测装置的系统同步信号，基带数字回波信号的杂波参数提取、杂波信号产生、杂波对消、距离门参考信号产生和距离门相关都是以该系统同步信号为基础。 
8.根据权利要求1所述的基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，其特征在于：DSP处理器从双端口RAM中读取FPGA数字滤波的输出数据，进行FFT变换，分析频谱特征，应用判决法则判断回波中是否有人，如无人，直接输出判断结果，若有人，则给出该人与探测器的之间的距离，DSP处理器将数字滤波的输出数据、FFT数据和判决结果送至终端显示。 
9.根据权利要求1所述的基于伪码调相连续波体制的生命探测装置，其特征在于：终端接收DSP处理器传送过来的数据，显示回波时域、频域波形及判决结果，同时，终端还完成杂波参数分析工作，向DSP处理器发送基带回波数据传送、杂波参数修正指令，该杂波参数分析程序事先对障碍物建立基于伪码调相连续波体制的生命探测装置的基带数字回波信号模型。 
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