CN103308893B - 一种基于过采样和二次采样的uwb生物雷达人体回波信号增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于过采样和二次采样的UWB生物雷达人体回波信号增强方法，UWB雷达硬件过采样的系统参数为128KHz的脉冲重复频率、64Hz的扫速、0～20ns的时窗和2048的采样点数；本发明提供一种新的UWB雷达人体回波信号的增强技术，该技术结合了硬件上的过采样和软件处理上的二次采样，能有效提高冲激脉冲UWB雷达检测人体呼吸的信噪比。

Description

一种基于过采样和二次采样的UWB生物雷达人体回波信号增强方法

技术领域

本发明涉及属于生物雷达或雷达式生命探测技术领域，特别涉及一种基于过采样和二次采样的UWB生物雷达人体回波信号增强方法。

背景技术

生物雷达是一种融合雷达技术和生命探测技术用于生命体目标探测和识别的特殊形式雷达，是国际科技界公认的新兴前沿技术。该技术对探测目标无任何约束，无需接触式电极或传感器的连接，而且可以隔一定的距离、穿透非金属的介质（如衣服、墙壁、废墟等）检测人体呼吸、心跳等生命信号，进而判断有无目标的存在，甚至具备精确定位和成像的能力，因此在生物医学、国家安全、应急救援等领域具有广泛的应用前景。

生物雷达主要采用窄带连续波（ContinuousWave,CW）和超宽谱（UltraWideband,UWB）两种体制的雷达技术。相比而言，UWB雷达具有较强的穿透能力、良好的近场性能和目标识别能力，特别是冲激脉冲体制的UWB雷达以其系统简单、功耗小、成本低等优点，已成为目前生物雷达技术的研究热点。

现阶段，UWB生物雷达技术的相关研究按其应用领域不同大致可分为三类：以临床应用为目的的生命参数的非接触检测和成像技术，用于军事、反恐等的穿墙探测雷达技术，以及用于应急救援的搜救生物雷达技术。特别是在穿墙探测和搜救中，实际电磁传播路径中存在剧烈衰减，UWB生物雷达回波中人体生命信号成分十分微弱。除此之外，墙壁、废墟等静止目标反射和散射形成的强杂波、周围环境的干扰和系统噪声等因素，造成UWB生物雷达人体回波信号的信噪比很低，从而给微弱生命信号的检测提出了较高的技术要求。因此，这种低信噪比条件下UWB生物雷达人体回波信号的增强技术，是目前国际生物雷达领域的一个新的研究热点和难点。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供一种基于过采样和二次采样的UWB生物雷达人体回波信号增强方法。

本发明的技术方案为：

一种基于过采样和二次采样的UWB生物雷达人体回波信号增强方法，UWB雷达硬件过采样的系统参数为128KHz的脉冲重复频率、64Hz的扫速、0～20ns的时窗和2048的采样点数；

二次采样的实现方法如下：

（1）选择一定长度的矩形窗在距离上对送入计算机的UWB雷达人体回波信号进行滑动平均：

$r^{\′}[m,n]=\frac{1}{W}\underset{i=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}r[m+i,n],m=1,...,2048......\left(2\right)$

上式中r[m,n]、r’[m,n]分别为滑动平均前后的回波数据，m代表距离，n代表时间；W为矩形滑窗的长度；

（2）在滑动平均的基础上，对UWB生物雷达人体回波信号在距离上进行均匀抽样:

r'[m',n]=r'[m,n],m'=1,M'+1,2M'+1,...,2048……(3)

式中M’为抽样间隔，取M’=W/2,即滑窗长度W的一半，抽样后能有效地保留UWB生物雷达人体回波信号的特征信息；滑动平均的最佳滑窗长度W确定为48。

本发明所涉及的UWB生物雷达采用冲激脉冲体制,脉冲宽度控制在ns级别，对应的频谱宽度和中心频率均为500MHz，能同时保证较强的穿透能力和良好的探测精度。该UWB生物雷达由雷达前端和计算机两部分组成。雷达前端是UWB生物雷达的核心硬件系统，主要完成脉冲发射和人体回波信号的接收采集。计算机是UWB生物雷达软件系统运行的平台，主要完成生物雷达控制和人体回波信号处理的工作。在探测过程中雷达保持静止，不要求对回波信号进行实时取样采集，因此接收可采用成熟的等效取样技术实现，UWB雷达人体回波信号为包含距离和时间二维信息的信号。由于具有距离信息，回波信号中包含的人体呼吸具有特殊的特征，从而给UWB雷达人体回波信号的增强提供了新的可能。

本发明旨在提供一种新的UWB雷达人体回波信号的增强技术，该技术结合了硬件上的过采样和软件处理上的二次采样，能有效提高冲激脉冲UWB雷达检测人体呼吸的信噪比。

附图说明

图1为冲激脉冲UWB生物雷达的原理框图；

图2为UWB生物雷达前端送入计算机的人体回波信号；

图3为UWB生物雷达算法软件的基本流程；

图4为算法软件处理后的UWB雷达人体回波信号；

图5为UWB生物雷达人体回波信号的功率分布；

图6为不同脉冲重复频率的UWB生物雷达人体回波信号的功率分布；

图7为不同扫速的UWB生物雷达人体回波信号的功率分布；

图8为不同时窗的UWB生物雷达人体回波信号的功率分布；

图9为不同采样点数的UWB生物雷达人体回波信号的功率分布；

图10为UWB生物雷达检测到的人体呼吸信号；

图11为二次采样滑窗长度变化时UWB雷达人体回波信号的SCR_D；

图12为UWB生物雷达人体回波信号的功率分布。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例对所使用的冲激脉冲型UWB生物雷达系统的工作原理、人体回波信号的形式和特点，硬件过采样和软件二次采样的基本流程进行说明：

图1为冲激脉冲UWB生物雷达的原理框图。如图所示，脉冲发生器产生一定脉冲重复频率的窄脉冲，被送到发射机整形后通过发射天线辐射出去。与此同时，脉冲发生器产生的脉冲被送到时域逻辑单元，并在控制单元的控制下产生延迟时间可控制的距离门。在距离门的触发下接收机开始工作，对接收到的回波信号进行等效采样。距离门相对发射脉冲的延时，即脉冲在雷达与目标之间的双程走时。知道了这一走时，就可以得到目标相对于雷达的径向距离。周期性地改变距离门的延迟时间，可以实现对设定距离范围内的扫描探测。因此，UWB雷达人体回波信号为包含时间和距离信息的二维回波信号。采样后的回波信号经ADC（AnalogDigitalConverter,模拟数字转换器）高速采集后，通过USB接口送至计算机。计算机上的控制软件，可对UWB生物雷达的系统硬件参数（脉冲重复频率、扫速、时窗和采样点数）进行设置，控制雷达前端的工作状态。与此同时，算法软件对UWB雷达人体回波信号进行处理，检测其中包含的微弱人体呼吸信号，进而用于人体目标的探测和识别。

图2为雷达前端送入计算机的UWB雷达人体回波信号。其中，时间的单位通常为s。该维度上的采样速率对应雷达对设定距离范围内周期性扫描的速率，即扫速。距离的单位通常用脉冲的双程走时ns表示，该走时乘以脉冲速度可换算成距离。图中0～20ns对应0～3m的距离，即雷达探测范围——时窗。回波信号在该维度上的采样密度即采样点数。由此可见，UWB雷达人体回波信号与前端硬件的脉冲重复频率等参数密切相关，这些参数的设置不同会对回波信号的质量产生影响。因此，必须合理设置参数保证UWB生物雷达工作在过采样状态，从而获得高质量的UWB雷达人体回波信号，具体设置方法见实例2。

冲激脉冲UWB生物雷达探测单个静止人体目标呼吸时，人体回波信号主要由三部分组成：呼吸引起的人体体表微动的反射回波，即人体呼吸信号；探测范围内静止目标（如人体、墙壁、废墟等）反射和散射形成的背景杂波；其他各种噪声和干扰。由于强背景杂波、噪声等淹没了微弱的人体呼吸信号，送入计算机的UWB雷达人体回波信号的信噪比较低，需要计算机的算法软件对其进行处理，进而实现人体目标的探测和识别。

图3为算法软件的基本流程。首先通过回波距离上的二次采样实现人体回波信号的增强，提高其信噪比，具体实施方法见实例3。UWB雷达探人体回波信号中包含静止目标（如墙壁、废墟等）反射和散射形成的背景杂波，以及多种噪声和干扰，为检测人体呼吸必须进行处理；利用背景杂波不随时间变化的特点可对其进行去除，而利用人体呼吸的缓变特性采用低通滤波器可滤除噪声和干扰。

图4为经过呼吸检测的UWB雷达人体回波信号，图中10ns附近随时间周期性的起伏即为检测到的人体呼吸信号。对处理后的人体回波信号计算其功率分布，即每一距离点上的功率，既能用于后续的人体目标识别，又便于定量评价人体回波信号的质量。

图5为该信号对应的功率分布。由于背景杂波和噪声得到了有效抑制，可看到10ns处人体呼吸引起的功率尖峰，该峰值明显高于周围杂波和噪声的功率水平。定义检测信噪比SNR_D为人体呼吸信号功率与噪声功率之比，即：

$\mathrm{SN}{R}_D=101g\frac{P_r}{P_n}......\left(1\right)$

其中，呼吸功率P_r为上述功率峰值，噪声功率P_n则隔开该峰值一定距离（4ns）选取极大值作为估计。当UWB生物雷达探测范围内存在人体目标时，由于人体呼吸导致SNR_D值较大，反之该值较小，设定阈值可实现人体目标的识别。此外，SNR_D的大小反映了UWB雷达人体回波信号的质量，后者与硬件参数以及软件算法有关。

实施例2

本实施例详细说明如何设置UWB生物雷达的硬件参数，实现对人体回波信号的硬件过采样，提高信号的质量。

2.1脉冲重复频率的设置方法

模拟人体目标位于28cm厚砖墙后约2m，UWB生物雷达位于墙壁的另一侧紧贴墙壁对其进行探测。当脉冲重复频率设置为16KHz、32KHz、64KHz和128KHz时，采集4组回波信号。扫速、时窗、采样点数均保持不变，分别为64Hz，0～20ns，2048。计算机对每一组信号进行处理，得到人体回波信号的功率分布并计算SCR_D，然后进行比较。

图6为以上4组信号对应的UWB雷达人体回波信号的功率分布，可以看出脉冲重复频率为128KHz时得到的人体回波信号的SCR_D要明显大于其他三组，其中SCR_D分别为6.9541dB（16KHz）、6.5772dB（32KHz）、7.0850dB（64KHz）和9.8562dB（128KHz）。

UWB雷达发射窄脉冲探测人体目标产生反射，人体回波信号相当于目标的冲激响应。因此脉冲重复频率越高，回波中包含的目标信息越丰富，越有利于人体呼吸信号的检测，得到的检测SCR_D越高。因此，脉冲重复频率应设置为最大值。以本发明中使用的UWB生物雷达为例，脉冲重复频率应设置为128KHz。

2.2扫速的设置方法

UWB生物雷达的脉冲重复频率（128KHz）、时窗（0～20ns）、采样点数（2048）保持不变，扫速分别设置为16Hz，32Hz和64Hz时对砖墙后约2m的模拟人体目标进行探测。经计算机中的软件算法处理后，三组UWB雷达人体回波信号的功率分布如图7所示，对应的SCR_D分别为9.3880dB（64Hz），9.2426dB（32Hz）和9.3541dB（16Hz）。

上述结果表明，采用16Hz、32Hz和64Hz三种扫速，UWB雷达人体回波信号的SCR_D基本相同。这说明扫速设置不同对UWB雷达检测人体呼吸的性能没有影响，只要满足奈奎斯特采样定律，即大于人体呼吸最高频率的2倍，就能满足要求。以本发明中使用的UWB生物雷达为例，扫速设置为16Hz、32Hz和64Hz均可。但出于降低运算量的考虑，最好设置为16Hz。

2.3时窗的设置方法

除了时窗分别设置为0～20ns、0～40ns、0～60ns和0～80ns外，UWB生物雷达的其他参数保持不变:脉冲重复频率128KHz、扫速64Hz、采样点数2048。模拟人体目标位于28cm厚砖墙后约2m，UWB雷达位于墙壁的另一侧紧贴墙壁对其进行探测后采集4组回波信号，经计算机中的软件算法处理后得到UWB雷达人体回波信号的功率分布和SCR_D。

图8为四种时窗设置对应的人体回波信号功率分布，图中UWB雷达人体回波信号的SCR_D随着时窗增大而减小，对应的SCR_D分别为9.4800dB（0～20ns），8.7537dB（0～40ns）、7.2102dB（0～60ns）和5.5575dB（0～80ns），时窗设置为0～20ns时得到回波信号SCR_D最好。

时窗的增大意味着UWB雷达探测范围的增加，有利于提高探测效率，但大时窗导致人体回波信号中包含的杂波和噪声增多。因此，设置小时窗有利于受困状态下人体目标呼吸的检测。以本发明中使用的UWB生物雷达为例，时窗应设置为0～20ns。

2.4采样点数的设置方法

采用模拟人体作为目标，位于28cm厚砖墙后约2m。采样点数分别设置为512、1024和2048，脉冲重复频率（128KHz）、扫速（64Hz）、时窗（0～20ns）保持不变。对以上三种采样点数对应的UWB雷达人体回波信号分别进行处理。

图9为计算出的人体回波信号功率分布和SCR_D，当采样点数设置为2048时的SCR_D要高于采样点数为1024和512点时的SCR_D，三种采样点数对应的SCR_D分别为9.2235dB（2048）、2.5567dB（1024）和2.2410dB（512）。

采样点数不仅是时窗内回波的量化点数，而且与UWB雷达等效采样的精度有关。因此，其设置不同必然导致UWB雷达人体回波信号的变化，从而表现为对人体回波信号SCR_D的影响。因此，设置的采样点数越大，越有利于人体目标呼吸的检测。以本发明中使用的UWB生物雷达为例，采样点数应设置为2048。

2.5硬件过采样的参数设置方法

UWB生物雷达中，脉冲重复频率与扫速、时窗、采样点数共同决定了UWB雷达人体回波信号等效采样的精度，这是反映UWB生物雷达性能的一个重要指标。

表1为本实例中设置过的各种硬件参数组合及其对应的等效采样精度。当脉冲重复频率、扫速、时窗和采样点数分别设置为128KHz、64Hz、0～20ns和2048时，UWB生物雷达能以10ps的最高精度对回波信号进行等效采样。正常情况下，人体目标引起的体表微动幅度约为4～12mm，换算成时间为27～80ps。因此，当等效采样精度为10ps时，UWB生物雷达实质上已经对人体回波信号形成了过采样，从而实现了检测人体呼吸的目标。

表1UWB生物雷达的硬件参数组合

脉冲重复频率	采样点数	扫速	时窗	等效采样精度
					128KHz	2048	64Hz	20ns	10ps
64KHz	1024	64Hz	20ns	20ps
					32KHz	512	64Hz	20ns	40ps

16KHz	256	64Hz	20ns	80ps
					128KHz	1024	64Hz	20ns	20ps
128KHz	512	64Hz	20ns	40ps
					128KHz	2048	32Hz	20ns	10ps
128KHz	2048	16Hz	20ns	10ps
					128KHz	2048	64Hz	40ns	20ps
128KHz	2048	64Hz	60ns	30ps
					128KHz	2048	64Hz	80ns	40ps

因此，为保证UWB生物雷达对人体回波信号的硬件过采样，应尽可能提高UWB生物雷达的脉冲重复频率和采样点数，同时减小时窗，以保证雷达接收机以最大等效采样精度工作。但是等效采样精度受硬件水平的限制不能无限增大，特别是雷达主机中的时序逻辑电路的精度。基于现有的硬件水平，该电路采用了高精度（≯10ps）、低抖动（≯10ps）的高速数字芯片设计，可达到的最高等效采样精度为10ps，对应的UWB雷达硬件过采样的最佳系统参数应为128KHz的脉冲重复频率、64Hz的扫速、0～20ns的时窗和2048的采样点数。

实施例3

基于UWB生物雷达的硬件过采样技术，本实施例对UWB生物雷达算法软件中的二次采样进行说明：

2.1基本方法

图10为UWB生物雷达检测到的人体呼吸信号。在过采样条件下，图中人体目标附近的多个距离点上受到呼吸调制表现出较强的相关性。因此在距离上进行抽样不会影响检测到的人体呼吸信号，并且能降低数据量从而满足UWB生物雷达某些应用场合（如非接触生命参数监测、隔墙监视等）对实时处理的要求。而且杂波和噪声通常与距离无关，在抽样同时进行距离上的滑动平均还能改善UWB雷达人体回波信号的信噪比。因此二次采样的实现方法如下：

（1）选择一定长度的矩形窗在距离上对送入计算机的UWB雷达人体回波信号进行滑动平均：

$r^{\′}[m,n]=\frac{1}{W}\underset{i=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}r[m+i,n],m=1,...,2048......\left(2\right)$

上式中r[m,n]、r’[m,n]分别为滑动平均前后的回波数据，m代表距离，n代表时间。W为矩形滑窗的长度。

（2）在滑动平均的基础上，对UWB生物雷达人体回波信号在距离上进行均匀抽样:

r'[m',n]=r'[m,n],m'=1,M'+1,2M'+1,...,2048……(3)

式中M’为抽样间隔。本发明中选取M’=W/2,即滑窗长度W的一半，抽样后能有效地保留UWB生物雷达人体回波信号的特征信息。

2.2最佳窗长度的选择方法

理论上滑动平均对信号质量的改善与滑窗长度有关，因此当W从小到大依次改变时，UWB雷达人体回波信号SCR_D随之变化，其中SCR_D最大时对应的即为滑动平均的最佳窗长度。

图11为W从1增至128时，UWB雷达人体回波信号的SCR_D。从图中可以看出，随着W的增大，人体回波信号的检测SCR_D有一个先增大后减小的变化过程。当W小于48时，检测SCR_D基本呈单调增大；当W超过48后；检测SCR_D增大变得缓慢；当W等于85时，检测SCR_D达到最大值，随后便开始缓慢减小。因此，滑动平均的最佳窗长度应为85。考虑到W超过48后检测SCR_D的增大变得缓慢，以及W对运算量的影响，最终将滑动平均的最佳窗长度确定为48。

2.3算法效果评价

为验证过采样和二次采样的效果，模拟人体目标位于28cm厚砖墙后约2m，UWB生物雷达位于墙壁的另一侧紧贴墙壁对其进行探测。计算机上的控制软件设置UWB生物雷达的脉冲重复频率、扫速、时窗和采样点数分别为128KHz、64Hz、0～20ns和2048，控制雷达硬件以10ps的等效采样精度对UWB雷达人体回波信号进行过采样，采样后的信号送入计算机算法软件中进行二次采样、背景去除、低通滤波等处理，然后计算功率分布和SCR_D。

图12为人体回波信号的功率分布。其中滑动平均的窗长度为48，对应约0.47ns的距离；抽样后将每道回波信号的采样点数由2048点降至约85点。计算出人体回波信号的SNR_D为21.1dB。而该信号不经过二次采样处理对应的SNR_D约为10.4dB。前者比后者提高了10.7dB，相当于提高了约3.5倍。

以上结果表明，通过设置合适的脉冲重复频率、扫速、采样点数和时窗，使UWB生物雷达工作在过采样状态对人体回波信号进行等效采样。在此基础上，对接收到的回波信号在算法软件中进行二次采样处理，可有效增强人体回波信号，有利于后续人体目标的探测和识别。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于过采样和二次采样的UWB生物雷达人体回波信号增强方法，其特征在于：

UWB雷达硬件过采样的系统参数为128KHz的脉冲重复频率、64Hz的扫速、0～20ns的时窗和2048的采样点数；

二次采样的实现方法如下：

（1）选择一定长度的矩形窗在距离上对送入计算机的UWB雷达人体回波信号进行滑动平均：

$r^{\′}\[m,n\]=\frac{1}{W}\underset{i=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}r\[m+i,n\],m-1,...,2048$

上式中r[m,n]、r’[m,n]分别为滑动平均前后的回波数据，m代表距离，n代表时间；W为矩形滑窗的长度；

（2）在滑动平均的基础上，对UWB生物雷达人体回波信号在距离上进行均匀抽样:

r′[m′,n]=r′[m,n],m′=1,M′+1,2M′+1,...,2048

式中M’为抽样间隔，取M’=W/2,即滑窗长度W的一半，抽样后能有效地保留UWB生物雷达人体回波信号的特征信息；滑动平均的最佳滑窗长度W确定为48。