发明内容
本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题,本发明提供一种有结构简单、成本低、能够实现动态的生命探测,且探测效率及精度高、探测方式灵活的基于多旋翼无人机的生命探测系统、方法。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种基于多旋翼无人机的生命探测系统,包括多旋翼无人机以及搭载在所述多旋翼无人机上的生命探测雷达装置,还包括与所述生命探测雷达装置连接的运动补偿装置,所述多旋翼无人机在待测区域中飞行时,由所述生命探测雷达装置进行生命体目标探测,所述生命探测雷达装置探测过程中,由所述运动补偿装置根据所述多旋翼无人机的实时位置信息对所述生命探测雷达装置的雷达探测信号进行运动补偿,以补偿所述多旋翼无人机抖动产生的位移偏差。
作为本发明系统的进一步改进:所述运动补偿装置包括相互连接的定位模块以及补偿模块,所述定位模块获取实时位置信息,发送给所述补偿模块,所述补偿模块根据接收到的所述实时位置信息,使用运动补偿算法对所述雷达探测信号进行运动补偿,得到补偿后的信号输出。
作为本发明系统的进一步改进:所述补偿信号产生模块包括垂直模式补偿单元以及正侧模式补偿单元,所述垂直模式补偿单元用于当所述多旋翼无人机搭载所述生命探测雷达装置按照垂直视角模式进行生命目标探测时,根据所述实时位置信息按照预先构建的垂直视角探测模型对所述雷达探测信号进行运动补偿,所述正侧模式补偿单元用于当所述多旋翼无人机搭载所述生命探测雷达装置按照正侧视角模式进行生命目标探测时,根据所述实时位置信息按照预先构建的正侧视角探测模型对所述雷达探测信号进行运动补偿。
作为本发明系统的进一步改进:所述生命探测雷达装置包括依次连接的回波信号接收单元、距离向脉压处理单元、成像单元以及探测结果输出单元,所述运动补偿装置连接在所述距离向脉压处理单元、成像单元之间,所述距离向脉压处理单元将所述回波信号接收单元接收到的回波信号进行距离向脉压处理后,经过所述运动补偿装置进行运动补偿,得到补偿后信号输出给所述成像单元进行成像,由所述探测结果输出单元输出最终的探测结果。
作为本发明系统的进一步改进:所述多旋翼无人机、生命探测雷达装置分别连接不同的电源系统。
作为本发明系统的进一步改进:所述生命探测雷达装置一体化封装在所述多旋翼无人机上,所述多旋翼无人机和/或所述生命探测雷达装置的外部包裹有防辐射组件。
本发明进一步提供一种基于多旋翼无人机的生命探测方法,步骤包括:
S1.在多旋翼无人机上搭载生命探测雷达装置;
S2.所述多旋翼无人机在待测区域中飞行时,由所述生命探测雷达装置进行生命体目标探测,所述生命探测雷达装置探测过程中,根据所述多旋翼无人机的实时位置信息对雷达探测信号进行运动补偿,以补偿所述多旋翼无人机抖动产生的位移偏差。
作为本发明方法的进一步改进:所述步骤S2的步骤包括:
S21.回波信号接收:所述生命探测雷达装置接收雷达回波信号;
S22.距离向脉压处理:对接收到的所述雷达回波信号进行距离向脉压处理,输出处理后信号;
S23.运动补偿:对所述步骤S22输出的处理后信号进行运动补偿,得到补偿后信号输出;
S24.成像处理:对得到的所述补偿后信号进行成像处理,输出最终的探测结果。
作为本发明方法的进一步改进:所述进行运动补偿时,获取实时位置信息,根据接收到的所述实时位置信息,使用运动补偿算法对所述雷达探测信号进行运动补偿,其中当所述多旋翼无人机搭载所述生命探测雷达装置按照垂直视角模式进行生命目标探测时,根据所述实时位置信息按照预先构建的垂直视角探测模型对所述雷达探测信号进行运动补偿,当所述多旋翼无人机搭载所述生命探测雷达装置按照正侧视角进行生命目标探测时,根据所述实时位置信息按照预先构建的正侧视角探测模型对所述雷达探测信号进行运动补偿。
作为本发明方法的进一步改进:所述垂直视角探测模型具体按照式(1)计算得到运动补偿量ΔR:
R=H
ΔR=R0-R (1)
所述正侧视角探测模型具体按照式(2)计算得到运动补偿量ΔR:
D=H*tanθ
ΔR=R0-R (2)
其中,H为所述生命探测雷达装距离地面的高度,x,y,z为所述生命探测雷达装置实际位置与期望位置之间的偏移坐标值,R0为所述生命探测雷达装置距离探测中心点的实际中心斜距,R为所述生命探测雷达装置距离探测中心点的期望中心斜距,D为中心地距。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、本发明通过基于多旋翼无人机搭载生命探测雷达装置实现生命探测,同时设置运动补偿装置,由运动补偿装置根据多旋翼无人机的实时位置信息对雷达探测信号进行运动补偿,以补偿多旋翼无人机抖动产生的位移偏差,消除旋翼无人机平台抖动带来的影响,使得生命探测雷达装置在无人机动态飞行的环境下仍然可以精确的检测到呼吸、心跳等微弱生命特征信号,可基于动态探测系统实现动态人体生命目标探测,不仅可以对待搜索区域进行非接触式动态探测、搜索,而不会产生二次灾害,同时还可以灵活的实现大范围、大面积区域中地面和浅层掩埋地下生命目标的快速搜索。
2、本发明通过获取实时位置信息,结合将实时位置信息与生命探测雷达装置的回波信号进行融合,由实时位置信息对雷达探测信号进行运动补偿,以补偿雷达探测信号中的实时位置误差,保持雷达探测的实时性,能够消除动旋翼无人机平台运动误差对雷达探测带来的干扰。
3、本发明进一步通过多旋翼无人机搭载生命探测雷达装置可以实现垂直式、正侧式两种模式的探测,可以满足不同需求实现灵活的探测,且可以尽可能准确地测出雷达在每一时刻的准确位置和姿态,尽可能消除运动误差所产生的相位误差,提高雷达结果的质量。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述,但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示,本实施例基于多旋翼无人机的生命探测系统包括多旋翼无人机1以及搭载在多旋翼无人机1上的生命探测雷达装置2,还包括与生命探测雷达装置2连接的运动补偿装置3,多旋翼无人机1在待测区域中飞行时,由生命探测雷达装置2进行生命体目标探测,生命探测雷达装置2探测过程中,由运动补偿装置3根据多旋翼无人机1的实时位置信息对生命探测雷达装置2的雷达探测信号进行运动补偿,以补偿多旋翼无人机1抖动产生的位移偏差。
本实施例在基于多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2实现生命探测的基础上,同时设置运动补偿装置3,由运动补偿装置3根据多旋翼无人机1的实时位置信息对雷达探测信号进行运动补偿,以补偿多旋翼无人机1抖动产生的位移偏差,消除旋翼无人机平台抖动带来的影响,使得生命探测雷达装置2在无人机动态飞行的环境下仍然可以精确的检测到呼吸、心跳等微弱生命特征信号,从而可基于动态探测系统实现动态人体生命目标探测,不仅可以对待搜索区域进行非接触式动态探测、搜索,而不会产生二次灾害,同时还可以灵活的实现大范围、大面积区域中地面和浅层掩埋地下生命目标的快速搜索。
本实施例中,运动补偿装置3包括相互连接的定位模块31以及补偿模块32,定位模块31获取实时位置信息,发送给补偿模块32,补偿模块32根据接收到的实时位置信息,使用运动补偿算法对雷达探测信号进行运动补偿,得到补偿后的信号输出。多旋翼无人机1抖动时会产生相位误差,本实施例通过定位模块31获取实时位置信息,结合补偿模块32将实时位置信息与生命探测雷达装置2的回波信号进行融合,由实时位置信息对雷达探测信号进行运动补偿,以补偿雷达探测信号中的实时位置误差,保持雷达探测的实时性,从而消除动旋翼无人机平台运动误差对雷达探测带来的干扰。
本实施例中,定位模块31具体采用惯性导航系统IMU,IMU分别采用正交加速度仪和正交陀螺完成六自由度的加速度和角度测量,基于激光环和光纤陀螺结构可以保证IMU对高频信息的高精度测量。本实施例使用惯性导航系统IMU适时或实时提供偏航角、地速和航速等各种所需的载机飞行数据,以提供给生命探测雷达装置2实现运动补偿;补偿模块32进行运动补偿时,具体分别读取惯性导航系统IMU输出的惯导数据和生命探测雷达装置2的原始回波并一起进行打包储存及传输,其中保持惯导数据与原始回波每一帧实时对应,以实时进行运动补偿来消除动平台位移偏差带来的干扰。在具体应用实施例中可以采用高精度惯性导航系统IMU以进一步提高精度。
本实施例中,补偿信号产生模块32包括垂直模式补偿单元321以及正侧模式补偿单元322,垂直模式补偿单元321用于当多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2按照垂直视角模式进行生命目标探测时,根据实时位置信息按照预先构建的垂直视角探测模型对雷达探测信号进行运动补偿,正侧模式补偿单元322用于当多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2按照正侧视角模式进行生命目标探测时,根据实时位置信息按照预先构建的正侧视角探测模型对雷达探测信号进行运动补偿。
本实施例多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2可以实现两种模式的探测,分别为垂直视角探测模式(垂直式)和正侧视角探测模式(正侧式),通过该两种模式来尽可能准确地测出雷达在每一时刻的准确位置和姿态,尽可能消除运动误差所产生的相位误差,提高雷达结果的质量,其中正侧式更适用于高精确定位和成像的情况,两种模式具体如下所述:
第一种:垂直视角探测模式
本实施例中多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2按照垂直视角探测时的探测模型如图3所示,垂直视角探测模式时,由于无人机测试时悬停在空中会存在微小的抖动,这会造成回波信号有一个小的延时,如图4所示,实际得到的回波轨迹与期望得到的回波轨迹存在偏差;如图3所示,垂直视角探测模式时,生命探测雷达装置2距离探测中心点的实际中心斜距R0与期望中心斜距R有着偏差,由惯性导航系统IMU得到的实时数据可以计算出中心斜距R0与期望中心斜距R之间的差值,本实施例具体在信号处理中对回波时延进行运动补偿处理,来消除动平台位移偏差对雷达结果的影响,运动补偿量ΔR的计算表达式为:
R=H
ΔR=R0-R (1)
其中,H为生命探测雷达装置2距离地面的高度,x,y,z为所述生命探测雷达装置(2)实际位置与期望位置之间的偏移坐标值;
第二种:正侧视角探测模式
本实施例多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2按照正侧视角探测时探测模型如图5所示,正侧视角探测模式时运动补偿量ΔR的计算表达式为:
D=H*tanθ
ΔR=R0-R (2)
其中,H为生命探测雷达装置2距离地面的高度,x,y,z为所述生命探测雷达装置(2)实际位置与期望位置之间的偏移坐标值,R0为所述生命探测雷达装置(2)距离探测中心点的实际中心斜距,R为所述生命探测雷达装置(2)距离探测中心点的期望中心斜距,D为中心地距,Rmin为最小斜距,Rmax为最大斜距。
上述垂直视角探测模式的模型简单,对无人机平台稳定性要求低,且距离向有效信息很短,适用于仅需判断探测区域有无目标的情况,正侧视角探测模式时获取的距离向有效信息较多且可二维成像,探测精度高,可高精确二维定位和成像,能同时检测出1-10个目标的探测性能,且对天线指向稳定要求较高。在具体应用实施例中,可根据探测过程中不同需求结合上述两种模式实现灵活的探测,当需多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2按照垂直视角探测时,启动垂直模式补偿单元321按照式(1)进行运动补偿,当需多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2按照正侧视角探测时,启动正侧模式补偿单元322按照式(2)进行运动补偿。
本实施例中,生命探测雷达装置2包括依次连接的回波信号接收单元21、距离向脉压处理单元22、成像单元23以及探测结果输出单元24,运动补偿装置3连接在距离向脉压处理单元22、成像单元23之间,距离向脉压处理单元22将回波信号接收单元21接收到的回波信号进行距离向脉压处理后,经过运动补偿装置3进行运动补偿,得到补偿后信号输出给成像单元23进行成像,由探测结果输出单元21输出最终的探测结果。本实施例通过将运动补偿装置3连接在距离向脉压处理单元22、成像单元23之间,在雷达信号处理过程中距离向脉压处理时进行运动补偿,可以实时对动平台位移偏差进行准确的补偿,尽可能的消除抖动带来的干扰。
如图6所示,本实施例中生命探测雷达装置2进行雷达信号处理时,先将原始回波进行距离向压缩(IFFT),压缩处理后信号经过运动补偿装置3进行运行补偿,并对补偿后信号进行杂波抑制,抑制信号中的杂波,完成处理后信号再进行脉压校正处理,经过BP成像后最终输出雷达探测结果。
在具体应用实施例中采用上述生命探测系统探测到的雷达回波探测结果如图7所示,其中图7中(a)对应为生命探测雷达装置2接收到的原始回波信号,图7中(b)为经过运动补偿装置3进行运动补偿后得到的优化后雷达回波信号,由图7可知,由于信号干扰和无人机平台抖动的影响,运动补偿前的原始雷达回波信号结果很差,无法确定目标的位置也难以判断目标的有无,经过运动补偿后的雷达回波信号可以消除抖动的影响,图像中干扰杂波也基本被抑制,便于快速的获取目标的精确位置。
本实施例中生命探测雷达装置2具体采用超宽带雷达生命探测仪,可以全天候、全时段工作,不受白天、夜晚光照差异的限制,且穿透能力好、探测距离远,可同时探测多目标,同时具备现场情况实时可视化的图像,可以提供如上述垂直式和正侧式两种不同的探测模式以应用于各种环境,雷达内部加载有内存大、运算速度快的信号处理器以进一步提高性能,以及在内部移植高性能超宽带雷达BP(后向投影)成像算法,可以实现低耗时和高分辨率的成像处理,从而可以实现目标跟踪、目标定位和高质量成像,且可以分段扫描、二维显示以及探测灵敏度选择。
本实施例中多旋翼无人机1具体采用六旋翼无人机系统,支持一键启动、一键返航以及一键降落等远距离操作,可以进一步提高探测效率。
可以理解的是,上述也可以根据实际需求采用其他类型的多旋翼无人机1、生命探测雷达装置2以及运动补偿装置3。
本实施例中,生命探测雷达装置2一体化封装在多旋翼无人机1上,以形成一体化结构,减少整套系统的体积、重量,提高系统的集成度,提高系统的续航和稳定性能,同时系统中配置有雷达避障模块和超高清摄像头等,以适用于各种复杂极端的地形和恶劣环境中。系统还可以根据实际需求进一步安装防抖动减震装置以提高防抖动性能,配置自动避障模块实现障碍物检测功能等,还可以进一步对系统减重处理,以进一步减轻整套系统的重量,以及配置大容量电池和高功率驱动等,以进一步提高续航和稳定性能,使得能够具有超长续航能力,从而能够满足大面积范围搜救的需求。
本实施例中,多旋翼无人机1、生命探测雷达装置2分别连接不同的电源系统。多旋翼无人机1的通信信号与生命探测雷达装置2的雷达信号会出现相互干扰,造成无人机飞控受影响,而雷达接收到的干扰信号会将目标信号淹没,如无人机通信对雷达回波产生干扰时,暗室状态下信噪比通常只有8-10dB,这使得雷达系统难以正常完成探测工作,而上述干扰的主要原因是在于电源和无人机的空间辐射两个方面,本实施例基于上述特性,通过将多旋翼无人机1、生命探测雷达装置2分别进行供电,可以有效防止电源带来的干扰,进一步多旋翼无人机1、生命探测雷达装置2的外部包裹有防辐射组件,以减少无人机的空间辐射,如可采用在多旋翼无人机1、生命探测雷达装置2简单的包裹锡箔纸的方式,即可以有效提高一定信噪比,进一步还可以根据实际需求对无人机的飞控信号与雷达信号进行隔离处理,可以极大抑制掉无人机平台对雷达的干扰。多旋翼无人机1、生命探测雷达装置2之间经过上述物理隔离和屏蔽后,能够减少电源、无人机的空间辐射,最大限度的抑制无人机对雷达带来的干扰,从而提高雷达探测的性能。
本实施例上述系统还连接有远程控制端,远程控制端与多旋翼无人机1通过数传设备进行通信,由远程控制端可以远距离遥控多旋翼无人机1和生命探测雷达装置2,进一步远程控制端可配置为具有实时屏幕显示的功能,可输出实时可视化的图像,以实现实时性的可视化观测。
如图2所示,本发明具有应用实施例中多旋翼无人机1中设置有一体化系统控制模块,以对无人机平台操作系统进行控制,生命探测雷达装置2包括雷达信号收发与天线控制模块、雷达数据传输模块以及信号处理模块,运动补偿装置3的补偿单元32设置在信号处理模块中,雷达信号收发与天线控制模块进行雷达信号的收发与天线控制,由雷达数据传输模块实现雷达数据传输,由惯性导航系统获取实时定位信息,实时存储无人机飞行的实时数据后,信号处理模块分别接收雷达数据以及无人机实时数据,并根据实时数据对雷达数据进行运动补偿,得到最终的探测结果输出,将最终探测结果以及无人机控制数据进行传输及显示。
本实施例进一步提供上述装置的基于多旋翼无人机的生命探测方法,步骤包括:
S1.在多旋翼无人机1上搭载生命探测雷达装置2;
S2.多旋翼无人机1在待测区域中飞行时,由生命探测雷达装置2进行生命体目标探测,生命探测雷达装置2探测过程中,根据多旋翼无人机1的实时位置信息对雷达探测信号进行运动补偿,以补偿多旋翼无人机1抖动产生的位移偏差。
本实施例具体先由多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2在待测区域上方作业,探测过程中由运动补偿装置3根据多旋翼无人机1的实时位置信息对雷达探测信号进行运动补偿,以补偿多旋翼无人机1抖动产生的位移偏差,消除旋翼无人机平台抖动带来的影响,可持续动态的进行人体目标探测,实现大范围、大面积区域中地面和浅层掩埋地下生命目标的快速搜索。
本实施例中,步骤S2的步骤包括:
S21.回波信号接收:生命探测雷达装置2接收雷达回波信号;
S22.距离向脉压处理:对接收到的雷达回波信号进行距离向脉压处理,输出处理后信号;
S23.运动补偿:对步骤S22输出的处理后信号进行运动补偿,得到补偿后信号输出;
S24.成像处理:对得到的补偿后信号进行成像处理,输出最终的探测结果。
本实施例实现雷达信号处理流程具体如图6所示,将原始回波进行距离向压缩(IFFT),压缩处理后信号经过运动补偿装置3进行运行补偿,并对补偿后信号进行杂波抑制,抑制信号中的杂波,完成处理后信号再进行脉压校正处理,经过BP成像后最终输出雷达探测结果,其中经过运动补偿后的雷达回波信号可以消除抖动的影响,图像中干扰杂波也基本被抑制,具体如上所述。
本实施例中,进行运动补偿时,获取实时位置信息,根据接收到的实时位置信息,使用运动补偿算法对雷达探测信号进行运动补偿,其中当多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2按照垂直视角模式进行生命目标探测时,根据实时位置信息按照垂直视角对雷达探测信号进行运动补偿,当多旋翼无人机1搭载生命探测雷达装置2按照正侧视角模式进行生命目标探测时,根据实时位置信息按照正侧视角对雷达探测信号进行运动补偿,垂直式、正侧式两种模式的运动补偿原理详细如上所述,在此不再赘述。
上述只是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均应落在本发明技术方案保护的范围内。