一种基于UWB 生物雷达的扫描探测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法及系统，属于生物雷达探测技术领域，包括：1）对UWB生物雷达系统参数进行初始化设置，然后设定最远探测距离、起始距离、时窗及扫描模式；2）根据起始距离由近及远分区域进行扫描，判断该区域是否达到了设定的最远探测距离；3）通过检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，如果无生命迹象，则说明该区域不存在人体目标，则增大起始距离对下一个区域进行扫描；如果有生命迹象，则根据初始设定的扫描模式进行相应的检测和处理。该方法能够在未知人体目标距离的情况下，解决人体目标的探测识别问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法及系统
本专利技术属于生物雷达探测
，具体涉及一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法及系统。
技术介绍
生物雷达是一种用于生命体目标探测和识别的特殊形式雷达，是国际科技界公认的新兴前沿技术。该技术主要以人体为探测目标，以雷达发射的电磁波为载体，能穿透废墟、墙壁等障碍，检测到人体目标的运动，或呼吸、心跳等生命体征引起的体表微动，进而判断有无目标的存在。生物雷达具有非接触、穿透力强、能精确定位的特点，在生物医学、国家安全、应急救援等领域具有广泛的应用前景。生物雷达主要采用窄带连续波（ContinuousWave,CW）和超宽谱（UltraWideband,UWB）两种体制的雷达技术。相比而言，UWB生物雷达具有较强的穿透能力、良好的近场性能和目标识别能力。特别是其具有距离信息，不仅能探测和识别人体目标的有无，而且能进一步实现目标的测距或定位。在穿透障碍物（墙壁、废墟等）条件下，UWB生物雷达以人体目标的呼吸为探测指标，并以此为依据判断目标的有无。现阶段，UWB生物雷达技术研究大都围绕微弱呼吸信号的检测和识别，已经取得了较好的效果。但是在实际使用中，人体目标距离通常未知。对这一问题的忽视将导致UWB生物雷达难以用于实际场合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法及系统，该方法基于UWB生物雷达的距离信息和相关控制参数，在未知人体目标距离的情况下，实现对目标的有效覆盖和可靠探测，从而解决人体目标的探测识别问题。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法，包括以下步骤：1）对UWB生物雷达系统参数进行初始化设置，然后设定最远探测距离、起始距离、时窗及扫描模式；2）根据起始距离，由近及远分区域进行扫描，判断该区域是否达到了设定的最远探测距离，如果达到则结束探测，未达到则对该区域进行生命探测识别；3）通过检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，如果无生命迹象，则说明该区域不存在人体目标，则增大起始距离对下一个区域进行扫描；如果有生命迹象，则对人体目标进行识别和测距，然后根据初始设定的扫描模式进行相应的操作，得出探测结果。所述的生物雷达系统参数包括发射脉冲的重复频率，回波接收采样点数和回波接收采样速度。所述的最远探测距离由预期探测区域的实际距离决定。所述时窗决定了每次探测中UWB生物雷达覆盖的相对距离范围，对应回波信号的延迟时间，时窗与距离的换算关系满足式（1）：其中，d为距离，τ为时窗，c为光速，εr为电磁脉冲传播介质的相对介电常数，2倍代表脉冲的双程走时。所述的扫描模式包括单目标扫描模式和多目标扫描模式。所述的单目标扫描模式是当生命探测识别为有目标时，UWB生物雷达会对当前区域进行重复探测识别，UWB生物雷达对距离雷达最近的人体目标做出反应。所述的多目标扫描模式是当生命探测识别为有目标时，UWB生物雷达会对当前目标进行标记，进而对下一个区域继续进行探测。所述的检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，是实现生命探测识别的过程，该过程是在噪声和背景杂波中估计正弦函数的幅度、频率和延时，表现为式（2）：H0假设表示回波中只包含噪声和杂波，没有生命迹象；H1假设表示有人体目标生命迹象存在；式中r(t,τ)表示UWB生物雷达回波信号，其中t和τ分别表示时间和距离；w(t,τ)表示噪声和杂波，A(τ)和fb分别表示人体呼吸的幅度和频率，其中后者随距离变化；当H1假设成立时，人体目标的距离信息可以按照式（3）估计：上式表示目标距离选取呼吸能量最大的一点。所述的UWB生物雷达采用冲击脉冲体制，发射脉冲的宽度控制在ns级别，频谱宽度和中心频率均为500MHz。一种实现上述扫描探测方法的UWB生物雷达扫描探测系统，包括雷达主机、收发天线和用于控制雷达主机工作状态的控制显示单元，所述的雷达主机包括脉冲发射器、发射机、时域逻辑单元、控制单元、接收机和模拟数字转换器；脉冲发生器产生的窄脉冲和脉冲分别送至发射机和时域逻辑单元，窄脉冲在发射机被整形后，通过收发天线辐射出去；脉冲送至时域逻辑单元后，在控制单元的操控下产生延迟时间可控的距离门，同时触发接收机对回拨信号进行采样，采样后的回波信号经模拟数字转换器采集后被送至控制显示单元，控制显示单元对回波数据进行处理，检测其中包含的人体呼吸信号后对人体目标进行识别和测距，得出探测结果。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术基于距离门技术，考虑到了实际使用中目标距离未知的情况，对UWB生物雷达系统参数的初始化设置，对一定距离范围内的回波进行选择性接收采样，得到的雷达回波为包含距离和时间二维信息的信号，在此基础上，通过时窗和起始距离两个可控系统参数改变距离门，对雷达天线前方由近及远分区域扫描探测人体目标，区域之间的转换由生物雷达自动完成，并且根据生命探测识别结果和所选扫描模式可进行不同的操作处理，从而能够在未知人体目标距离的情况下，实现对目标的有效覆盖和可靠探测。本专利技术提高了UWB生物雷达的实用性，同时为UWB生物雷达人体目标的定位提供技术参考。附图说明图1为本专利技术的UWB生物雷达系统的工作原理框图；图2为本专利技术的UWB生物雷达扫描探测方法的流程图；图3为UWB生物雷达扫描探测的模拟场景图；图4为UWB生物雷达扫描探测的模拟结果。具体实施方式下面结合具体的附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。参见图1，本专利技术的UWB生物雷达扫描探测系统，包括雷达主机、收发天线和用于控制雷达主机工作状态的控制显示单元，所述的雷达主机包括脉冲发射器、发射机、时域逻辑单元、控制单元、接收机和模拟数字转换器。UWB生物雷达的工作原理如下：脉冲发生器产生一定脉冲重复频率的窄脉冲，送到发射机整形后通过发射天线辐射出去。收发天线中心频率和带宽同为400MHz，波束覆盖角度约为60°。与此同时，脉冲发生器产生的脉冲被送到时域逻辑单元，并在控制单元的控制下产生延迟时间可控制的距离门，触发接收机对回波信号进行采样。距离门相对发射脉冲的延时，即脉冲在雷达与目标之间的双程走时。知道了这一走时，就可以得到目标相对于雷达的径向距离。本专利技术所涉及的UWB生物雷达采用冲激脉冲体制。发射脉冲的宽度控制在ns级别，对应的频谱宽度和中心频率均为500MHz，能同时保证穿透能力和对人体呼吸的检测精度。基于距离门技术，UWB生物雷达可对一定距离范围内的回波进行选择性接收采样。因此，UWB生物雷达回波信号为包含时间和距离信息的二维回波信号。采样后的回波信号经ADC（AnalogDigitalConverter，模拟数字转换器）高速采集后送至控制显示单元。该单元对回波数据进行处理，检测其中包含的人体呼吸信号，在此基础上对人体目标进行识别和测距，进而给出探测结果。与此同时，控制显示单元可对UWB生物雷达的系统参数进行设置，控制雷达主机的工作状态。特别是周期性地控制距离门的延迟时间，实现对设定距离范围内的扫描探测。该距离范围由起始距离和时窗两个参数决定，对应二维平面内的一扇形区域；而调整起始距离，从而实现对任意距离的扫描探测。本专利技术的基于UWB生物雷达的扫描探测方法，具体流程参见图2：首先，对UWB生物雷达系统进行初始化，设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法，其特征在于，包括以下步骤：1）对UWB生物雷达系统参数进行初始化设置，然后设定最远探测距离、起始距离、时窗及扫描模式；2）根据起始距离，由近及远分区域进行扫描，判断该区域是否达到了设定的最远探测距离，如果达到则结束探测，未达到则对该区域进行生命探测识别；3）通过检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，如果无生命迹象，则说明该区域不存在人体目标，则增大起始距离对下一个区域进行扫描；如果有生命迹象，则对人体目标进行识别和测距，然后根据初始设定的扫描模式进行相应的操作，得出探测结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB生物雷达的扫描探测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对UWB生物雷达系统参数进行初始化设置，然后设定最远探测距离、起始距离、时窗及扫描模式；所述的最远探测距离由预期探测区域的实际距离决定；所述时窗决定了每次探测中UWB生物雷达覆盖的相对距离范围，对应回波信号的延迟时间，时窗与距离的换算关系满足式(1)：其中，d为距离，τ为时窗，c为光速，εr为电磁脉冲传播介质的相对介电常数，2倍代表脉冲的双程走时；所述的扫描模式包括单目标扫描模式和多目标扫描模式；2)根据起始距离，由近及远分区域进行扫描，判断该区域是否达到了设定的最远探测距离，如果达到则结束探测，未达到则对该区域进行生命探测识别；3)通过检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，如果无生命迹象，则说明该区域不存在人体目标，则增大起始距离对下一个区域进行扫描；如果有生命迹象，则对人体目标进行识别和测距，然后根据初始设定的扫描模式进行相应的操作，得出探测结果；所述的检测人体呼吸做出有无生命迹象的判断，是实现生命探测识别的过程，该过程是在噪声和背景杂波中估计正弦函数的幅度、频率和延时，表现为式(2)：

【专利技术属性】
技术研发人员：吕昊，王健琪，荆西京，李钊，张杨，焦腾，于霄，薛慧君，
申请(专利权)人：中国人民解放军第四军医大学，
类型：发明
国别省市：