CN108761445A - 一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法 - Google Patents

一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法，包括以下步骤：步骤A：输入原始信号，并将原始信号按道数排列成B‑SCAN图；步骤B：对于每一路原始信号去除静态杂波和线性趋势项；步骤C：通过在时域对生命微动信号做能量累加，检测能量谱中的峰值，来确定目标与两个接收天线之间的距离估计值；步骤D：根据步骤C给出的距离估计值，对该距离上的所有慢时间向的数据做FFT，得到该距离处的回波频率信息，确定目标与接收天线之间的距离；步骤E：将步骤D给出的目标距两个接收天线的距离，得到经过墙体时延修正后的时延曲线；步骤F：求取时延曲线的交点，作为目标的位置估计。

Description

一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法
技术领域
本发明涉及穿墙生命探测雷达系统的技术领域，尤其涉及一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法。
背景技术
在现在的反恐维稳、刑事侦查等过程中，穿墙生命探测雷达起到了很多作用，为执法人员判定墙体后是否有生命体存在及生命体的位置提供了第一手资料。穿墙生命探测雷达能够发现隐藏在废弃建筑物或房间内的恐怖分子并能够探测和监视嫌疑犯的活动情况，掌握其活动规律，为抓捕行动提供准确的信息，对于反恐维稳有着重要的现实意义。现在的生命探测雷达普遍是单站式的，只能帮助救援人员确定雷达探测区域以内是否有生命体存在，无法确定生命体的具体位置。而在实际中能够识别墙体后的目标，并确定其具体位置是非常有意义的。穿墙生命探测场景是目标在地面或者室内等平面，获取目标在平面内的二维坐标就能把目标位置确定出来。现在对目标进行定位的方法大都采用直线阵列的形式通过成像的方法把目标的位置显示出来，但是存在设备尺寸过大不易于携带并且成像的质量受制于阵元数目及基线的长度，要获得较好的成像结果往往阵列的尺寸都较大。由于墙体对电磁波传播速度衰减的影响，必须对墙体进行时延补偿才能获得目标的真实位置。另外，对于目标的检测算法要尽量地满足准确性和实时性。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法，通过接收天线的接收回波能够获得目标与接收天线之间的距离，利用两个接收天线解出的距离信息就能够将目标定位在二维平面上。利用微弱生命特征信号敏感过零点这一特征在时域上做信号能量积累，得到目标与接收天线之间的距离；通过检测在呼吸的频带内有无目标来进一步确定检测出的信号是否为人体目标；通过构建穿墙雷达定位模型，计算墙体时延补偿。旨在通过两个接收单元就能将目标定位在二维平面上。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：输入原始信号，并将原始信号按道数排列成B-SCAN图，其中快时间向包含距离信息，慢时间向包含频率信息；
步骤B：对于每一路原始信号去除原始数据中的静态杂波和线性趋势项，接着通过距离向滤波来提高信号信噪比；
步骤C：通过在时域对生命微动信号做能量累加，检测能量谱中的峰值，来确定目标与两个接收天线之间的距离估计值；
步骤D：根据步骤C给出的距离估计值，对该距离上的慢时间向的数据做FFT，得到该距离处的回波频率信息，确定目标与接收天线之间的距离；
步骤E：将步骤D给出的目标距两个接收天线的距离作为目标定位的输入，根据穿墙定位模型，得到经过墙体时延修正后的时延曲线；
步骤F：求取时延曲线的交点，作为目标的位置估计。
优选地，在步骤B中，采用线性趋势去除法或者奇异值分解法去除原始数据中的静态杂波和线性趋势项。
优选地，步骤C包括以下子步骤：
子步骤C1：在距离信号上寻找过零点，将过零点处的信号幅值置1，非过零点处的信号幅值置0；
子步骤C2：将整个时间域上的信号按照不同距离单元做累加，得到能量累积的处理结果；
子步骤C3：求取累积结果的最大值，并把最大值出现的距离作为目标到达接收天线的距离估计值。
优选地，在步骤D中，得到该距离处的回波频率信息后，检测在人体呼吸频率所处的频带内有无峰值出现，若没有峰值出现则判断该准周期信号不是人体呼吸所引起的，若有峰值出现则将该距离值作为目标与接收天线之间的距离。
优选地，步骤E包括以下子步骤：
子步骤E1：电磁波在均匀介质中的传播速度以及由空气入射到墙体的折射定律分别表示为：
子步骤E2：根据穿墙生命探测雷达的穿墙定位模型，得到关于折射角的方程；
子步骤E3：计算折射点的近似解；
子步骤E4：根据折射点的近似解得到时延方程；
子步骤E5：根据子步骤E4的时延方程既可得到两条关于目标位置的时延曲线。
优选地，在子步骤E1中，传播速度以及折射定律的公式简化为：
优选地，在子步骤E2中，关于折射角的方程表达为：
优选地，在子步骤E3中，求解子步骤E2中的折射角等同于求解折射点，设折射点、目标、接收天线和发射天线的坐标为：
M0(x0,0)、M1(x1,0)、M2(x2,0)、A(x,y)、R1(xr1,-d)、R2(xr2,-d)、T(0,-d)
其中R1(xr1,-d)、R2(xr2,-d)、T(0,-d)为已知坐标，
得到折射点的近似解
在子步骤E4中，时延方程表示为：
从上述技术方案可以看出，本发明一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本发明用于穿墙生命探测雷达对目标进行定位，在采用两个接收天线的前提下，对墙体的影响进行了时延补偿，能够在较小的雷达尺寸下对目标进行定位；
(2)采用在时域上对目标信号做累积来识别目标的方法，相较于在频域上做目标的提取，算法的运行速度及准确率更高；
(3)对于给出的距离估计值在频域上再进一步地进行确定，减少了虚假目标的出现。
附图说明
图1为本发明目标定位方法的实施流程图。
图2为穿墙生命探测雷达的穿墙定位模型。
图3为原始回波信号、去除杂波的B-SCAN图、时域累积结果以及慢时间FFT结果。
图4为经过墙体时延补偿后的时延曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法，图1为本发明目标定位方法的实施流程图。如图1所示，本发明用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法包括以下步骤：
步骤A：将两路接收天线获得的回波信号作为原始信号进行信号输入，并将原始信号按道数排列成B-SCAN图，其中快时间向包含距离信息，慢时间向包含频率信息；
步骤B：对于每一路原始信号去除原始数据中的静态杂波和线性趋势项，接着通过距离向滤波来提高信号信噪比；
步骤C：通过在时域对生命微动信号做能量累加，检测能量谱中的峰值，来确定目标与接收天线之间的距离，对两个通道的回波信号做同样的操作可分别获取目标到达两接收天线的距离估计值；
步骤D：根据步骤C给出的距离估计值，对该距离上的所有慢时间向的数据做FFT，得到该距离处的回波频率信息，确定目标与接收天线之间的距离；
步骤E：将步骤D给出的目标距两个接收天线的距离作为目标定位的输入，根据穿墙定位模型，得到经过墙体时延修正后的时延曲线；
步骤F：根据两个接收天线的时延估计值即可得到两条时延曲线，求取两条时延曲线的交点，作为目标的位置估计。
在步骤B中，作为一种具体实施方式，去除原始数据中的静态杂波和线性趋势项时采用线性趋势去除法或者奇异值分解法。
其中，步骤C包括以下子步骤：
子步骤C1：在距离信号上寻找过零点，将过零点处的信号幅值置1，非过零点处的信号幅值置0。
子步骤C2：将整个时间域上的信号按照不同距离单元做累加，得到能量累积的处理结果。
子步骤C3：求取累积结果的最大值，并把最大值出现的距离作为目标到达接收天线的距离估计值。
在步骤D中，得到该距离处的回波频率信息后，检测在人体呼吸频率所处的频带内有无峰值出现，若没有峰值出现则判断该准周期信号不是人体呼吸所引起的，若有峰值出现则将该距离值作为目标与接收天线之间的距离。
在步骤E中，穿墙定位模型将墙体抽象为介电常数已知的均匀介质，根据电磁波均匀介质中的折射定律推导出探测空间中每一点所对应的时延值，由给定的时延值即可求取空间中该时延值所对应的点的位置，这些点即可构成一条时延曲线。
作为一种具体实施方式，步骤E包括以下子步骤：
子步骤E1：电磁波在均匀介质中的传播速度以及由空气入射到墙体的折射定律可分别表示为：
由于电导率一般很小可以忽略色散项，磁导率近乎为1，可得到传播速度以及折射定律的近似公式：
子步骤E2：根据穿墙生命探测雷达的穿墙定位模型，可得到关于折射角的一元四次方程：
子步骤E3：求解步骤E2中的折射角等同于求解折射点，设折射点、目标、接收天线和发射天线的坐标为：
M0(x0,0)、M1(x1,0)、M2(x2,0)、A(x,y)、R1(xr1,-d)、R2(xr2,-d)、T(0,-d)
其中R1(xr1,-d)、R2(xr2,-d)、T(0,-d)为已知坐标，
则可得到折射点的近似解
子步骤E4：每个接收天线的时延可表示为：
其中，
故时延可表示为：
子步骤E5：根据子步骤E4的时延方程既可得到两条关于目标位置的时延曲线。
示例性实施例：
在本实施例中，提供了一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法，其包括以下步骤：
步骤A：将两个接受天线的原始回波按道数排列成B-SCAN图，其中一路回波信号的原始回波图形如图3的(a)所示。
步骤B：通过线性趋势去除法和距离向滤波去除杂波，得到包含目标生命体信息的B-SCAN图，如图3的(b)所示。
步骤C：在时域对生命微动信号做能量累加，检测能量谱中的峰值，将峰值所在的距离值作为目标与接收天线之间的距离，对两个通道的回波信号做同样的操作可分别获取目标到达两接收天线的距离估计值。其中一路回波信号的时域累积结果如图3的(c)所示。
步骤D：根据步骤C给出的距离估计值，对该距离上的所有慢时间向的数据做FFT，得到该距离处的回波频率信息，检测在人体呼吸频率所处的频带内有无峰值出现，其中一路回波信号在步骤C所给出的距离处的慢时间FFT结果如图3的(d)所示。
步骤E：将步骤D给出的目标距两个接收天线的距离作为目标定位的输入，根据图2给出的穿墙定位模型，得到经过墙体时延修正后的时延曲线。墙体的参数取：d＝0.3m,εr＝3.8。两条时延曲线如图4所示。
步骤F：求取两条时延曲线的交点，得到目标的位置坐标。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
综上所述，本发明提供了一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法，本发明在采用两个接收天线的前提下，对墙体的影响进行了时延补偿，能够在较小的雷达尺寸下对目标进行定位。采用在时域上对目标信号做累积来识别目标的方法，算法的运行速度及准确率较高。对于给出的距离估计值在频域上再进一步地进行确定，减少了虚假目标的出现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于穿墙生命探测雷达的目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：输入原始信号，并将原始信号按道数排列成B-SCAN图，其中快时间向包含距离信息，慢时间向包含频率信息；
步骤B：对于每一路原始信号去除原始数据中的静态杂波和线性趋势项，接着通过距离向滤波来提高信号信噪比；
步骤C：通过在时域对生命微动信号做能量累加，检测能量谱中的峰值，来确定目标与两个接收天线之间的距离估计值；
步骤D：根据步骤C给出的距离估计值，对该距离上的慢时间向的数据做FFT，得到该距离处的回波频率信息，确定目标与接收天线之间的距离；
步骤E：将步骤D给出的目标距两个接收天线的距离作为目标定位的输入，根据穿墙定位模型，得到经过墙体时延修正后的时延曲线；
步骤F：求取时延曲线的交点，作为目标的位置估计。
2.根据权利要求1所述的目标定位方法，其特征在于，在步骤B中，采用线性趋势去除法或者奇异值分解法去除原始数据中的静态杂波和线性趋势项。
3.根据权利要求1所述的目标定位方法，其特征在于，步骤C包括以下子步骤：
子步骤C1：在距离信号上寻找过零点，将过零点处的信号幅值置1，非过零点处的信号幅值置0；
子步骤C2：将整个时间域上的信号按照不同距离单元做累加，得到能量累积的处理结果；
子步骤C3：求取累积结果的最大值，并把最大值出现的距离作为目标到达接收天线的距离估计值。
4.根据权利要求1所述的目标定位方法，其特征在于，在步骤D中，得到该距离处的回波频率信息后，检测在人体呼吸频率所处的频带内有无峰值出现，若没有峰值出现则判断该准周期信号不是人体呼吸所引起的，若有峰值出现则将该距离值作为目标与接收天线之间的距离。
5.根据权利要求1所述的目标定位方法，其特征在于，步骤E包括以下子步骤：
子步骤E1：电磁波在均匀介质中的传播速度以及由空气入射到墙体的折射定律分别表示为：
子步骤E2：根据穿墙生命探测雷达的穿墙定位模型，得到关于折射角的方程；
子步骤E3：计算折射点的近似解；
子步骤E4：根据折射点的近似解得到时延方程；
子步骤E5：根据子步骤E4的时延方程既可得到两条关于目标位置的时延曲线。
6.根据权利要求5所述的目标定位方法，其特征在于，在子步骤E1中，传播速度以及折射定律的公式简化为：
7.根据权利要求6所述的目标定位方法，其特征在于，在子步骤E2中，关于折射角的方程表达为：
8.根据权利要求7所述的目标定位方法，其特征在于，在子步骤E3中，求解子步骤E2中的折射角等同于求解折射点，设折射点、目标、接收天线和发射天线的坐标为：
M0(x0,0)、M1(x1,0)、M2(x2,0)、A(x,y)、R1(xr1,-d)、R2(xr2,-d)、T(0,-d)
其中R1(xr1,-d)、R2(xr2,-d)、T(0,-d)为已知坐标，
得到折射点的近似解
在子步骤E4中，时延方程表示为：
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