CN103454691B - 一种基于uwb 生物雷达的扫描探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法及系统，属于生物雷达探测技术领域，包括：1）对UWB生物雷达系统参数进行初始化设置，然后设定最远探测距离、起始距离、时窗及扫描模式；2）根据起始距离由近及远分区域进行扫描，判断该区域是否达到了设定的最远探测距离；3）通过检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，如果无生命迹象，则说明该区域不存在人体目标，则增大起始距离对下一个区域进行扫描；如果有生命迹象，则根据初始设定的扫描模式进行相应的检测和处理。该方法能够在未知人体目标距离的情况下，解决人体目标的探测识别问题。

Description

一种基于UWB 生物雷达的扫描探测方法及系统

技术领域

本发明属于生物雷达探测技术领域，具体涉及一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法及系统。

背景技术

生物雷达是一种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。该技术主要以人体为探测目标，以雷达发射的电磁波为载体，能穿透废墟、墙壁等障碍，检测到人体目标的运动，或呼吸、心跳等生命体征引起的体表微动，进而判断有无目标的存在。生物雷达具有非接触、穿透力强、能精确定位的特点，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（Continuous Wave,CW）和超宽谱（UltraWideband,UWB）两种体制的雷达技术。相比而言，UWB生物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。特别是其具有距离信息，不仅能探测和识别人体目标的有无，而且能进一步实现目标的测距或定位。

在穿透障碍物（墙壁、废墟等）条件下，UWB生物雷达以人体目标的呼吸为探测指标，并以此为依据判断目标的有无。现阶段，UWB生物雷达技术研究大都围绕微弱呼吸信号的检测和识别，已经取得了较好的效果。但是在实际使用中，人体目标距离通常未知。对这一问题的忽视将导致UWB生物雷达难以用于实际场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法及系统，该方法基于UWB生物雷达的距离信息和相关控制参数，在未知人体目标距离的情况下，实现对目标的有效覆盖和可靠探测，从而解决人体目标的探测识别问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法，包括以下步骤：

1）对UWB生物雷达系统参数进行初始化设置，然后设定最远探测距离、起始距离、时窗及扫描模式；

2）根据起始距离，由近及远分区域进行扫描，判断该区域是否达到了设定的最远探测距离，如果达到则结束探测，未达到则对该区域进行生命探测识别；

3）通过检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，如果无生命迹象，则说明该区域不存在人体目标，则增大起始距离对下一个区域进行扫描；如果有生命迹象，则对人体目标进行识别和测距，然后根据初始设定的扫描模式进行相应的操作，得出探测结果。

所述的生物雷达系统参数包括发射脉冲的重复频率，回波接收采样点数和回波接收采样速度。

所述的最远探测距离由预期探测区域的实际距离决定。

所述时窗决定了每次探测中UWB生物雷达覆盖的相对距离范围，对应回波信号的延迟时间，时窗与距离的换算关系满足式（1）：

其中，d为距离，τ为时窗，c为光速，ε_r为电磁脉冲传播介质的相对介电常数，2倍代表脉冲的双程走时。

所述的扫描模式包括单目标扫描模式和多目标扫描模式。

所述的单目标扫描模式是当生命探测识别为有目标时，UWB生物雷达会对当前区域进行重复探测识别，UWB生物雷达对距离雷达最近的人体目标做出反应。

所述的多目标扫描模式是当生命探测识别为有目标时，UWB生物雷达 会对当前目标进行标记，进而对下一个区域继续进行探测。

所述的检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，是实现生命探测识别的过程，该过程是在噪声和背景杂波中估计正弦函数的幅度、频率和延时，表现为式（2）：

H₀假设表示回波中只包含噪声和杂波，没有生命迹象；H₁假设表示有人体目标生命迹象存在；式中r(t,τ)表示UWB生物雷达回波信号，其中t和τ分别表示时间和距离；w(t,τ)表示噪声和杂波，A(τ)和f_b分别表示人体呼吸的幅度和频率，其中后者随距离变化；

当H₁假设成立时，人体目标的距离信息可以按照式（3）估计：

上式表示目标距离选取呼吸能量最大的一点。

所述的UWB生物雷达采用冲击脉冲体制，发射脉冲的宽度控制在ns级别，频谱宽度和中心频率均为500MHz。

一种实现上述扫描探测方法的UWB生物雷达扫描探测系统，包括雷达主机、收发天线和用于控制雷达主机工作状态的控制显示单元，所述的雷达主机包括脉冲发射器、发射机、时域逻辑单元、控制单元、接收机和模拟数字转换器；

脉冲发生器产生的窄脉冲和脉冲分别送至发射机和时域逻辑单元，窄脉冲在发射机被整形后，通过收发天线辐射出去；脉冲送至时域逻辑单元后，在控制单元的操控下产生延迟时间可控的距离门，同时触发接收机对回拨信号进行采样，采样后的回波信号经模拟数字转换器采集后被送至控制显示单元，控制显示单元对回波数据进行处理，检测其中包含的人体呼吸信号后对人体目标进行识别和测距，得出探测结果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明基于距离门技术，考虑到了实际使用中目标距离未知的情况，对UWB生物雷达系统参数的初始化设置，对一定距离范围内的回波进行选择性接收采样，得到的雷达回波为包含距离和时间二维信息的信号，在此基础上，通过时窗和起始距离两个可控系统参数改变距离门，对雷达天线前方由近及远分区域扫描探测人体目标，区域之间的转换由生物雷达自动完成，并且根据生命探测识别结果和所选扫描模式可进行不同的操作处理，从而能够在未知人体目标距离的情况下，实现对目标的有效覆盖和可靠探测。本发明提高了UWB生物雷达的实用性，同时为UWB生物雷达人体目标的定位提供技术参考。

附图说明

图1为本发明的UWB生物雷达系统的工作原理框图；

图2为本发明的UWB生物雷达扫描探测方法的流程图；

图3为UWB生物雷达扫描探测的模拟场景图；

图4为UWB生物雷达扫描探测的模拟结果。

具体实施方式

下面结合具体的附图及实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明的UWB生物雷达扫描探测系统，包括雷达主机、收发天线和用于控制雷达主机工作状态的控制显示单元，所述的雷达主机包括脉冲发射器、发射机、时域逻辑单元、控制单元、接收机和模拟数字转换器。

UWB生物雷达的工作原理如下：

脉冲发生器产生一定脉冲重复频率的窄脉冲，送到发射机整形后通过发射天线辐射出去。收发天线中心频率和带宽同为400MHz，波束覆盖角度约为60°。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，触发接收机对回波信号进行采样。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。

本发明所涉及的UWB生物雷达采用冲激脉冲体制。发射脉冲的宽度控制在ns级别，对应的频谱宽度和中心频率均为500MHz，能同时保证穿透能力和对人体呼吸的检测精度。

基于距离门技术，UWB生物雷达可对一定距离范围内的回波进行选择性接收采样。因此，UWB生物雷达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（Analog Digital Converter，模拟数字转换器）高速采集后送至控制显示单元。该单元对回波数据进行处理，检测其中包含的人体呼吸信号，在此基础上对人体目标进行识别和测距，进而给出探测结果。与此同时，控制显示单元可对UWB生物雷达的系统参数进行设置，控制雷达主机的工作状态。特别是周期性地控制距离门的延迟时间，实现对设定距离范围内的扫描探测。该距离范围由起始距离和时窗两个参数决定，对应二维平面内的一扇形区域；而调整起始距离，从而实现对任意距离的扫描探测。

本发明的基于UWB生物雷达的扫描探测方法，具体流程参见图2：

首先，对UWB生物雷达系统进行初始化，设置其工作的关键参数，然后设定最远探测距离、起始距离、时窗及扫描模式；由于目标距离未知，起始距离通常从零距离开始，由近及远分区域进行扫描。

其次，设置起始距离后要判断是否达到了预期的最远探测距离，如果达到则探测结束，没有达到则对该区域进行生命探测识别；

生命探测识别是通过检测人体呼吸给出有无生命迹象的结果，如果无生命迹象，说明该区域不存在人体目标，则增大起始距离对较远的下一个区域进行探测；如果有生命迹象就要根据对人体目标进行识别和测距，得出探测 结果，然后根据扫描模式不同进行相应的操作。

在单目标模式下，某一区域发现生命迹象后对该区域重复探测，直至操作人员强制停止探测；因此在该模式下UWB生物雷达仅能探测距离雷达最近的一个人体目标，从而提示操作人员做出相应的处理。在多目标模式下，某一区域发现生命迹象后系统会记录相关信息，并调整起始距离自动进行下一区域的探测；因此该模式下的UWB生物雷达具备探测不同距离多个人体目标的能力。

一、系统初始化

在此扫描探测过程中，系统初始化首先设置UWB生物雷达系统参数，如发射脉冲的重复频率，回波接收采样的点数、速度等。这些参数的设置必须使UWB生物雷达工作的最佳状态。在初始化过程中，特别涉及扫描探测技术的主要包括三个方面：

1、最远探测距离

UWB生物雷达扫描探测中最远探测距离主要由预期所要探测区域的实际距离决定。例如在穿墙探测中，生物雷达操作人员需对墙后5m范围内进行探测，此时最大探测距离应为该距离加上墙体厚度。只有当这一参数确定后，才能在后续的扫描探测中设置相应的时窗和起始距离。

需要特别注意的是，UWB生物雷达属于近场探测，距离多在几米至几十米以内。而且由于电磁传播路径上存在障碍和遮挡（如墙壁），在设置最远探测距离时应考虑它们对电磁脉冲传播速度的影响。

2、时窗

时窗决定了一次探测中UWB生物雷达覆盖的相对距离范围。这一参数的单位通常为ns，对应回波信号的延迟时间，与距离的换算关系为：

式中d为距离，τ为时窗，c为光速，ε_r为电磁脉冲传播介质的相对介电常数，2代表脉冲的双程走时。

通常情况下，时窗越大表示一次探测覆盖的距离范围越大，在最远探测距离一定的情况下效率越高。但时窗这一参数还和UWB生物雷达的工作状态密切相关。为了使UWB生物雷达工作在最佳状态，时窗应设定为20ns（脉冲重复频率、接收采样的点数和速度均设定为最大值）。以自由空间为例，20ns的时窗大约对应3m的距离范围。

3、扫描模式

UWB生物雷达具有良好的距离分辨率和目标识别能力，不仅能判断人体目标的有无，而且能有效区分多个目标。因此本发明使用的扫描探测技术包括单目标和多目标两种模式。前者适用于一旦发现生命迹象就必须做出相应处理的场合，如地震发生后的应急救援；后者适用于可能存在多个人体目标的场合，如反恐斗争中的穿墙探测。

在系统初始化过程中设置扫描模式后，后续扫描探测会在相应的步骤判断所选模式，然后以此为依据进行不同的处理。两种扫描模式的差别主要在于生命探测识别结果为有目标后的流程。在单目标模式下，当生命探测识别为有目标时，UWB生物雷达会对当前区域进行重复探测识别。因此这种模式下，UWB生物雷达仅对距离雷达最近的人体目标作出反应，一旦发现目标一方面可提示操作者对当前结果尽快进行处置，另一方面通过重复探测提高结果的准确性。在多目标模式下，当生命探测识别为有目标时，UWB生物雷达会对当前目标进行标记，进而对下一个区域继续进行探测。因此这种模式可以有效用于多个人体目标的探测识别，提供比单目标模式更多的信息。

二、设置起始距离

在实际使用中通常缺少人体目标距离的先验知识，为实现对目标的有效覆盖UWB生物雷达必须从距离零点开始由近及远进行扫描探测。由于统初 始化时将时窗设定为20ns，当起始距离依次设置为（0ns,20ns,40ns,……）时，可完全覆盖天线前方的所有距离。即每一次探测区域的长度为20ns，每次调整起始距离步进同样为20ns。

除开第一次探测开始时起始距离直接设置为0ns以外，后面每次起始距离的调整都要由生命探测识别结果决定。结果为无目标时表明该区域没有生命迹象，应该增加起始距离对下一区域进行探测；结果为有目标时应根据所设扫描模式采取不同处理。此外，每次调整起始距离后必须判断当前参数对应的探测范围是否已经超出了预期的最远距离，如果超出则表明对感兴趣区域的探测已经完成，扫描探测自动停止。

三、生命探测识别

UWB生物雷达探测人体目标呼吸进而实现生命探测识别的过程实际上是一个二元探测过程，该过程可以近似为在噪声和杂波背景中估计正弦函数的幅度、频率和延时的问题，可表述为：

H₀假设表示回波中只包含噪声和杂波，没有生命迹象；H₁假设表示有人体目标生命迹象存在；式中r(t,τ)表示UWB生物雷达回波信号，其中t和τ分别表示时间和距离；w(t,τ)表示噪声和杂波，A(τ)和f_b分别表示人体呼吸的幅度和频率，其中后者随距离变化。

当H₁假设成立时，人体目标的距离信息可以按照下式估计：

上式表示目标距离选取呼吸能量最大的一点。

由于UWB生物雷达人体回波信号中包含的呼吸成分比较微弱，在进行目标识别前必须对其进行预处理，去除背景噪声和杂波，增强有用成分，改善信杂噪比。表1列出了本发明生命探测识别所使用的方法。其中去除背景 噪声和杂波采用的是LTS（linear trendsubtraction，线性趋势相减）；人体呼吸增强采用了ALE（adaptive line enhancement，自适应先增强）和FIR LPF（finite impulse response low-pass filer，有限冲激响应低通滤波）两种方法；信杂噪比改善采用了RA（range averaging，距离平均）、TA（timeaveraging，时间平均）和时域积累三种方法。

表1生命探测识别中人体回波信号处理方法

参见图3，以某一场景为例对本发明的扫描探测方法进一步进行说明：UWB生物雷达穿透一堵30cm厚的砖墙对墙后房间进行探测，房间尺寸为4m×5m，墙后正对雷达2m处有一静止人体目标，向右稍偏距离雷达4m处有另外一静止人体目标。生物雷达初始化后的系统参数如表2所示。该场景中目标可能的最远距离约为5.4m加上墙体厚度，因此UWB生物雷达最远探测距离设置为40ns可有效覆盖整个房间。根据设定时窗，扫描探测应分两个区域一次进行：0～20ns和20～40ns。

表2 UWB生物雷达扫描探测初始化参数

最大探测距离	时窗	脉冲重复频率	采样点数	扫速
					5.4m（40ns）	20ns	128KHz	2048	64Hz

图4显示了两种扫描探测模式下的模拟探测结果。单目标模式下，UWB生物雷达在第一个区域探测识别到人体目标并估计出目标距离信息；随后，生物雷达始终停留在该区域进行探测（图中用阴影表示）。多目标模式下，UWB生物雷达在第一个区域探测识别到2m处的人体目标后，对第二个区 域进行探测也识别到4m处的人体目标，最后扫描完所设置的最远探测距离自动停止探测。

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 (5)

1.一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对UWB生物雷达系统参数进行初始化设置，然后设定最远探测距离、起始距离、时窗及扫描模式；

所述的最远探测距离由预期探测区域的实际距离决定；

所述时窗决定了每次探测中UWB生物雷达覆盖的相对距离范围，对应回波信号的延迟时间，时窗与距离的换算关系满足式(1)：

$d=\frac{\mathrm{\τ}\×c}{2{\mathrm{\ϵ}}_r}---\left(1\right)$

其中，d为距离，τ为时窗，c为光速，ε_r为电磁脉冲传播介质的相对介电常数，2倍代表脉冲的双程走时；

所述的扫描模式包括单目标扫描模式和多目标扫描模式；

2)根据起始距离，由近及远分区域进行扫描，判断该区域是否达到了设定的最远探测距离，如果达到则结束探测，未达到则对该区域进行生命探测识别；

3)通过检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，如果无生命迹象，则说明该区域不存在人体目标，则增大起始距离对下一个区域进行扫描；如果有生命迹象，则对人体目标进行识别和测距，然后根据初始设定的扫描模式进行相应的操作，得出探测结果；

所述的检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，是实现生命探测识别的过程，该过程是在噪声和背景杂波中估计正弦函数的幅度、频率和延时，表现为式(2)：

$\begin{array}{c}{H}_0:r(t,\mathrm{\τ})=w(t,\mathrm{\τ})\\ H_1:r(t,\mathrm{\τ})=A\left(\mathrm{\τ}\right)\cos \left(2{\mathrm{\πf}}_{b}t\right)+w(t,\mathrm{\τ})\end{array}---\left(2\right)$

H₀假设表示回波中只包含噪声和杂波，没有生命迹象；H₁假设表示有人体目标生命迹象存在；式中r(t,τ)表示UWB生物雷达回波信号，其中t和τ分别表示时间和距离；w(t,τ)表示噪声和杂波，A(τ)和f_b分别表示人体呼吸的幅度和频率，其中后者随距离变化；

当H₁假设成立时，人体目标的距离信息可以按照式(3)估计：

${\mathrm{\τ}}_0=\underset{\mathrm{\τ}}{\mathrm{argmax}}|A\left(\mathrm{\τ}\right){|}^2---\left(3\right)$

上式表示目标距离选取呼吸能量最大的一点。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法，其特征在于，所述的生物雷达系统参数包括发射脉冲的重复频率，回波接收采样点数和回波接收采样速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法，其特征在于，所述的单目标扫描模式是当生命探测识别为有目标时，UWB生物雷达会对当前区域进行重复探测识别，UWB生物雷达对距离雷达最近的人体目标做出反应。

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法，其特征在于，所述的多目标扫描模式是当生命探测识别为有目标时，UWB生物雷达会对当前目标进行标记，进而对下一个区域继续进行探测。

5.根据权利要求1所述的一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法，其特征在于，所述的UWB生物雷达采用冲击脉冲体制，发射脉冲的宽度控制在ns级别，频谱宽度和中心频率均为500MHz。