一种超宽带MIMO雷达生命体征探测定位方法技术

本发明专利技术属于超宽带雷达信号处理技术领域，公开了一种超宽带MIMO雷达生命体征探测定位方法。本发明专利技术主要包括以下步骤：(1)对MIMO雷达多个通道回波数据进行重排列；(2)对目标区域进行序惯相干成像及补偿；(3)沿时间维带通滤波；(4)计算生命体胸腔表面的位置；(5)去除杂波以及直流偏置；(6)取相位得到生命体征信号；(7)呼吸和心跳信号分离。(8)呼吸和心跳信号峰值检测，计算瞬时呼吸率和心率；(9)滑动时间窗动态测量。利用本发明专利技术能够对废墟下、建筑物内被困人员进行三维定位与生命体征测量，其信号处理增益高，定位精度高，实时性好，可以实现瞬时呼吸率和心率测量。

【技术实现步骤摘要】
一种超宽带MIMO雷达生命体征探测定位方法
本专利技术属于超宽带雷达信号处理
，涉及一种利用超宽带MIMO(多发多收)雷达进行生命体探测定位并同时进行呼吸、心跳体征测量的方法。
技术介绍
电磁波能穿透非导体介质，特别是低频电磁波能够穿透砂石、混凝土、砖墙等材料而且不易受环境、天候影响，在塌方、火灾等灾害救援中具有重大应用价值，能够用于探测被困于废墟或建筑物内的人员，从而及时营救被困人员以减少伤亡。目前市面上的生命探测雷达采用的信号体制主要有：(1)连续波雷达，能够探测有无生命体及其呼吸、心跳等微动信息，但无法定位被困人员的位置，增加了救援工作量，导致救援进度延误，不利于在黄金救援时间内营救被困人员；(2)超宽带雷达，具体而言有脉冲超宽带(IR-UWB)、线性调频连续波(FMCW)、步进频率连续波(SFCW)等信号形式，由于超宽带信号具有较高的距离向分辨率，所以可以对人体目标进行精准测距，但传统的单发单收体制无法实现方位向分辨，所以仍然无法实现目标的三维定位。目前出现的分布式超宽带雷达技术虽然能够实现人体目标的三维定位，但其相干性差，信噪比低，容易受到干扰，在实际中难以有效应用。通过采用多通道阵列技术，利用恰当设计的具有多个收发通道的雷达，如单发多收、多发多收雷达，能够实现空间上的波束合成，从而对目标进行三维定位。超宽带MIMO雷达可以获得生命体的距离向、方位向信息，有利于对目标进行精准的三维定位，此外还可以区分多个生命体目标并提取其呼吸、心跳等微动信息，是超宽带生命探测雷达的关键技术，也是国内外生命探测雷达领域的研究热点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术存在的无法三维定位、相干性差、易受干扰等不足，公开一种超宽带MIMO雷达生命探测和定位方法，该方法具有频率测量准确、定位精确、信噪比高、实时性好、易于实施的特点。为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：一种超宽带MIMO雷达生命探测定位方法，包括以下步骤：(1)对MIMO雷达采集的多个通道的步进频率回波数据进行重排列，形成三维复数矩阵其中，是复数域，G是MIMO雷达的通道数，K是发射的SFCW信号的频点数量，步进频率依次为f0，f0+Δf，…，f0+(K-1)Δf，其中f0是起始频率，Δf是频率步进量，Q是回波帧数；(2)利用每一帧雷达回波数据对目标区域进行相干成像及补偿，得到三维复数雷达图像其中M×N×L是观测区在三维空间上划分网格的数量，将多帧三维图像按时间顺序拼接，形成四维张量其中t＝qΔt＝q/Eps，q＝0，1，…，Q-1，Δt是帧采样时间间隔，Fps为对应的帧率；(3)对张量It(x，t)沿时间维带通滤波，滤波器的通带为0.1Hz～3Hz，滤波后的信号Ip(x，t)去除了杂波和噪声的影响，反映了生命体的微动；(4)计算张量Ip(x，t)沿第4维的方差，方差最大对应的位置就是生命体胸腔表面的位置。其中代表使函数值最大时自变量x的取值，Ip(x，qΔt)是Ip(x，t)在时刻qΔt的离散时间采样；(5)对张量进行补偿校正，去除杂波以及直流偏置的张量其中j是虚数单位，是估计的同相直流分量和正交直流分量。直流偏置校正要根据数据计算出信号拟合的椭圆的中心坐标，将信号数据拟合出的标准椭圆方程表示为R′2+A′·M′2+B′·R′·M′+C′·R′+D′·M′+E′＝0，其中R′是的实部，M′是的虚部，A′，B′，C′，D′，E′分别为标准椭圆方程的参数，将张量数据代入椭圆方程，根据最小二乘解得[A′，B′，C′，D′，E′]＝(GTG)-1GTb，其中解得(6)对直流偏置校正后的取相位得到将作为生命体征信号，离散时间采样后的生命体征信号为其中取相位的计算方法是其中Re(q)是的实部，Im(q)是的虚部，是的第q个离散取值；(7)呼吸和心跳信号分离，利用自适应噪声集合经验模态分解方法对生命体征信号分解得到包含U个本征模态的集合{IMF1(t)，IMF2(t)，…，IMFU(t)}，去除噪声和干扰的影响，并计算第u个本征模态的峰度计算式为其中Q是回波帧数，IMFu(qΔt)是第q个回波时刻第u个本征模态的值；根据指定的置信概率η，如果某一本征模态的峰度在置信区间内，则该本征模态为噪声，将其从本征模态集合中去除，其中置信区间的计算式为计算每个本征模态的频谱，如果该本征模态的频谱能量主要分布于呼吸和心跳频率范围外，则将该本征模态从本征模态集合中去除；将去除了噪声和干扰的本征模态集合作为独立成分分析的输入，通过独立成分分析方法恢复混合前的呼吸和心跳信号sr(t)和sh(t)；利用独立成分分析方法求解方程X＝MS，其中X为独立成分分析的测量矩阵，由去除了噪声和干扰的本征模态构成，M为混合矩阵，S为独立分量，确定信号个数为2，计算得到解混矩阵W，确定S＝WX，S的两行分别记为分量s1(t)和s2(t)；利用快速傅里叶变换分别计算s1(t)和s2(t)的功率谱，得到功率谱峰值对应的频率，频率低的分量对应呼吸信号sr(t)，频率高的分量对应心跳信号sh(t)；(8)提取瞬时呼吸率和心率；分别对恢复的呼吸和心跳信号进行峰峰值检测，峰峰值之间的时间间隔的倒数就是其瞬时呼吸率和心率；(9)对(1)中得到的雷达回波数据采用滑动时间窗，然后重复步骤(2)～(8)实现对生命体目标实时动态的探测与定位。本专利技术公开的超宽带MIMO雷达生命体征探测定位方法，通过对MIMO雷达多个通道的回波信号进行相干叠加，然后提取相位信息，进而利用先进的信号处理算法确定被困人员的呼吸、心跳等生命体征，同时获得被困人员的方位、距离等三维位置信息，实现对废墟下、建筑物内被困人员的精准定位与生命体征测量。与现有技术相比，超宽带MIMO雷达降低了生命探测雷达系统的成本，同时还提高了系统的探测性能，本专利技术处理后极大提高了信噪比，信噪比改善程度与通道数目和步进频率数目的乘积成正比，典型参数下信噪比提高60dB以上，可实现亚毫米级的微弱人体呼吸和心跳微动信号测量，此外，利用相位相干信息提取的生命体征信号避免了呼吸谐波的干扰，从而能够准确测量心率。综上所述，本专利技术具有如下有益效果：效果一，信号处理增益高，相位相干计算实现对微弱生命体征信号的探测；效果二，位置测量精度高，结合生命体征探测实现精确的人体目标三维定位；效果三，频率测量精度高，时域计算实现瞬时呼吸率和心率测量。附图说明图1为本专利技术方法处理流程示意图；图2为某一距离深度对应的二维雷达图像；图3为相位校正前和校正后的数据分布图；图4为提取的生命体征信号；图5为自适应噪声集合经验模态分解后的本征模态分量；图6为独立成分分析后得到的呼吸和心跳信号波形；图7为分离的呼吸和心跳信号对应的瞬时频率。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超宽带MIMO雷达生命体征探测定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n(1)对MIMO雷达采集的多个通道的步进频率回波数据进行重排列，形成三维复数矩阵

【技术特征摘要】
1.一种超宽带MIMO雷达生命体征探测定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)对MIMO雷达采集的多个通道的步进频率回波数据进行重排列，形成三维复数矩阵其中，是复数域，G是MIMO雷达的通道数，K是发射的SFCW信号的频点数量，步进频率依次为f0，f0+Δf，…，f0+(K-1)Δf，其中f0是起始频率，Δf是频率步进量，Q是回波帧数；
(2)利用每一帧雷达回波数据对目标区域进行相干成像及补偿，得到三维复数雷达图像其中M×N×L是观测区在三维空间上划分网格的数量，将多帧三维图像按时间顺序拼接，形成四维张量其中t＝qΔt＝q/Fps，q＝0，1，…，Q-1，Δt是帧采样时间间隔，Fps为对应的帧率；
(3)对张量It(x，t)沿时间维带通滤波，滤波器的通带为0.1Hz～3Hz，滤波后的信号Ip(x，t)去除了杂波和噪声的影响，反映了生命体的微动；
(4)计算张量Ip(x，t)沿第4维的方差，方差最大对应的位置就是生命体胸腔表面的位置；



其中代表使函数值最大时自变量x的取值，Ip(x，qΔt)是Ip(x，t)在时刻qΔt的离散时间采样；
(5)对张量进行补偿校正，去除杂波以及直流偏置的张量其中j是虚数单位，是估计的同相直流分量和正交直流分量；直流偏置校正要根据数据计算出信号拟合的椭圆的中心坐标，将信号数据拟合出的标准椭圆方程表示为R′2+A′·M′2+B′·R′·M′+C′·R′+D′·M′+E′＝0，其中R′是的实部，M′是的虚部，A′，B′，C′，D′，E′分别为标准椭圆方程的参数，将张量数据代入椭圆方程，根据最小二乘解得[A′，B′，C′，D′，E′]＝(GTG)-1GTb，其中



解得
(6)对直流偏置校正后...

【专利技术属性】
技术研发人员：金添，李志，伍晨，戴永鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43