CN110554381B

CN110554381B - 用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法

Info

Publication number: CN110554381B
Application number: CN201910816988.1A
Authority: CN
Inventors: 杨德贵; 王杜; 周伟; 胡志辉; 袁雪林
Original assignee: Hunan Zennze Technology Co ltd
Current assignee: Hunan Zennze Technology Co ltd
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: CN110554381A

Abstract

本发明公开了一种用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法，其步骤为：步骤S1：消除背景杂波，即消除回波中完全静止目标产生的背景杂波；步骤S2：适应性补偿，即对电磁波传播路径中介质突变产生的影响进行补偿；步骤S3：补偿电磁波随传播距离变化的能量衰减，用以满足在进行目标检测时恒虚警要求；步骤S4：在快、慢时间方向选取合适窗口，沿快时间方向做滑窗取点操作；步骤S5：对步骤S4中滑窗所取数据做傅里叶变换，在频域内检测人体呼吸胸腔运动频率信号，判定探测区域内有无人体目标及准确定位。本发明具有原理简单、易实现、适用范围广等优点。

Description

用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法

技术领域

本发明主要涉及到搜索救援雷达领域，特指一种用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法。

背景技术

在反恐维稳、人质救援等安防检测及应急救援等领域中，对近距离低、小、慢目标，特别是隐藏在各种障碍物后的目标进行有效检测是一项非常重要的任务。与其他探测方式相比，雷达探测凭借强穿透性、高分辨率和全天候主动式探测等特点成为介质穿透性探测的有效手段。有从业者提出了各种穿墙雷达来进行检测工作。但现有穿墙雷达对于人体静止目标的探测仍然存在一些不足：

由于雷达发射电磁波需要穿透介质进行探测，能量衰减严重，导致信噪比低；对人体静止目标探测即探测胸腔起伏和心跳等生理特征，属于微弱信号检测。因此，现有的穿墙雷达灵敏度低，对人体静止目标检测需要时间积累，检测速度慢导致搜救侦察效率降低。

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，本发明提供一种原理简单、易实现、适用范围广的用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法，其步骤为：

步骤S1：消除背景杂波，即消除回波中完全静止目标产生的背景杂波；

步骤S2：适应性补偿，即对电磁波传播路径中介质突变产生的影响进行补偿；

步骤S3：补偿电磁波随传播距离变化的能量衰减，用以满足在进行目标检测时恒虚警要求；

步骤S4：在快、慢时间方向选取合适窗口，沿快时间方向做滑窗取点操作；

步骤S5：对步骤S4中滑窗所取数据做傅里叶变换，在频域内检测人体呼吸胸腔运动频率信号，判定探测区域内有无人体目标及准确定位。

作为本发明的进一步改进：在步骤S1中，通过多阶对减消除回波中完全静止目标产生的背景杂波。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S1中进行背景杂波消除的数学模型为：

作为本发明的进一步改进：在步骤S2中，通过墙体表面两次回波幅度及延时估计墙体厚度、相对介电常数，进行适应性补偿。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所提出的用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法，原理简单、易实现、适用范围广，在暗室、对空、穿墙等各类实测中，均已证明可加速穿墙雷达对人体静止目标的检测速度，大幅提高雷达检测效率，降低了虚警和漏报概率。而且本发明是普遍适用的，可加快雷达生命探测仪、复合型搜救雷达等多种搜救雷达的目标检测速度，克服现有的生命搜救雷达对人体静止目标检测的各种缺陷。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是电磁波穿透墙体介质衰减反射示意图。

图3是电磁波穿透墙体介质空间场强分布示意图。

图4是雷达回波自动增益补偿前的示意图。

图5是雷达回波自动增益补偿后示意图。

图6是雷达回波中区块化人体呼吸信号示意图。

图7是本发明在具体应用实例中利用区块化滑窗检测的原理示意图。

图8是本发明核心步骤S4、S5的详细子流程图。

图9是使用普通方法累计5秒后频域内目标幅度示意图。

图10是使用普通方法累计15秒后频域内目标幅度示意图。

图11是使用普通方法累计20秒后频域内目标幅度示意图。

图12是使用本发明累计5秒后频域内目标幅度示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

基于人体静止状态下，呼吸心跳的生命特征在雷达回波中的表现形式，本发明提出一种基于区块化的检测方法，从而快速实现人体微弱生命特征信号能量积累，加速雷达检测人体目标。

如图1所示，本发明的用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法，其步骤为：

步骤S1：消除背景杂波；

通过多阶对减，消除回波中完全静止目标产生的背景杂波；所述完全静止目标包括地面、家具等；

步骤S2：适应性补偿；

通过墙体表面两次回波幅度及延时估计墙体厚度、相对介电常数等电磁参数，进行适应性补偿；

步骤S4：在快、慢时间方向选取合适窗口，沿快时间方向做滑窗取点操作；即：根据呼吸心跳信号幅度和周期特性，在快时间和慢时间两个维度滑窗取点，对雷达回波进行区块化信号检测。利用区块化加速检测方法，可实现雷达在人体单个呼吸周期内检测出目标，将检测时间缩短至8秒以内。

本发明的上述方法具有普适性，可用于穿墙雷达、雷达生命探测仪、多模复合生命探测仪等多种雷达生命搜救装备中，有效缩短对人体静止目标的检测时间。

在频域内检测人体呼吸胸腔运动频率信号，一般人体呼吸频率为0.15Hz～0.45Hz，用以判定探测区域内有无人体目标及准确定位。

在具体应用实例中，所述步骤S1中进行背景杂波消除的数学模型为：

式中n表示快时间离散采样点，m表示慢时间上回波数。s(n)是雷达发射信号，R表示雷达接收到的回波，X表示消去背景回波后的雷达回波。a_i、a_f和a_r分别表示第i个静目标(大地、建筑物、家具等)的回波幅度、运动目标(走、跑)的回波幅度和静止状态下人体胸腔起伏回波幅度。τ_i、τ_f0、τ_r0、τ_r分别表示第i个静目标回波的时移、运动目标初始位置回波时移、人体静止目标初始位置回波时移和人体胸腔运动导致的最大时移。f_r是人体呼吸频率。T_s是AD采样间隔，即采样率倒数，T_p是回波发射间隔，即雷达脉冲重复频率的倒数。

式中第一个等式表示雷达回波，由三部分组成：其中第一部分表示完全静止目标反射的回波，第二部分表示运动目标(跑、走)反射的回波，第三部分表示静止状态下人体胸腔发射的回波。因为绝对静止目标的回波不会随着探测时间而产生时移，因此第二个等式通过相邻两道回波对减消除了雷达中绝对静止目标产生的回波，此时回波中仅存在人体动目标和呼吸目标，即实现了背景消除。

在具体应用实例中，在完成步骤S1、步骤S2和步骤S3之后，由于动目标运动速度快，在时域很容易就检测出来了。但对于人体静止目标能够检测的只有胸腔起伏运动和心跳，因为胸腔起伏比心跳的运动幅度更大，相对更容易检测，本方法即检测人体呼吸时胸腔起伏。与人体跑、走动相比，胸腔起伏的幅度更小，速度更慢，这表现在雷达回波上该目标信号极其微弱，无法像动目标那样快速在时域上检测出来，一般需要转换到频域检测，同时需要等待较长时间才可以积累足够能量。

如图2和图3所示，为穿墙雷达发射的电磁波穿透介质墙体时的电磁特性及空间分布。由图可知，因为电磁波传播路径经历了一次介质变化，即空气——墙——空气，电磁波在此过程中产生了特定色散和衰减效应，必须对这种介质突变产生的影响进行补偿。为此，通过本发明的上述步骤S2对其进行适应性补偿。S2采取一种相对较简单的方案：由于雷达发射电磁波在传播过程中在介质分界面处会发生反射，通过对比墙体内外表面两次回波的幅度和时延，可估计出墙体的相关电磁参数(一般指墙体相对介电常数和墙体厚度)，并完成相应的补偿。具体数学模型为：

式中，ε_r表示相对介电常数，根据电磁场理论可通过反射系统Γ按照上述关系求得。c是电磁波在真空中传播速度，在其他介质中传播速度v_r为真空传播速度除以相对介电常数。d表示墙体厚度，Δt表示前后两次回波时延。A_ro、A_ri分别表示墙外表面和内表面回波的幅度，两者相除即可得到反射系数Γ。

墙体预估和具体补偿方法为：通过前后回波幅度计算出反射系数，通过反射系数计算出相对介电常数，通过计算出的相对介电常数和测量到的回波时延即可得到墙体厚度，按这两个参数就可实现对应的补偿。

如图4所示，为经过步骤S1和步骤S2处理后的雷达回波。由于电磁波在传播过程中会随着距离能量衰减，因此图中的目标2的回波幅度与目标1相比大幅衰减，这样的幅度差异将影响恒虚警检测，造成雷达虚警和漏报。

如图5所示，为通过本发明的上述步骤S3，对回波进行自动增益控制后回波图。电磁信号在空间传播时，信号能量随传播距离增加而衰减，具体衰减量正比于距离的四次方，即信号幅度衰减量正比于距离的二次方。按照此衰减特性，在距离维上设置一个增益幅度正比于距离二次方的信号放大器，此放大器即可抵消信号传输衰减特性，最终使两个不同距离上的目标回波幅度相近，便于后续目标检测，即实现了自动增益控制。

如图6，为长时观测下雷达回波中人体呼吸信号示意图。可以看到由于脉冲宽度和人体呼吸时胸腔起伏运动的共同作用，使雷达回波中调制了一个呈带状分布的波形。本发明所提出的加速算法正是基于呼吸信号带状分布这一特点，实现快速检测的目的。

如图7所示，为本发明中上述步骤S4滑窗取点示意图，是本发明加速检测的核心思路。图中线框I处是现有穿墙雷达中滑窗取点方法，该方法采用快时间单点检测，因此必须在慢时间上等待足够长时间，使呼吸信号能量累积到最够大，才可以检测出来。图中线框II处是本发明所提出的区块化滑窗示意图，由于回波中人体呼吸信号呈带状分布特点，对应胸腔起伏幅度和人体呼吸周期，分别在快时间和慢时间上截取合适长度做滑窗处理。由于在目标处该滑窗内多个短数据都携带有呼吸信号，完成了多次快时间累积等效单次长时间累积的效果。因此检测所需累积时间成倍减少，单个呼吸周期内即可完成能量累积，实现人体目标的快速检测。

如图8所示，是本发明处理核心步骤S4、S5的详细处理流程图。经过S1、S2、S3处理后的数据进入图8子流程开始处理：选取合适矩形窗截取数据，设置矩形窗长为40道回波(考虑到雷达重频和人体呼吸频率范围之间关系)，宽为10个采样点(考虑到雷达发射脉冲宽度和人体胸腔起伏运动幅度)；矩形窗截取出来的数据为多个短数据，将其按顺序拼接即可得到一个长数据(等效为图7线框I所示)；将拼接后数据进行快速傅里叶变换(FFT)变换到频域；由于人类呼吸时胸腔起伏每分钟大致在15-30次之间，及呼吸频率为0.25-0.5Hz，因此在频域内检测有无明显的该频段信号，若有则表明该位置存在人体呼吸目标，若无该频段信号则将矩形窗沿着快时间方向往下移一个采样点(即滑窗操作)，截取数据重复上面转换和检测操作，直至矩形窗下滑至最低处，即完成了雷达探测距离内所有位置的目标检测操作。

之所以选择在频域做检测主要原因有：1)人体胸腔起伏运动幅度微弱，速度慢，难以在时域准确检测；2)虽然胸腔起伏微弱，但却是有规律的，及对于一个静止状态下的人他的呼吸频率一般是稳定的，这就是能够在频域上检测的基础。

在一个具体应用实例中，如图9、图10、图11所示，是雷达采用普通方法状态下分别等待5秒、等待15秒和20秒积累后实测人体静止目标的频率幅度。可以清晰看出来，当累积时间只有5秒时，普通方法测到的目标频率点幅度较低，信噪比难以区分出目标。随着时间增加，目标频率点幅度稳定增加，信噪比提高，在图11中，当累积20秒后，目标频率点幅度与其他点相比较明显，可以判定该处存在一个人体目标。

如图12所示，是雷达采用本发明所提出的加速检测方法后目标点频率幅度图。该图累积时间仅为5秒，与图8相比，目标频率幅度大幅增强，甚至超过了图11中使用普通方法积累20秒的目标幅度，在同等检测信噪比下，本发明提出的加速检测方法将检测时间缩短了75％。由此可见，通过图12已经证明了该加速方法是真是有效的。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法，其特征在于，步骤为：

步骤S1：消除背景杂波，即消除回波中完全静止目标产生的背景杂波；背景杂波消除的数学模型为：

式中n表示快时间离散采样点，m表示慢时间上回波数；s(n)是雷达发射信号，R表示雷达接收到的回波，X表示消去背景回波后的雷达回波；a_i、a_f和a_r分别表示第i个静目标的回波幅度、运动目标的回波幅度和静止状态下人体胸腔起伏回波幅度；τ_i、τ_f0、τ_r0、τ_r分别表示第i个静目标回波的时移、运动目标初始位置回波时移、人体静止目标初始位置回波时移和人体胸腔运动导致的最大时移；f_r是人体呼吸频率；T_s是AD采样间隔，即采样率倒数，T_p是回波发射间隔，即雷达脉冲重复频率的倒数；

2.根据权利要求1所述的用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法，其特征在于，在步骤S1中，通过多阶对减消除回波中完全静止目标产生的背景杂波。

3.根据权利要求1或2所述的用于冲激脉冲式穿墙雷达的人体静止目标加速检测方法，其特征在于，在步骤S2中，通过墙体表面两次回波幅度及延时估计墙体厚度、相对介电常数，进行适应性补偿。