CN113075655A - 一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源ir-uwb雷达 - Google Patents

一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源ir-uwb雷达 Download PDF

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王健琪
祁富贵
路国华
梁福来
吕昊
于霄
张杨
薛慧君
安强
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Abstract

本发明属于灾后搜救技术领域，具体为一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR‑UWB雷达，包括雷达主机、天线阵列和上位机；其中，雷达主机包括步进控制模块、时序逻辑控制模块、数据采集模块、DSP数据处理模块、电源模块、指示灯和操作按钮；天线阵列包括Tx1天线、Tx2天线、Rx1天线和Rx2天线；上位机为笔记本电脑和平板电脑，其结构合理，克服了单源IR‑UWB雷达无法同时具备较低中心频率和较大带宽的缺点，利用270MHz和400MHz两个低中心频率的天线，同时对目标进行探测，而且雷达的等效带宽也得到了扩展，使系统不仅拥有良好的废墟穿透能力，还具备较强的微弱信号检测能力。

Description

一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达
技术领域
本发明涉及灾后搜救技术领域，具体为一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达。
背景技术
根据灾后应急救援的实际需求，用于废墟搜救的超宽带雷达不仅需要拥有较低的中心频率，从而能够穿透一定厚度的废墟，同时还需要具备较大的带宽，从而能够达到足够的距离分辨率，来检测幸存人员微弱的生命信号。但是由于超宽带技术的限制，单源IR-UWB雷达无法同时具备较强的废墟穿透能力和微弱信号检测能力，因此，在超宽带雷达废墟搜救探测的研究过程中，很难在雷达中心频率和带宽的选择上找到平衡点。
为此，我们研发一种新型的用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达解决上述问题。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于现有IR-UWB雷达中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达，克服了单源IR-UWB雷达无法同时具备较低中心频率和较大带宽的缺点，利用270MHz和400MHz两个低中心频率的天线，同时对目标进行探测，而且雷达的等效带宽也得到了扩展，使系统不仅拥有良好的废墟穿透能力，还具备较强的微弱信号检测能力。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达，其包括雷达主机、天线阵列和上位机；
其中，
雷达主机包括步进控制模块、时序逻辑控制模块、数据采集模块、DSP数据处理模块、电源模块、指示灯和操作按钮；
天线阵列包括Tx1天线、Tx2天线、Rx1天线和Rx2天线；
上位机为笔记本电脑和平板电脑。
作为本发明所述的一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达的一种优选方案，其中：所述天线阵列中的Tx1和Rx1分别为270MHz的发射和接收天线，Tx2和Rx2分别为400MHz的发射和接收天线。
作为本发明所述的一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达的一种优选方案，其中：所述雷达主机采用道内分时复用的工作方式，即一个频率的天线发射并接收它的一道信号后，另一个频率的天线再发射并接收它的一道信号，如此反复交替工作，来避免两对不同频率天线之间的相互干扰。
作为本发明所述的一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达的一种优选方案，其中：所述雷达主机采用的是脉冲发射超宽带技术，具有两个不同的低中心频率天线，相对带宽也得到了扩展，使系统同时具有较强的穿透性能和微弱信号的检测能力。
作为本发明所述的一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达的一种优选方案，其中：通过信号区域的平均功率与杂波噪声区域的平均功率之比来计算雷达回波数据的探测信噪比
Figure BDA0002986041710000031
式中Pi为回波信号的能量谱中在快时间维度距离点i处的功率，能量谱通过计算雷达回波数据在慢时间维度上的方差得到。L为雷达回波数据沿快时间维度的距离点总数，imax为能量谱中功率最大的距离点位置，即人体目标呼吸信号最强的距离点，U为雷达回波数据中信号区域的半径。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过该一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达的设置，结构设计合理，通过利用270MHz和400MHz两个低中心频率的天线，同时对目标进行探测，而且雷达的等效带宽也得到了扩展，使系统不仅拥有良好的废墟穿透能力，还具备较强的微弱信号检测能力，为雷达探测非自然状态人体目标提供了新的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明双源IR-UWB雷达系统的接收脉冲频谱结构示意图；
图3为本发明双源IR-UWB雷达系统的结构框图；
图4为本发明DSP数据采集处理电路的结构框图；
图5为本发明仿真的400MHz天线VSWR图；
图6为本发明仿真的270MHz天线VSWR图；
图7为本发明400MHz天线经过增强算法后的回波数据
图8为本发明400MHz天线增强后回波数据的能量谱
图9为本发明270MHz天线经过增强算法后的回波数据；
图10为本发明270MHz天线增强后回波数据的能量谱。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供如下技术方案：一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达，包括雷达主机、天线阵列和上位机；
其中，
雷达主机包括步进控制模块、时序逻辑控制模块、数据采集模块、DSP数据处理模块、电源模块、指示灯和操作按钮；
天线阵列包括Tx1天线、Tx2天线、Rx1天线和Rx2天线；
上位机为笔记本电脑和平板电脑。
其中：所述天线阵列中的Tx1和Rx1分别为270MHz的发射和接收天线，Tx2和Rx2分别为400MHz的发射和接收天线。
其中：所述雷达主机采用道内分时复用的工作方式，即一个频率的天线发射并接收它的一道信号后，另一个频率的天线再发射并接收它的一道信号，如此反复交替工作，来避免两对不同频率天线之间的相互干扰。
其中：所述雷达主机采用的是脉冲发射超宽带技术，具有两个不同的低中心频率天线，相对带宽也得到了扩展，使系统同时具有较强的穿透性能和微弱信号的检测能力。
其中：通过信号区域的平均功率与杂波噪声区域的平均功率之比来计算雷达回波数据的探测信噪比
Figure BDA0002986041710000061
式中Pi为回波信号的能量谱中在快时间维度距离点i处的功率，能量谱通过计算雷达回波数据在慢时间维度上的方差得到。L为雷达回波数据沿快时间维度的距离点总数，imax为能量谱中功率最大的距离点位置，即人体目标呼吸信号最强的距离点，U为雷达回波数据中信号区域的半径。
工作原理：在本发明使用的过程中，上位机通过DSP数据处理模块将雷达的参数送入步进控制模块，步进控制模块中的脉冲发生器产生一系列脉冲重复频率为128KHz的时域脉冲信号，该信号经过天线阵列中的发射电路整形成双极性的脉冲信号，再通过Tx1和Tx2发射出去。雷达主机中的时序逻辑控制模块会产生两对触发信号，来控制两种不同频率天线对脉冲的发射和接收。Rx1和Rx2接收到的回波信号，通过数据采集模块在不同通道内进行积分、放大和A/D转换后，被送入DSP数据处理模块进行存储。采集完成后再将回波数据送至上位机进行信号处理与分析。
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (5)

1.一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达，其特征在于：包括雷达主机、天线阵列和上位机；
其中，
雷达主机包括步进控制模块、时序逻辑控制模块、数据采集模块、DSP数据处理模块、电源模块、指示灯和操作按钮；
天线阵列包括Tx1天线、Tx2天线、Rx1天线和Rx2天线；
上位机为笔记本电脑和平板电脑。
2.根据权利要求1所述的一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达，其特征在于：所述天线阵列中的Tx1和Rx1分别为270MHz的发射和接收天线，Tx2和Rx2分别为400MHz的发射和接收天线。
3.根据权利要求1所述的一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达，其特征在于：所述雷达主机采用道内分时复用的工作方式，即一个频率的天线发射并接收它的一道信号后，另一个频率的天线再发射并接收它的一道信号，如此反复交替工作，来避免两对不同频率天线之间的相互干扰。
4.根据权利要求1所述的一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达，其特征在于：所述雷达主机采用的是脉冲发射超宽带技术，具有两个不同的低中心频率天线，相对带宽也得到了扩展，使系统同时具有较强的穿透性能和微弱信号的检测能力。
5.根据权利要求1所述的一种用于灾后搜救非自然状态人体目标的双源IR-UWB雷达，其特征在于：通过信号区域的平均功率与杂波噪声区域的平均功率之比来计算雷达回波数据的探测信噪比
Figure FDA0002986041700000021
式中Pi为回波信号的能量谱中在快时间维度距离点i处的功率，能量谱通过计算雷达回波数据在慢时间维度上的方差得到。L为雷达回波数据沿快时间维度的距离点总数，imax为能量谱中功率最大的距离点位置，即人体目标呼吸信号最强的距离点，U为雷达回波数据中信号区域的半径。
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