CN113064163B - 一种无人机搭载生命探测设备及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机搭载生命探测设备及探测方法，其中探测设备包括天空端探测雷达设备以及地面端的显示控制设备，天空端探测雷达设备包括天线、射频模块以及基带处理模块；射频模块包括数字频率综合器或者锁相环、功率放大器、环形器、低噪声放大器、合路器、混频器、带通滤波器、增益可控放大器、限幅器、模拟数字转换器以及天线，数字频率综合器或者锁相环、功率放大器、环形器以及天线构成发射通道；天线、环形器、低噪声放大器、合路器、混频器、带通滤波器、增益可控放大器、限幅器以及模拟数字转换器构成接收通道。本发明探测设备体积小、重量轻，搭载在无人机上实现大面积的快速被困人员探测，具有更强的环境适应性与应用性。

Description

一种无人机搭载生命探测设备及探测方法

技术领域

本发明涉及到雷达射频以及信号处理技术，主要涉及生命探测雷达信号处理以及天线射频电路设计使用。

背景技术

生命探测雷达是现代雷达技术和生物医学工程技术结合的产物。通过电磁波穿透非金属遮挡介质，如钢筋混凝土和砖混结构废墟等障碍物，探测到人类存活的生命信息，如人体生命活动引起的呼吸、心跳等信息。机载生命探测系统采用无人机机动灵活的特点，快速搜索灾害区域，采用非接触的生命探测仪搜索被困人员，其应用场景十分广泛。

生命探测雷达发射电磁波，采用了超宽带雷达非接触式生命特征提取技术，穿透非金属介质照射到人体。发射出去的电磁波被人体生命特征（人体运动，心跳与呼吸）调制并反射回来。因此，回波信号中便携带了生命信息。雷达接收机便对回波信号进行低噪声放大，混频解调后进行预处理，滤波等操作，最终得到基带信号。基带信号经过数字模拟转换器（ADC）变成数字信号，后送至信号处理器，由信号处理器对数字信号进行特殊的生命信息分析处理，提取出人体生命特征信息。

然而即使是体积较小的便携式生命探测雷达在进行作业时依然以人力搬运为主，易受到恶劣地形和障碍物影响，大大降低了救援和探测效率。所以通过飞行器搭载便携式生命探测雷达的思路便应运而生，这种机载生命探测雷达既能实现对被掩埋目标生命体的探测，又能够大幅度提升探测效率、克服恶劣环境带来的不便，随着研究的深入和对科技的探索，机载生命探测雷达可以在生命救援、目标跟踪探测等领域存在巨大的潜力和价值。

现阶段的产品无法实现机载探测，如公开号为CN105496359A，公开日2016-04-20，发明名称为一种便携式24GHz连续波人体生命探测仪，属于单频点连续波生命探测雷达，穿透能力较差，环境干扰强；公开号为CN103027670A，公开日 2013-04-10，发明名称为一种微功率冲激式生物雷达前端，这种MIR生命探测雷达的探测距离较近，一般穿墙距离维2m左右。这些现阶段的产品均无法满足机载雷达抗干扰能力强，探测距离远，穿透能力强的要求，所以机载生命探测雷达仍然有较大的研究价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的存在的不足，本发明提供一种可满足市场应用需求的快速无人机搭载生命探测雷达。

为解决上述技术问题，本发明采用的方案是：

一种无人机搭载生命探测设备，包括搭载在无人机上的天空端探测雷达设备以及地面端的显示控制设备，天空端探测雷达设备与地面端的显示控制设备采用无线通信模块进行数据传输，所述天空端探测雷达设备包括天线、射频模块以及基带处理模块；所述地面端的显示控制设备包括工控机；其特征在于：所述射频模块采用一个或多个收发射频通道，每个收发射频通道与一根或者多根天线相连；所述射频模块包括数字频率综合器或者锁相环、功率放大器、环形器、低噪声放大器、合路器、混频器、带通滤波器、增益可控放大器、限幅器、模拟数字转换器以及天线，所述数字频率综合器或者锁相环、功率放大器、环形器以及天线构成发射通道，所述数字频率综合器或者锁相环用于生成宽带线性扫频信号，所述功率放大器用于放大所述宽带线性扫频信号到发射功率，所述环形器用于收发射频信号隔离，所述天线用于辐射出电磁波；所述天线、环形器、低噪声放大器、合路器、混频器、带通滤波器、增益可控放大器、限幅器以及模拟数字转换器构成接收通道，所述天线用于接收电磁波，低噪声放大器用于对接收的电磁波进行低噪声放大，通过所述合路器用于将多通道信号合并成一路信号，混频器用于对合并的一路信号进行混频得到I路与Q路信号，I路与Q路信号经所述带通滤波器、增益可控放大器以及限幅器后，经过所述模拟数字转换器采样后得到I路与Q路数字信号；所述增益可控放大器用于根据回波信号强度自适应调整接收机增益。

所述基带处理模块包括采样模块以及处理器，所述采样模块用于对射频输出信号的采样；所述处理器实现对信号的实时处理；

所述采样模块采样得到的回波信号为：

式中，

为传输信号到人体的路径损失，

为人体距离雷达引起的时延，

生命特征引起的多普勒频率，

为无人机抖动引起的多普勒频率，

为传输信号到废墟的路径损失，

为废墟距离雷达引起的时延，

为返回信号的损失，

为返回信号的时延，

为系统噪声，

为虚数，

为初始频率，

为信号带宽，

为线性调频连续波重复周期；

所述处理器执行以下处理：

根据地面回波信号确定无人机的振动频率，在回波信号频谱中去除由无人机抖动引起的多普勒频谱

；

对去除由无人机抖动引起的多普勒频谱

的回波信号，经过距离维快速傅里叶变换以及多普勒维的快速傅里叶变换，获得人体生命活动引入的多普勒频率

。

根据地面回波信号确定无人机振动频率的方法是：

配合高度传感器，计算得到废墟与雷达之间的距离；

根据废墟与雷达之间的距离，估计传输时延

，确定

与

之间的频谱为无人机抖动引起的多普勒频谱

。

所述采样模块的采样频率≥200Ksps，量化精度≥12比特。

经所述功率放大器宽带线性扫频信号的发射功率典型值为≥15dBm，射频典型工作频段为1G~6GHz；所述环形器的典型隔离度为20dB；所述带通滤波器的频率范围为2K~200KHz，其带外抑制≥40dB，接收机增益典型值≥40dB。

所述天线为高增益阵列天线，天线指标为电压驻波比≤1.5、波束宽度≤30°、天线增益≥12dBi、工作频段为1G~6GHz，典型结构为4×4布局，天线间距为半倍中心工作频点。

无人机与生命探测雷达之间配有用于防震稳定的减震装置。

所述天空端探测雷达设备还设置了高度传感器、照相机、红外传感器以及卫星导航，用于实时感知无人机所处位置并对探测环境进行拍照。

探测过程中判断是否有生命特征，通过人体心肺活动或者肢体动作产生的多普勒频率判断。

一种无人机搭载远距离快速生命探测设备的生命探测方法，其特征在于：快速生命探测过程为从高到低逐步探测，具体方法为：

在高处一旦发现了生命特征，便降低一个飞行高度，在该飞行高度下对搜素范围分成小面积区域逐步探测，在某小面积区域探测到生命特征后再降低一个飞行高度，将小面积区域再分成更小区域分别进行探测，最终确定被困人员的被困区域与深度，并对被困区域进行拍照与红外成像，配合卫星导航定位在地图上标记被困人员位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种机载穿墙生命探测设备，具有探测距离远，探测结果快，适用性广等特点，具体体现在：

（1）尺寸小、重量轻：采用收发共用天线，可以有效减小设备的尺寸，便于携带，灵活应用于各种场合，可以搭载无人机上，便于复杂区域探测。

（2）探测距离远：本设备搭载无人机上，配合可控增益的射频通道。本发明根据生命探测过程需要穿过废墟的特点，将其应用于该雷达系统中，可以根据雷达当前飞行高度确定接收信号功率，自适应调整增加控制电路，确保不同距离条件下都可以进行探测。从而显著提升了探测区域，实现了高效非接触形式的生命探测，可以快速灵活扫描整个环境。而且，为了保证远距离探测以及避免高功率干扰信号损害本设备，采用了多通道的射频天线结构，可以有效降低每个通道的发射功率，避免损害设备，配合多通道实现的波束形成，同时保证了探测性能。

（3）探测速度快：配合无人机灵活控制的优点，以及高效的增益控制，可以实现不同高度与范围的被困人员探测，显著提升大面积区域的探测效率，采用金字塔结构，从高处向低处逐步探测，既能保障探测速度也可以实现高精度探测，并配合照片、红外成像、以及卫星导航定位，可以快速定位被困人员，便于后续救援。

（4）干扰消除：根据时延，确定无人机抖动引起的多普勒频谱

，可以有效消除无人机抖动引入的多普勒频率问题，显著提升被困人员的探测精度，降低抖动引起的虚警概率。

附图说明

图1为无人机搭载远距离生命探测设备的天空端示意图；

图2为无人机搭载远距离生命探测设备的地面端示意图；

图3为阵列天线框图；

图4 为射频部分主要结构框图；

图5为基带部分主要结构框图；

图6为被困人员生命探测过程示意图；

图7为被困人员快速探测流程；

图8为不同信噪比下探测性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

本发明一种无人机搭载远距离快速生命探测装备系统如图1、图2所示，其中雷达主体1搭载在无人机上，雷达主体1主要包含了阵列天线6、照相机与红外传感器4、电源5、射频模块8、基带信号处理模块9、卫星导航定位模块10、无线数据传输模块7、以及减震装置11等部分。地面端2由电源13以及无线传输模块12等组成。雷达主体1探测数据通过无线数据传输模块7将其传输到地面端2，地面端2将雷达探测数据通过网线传输到工控机3中，工控机3实现雷达探测数据的处理、显示以及雷达工作状态的控制。

雷达天线部分如图3所示，主要包含了天线单元601以及底板602，其中天线单元601的电压驻波比一般小于1.5，优选4×4的天线阵列，形成的波束宽度≤30°，阵列天线6的增益≥12dBi，工作频段为可以选择1G~6GHz中某一频段，阵列天线6的3dB带宽≥100MHz。

射频部分如图4所示，这里给出了3个射频通道的示意图，更多数量射频通道可以用同样方式实现，通过数字频率综合器或者锁相环801生成宽带线性扫频信号，经过功率放大器802放大到发射功率，典型值≥15dBm，并通过环形器803以及天线601，辐射出电磁波。接收过程中天线601接收到电磁波后，通过环形器803，到达低噪声放大器804，这里环形器的发射与接收隔离一般需要≥20dB。通过低噪声放大器804后，多通道信号通过合路器805合并成一路信号，并通过混频器806，该混频器可以是正交双路混频器，混频后同时得到I路与Q路信号，分别经过带通滤波器807，此处滤波器通带范围一般是2K~200KHz，经过增益可控放大器808以及限幅器809后，经过模拟数字转换器（ADC）901采样后得到I路与Q路数字信号。该射频实现过中，为了降低系统尺寸，采用了收发共用天线技术，并且利用环形器进行收发隔离，但是考虑到一般天线的电压驻波比≤1.5，会有较强的天线反射信号进入环形器803，而到达低噪声放大器804，所以低噪声放大器804的增益不易太高，而且要保证天线反射信号依然工作在低噪声放大器804的线性区。另外，增益可控放大器808根据滤波后的接收信号强度，控制在一定增益范围内控制接收机增益。限幅器809是为了保护后续模拟数字转换器901的正常工作。

基带处理部分如图4所示，其中模拟数字转换器（ADC）901实现将模拟信号采集为数字信号，FPGA部分903主要实现对信号的实时处理，控制端口902实现对射频、无线数据传输、摄像红外等部分的控制与通信，电源904实现对基带部分的供电，网口905实现FPGA903中的数据传输，串口906也实现了低速率的数据传输与控制。

图6给出了被困人员生命探测过程示意图，其中雷达天空端1搭载在无人机上，发射电磁波，穿透土石砂砾组成的废墟，检测被困人员生命活动引起的多普勒特征，依次判断废墟之中是否存在被困人员。

当采用线性调频连续波（LFMCW）信号时，雷达发射信号的复数基带等效表示为：

其中，

为信号幅度，

为虚数，

为初始频率，

为信号带宽，

为线性调频连续波重复周期。

如图6所示，那么雷达接收回波信号的等效基带可以表示为：

其中，

表示人体回波信号，

为传输信号到人体的路径损失，

为人体距离雷达引起的时延，

为生命特征引起的多普勒频率，

为无人机抖动引起的多普勒频率，

表示废墟的回波信号，

为传输信号到废墟的路径损失，

为废墟距离雷达引起的时延，

为雷达系统内部的回波信号，包括天线、射频等不完全匹配的返回信号，

为返回信号的损失，

为返回信号的时延，

系统噪声。一般情况，

。

经过混频、滤波以及模拟数字转换处理后，回波信号可以表示为：

配合高度传感器，可以计算得到废墟与雷达之间的距离h，从而估计传输时延

，其中c为电磁波速，由此可知

与

之间的频谱为无人机抖动引起的多普勒频谱

，将被困人员与废墟距离不同，所以频率

与废墟频率

不同，由此可以将其他回波信号频谱中都去除

，消除无人机抖动的影响，这里避免了使用振动等传感器检测无人机的抖动过程。最终经过距离维快速傅里叶变换以及多普勒维的快速傅里叶变换，便可以获得人体生命活动引入的多普勒频率

，由此便可以判断是否存在被困人员。

进一步地，为了加快探测过程，实现大面积被困人员的快速检测，图6给出了被困人员快速检测流程图，首先将探测区域分成若干个100平方米的区域，雷达此时距离废墟20米，此时可以实现100平方米的区域探测，由于雷达距离探测区域较远，所以接收机自适应增益控制部分需要较强的接收增益。如果此区域中没有探测到生命引起的多普勒频率特征，便飞行到下一个探测区域，重新进行探测，如果此区域内发现了多普勒频率特征，证明该100平方米内存在被困人员，此时可以下降无人机高度为10米，探测区域为20平方米，适当降低接收通道增益，重新进行小区域探测，一旦探测到生命特征，便进一步降低无人机高度为10米，探测区域为5平方米，进一步降低接收通道增益，进行小范围内探测，最终探测被困人员的5平方米区域以及深度，将该区域进行拍照以及红外成像，配合卫星导航定位信息发送到地面端，在地面端中地图中显示被困人员所在的位置，并显示此区域的照片和红外成像信息，以及被困人员深度，完成被困人员的探测。该探测过程针对1000平方米的区域总探测时间小于5分钟，可以有效提升被困人员的被救概率。

图8给出了被困人员的探测概率曲线，从图中可以看出，本发明方法可以在较低虚警概率（Pfa）条件下达到较高的检测概率（Pd），满足实际使用需求。

以上所述实施仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内，做出若干变形和改进等，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机搭载生命探测设备，包括天空端探测雷达设备以及地面端的显示控制设备，天空端探测雷达设备用于搭载在无人机上，天空端探测雷达设备与地面端的显示控制设备采用无线通信模块进行数据传输，所述天空端探测雷达设备包括天线、射频模块以及基带处理模块；所述地面端的显示控制设备包括工控机；其特征在于：所述射频模块采用一个或多个收发射频通道，每个收发射频通道与一根或者多根天线相连；所述射频模块包括数字频率综合器或者锁相环、功率放大器、环形器、低噪声放大器、合路器、混频器、带通滤波器、增益可控放大器、限幅器以及模拟数字转换器，所述数字频率综合器或者锁相环、功率放大器、环形器以及天线构成发射通道，所述数字频率综合器或者锁相环用于生成宽带线性扫频信号，所述功率放大器用于放大所述宽带线性扫频信号到发射功率，所述环形器用于收发射频信号隔离，所述天线用于辐射出电磁波；所述天线、环形器、低噪声放大器、合路器、混频器、带通滤波器、增益可控放大器、限幅器以及模拟数字转换器构成接收通道，所述天线用于接收电磁波，低噪声放大器用于对接收的电磁波进行低噪声放大，通过所述合路器用于将多通道信号合并成一路信号，混频器用于对合并的一路信号进行混频得到I路与Q路信号，I路与Q路信号经所述带通滤波器、增益可控放大器以及限幅器后，经过所述模拟数字转换器采样后得到I路与Q路数字信号；所述增益可控放大器用于根据回波信号强度自适应调整接收机增益。

2.根据权利要求1所述的一种无人机搭载生命探测设备，其特征在于：所述基带处理模块包括采样模块以及处理器，所述采样模块用于对射频输出信号的采样；所述处理器实现对信号的实时处理；

所述采样模块采样得到的回波信号为：

式中，

为传输信号到人体的路径损失，

为人体距离雷达引起的时延，

生命特征引起的多普勒频率，

为无人机抖动引起的多普勒频率，

为传输信号到废墟的路径损失，

为废墟距离雷达引起的时延，

为返回信号的损失，

为返回信号的时延，

为系统噪声，

为虚数，

为初始频率，

为信号带宽，

为线性调频连续波重复周期；

所述处理器执行以下处理：

根据地面回波信号确定由无人机抖动引起的多普勒频谱，在回波信号频谱中去除由无人机抖动引起的多普勒频谱

；

对去除由无人机抖动引起的多普勒频谱

的回波信号，经过距离维快速傅里叶变换以及多普勒维的快速傅里叶变换，获得人体生命活动引入的多普勒频率

。

3.根据权利要求2所述的一种无人机搭载生命探测设备，其特征在于：根据地面回波信号确定由无人机抖动引起的多普勒频谱

的方法是：

配合高度传感器，计算得到废墟与雷达之间的距离；

根据废墟与雷达之间的距离，估计传输时延

，确定

与

之间的频谱为无人机抖动引起的多普勒频谱

。

4.根据权利要求2所述的一种无人机搭载生命探测设备，其特征在于：所述采样模块的采样频率≥200Ksps，量化精度≥12比特。

5.根据权利要求2所述的一种无人机搭载生命探测设备，其特征在于：经所述功率放大器宽带线性扫频信号的发射功率典型值为≥15dBm，射频典型工作频段为1G~6GHz；所述环形器的典型隔离度为20dB；所述带通滤波器的频率范围为2K~200KHz，其带外抑制≥40dB，接收机增益典型值≥40dB。

6.根据权利要求1所述的一种无人机搭载生命探测设备，其特征在于：所述天线为高增益阵列天线，天线指标为电压驻波比≤1.5、波束宽度≤30°、天线增益≥12dBi、工作频段为1G~6GHz，典型结构为4×4布局，天线间距为半倍中心工作频点。

7.根据权利要求1所述的一种无人机搭载生命探测设备，其特征在于：无人机与生命探测雷达之间配有用于防震稳定的减震装置。

8.根据权利要求1所述的一种无人机搭载生命探测设备，其特征在于：所述天空端探测雷达设备还设置了高度传感器、照相机、红外传感器以及卫星导航，用于实时感知无人机所处位置并对探测环境进行拍照。

9.根据权利要求1所述的一种无人机搭载生命探测设备，其特征在于：探测过程中判断是否有生命特征，通过人体心肺活动或者肢体动作产生的多普勒频率判断。

10.一种基于权利要求1-9任一所述一种无人机搭载生命探测设备，其特征在于：快速生命探测过程为从高到低逐步探测，具体方法为：

在高处一旦发现了生命特征，便降低一个飞行高度，在该飞行高度下对搜素范围分成小面积区域逐步探测，在某小面积区域探测到生命特征后再降低一个飞行高度，将小面积区域再分成更小区域分别进行探测，最终确定被困人员的被困区域与深度，并对被困区域进行拍照与红外成像，配合卫星导航定位在地图上标记被困人员位置。

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