CN115061133A - 一种基于声电磁互调的室内物体回波提取方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明给出了一种基于声电磁互调的室内物体回波提取方法与系统，包括从电磁波收发端发射声波激励，从而引发物体产生振动，从而产生相应的声波信号；根据所需的频段选择能够对声波信号进行调制的电磁信号，发射电磁信号，利用电磁信号对声波信号进行声电磁互相调制后得到物体的声电磁回波；电磁波收发端接收声电磁回波，对声电磁回波进行傅里叶变换得到相应的频谱；根据声电磁回波发生的相位偏移和幅度调制对频谱进行滤波，从而滤除声波激励所在频段的信号以及对称边带信号，从而得到包含物体的特征的特征频谱。相比较传统的基于电磁波调制微弱振动信号方式，增加了声波激励携带的信息量，提高了透墙探测的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及目标探测技术领域，尤其是一种基于声电磁互调的室内物体回波提取方法与系统。
背景技术
在灾害救援行动中，救援人员往往需要深入陌生建筑物内部，缺少建筑物内部信息将对行动的顺利开展以及人员的安全产生较大的威胁，因此进入陌生建筑物内部之前获取其内部信息，能够为行动顺利进行提供服务，进而如何安全、稳定、隐蔽地获取墙后目标信息以及建筑物内部的穿透探测，具有重要的现实意义和研究价值。
在不破坏现场的情况下，声波、红外、电磁波等探测技术均能够不同程度地实现穿透探测，这其中，电磁波探测在可穿透墙体类型、探测范围、探测精度等指标上最为突出，因此近年来成为建筑物内部穿透探测的研究热点。利用电磁波进行建筑物内部结构穿透探测的技术目前主要包括3类：基于反射波测量的穿墙雷达成像技术、基于透射波测量的射频层析成像技术、基于多径信号的墙体位置估计技术。这3类技术均已取得一定具有实际意义的研究成果。而针对墙后目标信息的穿透探测研究，由于降低了回波提取的难度，进而导致其使用的大功率穿墙雷达存在大体积、已暴露等缺陷，难以在快速的灾害救援行动中起到辅助作用。
本发明提出基于声电磁互调的室内物体回波提取技术，通过声波激励有效使目标物体产生可被电磁波调制的特征，其主要机理是使物体产生自振动现象，进而通过电磁信号的声调制技术，产生室内物体的反射电磁回波，设计出可靠的基于声电磁互调的回波提取算法，并搭建一体化透墙探测系统。在提取回波信号的过程中会使用到的单频连续波信号，可以将声激励的物体特征信息调制在以上波形中，达到透墙探测的目的。本方法相比较传统的大功率穿墙雷达，增加了声波激励携带的信息量，进而降低了电磁波发射功率，提高了透墙探测的便携性。
发明内容
本发明提出了一种基于声电磁互调的室内物体回波提取方法与系统，以解决上文提到的现有技术的缺陷。
在一个方面，本发明提出了一种基于声电磁互调的室内物体回波提取方法，该方法包括以下步骤：
S1：从电磁波收发端发射声波激励，从而引发物体产生振动，从而产生相应的声波信号；
S2：根据所需的频段选择能够对所述声波信号进行调制的电磁信号，发射所述电磁信号，利用所述电磁信号对所述声波信号进行声电磁互相调制后得到所述物体的声电磁回波；
S3：所述电磁波收发端接收所述声电磁回波，对所述声电磁回波进行傅里叶变换得到相应的频谱；
S4：根据所述声电磁回波发生的相位偏移和幅度调制对所述频谱进行滤波，从而滤除所述声波激励所在频段的信号以及对称边带信号，从而得到包含所述物体的特征的特征频谱。
以上方法根据室内物体的特点，通过声电磁互调产生的调制电磁信号识别室内典型物体，在探测场景中，电磁波可以通过透射进行室内人体的探测，但是对于无法产生自振动的物体难以得到可识别的特征，通过辅以声波激励静态物体，将物体特征调制在电磁波波形中，达到透墙探测的目的。在提取室内目标回波的过程中搭建的收发设备发射单频连续信号以及可激励物体的声波信号，可以有效提取室内物体特征。本方法相比较传统的基于电磁波调制微弱振动信号方式，增加了声波激励携带的信息量，提高了透墙探测的稳定性。
在具体的实施例中，所述S2还包括：
利用小型暗室作为探测设备来获取所述声电磁回波，所述小型暗室的内壁采用电磁吸收材料，被用于吸收所述电磁信号产生的电磁能量反射和溢散。本方法能够最大限度地消除电磁能量反射与溢散。
在具体的实施例中，所述声波激励为单频连续波。
在具体的实施例中，所述S4具体包括：根据所述物体与所述电磁波收发端之间的距离，分析当所述距离改变时所述声电磁回波相对于所述电磁信号所发生的相位偏移；
根据所述物体的材质的介电常数的变化，分析所述声电磁回波相对于所述电磁信号所发生的幅度调制；
根据所述相位偏移和所述幅度调制对所述声电磁回波的边带信号进行分析，从而对所述声电磁回波进行滤波，滤除所述声波激励所在频段的信号以及对称边带信号，并根据所述频谱中的尖峰提取所述声电磁回波的特征。
在具体的实施例中，利用超声换能器发射所述声波激励。
根据本发明的第二方面，提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被计算机处理器执行时实施上述方法。
根据本发明的第三方面，提出一种基于声电磁互调的室内物体回波提取系统，该系统包括：
声波信号激励模块：配置用于从电磁波收发端发射声波激励，从而引发物体产生振动，从而产生相应的声波信号；
声电磁互调模块：配置用于根据所需的频段选择能够对所述声波信号进行调制的电磁信号，发射所述电磁信号，利用所述电磁信号对所述声波信号进行声电磁互相调制后得到所述物体的声电磁回波；
声电磁回波接收模块：配置用于所述电磁波收发端接收所述声电磁回波，对所述声电磁回波进行傅里叶变换得到相应的频谱；
声电磁回波特征提取模块：配置用于根据所述声电磁回波发生的相位偏移和幅度调制对所述频谱进行滤波，从而滤除所述声波激励所在频段的信号以及对称边带信号，从而得到包含所述物体的特征的特征频谱。
本发明根据室内物体的特点，通过声电磁互调产生的调制电磁信号识别室内典型物体，在探测场景中，电磁波可以通过透射进行室内人体的探测，但是对于无法产生自振动的物体难以得到可识别的特征，通过辅以声波激励静态物体，将物体特征调制在电磁波波形中，达到透墙探测的目的。在提取室内目标回波的过程中搭建的收发设备发射单频连续信号以及可激励物体的声波信号，可以有效提取室内物体特征。本方法相比较传统的基于电磁波调制微弱振动信号方式，增加了声波激励携带的信息量，提高了透墙探测的稳定性。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的一个实施例的一种基于声电磁互调的室内物体回波提取方法的流程图；
图2是本发明的一个具体的实施例的电磁波发射软件平台设计图；
图3是本发明的一个具体的实施例的便携式探测设备搭建场景图；
图4是本发明的一个具体的实施例的声电磁回波信号频域分析图；
图5是本发明的一个具体的实施例的钢提取的声电磁回波频谱图；
图6是本发明的一个具体的实施例的聚合物提取的声电磁回波频谱图；
图7是本发明的一个具体的实施例的铝提取的声电磁回波频谱图；
图8是本发明的一个具体的实施例的不锈钢提取的声电磁回波频谱图；
图9是本发明的一个具体的实施例的声波频率左边带时域图；
图10是本发明的一个具体的实施例的声波频率右边带时域图；
图11是本发明的一个具体的实施例的声波频率左边带频域图；
图12是本发明的一个具体的实施例的声波频率右边带频域图；
图13是本发明的一个实施例的一种基于声电磁互调的室内物体回波提取系统的框架图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
根据本发明的一个实施例的一种基于声电磁互调的室内物体回波提取方法，图1示出了根据本发明的实施例的一种基于声电磁互调的室内物体回波提取方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：从电磁波收发端发射声波激励，从而引发物体产生振动，从而产生相应的声波信号；
S2：根据所需的频段选择能够对所述声波信号进行调制的电磁信号，发射所述电磁信号，利用所述电磁信号对所述声波信号进行声电磁互相调制后得到所述物体的声电磁回波；
S3：所述电磁波收发端接收所述声电磁回波，对所述声电磁回波进行傅里叶变换得到相应的频谱；
S4：根据所述声电磁回波发生的相位偏移和幅度调制对所述频谱进行滤波，从而滤除所述声波激励所在频段的信号以及对称边带信号，从而得到包含所述物体的特征的特征频谱。
在具体的实施例中，所述S2还包括：
利用小型暗室作为探测设备来获取所述声电磁回波，所述小型暗室的内壁采用电磁吸收材料，被用于吸收所述电磁信号产生的电磁能量反射和溢散。
在具体的实施例中，所述声波激励为单频连续波。
在具体的实施例中，所述S4具体包括：根据所述物体与所述电磁波收发端之间的距离，分析当所述距离改变时所述声电磁回波相对于所述电磁信号所发生的相位偏移；
根据所述物体的材质的介电常数的变化，分析所述声电磁回波相对于所述电磁信号所发生的幅度调制；
根据所述相位偏移和所述幅度调制对所述声电磁回波的边带信号进行分析，从而对所述声电磁回波进行滤波，滤除所述声波激励所在频段的信号以及对称边带信号，并根据所述频谱中的尖峰提取所述声电磁回波的特征。
在具体的实施例中，利用超声换能器发射所述声波激励。
本发明提出一种基于声电磁互调的室内物体回波提取技术设计，根据室内物体的特点，通过声波激励室内物体，在一定的探测距离范围，使激励产生的物体特征调制在发射的单频连续波上，在实际探测的过程中，需要声波信号单向穿透以及电磁波信号双向穿透，但是两者均会被墙体进行吸收，产生一定的衰减，通过搭建的便携式收发设备可以满足声波以及电磁波透墙探测的效果。为了详细的介绍本发明的内容，下面对一些概念进行阐述或者规定：
定义一：反射电磁波的多普勒频移
由于声波在物体表面产生正弦波振动，改变目标与电磁波收发设备之间的距离，产生相位调制，从而使反射电磁波信号发生偏移，主要体现为一定的多普勒频偏，频偏值与目标在声波激励下振动的频率和幅度有关。经过多普勒效应影响的反射电磁波信号的频率可以被表示为：
其中，fr表示接收信号的频率，fRF为发射电磁波信号的频率，ν为物体表面振动速度，cRF为电磁波信号传播速度。
由于一般情况下物体表面振动速度远远小于电磁波传播速度，通过麦克劳林级数展开。同时，目标的振动速度可以被替换为随时间变化的距离函数，表示为：
r(t)＝R0+d(t)
其中，R0为目标处于静态时与电磁波收发设备之间的距离，d(t)为目标表面的振动位移。
同时，如果目标在声波激励下，表面振动位移形式为正弦波，可表示为
d(t)＝dVcos(ωVt)
其中，dV是振动位移的幅度，ωV是振动的角频率。
忽略与目标无关的电磁波直接反射项，由上式扩展至复指数形式并应用雅各比·安吉尔展开，则可再次被改写为
因此，振动目标反射的电磁信号是一个包含发射信号与位于上下边带的调制信号的宽频谱信号，由此在室内物体回波提取技术中需要滤除发射信号频率以及对称边带。
定义二：反射电磁波的幅度波动
由于不同目标受到声波的激励，其共振速度v受目标形状、材质的影响而不同，因此上述功率谱中的频率分量通常是目标物体材质、形状联合作用的结果。故可以利用声电磁调制的微多普勒特征取得物体的初步判断(形状、材质)。但由于声波在目标物体上存在反射与绕射(即弹性散射)的混叠效应，接收到的回波信号往往无法分离物体的形状与材质分别引起的微多普勒分量。需要进一步解析回波的幅度调制特征进行数学建模。
在声波引起目标振动时，目标材质的电特性会产生波动，尤其是介电常数，声波在激励目标时，由于声压的作用，物体的密度会发生变化，引起材料介电常数定期的变化，表示如下：
ε(t)＝ε0εr[1+δ(t)]
其中，δ(t)是介电常数的幅度波动，表示为
其中，K是洛伦兹-洛伦茨关系近似值的比例常数，pA(t)是位于目标特定位置的传播声压，ε0是自由空间介电常数，εr为目标静止时相对介电常数，ρ0为目标密度，cA为材料中声波的传播速度。
由上式可以看出，介电常数的波动直接受声波的频率和幅度影响。因此，声激励下目标反射的电磁信号会受到声信号的频率ωA及其谐波的影响。
通过上述方法得到的声电磁回波信号，分析该信号的声波边带即可保证能够进行室内物体回波的有效提取。
本发明的有益效果是：本发明提出基于声电磁互调的室内物体回波提取技术，并搭建便携式一体化探测系统。利用振动目标反射的电磁信号中的边带信号来进行提取，设计出可靠的基于声电磁互调的室内物体回波提取算法，达到透墙探测的目的，由此搭建一体化的透墙探测系统，提高透墙通信的便携性和可靠性。
为使本发明的目的、方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施，并参照附图，对本发明做进一步说明。
本发明的目的是利用室内物体的特点，通过声波激励室内物体，在一定的探测距离范围，使激励产生的物体特征调制在发射的单频连续波上，在实际探测的过程中，需要声波信号单向穿透以及电磁波信号双向穿透，但是两者均会被墙体进行吸收，产生一定的衰减，通过搭建的便携式收发设备可以满足声波以及电磁波透墙探测的效果。
具体实施过程如下：
第一步：超声换能器发射声波激励物体产生振动
第二步：电磁波发射软件平台发射电磁信号；
第三步：电磁信号进行声调制，产生物体的声电磁回波；
第四步：对声电磁回波进行傅里叶变换；
第五步：滤除目标声波信号频段外的边带信号。
通过上述方法提取室内物体回波信号，分析该信号所携带的室内物体特征以保证透墙探测的可靠性。
图2是本发明的一个具体的实施例的电磁波发射软件平台设计图；图3是本发明的一个具体的实施例的便携式探测设备搭建场景图。
如图2、图3所示，首先设计电磁波发射软件平台，可以根据需要自行选定发射电磁信号的频段，产生能够调制声波的电磁信号。其次，为解决电磁信号能量溢散和相互干扰问题，便携式探测设备配备了小型暗室，其内壁采用电磁吸收材料，能够最大限度地消除电磁能量反射与溢散。
图4是本发明的一个具体的实施例的声电磁回波信号频域分析图。由于声波引起目标表面振动造成反射电磁波多普勒频移，振动目标反射的电磁信号是一个包含发射信号与位于上下边带的调制信号的宽频谱信号。通过观察可以发现，声波频段范围的边带信号具有相似的特点，因此只需要滤除多余边带信号，保留声波频率信号，就可以提取含有物体特征信息的回波信号。
图5-图8所示为提取到的不同物体回波频谱图。其中图5是本发明的一个具体的实施例的钢提取的声电磁回波频谱图；图6是本发明的一个具体的实施例的聚合物提取的声电磁回波频谱图；图7是本发明的一个具体的实施例的铝提取的声电磁回波频谱图；图8是本发明的一个具体的实施例的不锈钢提取的声电磁回波频谱图；通过观察可以发现，在声波频率信号左右边带，均携带有不同物体特征的尖峰信号。由于发射信号产生的回波并不携带有特征信息量，因此需保留左右变带，滤除发射信号。
图9-图12所示为滤除发射信号后的回波信号时域、频域分析图。其中图9是本发明的一个具体的实施例的声波频率左边带时域图；图10是本发明的一个具体的实施例的声波频率右边带时域图；图11是本发明的一个具体的实施例的声波频率左边带频域图；图12是本发明的一个具体的实施例的声波频率右边带频域图；本发明中分析了四种不同物体的声电磁回波(图5-图8所示)，从图中可以看出，通过滤除发射信号，保留左右边带信号，可以实现携带物体特征信息量的提取。
本发明提出基于声电磁的室内物体回波提取技术，并应用到透墙探测一体化系统中。利用电磁波调制的声激励信号，设计出可靠的基于声电磁互调的室内物体回波提取算法，达到透墙探测的目的，由此搭建一体化的便携式探测系统，提高透墙探测的稳定性和可靠性。
以上内容是具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式局限于这些说明，本发明以探测木墙信号为例展开，而对于砖墙、混凝土墙等相似墙体的探测研究，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干简单的推演或替换，都应当属于本发明的保护范围。
图13示出了本发明的一个实施例的一种基于声电磁互调的室内物体回波提取系统的框架图。该系统包括声波信号激励模块1301、声电磁互调模块1302、声电磁回波接收模块1303和声电磁回波特征提取模块1304。
在具体的实施例中，声波信号激励模块1301被配置用于从电磁波收发端发射声波激励，从而引发物体产生振动，从而产生相应的声波信号；
声电磁互调模块1302被配置用于根据所需的频段选择能够对所述声波信号进行调制的电磁信号，发射所述电磁信号，利用所述电磁信号对所述声波信号进行声电磁互相调制后得到所述物体的声电磁回波；
声电磁回波接收模块1303被配置用于所述电磁波收发端接收所述声电磁回波，对所述声电磁回波进行傅里叶变换得到相应的频谱；
声电磁回波特征提取模块1304被配置用于根据所述声电磁回波发生的相位偏移和幅度调制对所述频谱进行滤波，从而滤除所述声波激励所在频段的信号以及对称边带信号，从而得到包含所述物体的特征的特征频谱。
本系统根据室内物体的特点，通过声电磁互调产生的调制电磁信号识别室内典型物体，在探测场景中，电磁波可以通过透射进行室内人体的探测，但是对于无法产生自振动的物体难以得到可识别的特征，通过辅以声波激励静态物体，将物体特征调制在电磁波波形中，达到透墙探测的目的。在提取室内目标回波的过程中搭建的收发设备发射单频连续信号以及可激励物体的声波信号，可以有效提取室内物体特征。本系统相比较传统的基于电磁波调制微弱振动信号方式，增加了声波激励携带的信息量，提高了透墙探测的稳定性。
本发明的实施例还涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被计算机处理器执行时实施上文中的方法。该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。需要说明的是，本申请的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读介质或者是上述两者的任意组合。
本发明根据室内物体的特点，通过声电磁互调产生的调制电磁信号识别室内典型物体，在探测场景中，电磁波可以通过透射进行室内人体的探测，但是对于无法产生自振动的物体难以得到可识别的特征，通过辅以声波激励静态物体，将物体特征调制在电磁波波形中，达到透墙探测的目的。在提取室内目标回波的过程中搭建的收发设备发射单频连续信号以及可激励物体的声波信号，可以有效提取室内物体特征。本方法相比较传统的基于电磁波调制微弱振动信号方式，增加了声波激励携带的信息量，提高了透墙探测的稳定性。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (7)
1.一种基于声电磁互调的室内物体回波提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：从电磁波收发端发射声波激励，从而引发物体产生振动，从而产生相应的声波信号；
S2：根据所需的频段选择能够对所述声波信号进行调制的电磁信号，发射所述电磁信号，利用所述电磁信号对所述声波信号进行声电磁互相调制后得到所述物体的声电磁回波；
S3：所述电磁波收发端接收所述声电磁回波，对所述声电磁回波进行傅里叶变换得到相应的频谱；
S4：根据所述声电磁回波发生的相位偏移和幅度调制对所述频谱进行滤波，从而滤除所述声波激励所在频段的信号以及对称边带信号，从而得到包含所述物体的特征的特征频谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2还包括：
利用小型暗室作为探测设备来获取所述声电磁回波，所述小型暗室的内壁采用电磁吸收材料，被用于吸收所述电磁信号产生的电磁能量反射和溢散。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声波激励为单频连续波。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4具体包括：根据所述物体与所述电磁波收发端之间的距离，分析当所述距离改变时所述声电磁回波相对于所述电磁信号所发生的相位偏移；
根据所述物体的材质的介电常数的变化，分析所述声电磁回波相对于所述电磁信号所发生的幅度调制；
根据所述相位偏移和所述幅度调制对所述声电磁回波的边带信号进行分析，从而对所述声电磁回波进行滤波，滤除所述声波激励所在频段的信号以及对称边带信号，并根据所述频谱中的尖峰提取所述声电磁回波的特征。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用超声换能器发射所述声波激励。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被计算机处理器执行时实施权利要求1至5中任一项所述的方法。
7.一种基于声电磁互调的室内物体回波提取系统，其特征在于，包括：
声波信号激励模块：配置用于从电磁波收发端发射声波激励，从而引发物体产生振动，从而产生相应的声波信号；
声电磁互调模块：配置用于根据所需的频段选择能够对所述声波信号进行调制的电磁信号，发射所述电磁信号，利用所述电磁信号对所述声波信号进行声电磁互相调制后得到所述物体的声电磁回波；
声电磁回波接收模块：配置用于所述电磁波收发端接收所述声电磁回波，对所述声电磁回波进行傅里叶变换得到相应的频谱；
声电磁回波特征提取模块：配置用于根据所述声电磁回波发生的相位偏移和幅度调制对所述频谱进行滤波，从而滤除所述声波激励所在频段的信号以及对称边带信号，从而得到包含所述物体的特征的特征频谱。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2012117964A (ja) * | 2010-12-02 | 2012-06-21 | Kogakuin Univ | 超音波計測システム |
| CN103858021A (zh) * | 2011-09-23 | 2014-06-11 | 埃西斯创新有限公司 | 物体的物理特性的声电磁学研究 |
| CN110346829A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-10-18 | 中国科学院声学研究所 | 一种浅层埋地非金属物体探测系统 |
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| CN112285699A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-01-29 | 之江实验室 | 一种水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统 |
-
2022
- 2022-04-13 CN CN202210386006.1A patent/CN115061133A/zh active Pending
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