CN208766301U - 一种三维定位的生命探测雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三维定位的生命探测雷达，包括射频收发子单元，用于调制产生低频超宽带的电磁信号，以及接收并解调目标回波信号；MIMO成像天线阵列单元，包括由多个发射天线单元构成的发射天线阵列、用于向外辐射电磁信号；以及由多个接收天线单元构成的接收天线阵列，用于接收回波信号；射频收发开关矩阵单元，位于射频收发子单元与MIMO成像天线阵列单元之间，用于实现发射信号和回波信号在不同天线单元构成的不同信号通道间的切换；数据采集与信号处理单元，用于控制射频收发子单元产生发射信号，以及用于接收目标回波信号，进行分析成像和目标检测识别。本实用新型的三维定位的生命探测雷达具有定位精度高、穿透能力强以及灵敏度高等优点。

Description

一种三维定位的生命探测雷达

技术领域

本实用新型主要涉及无线探测技术领域，特指一种三维定位的生命探测雷达。

背景技术

生命探测雷达是一种融合雷达技术和生物医学工程技术的生命体征目标搜索设备，可穿透非金属介质（砖墙、废墟等）非接触、远距离探测人体生命体征（如呼吸、心跳、体动等）。生命探测雷达技术是以生命体为探测目标的一项新兴技术，是国际科技界公认的、人体生命体征探测方向的重要、前沿技术领域。该技术对被测量对象无任何约束，可以隔一定距离、穿透一定的介质（如砖墙、废墟等）以非接触方式、对有生命体征的人体目标进行识别探测，被广泛用于灾害被埋人员搜救、反恐斗争中隔墙监测及战场侦察等领域，特别是在应急救援、反恐等领域具有不可替代的优势。

目标定位和识别能力是当前生命探测雷达领域研究的重点课题。目前，较为成熟的生命探测雷达大多为单发单收体制，单次探测仅能获得目标的距离信息，即以雷达探测面为中心、以目标距离为半径的半圆面，只能给出目标有无以及距离信息，单次探测不能完成定位任务，探测救援实时性差、搜救效率低、无法给出目标的三维位置信息。由于无法精准定位，因而挖掘救援带有试错、盲目的成分，会大量浪费应急救援资源、导致施救人员的信心/士气受影响。另外具备二维定位功能的生命探测雷达，采用单发多收（一般是2或3收）体制，单次探测仅能确定目标的距离、方位角度信息，对于废墟下受困人员定位来讲，缺乏俯仰向的角度信息，同样不能获得三维位置信息指导现场救援。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种定位精度高、穿透能力强以及灵敏度高的三维定位的生命探测雷达。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种三维定位的生命探测雷达，包括数据采集与信号处理单元、射频收发子单元、射频收发开关矩阵单元和MIMO成像天线阵列单元；

所述射频收发子单元，用于调制产生低频超宽带的电磁发射信号，以及接收并解调目标回波信号并发送至所述数据采集与信号处理单元；

所述MIMO成像天线阵列单元，包括由多个发射天线单元构成的发射天线阵列、用于向外辐射射频收发子单元产生的发射信号；以及由多个接收天线单元构成的接收天线阵列，用于接收目标反射回来的回波信号；

所述射频收发开关矩阵单元，位于所述射频收发子单元与所述MIMO成像天线阵列单元之间，用于实现发射信号和回波信号在不同天线单元构成的不同信号通道间的切换；

所述数据采集与信号处理单元，用于控制所述射频收发子单元产生发射信号，以及用于接收射频收发子单元的目标回波信号，进行分析成像和目标检测识别。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述接收天线阵列和发射天线阵列均采用呈矩形的面阵结构。

各所述发射天线单元位于接收天线阵列构成的面阵结构的周侧。

所述射频收发开关矩阵单元包括发射天线单元切换回路和接收天线单元切换回路；

所述发射天线单元切换回路包括多个发射开关，分别与各发射天线单元一一对应连接；

所述接收天线单元切换回路包括多个接收开关，分别与各接收天线单元一一对应连接。

各所述接收开关的前端设置有依次串联的用于提升接收灵敏度的噪声放大器和滤除干扰信号的滤波器。

所述射频收发子单元包括：

用于产生射频信号的本振源；

用于产生中频信号并与射频信号进行上混频以调制发射信号的雷达发射机；以及

用于接收回波信号并与射频信号进行下混频以解调出目标信息的雷达接收机。

所述射频收发子单元还包括位于所述发射开关与接收开关之间的收发链路校准通道，用于校准时延、信号通道相位及幅度。

所述数据采集与信号处理单元包括：

DAC模块，用于产生数模转换后的调制中频信号；

ADC模块，用于对回波信号进行模数转换；

FPGA模块，用于控制DAC模块产生调制中频信号，以及对经ADC模块处理后的数据进行预处理；以及

DSP模块，用于将经FPGA模块预处理的数据进行分析成像和目标检测识别。

所述数据采集与信号处理单元还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与所述DSP模块相连。

还包括客户控制端，所述客户控制端与所述数据采集与信号处理单元相连，用于下发控制指令给所述数据采集与信号处理单元执行、以及对数据采集与信号处理单元的分析结果进行显示。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的三维定位的生命探测雷达，采用MIMO成像天线阵列单元1，在发射端和接收端分别使用多个发射天线单元和接收天线单元，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善接收信号质量，具备非金属废墟强穿透能力、低发射功率、高灵敏度等特性以及多目标实时三维定位能力，能够在复杂灾害环境下，建筑废墟内部被困人体目标快速实时三维定位，从而有利于提升现场搜索救援的准确性、搜救效率和提升参与搜救人员和受困人员的信心；另外低频超宽带发射信号，能够保证雷达的废墟穿透能力以及雷达探测精度。

附图说明

图1为本实用新型的方框结构示意图。

图2为本实用新型中MIMO成像天线阵列单元的方框结构图。

图3为本实用新型中射频收发开关矩阵单元的方框结构图。

图4为本实用新型中射频收发子单元的方框结构图。

图5为本实用新型中数据采集与信号处理单元的方框结构图。

图中标号表示：1、MIMO成像天线阵列单元；101、发射天线阵列；102、接收天线阵列；2、射频收发开关矩阵单元；3、射频收发子单元；301、本振源；302、雷达发射机；303、雷达接收机；4、数据采集与信号处理单元；5、客户控制端。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

如图1至图5所示，本实施例的三维定位的生命探测雷达，包括数据采集与信号处理单元4、射频收发子单元3、射频收发开关矩阵单元2和MIMO成像天线阵列单元1；

射频收发子单元3，用于调制产生低频超宽带电磁信号，以及接收并解调目标反射回来的回波信号并发送至数据采集与信号处理单元4；

MIMO成像天线阵列单元1，包括由多个发射天线单元构成的发射天线阵列101、用于向外辐射射频收发子单元3产生的发射信号；以及由多个接收天线单元构成的接收天线阵列102，用于接收目标反射回来的回波信号；

射频收发开关矩阵单元2，位于射频收发子单元3与MIMO成像天线阵列单元1之间，用于实现发射信号和回波信号在不同天线单元构成的不同信号通道间的切换；

数据采集与信号处理单元4，用于控制射频收发子单元3产生发射信号，以及用于接收射频收发子单元3的目标反射回来的回波信号，进行分析成像和目标检测识别。

本实用新型的三维定位的生命探测雷达，采用MIMO成像天线阵列单元1，在发射端和接收端分别使用多个发射天线单元和接收天线单元，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善接收信号质量，具备非金属废墟强穿透能力、低发射功率、高灵敏度等特性以及多目标实时三维定位能力，能够在复杂灾害环境下，对建筑废墟内部被困人体目标快速实时三维定位，从而有利于提升现场搜索救援的准确性、搜救效率和提升参与搜救人员和受困人员的信心；另外低频超宽带发射信号，能够保证雷达的废墟穿透能力以及雷达探测精度。其中对于各单元中的功能描述，如调制产生电磁信号、接收解调回波信号、发射/接收信号、以及成像分析和目标检测识别均属于本领域技术人员已知的或者各单元本身具有的现有功能或者本领域技术人员利用现有的计算机程序开发平台和熟知的编程方法可以容易实现其功能的简单程序，不涉及对计算机程序本身提出的改进。

如图2所示，MIMO成像天线阵列单元1的任务是向外辐射电磁信号、接收目标反射的回波信号，主要包括M个发射天线单元（图2中的发射阵元）构成发射天线阵列101和N个接收天线单元（图2中的接收阵元）构成的接收天线阵列102。其中接收天线阵列102和发射天线阵列101均采用呈矩形的面阵结构，发射天线单元位于接收天线阵列102构成的面阵结构的周侧。一般情况下，M≥4、N≥4，各天线单元一般采用宽频带设计、波束宽度较大以便覆盖较大区域，如图2所示，M=4、N=16，其中16个接收天线单元构成4*4的矩形面阵结构，4个发射天线单元则位于此面阵结构的四角处。当然，在其它实施例中，也可以根据实际情况设计不同的布局方式。

如图3所示，本实施例中，射频收发开关矩阵单元2包括发射天线单元切换回路和接收天线单元切换回路，实现发射天线单元切换回路的发射顺序控制以及接收天线单元切换回路的切换顺序控制；其中发射天线单元切换回路包括多个发射开关，分别与多个发射天线单元一一对应连接；接收天线单元切换回路包括多个接收开关，分别与多个接收天线单元一一对应连接。另外，各接收开关的前端设置有依次串联的噪声放大器（用于提升接收的灵敏度）和滤波器（用于滤除干扰信号）。其中发射开关和接收开关均采用微波开关，通断时间不超过150ns。通过射频收发开关矩阵单元2实现电磁波信号在不同信号通道间的灵活切换，发射接收信号通道各保有一个实体通道，在保证系统功能实现的前提下降低了系统的复杂度，提升了可靠性。采用四个发射天线单元轮巡发射、所有接收天线单元轮巡接收的方式，在不增加系统复杂度的前提下，实现高精度三维定位，而且系统的稳定性高。

如图4所示，本实施例中，射频收发子单元3包括本振源301、雷达发射机302和雷达接收机303。本振源301的功能是产生射频信号与雷达发射机302产生的中频信号进行上混频以调制产生发射信号，以及产生射频信号与接收的回波信号进行下混频以解调出携带的目标信息；雷达发射机302的功能是在数据采集与信号处理单元4的控制下产生中频信号与本振源301进行上混频后，形成一定频段范围和功率范围的电磁波信号传输给发射天线单元切换回路进行选择；雷达接收机303接收由接收天线单元切换回路中经接收开关选通的某一路目标回波信号、与本振源301产生的射频信号下混频后的中频信号经放大及滤波后传递给数据采集与信号处理单元4。另外，射频收发子单元3还包括位于发射开关与接收开关之间的收发链路校准通道，用于校准时延、信号通道相位及幅度，提升成像精度。

如图5所示，本实施例中，数据采集与信号处理单元4包括：DAC模块，用于产生数模转换的调制中频信号；ADC模块，用于对回波信号的中频信号进行模数转换；FPGA模块，用于控制DAC模块产生调制中频信号，以及对经ADC模块处理后的数据进行预处理（排序、滤波等）；以及DSP模块，用于将经FPGA模块预处理的数据进行分析成像和目标检测识别。另外，数据采集与信号处理单元4还包括无线通讯模块（如WIFI模块），无线通讯模块与DSP模块相连。

本实施例中，还包括客户控制端5，客户控制端5通过WIFI模块与数据采集与信号处理单元4相连，用于下发控制指令给数据采集与信号处理单元4执行、以及对数据采集与信号处理单元4自身状态以及分析结果进行显示。

本实施例中，采用MIMO架构的低频超宽带雷达体制进行系统设计。低频段的电磁波波长较长，由于电磁波传播过程中的衰减与其波长存在指数关系，波长较长的电磁波在传播过程中通过同样长度的相同媒质时其衰减相对较低、因而具有较好的穿透性，适用于废墟穿透探测场景，同等条件下，低频段电磁波可以获得更高的信噪比；超宽带指工作频带宽，具有发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点；采用MIMO技术设计，多个发射天线单元从不同位置发射电磁波，多个接收通道从不同位置处接收由不同位置处发射的电磁波产生的目标回波信息，得到了更多的目标体的有效属性信息，而不仅仅是单个发射单个接收时信息的简单累加，可以获得更高的信噪比、更远的探测距离、目标数量、目标的精确三维位置等信息。也就是说，M个发射单元N个接收单元的MIMO生命探测雷达，所获得的收益远大于M*N个单发单收生命探测雷达。

其中MIMO多发多收（多输入多输出）技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善信号质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势，最先用于通信系统设计。20世纪以来，MIMO雷达作为一种新的雷达体制，受到人们关注。MIMO雷达使用多个正交的信号来探测目标，接收端的每个阵元接收所有发射信号并通过匹配滤波分选得到多路回波，从而引入了远多于实际物理阵元数目的观测通道和自由度，与传统的单/多基地或相控阵雷达相比极大地提高了雷达的总体性能。MIMO雷达实际上是一种多通道雷达系统，多通道数据进行联合处理有助于提高雷达的各项性能。

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

Claims (10)

1.一种三维定位的生命探测雷达，其特征在于，包括数据采集与信号处理单元（4）、射频收发子单元（3）、射频收发开关矩阵单元（2）和MIMO成像天线阵列单元（1）；

所述射频收发子单元（3），用于调制产生低频超宽带的电磁发射信号，以及接收并解调目标回波信号并发送至所述数据采集与信号处理单元（4）；

所述MIMO成像天线阵列单元（1），包括由多个发射天线单元构成的发射天线阵列（101）、用于向外辐射射频收发子单元（3）产生的发射信号；以及由多个接收天线单元构成的接收天线阵列（102），用于接收目标反射回来的回波信号；

所述射频收发开关矩阵单元（2），位于所述射频收发子单元（3）与所述MIMO成像天线阵列单元（1）之间，用于实现发射信号和回波信号在不同天线单元构成的不同信号通道间的切换；

所述数据采集与信号处理单元（4），用于控制所述射频收发子单元（3）产生发射信号，以及用于接收射频收发子单元（3）的目标回波信号，进行分析成像和目标检测识别。

2.根据权利要求1所述的三维定位的生命探测雷达，其特征在于，所述接收天线阵列（102）和发射天线阵列（101）均采用呈矩形的面阵结构。

3.根据权利要求2所述的三维定位的生命探测雷达，其特征在于，各所述发射天线单元位于接收天线阵列（102）构成的面阵结构的周侧。

4.根据权利要求1或2或3所述的三维定位的生命探测雷达，其特征在于，所述射频收发开关矩阵单元（2）包括发射天线单元切换回路和接收天线单元切换回路；

所述发射天线单元切换回路包括多个发射开关，分别与各发射天线单元一一对应连接；

所述接收天线单元切换回路包括多个接收开关，分别与各接收天线单元一一对应连接。

5.根据权利要求4所述的三维定位的生命探测雷达，其特征在于，各所述接收开关的前端设置有依次串联的用于提升接收灵敏度的噪声放大器和滤除干扰信号的滤波器。

6.根据权利要求4所述的三维定位的生命探测雷达，其特征在于，所述射频收发子单元（3）包括：

用于产生射频信号的本振源（301）；

用于产生中频信号并与射频信号进行上混频以调制发射信号的雷达发射机（302）；以及

用于接收回波信号并与射频信号进行下混频以解调出目标信息的雷达接收机（303）。

7.根据权利要求6所述的三维定位的生命探测雷达，其特征在于，所述射频收发子单元（3）还包括位于所述发射开关与接收开关之间的收发链路校准通道，用于校准时延、信号通道相位及幅度。

8.根据权利要求6所述的三维定位的生命探测雷达，其特征在于，所述数据采集与信号处理单元（4）包括：

DAC模块，用于产生数模转换后的调制中频信号；

ADC模块，用于对回波信号进行模数转换；

FPGA模块，用于控制DAC模块产生调制中频信号，以及对经ADC模块处理后的数据进行预处理；以及

DSP模块，用于将经FPGA模块预处理的数据进行分析成像和目标检测识别。

9.根据权利要求8所述的三维定位的生命探测雷达，其特征在于，所述数据采集与信号处理单元（4）还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与所述DSP模块相连。

10.根据权利要求1或2所述的三维定位的生命探测雷达，其特征在于，还包括客户控制端（5），所述客户控制端（5）与所述数据采集与信号处理单元（4）相连，用于下发控制指令给所述数据采集与信号处理单元（4）执行、以及对数据采集与信号处理单元（4）的分析结果进行显示。