CN104765031B - 一种超宽带微波混沌生命探测雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生命探测雷达装置，尤其是一种兼备探测人体生命特征信息和距离信息的超宽带微波混沌生命探测雷达装置，可用于灾害救援。一种超宽带微波混沌生命探测雷达装置包括第一信号发生器、第一功分器、混频器、功率放大器、超宽带发射天线、超宽带接收天线、低噪放大器、I/Q解调器、第二信号发生器、第二功分器、压控移相器、可调衰减器、固态微波传感器、第三信号发生器、锁相放大器、信号采集处理模块，能够迅速准确地探测到被困人员的生命特征信息和位置信息。

Description

一种超宽带微波混沌生命探测雷达装置
技术领域
本发明涉及一种生命探测雷达装置，尤其是一种兼备探测人体生命特征信息和距离信息的超宽带微波混沌生命探测雷达装置，可用于灾害救援。
背景技术
我国是世界上大陆地震最活跃、地震灾害最严重的国家之一。自2008年以来，大型地震频繁发生，给国家带来巨大的经济损失和人员伤亡，如2008年的汶川大地震，2010年的玉树大地震，2013年的雅安大地震，2014年的新疆于田大地震。及时对被困人员进行定位和救助是灾后的首要任务。生命探测仪能够探测到被掩埋在废墟下的幸存者，是灾害救援技术中的关键。其中，雷达式生命探测仪相对于红外线、X射线和超声波生命探测仪，具有穿透能力强、定位精确、不受天气温度等环境因素影响等特点，受到越来越广泛的应用。在民政部国家减灾中心2009年汶川地震救灾救援工作研究报告中，生命探测雷达等设备与技术的运用提高了救援工作效能，缩短了救援时间。因此对雷达式生命探测仪的研究对提高我国应急救援能力、确保人们生命安全等具有重要意义。
早期的生命探测雷达的发射信号体制一般采用单频连续波信号，该信号稳定，可获得较高的信噪比，且系统结构简单，但该体制无法对目标进行定位，无法实现成像。于是，超宽带信号体制被引入。超宽带(Ultra-wide Bandwidth，UWB)的概念是在1991年美国新墨西哥州的加州大学Los Alamos(洛斯阿拉莫斯)国家实验室召开的UWB雷达会议上提出的。当雷达发射信号的分数带宽(FBW：Fractional Bandwidth)大于0.25时，被认为是UWB雷达。UWB雷达具有穿透能力强，距离分辨率高，杂波抑制能力强，能够对目标进行定位成像等优点，此外，UWB信号比单频连续波信号在回波信号中可携带更多的目标信息，对于检测生命体的呼吸、心跳频率信号是非常有利的，因此，UWB生命探测雷达在灾害救援领域受到广泛关注。
在雷达设计中，雷达发射的波形决定了雷达体制、信号的产生设计和最佳接收信号处理方法等。现有的UWB生命探测雷达按发射波形又可分为冲激脉冲式、线性调频连续波式、步进频率连续波式和随机噪声式四种，各有优缺点。其中，随机噪声雷达由于发射信号是连续的随机信号，具有较高的抗干扰能力和杂波抑制能力，将其用于灾后废墟等复杂环境中，具有很大优势。
混沌信号是确定性系统产生的类噪声信号，相比于随机噪声信号，混沌信号在本质上的确定性，使得混沌雷达波形的产生系统简单、统计特性及轨迹容易控制；混沌信号本身的强抗干扰、不可复制、频谱特性易于控制等常规系统无法兼备的特性，使它有十分优良的低截获概率和抗干扰特性；由于混沌信号对系统内在参数的敏感性，能实现“多用户”的属性；同时其模糊函数为理想的“图钉型”使得它具有无模糊测距、测速性能和良好的距离、速度分辨率。因此，基于混沌信号的超宽带雷达成为新体制雷达的研究热点。
2004年，加州大学洛杉矶分校的刘佳明等人利用半导体激光器产生的混沌激光，经光电转换后作为雷达发射信号，用于空间目标测距(IEEE Journal of QuantumElectronics,40(6),815-820,2004和IEEE Journal of Quantum Electronics,40(6),682-689,2004)；2007年到2010年，浙江大学的史治国等人研究了Colpitts电路产生的混沌信号作为雷达信号的抗干扰能力(Progress In Electromagnetics Research,77,1-14,2007)，并将其运用于目标测距的仿真和实验(Progress In Electromagnetics Research,90,15-30,2009和Journal of Electromagnetics Waves and Application,24,1229-1239,2010)；2008年以来，太原理工大学的王云才课题组对混沌激光雷达抗干扰性能进行了分析(红外与激光工程,36(z1),214-218,2007和中国激光,38(5),0514002,2011)并将其应用于多目标测距(Chinese Optics Letters,11,868-870,2008)和汽车防撞(中国激光,36(9),2426-2430,2009)等领域。这些混沌雷达均是将混沌信号直接作为雷达信号，称为混沌直接雷达。此外，加拿大麦克马斯特大学，国内南京理工大学、南京航空航天大学、电子科技大学、西安电子科技大学、桂林电子科技大学、北京航空航天大学等科研院校的研究者将混沌信号作为调制信号对连续波或脉冲信号进行调制后作为雷达发射波形，称为混沌调制雷达。目前基于混沌直接雷达或混沌调制雷达探测人体呼吸、心跳等生命特征的雷达系统尚未有文献报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何迅速探测到被困人员的生命特征信息和距离信息，并确保获得厘米级的高距离分辨率。
本发明所采用的技术方案是：一种超宽带微波混沌生命探测雷达装置，包括第一信号发生器、第一功分器、混频器、功率放大器、超宽带发射天线、超宽带接收天线、低噪放大器、I/Q解调器、第二信号发生器、第二功分器、压控移相器、可调衰减器、固态微波传感器、第三信号发生器、锁相放大器、信号采集处理模块，第一信号发生器是超宽带混沌电路产生超宽带混沌信号，经第一功分器分为两路信号，一路输入到混频器与频率为f0的本振信号进行上变频，经功率放大器放大后由超宽带发射天线发射，另一路输入到信号采集处理模块，超宽带接收天线接收到的回波信号经低噪放大器放大后，输入到I/Q解调器与频率为f0的本振信号进行解调，然后进入信号采集处理模块，并与第一功分器直接传来的信号做互相关运算，计算出第一探测信号经由目标反射的往返时间，从而获得人体目标的距离信息，第二信号发生装置产生频率为f0的本振信号，经第二功分器分为三路信号，一路输入到混频器，一路输入到I/Q解调器，一路输入到压控移相器与第三信号发生器所产生的频率为f1锯齿波作用后输入到可调衰减器，然后与谐振频率为f0的固态微波传感器接收到的回波信号进行干涉，输出的下变频信号进入锁相放大器与第三信号发生器所产生的锯齿波进行检波，输出信号到信号采集处理模块，获得人体的生命特征信息。固态微波传感器是谐振频率量级在GHz的开口环谐振器。
超宽带发射天线发射的超宽带微波混沌信号穿过障碍物到达被困人员后，经被困人员反射，回波信号由超宽带接收天线接收并与发射信号进行互相关运算，计算出发射信号经由被困人员反射的往返时间，从而获取被困人员距离信息；由固态微波传感器接收并通过后续信号处理获取被困人员的呼吸和心跳等生命特征信息。
所述发射端是由超宽带混沌电路(第一信号发生器)产生超宽带混沌信号，经第一功分器分为两路信号，一路为探测信号，一路为参考信号。探测信号输入到混频器与频率为f0的本振信号进行上变频，经功率放大器放大后由超宽带发射天线发射；参考信号直接输入到信号采集处理模块进行采集和处理。
所述接收端包括功能不同的两路接收装置，一路用来探测人体距离信息：超宽带接收天线接收到的回波信号经低噪放大器放大后，输入到I/Q解调器与频率为f0的本振信号进行解调，然后进入信号采集处理模块进行采集，并与参考信号做互相关运算，计算出探测信号经由目标反射的往返时间，从而获得人体目标的距离信息并显示；另一路用来探测人体呼吸、心跳等生命特征信息：信号发生器Ⅰ(第二信号发生器)产生的本振信号经第二功分器、压控移相器和可调衰减器，与谐振频率为f0的固态微波传感器接收到的回波信号进行干涉，输出的下变频信号进入锁相放大器，与频率为f1的锯齿波信号进行检波，然后进入信号采集处理模块，获取反映参考信号与回波信号差异的幅值和相位信息，并做傅里叶变换运算，获得人体的呼吸、心跳频率等生命特征信息并显示。其中，频率为f0本振信号由信号发生器Ⅰ产生，为GHz量级，且与固态微波传感器的谐振频率相同；频率为f1的锯齿波信号由信号发生器Ⅱ(第三信号发生器)产生，为KHz量级，用来作为检波的参考信号和压控移相器的控制信号。
本发明的有益效果是：本发明能够迅速准确地探测到被困人员的生命特征信息和位置信息；本发明基于混沌电路产生的超宽带混沌信号作为雷达探测信号，具有距离分辨率高(可达到厘米级)、抗干扰能力强和探测精度高等优点，本发明利用混沌电路产生雷达探测信号，利用固态微波传感器和锁相放大器探测人体生命特征信息，整个装置易于集成，便于小型化、轻型化，方便携带。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
其中，1、超宽带混沌电路(第一信号发生器)，2、第一功分器，3、混频器，4、功率放大器，51、超宽带发射天线，52、超宽带接收天线，6、低噪放大器，7、I/Q解调器，8、第二信号发生器，9、第二功分器，10、压控移相器，11、可调衰减器，12、固态微波传感器，13、第三信号发生器，14、锁相放大器，15、信号采集处理模块。
具体实施方式
已有研究表明超宽带混沌直接雷达或超宽带混沌调制雷达有较强的抗电磁干扰能力和杂波抑制能力，因此，将其用于面向灾害救援的生命探测，有利于提供提高复杂环境中的探测能力，此外，超宽带混沌信号可以由模拟非线性电路产生，结构简单、成本低、易于集成；混沌信号的“多用户”特性，也有助于同一区域多台生命探测雷达的同时无串扰的工作。
本发明具体实施方式利用改进型Colpitts混沌振荡电路(Nonlinear Dynamics,71(3),575-580,2013)产生超宽带混沌信号作为雷达探测信号，通过相关法获得距离信息，同时，结合固态微波传感器和锁相放大器，从极其嘈杂的环境中检测微弱的呼吸心跳信号，最终实现用于灾后搜救的厘米级高分辨率超宽带混沌生命探测雷达系统。
一种超宽带微波混沌生命探测雷达装置，由发射端和接收端构成。在发射端，包括超宽带混沌电路1、第一功分器2、混频器3、功率放大器4和超宽带发射天线51。在接收端，由功能不同的两路接收装置组成。一路用来探测人体距离信息，包括接收天线52、低噪放大器6、I/Q解调器7；另二路用来探测人体呼吸、心跳等生命体征信息，包括固态微波传感器11、波形产生器Ⅱ13、压控移相器10、可调衰减器11、锁相放大器14。除此之外，还有信号发生器Ⅰ8、三路功分器9和信号采集处理模块15。
超宽带混沌电路采用发明人所在课题组自制的改进型Colpitts混沌振荡电路，所产生的混沌信号频谱带宽为900MHz，振幅约±0.1V，其自相关曲线呈δ函数形式，其半高全宽为0.5ns，将其用于雷达测距信号，理论上可以实现厘米级的空间分辨率。
固态微波传感器采用开口环谐振器，该传感器在印刷电路板上实现，尺寸为11mm×11mm，对特定频率的高频信号(频率为GHz量级)高度敏感。将开口环谐振器与锁相放大器共同使用，能够迅速探测回波信号的幅值和相位，从极其嘈杂的环境中检测出微弱的呼吸、心跳信号。
在发射端，改进型Colpitts混沌电路(第一信号发生器)1产生超宽带混沌信号，经第一功分器2(带宽：20MHz-3GHz)分为两路信号，一路为探测信号，一路为参考信号：参考信号输入到信号采集处理模块(FPGA)进行采集和处理；探测信号输入到混频器3(Marki M2-0026)与信号发生器Ⅰ(第二信号发生器)8(Agilent E8257D)产生的频率与开口环谐振器的响应频率相同的本振信号进行上变频，经功率放大器4(带宽：1GHz-18GHz)后由超宽带发射天线51(宽带加脊喇叭天线，带宽：1GHz-18GHz)发出。
在接收端，分为两路接收装置。第一路是探测人体距离信息的接收装置：超宽带接收天线52(宽带加脊喇叭天线，带宽：1GHz-18GHz)接收到的回波信号经低噪放大器6(Agilent 11909A)放大后，输入到I/Q解调器7中，与信号发生器Ⅰ8产生的本振信号进行解调，然后进入信号采集处理模块15进行采集，并与参考信号做互相关运算，计算出探测信号经由目标反射的往返时间，从而获得人体目标的距离信息并显示；第二路是探测人体呼吸、心跳等生命特征的接收装置：信号发生器Ⅰ8产生的本振信号，经第二功分器9、压控移相器10(控制信号由信号发生器Ⅱ(第三信号发生器)13产生，频率为kHz量级)和可调衰减器11后，与固体微波传感器12(开口环谐振器)接收到的回波信号进行干涉，下变频信号输入锁相放大器14，然后与信号发生器Ⅱ13所产生的锯齿波(频率为kHz量级)进行检波，输出信号由信号采集处理模块15进行采集和存储，获取反映参考信号与回波信号差异的幅值和相位信息，所获取的幅值和相位都可以表征人体胸腔的位移信息，通过对幅值和相位信号进行傅里叶变换，可获得人体的呼吸、心跳频率信息。
结合公式，对获取人体距离信息和生命特征信息做具体说明：
在发射端，设超宽带连续混沌信号为信号发生器Ⅰ产生的频率为f0的本振信号为L(t)：
其中，A0为本振信号的幅值，为本振信号的初始相位，t为时间。
超宽带连续混沌信号输入混频器与信号发生器Ⅰ产生的本振信号L(t)进行上变频，经功率放大器放大，由发射天线发出，发射信号可表示为(忽略信号的放大)：
设人体与天线的距离为d0，人体胸腔位移随时间的变化为Δd(t)，则总距离d(t)＝d0+Δd(t)。这里，人体呼吸心跳导致的人体胸腔位移信号近似为正弦信号，即Δd(t)＝Asin(2πft)，f为胸腔位移引起的多普勒频移。信号发射到接收的时间延时为td：
td＝2d(t)/c＝2[d0+Δd(t)]/c，其中c表示光速。
接收端分为探测生命特征信息和距离信息的两路接收装置。
第一路为探测人体距离信息的接收装置。由于Δd(t)＜＜d0所以总距离近似等于人体到天线的距离，即d(t)≈d0。接收天线接收的回波信号：
其中，k表示信号在空间中的衰减系数。
接收信号经I/Q解调器，与信号发生器Ⅰ产生的本振信号L(t)解调，经低通滤波后，输出的I、Q两路信号：
参考信号与I、Q构成的复合信号I+iQ进行互相关算法，通过求取最高峰所对应的延迟时间td，从而获得距离信息。
第二路探测人体生命特征信息，谐振频率为f0的固态微波传感器接收到的回波信号：
其中，|Er|＝Ar1，w0＝2πf0，
信号发生器Ⅰ产生的本振信号L(t)经压控移相器和可调衰减器后，输入到固态微波传感器中，作为参考信号：
其中，w1＝2πf1。频率为f1的锯齿波信号由信号发生器Ⅱ产生，用来控制压控移相器的输入信号相位。
在固态微波传感器中，参考信号⑺与接收到回波信号进行干涉，下变频信号输出电压值：
信号发生器Ⅱ所产生的频率为f1的锯齿波作为检波信号，与下变频信号⑻输入到锁相放大器，所获取信号的幅值和相位分别是对参考信号和回波信号幅值和相位的响应，都表征的是人体胸腔位移随时间的变化。其输出信号的幅值幅值信息相比较相位信息，复杂很多。因此，通过获取相位信息，对其进行傅里叶变换，能够获得相位信号的频率，即可获得人体呼吸和心跳信息。

Claims (2)

1.一种超宽带微波混沌生命探测雷达装置，其特征在于：包括第一信号发生器、第一功分器、混频器、功率放大器、超宽带发射天线、超宽带接收天线、低噪放大器、I/Q解调器、第二信号发生器、第二功分器、压控移相器、可调衰减器、固态微波传感器、第三信号发生器、锁相放大器、信号采集处理模块，第一信号发生器是超宽带混沌电路产生超宽带混沌信号，经第一功分器分为两路信号，一路输入到混频器与频率为 的本振信号进行上变频，经功率放大器放大后由超宽带发射天线发射，另一路输入到信号采集处理模块，超宽带接收天线接收到的回波信号经低噪放大器放大后，输入到I/Q解调器与频率为 的本振信号进行解调，然后进入信号采集处理模块，并与第一功分器直接传来的信号做互相关运算，计算出第一探测信号经由目标反射的往返时间，从而获得人体目标的距离信息，第二信号发生装置产生频率为 的本振信号，经第二功分器分为三路信号，一路输入到混频器，一路输入到I/Q解调器，一路输入到压控移相器与第三信号发生器所产生的频率为 锯齿波作用后输入到可调衰减器，然后与谐振频率为 的固态微波传感器接收到的回波信号进行干涉，输出的下变频信号进入锁相放大器与第三信号发生器所产生的锯齿波进行检波，输出信号到信号采集处理模块，获得人体的生命特征信息。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带微波混沌生命探测雷达装置，其特征在于：固态微波传感器是谐振频率量级在GHz的开口环谐振器。
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