專利名稱：隱蔽目標生命跡象探測方法及隱蔽目標探測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及雷達技術，特別涉及隱蔽目標探測識別技術。
技術背景隱蔽目標探測，是指對非電磁波透明介質屏障內目標的探測，如穿墻監領U ( through-the-wall surveillance, TWS )或穿±嗇成像 (through-the-wall imaging, TWI)，它能夠穿透墻壁等建筑屏障，并 對屏障后面的目標進行探測、定位、跟蹤和成像。反恐斗爭中對建筑 物內恐怖分子和人質的探測、定位、跟蹤和狀態分析，災害救援時對 廢墟中人員的搜索與救援等都屬于其應用領域。現有技術的雷達系統，可以實現對隱蔽目標的探測，但現有探測 技術對隱蔽的移動目標識別率低，特別是，如果目標處于靜止狀態， 現有探測技術不能識別其是否為有生命特征的目標。 發明內容本發明所要解決的技術問題，就是提供一種利用雷達技術探測隱 蔽的有生目標的方法及探測裝置，用于對隱蔽的移動目標進行探測、 定位，并對靜止的隱蔽目標進行生命特征探測。本發明解決所述技術問題，采用的技術方案是，隱蔽目標生命跡 象探測方法，包括以下步驟a.向目標發射電磁波；b.接收目標的反射波；C.根據目標反射波的微多普勒特征判斷目標的生命跡象。進一步的，所述微多普勒特征為生命運動對電磁波的調制。具體的，所述生命運動對電磁波的調制為相位調制。具體的，所述生命運動為人體的心跳和呼吸。進一步的，所述步驟C包括Cl.除去目標回波中的干擾信號和直流分量；c2.根據呼吸和心跳的微多普勒特征，采用低通濾波器和高通濾 波器分離呼吸信息和心跳信息；c3.對呼吸信息和心跳信息進行頻譜分析判斷有無生命跡象。 本發明的隱蔽目標探測裝置，由微波雷達構成，其特征在于，所述微波雷達具有兩種各種模式移動目標探測模式和生命跡象探測模式。進一步的，所述微波雷達包括收發前端、控制系統及信號處理系統；所述微波雷達工作在移動目標探測模式時，所述收發前端根據控 制系統的指令，發射步進頻率電磁波；所述微波雷達工作在生命跡象 探測模式時，所述收發前端根據控制系統的指令，發射單頻連續波。 進一步的，所述收發前濾波系統由4組低通濾波器構成；當所述 微波雷達工作在移動目標探測模式時，對應的低通濾波器截止頻率為 lMHz;所述微波雷達工作在生命跡象探測模式時，對應的低通濾波 器截止頻率為10Hz。具體的，所述進頻率電磁波頻率范圍為1 3GHZ;所述單頻連續波頻率為2GHz。進一步的，所述收發前端發射天線和接收天線采用超寬帶天線。 本發明的有益效果是，利用微波的穿透性，對隱蔽目標進行探測、定位。能夠對隱蔽目標的運動狀態進行準確的探測，并對靜止目標的生命特征進行探測和識別，可以廣泛應用于反恐斗爭、災害救援等領域。
圖1是實施例的結構示意圖；圖2是收發前端回波接收部分電路示意圖；圖3是信號處理系統示意圖；圖4是控制系統示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。 人體的重要生命特征，包括呼吸和心跳等，能引起皮膚的振動。例如， 一個正常人心跳的頻率約為0.8 2.5Hz，呼吸頻率約為0.2 0.5Hz，振動幅度約1 4mm左右。這些生命跡象能夠使雷達回波出 現微多普勒特征。W.R.Scott等人指出，未調制連續波對機械振動的探測靈敏度可 以達到10"m量級，并將此方法稱為振動電磁探測。因此，雖然人體 的上述生命特征非常微弱，但是還是可以實現探測。假設發射的單頻連續波為xW = 。 一般情況下，人在靜止不 動時，由于人體呼吸或心跳導致人的皮膚會有l 4mm的起伏，且具有周期性，這樣就可以建立相應的數學模型——雙諧函數，描述這一 過程。分別以巧=2*、 &=2(和 、A2表示人體的呼吸和心跳的頻率和幅度，^為恒定相位，則人體皮膚的運動Ar(O可以表示為綺)=A sin^)+z^ sin^+仍)當電磁波照射到人時，主要的反射發生在空氣一皮膚邊界。假設 天線和人皮膚之間平均距離為"。。則在某一時刻電磁波到達皮膚表面的距離可以寫成則接收信號可以表示為其中，^'和^分別是第i個靜止目標回波的幅度和時延；^是人 體的回波幅度；^ = 2""是波數，義是輻射電磁波波長，％=2&。。 接收信號經過正交相干接收，去除直流分量后可以得到接收信號為基于貝塞爾函數化簡后有上式中包括三部分譜分量，"=% = 0時的直流分量，巧、巧的基頻諧波，以及W'巧+附2^組成的高次諧波分量。接收信號包含了生 命運動的微多普勒特征。在實際處理中，通常在一給定的時間窗內對接收信號進行譜計，并且去除接收信號的直流分量。為了抑制旁瓣還必須對信號進行加窗處理，假設所加窗為漢明窗 w，則在有限的時間窗內y力)的傅立葉譜為772 ， 772因此有<formula>formula see original document page 8</formula>由K一)可知正交相干接收時譜的模與目標的距離"。無關。假設信號發射功率為5dBm，目標處于最遠距離且RCS (雷達反 射面)最小；基帶信號的低通濾波器截至頻率為10Hz;系統工作頻 率為2GHz;呼吸幅度為4mm,心跳幅度為lmm;查貝塞爾函數表，經計算可知呼吸回波的信號強度比心跳的回波強度高約25dB;呼吸回波信號分量的信噪比約為13dB。因此，靜止人體生命跡象是可如果回波中有其他動目標雜波干擾，可以采用跟蹤干擾譜峰的濾 波算法，對動目標干擾進行抑制，從而將動目標干擾的影響降到最小。 對于短時間干擾，由于呼吸和心跳具有周期性，且一直存在，可以變所以可采用先對回波數據進行跟蹤干擾譜峰濾波，再通過一個高 通和低通濾波器分離心跳和呼吸信息，分別對其進行譜分析，然后進 行有無生命跡象的判斷。上述過程已經通過仿真和試驗進行驗證。實施例如圖1所示，微波雷達由收發前端、控制系統、信號處理系統以 及電源系統組成。操作人員通過控制系統顯示模塊中的GUI (圖形用 戶界面)與系統實現人機交互，設置工作參數，使裝置各部分以一定 的時序關系相互協作，完成移動目標探測和生命跡象探測兩種功能模 式。收發前端電路完成信號的放大，混頻，濾波和IQ解調等主要功 能。它包括頻率步進信號源，中頻參考源，混頻器，耦合器，低噪聲 放大器，IQ解調器和濾波器等。它能根據控制信號完成靈活的控制， 包括定制起始和終止掃描頻率， 一個完整的掃描時間等內容；能夠產生1 3GHz的步進變頻連續波，用于移動目標定位與探測和合成孔 徑成像，或是產生單頻的連續波用于生命跡象檢測。圖2示出了這部 分電路中回波接收部分的示意圖，每一接收通道有4組低通濾波器 (LPF)。回波信號被接收天線接收，經過低噪聲放大、混頻、濾波、 IQ解調等前端處理，通過切換開關對IQ信號進行選擇，分別輸入低 通濾波器。對于移動目標探測模式，對應的低通濾波器截止頻率為 lMHz;對于生命跡象探測模式，其對應的低通濾波器截止頻率則為 10Hz。本例微波雷達采用超外差接收系統，能克服外差系統容易受頻率 源諧波影響，正交解調時容易受增益相位不平衡的影響和直流信號易 受閃爍噪聲影響等缺點。同時它采用一發雙收的接收方式，主要為了 用于對移動目標的橢圓交叉定位。天線采用超寬帶漸變隙天線。圖3時信號處理系統的示意圖。這部分電路的主要功能是將IQ解調后的數據，通過數模轉換器(ADC)進行AD轉換，變成數字信 號，然后進入SRAM (靜態存儲器)暫存，最后經過數字信號處理器 (DSP)處理，傳送給控制系統。圖中晶振為系統提供工作時鐘。信號處系統是整個雷達系統的重要組成部分，完成兩種工作模式 所需的信號及數據處理。信號處理系統必須能根據不同的工作模式完 成相應的信號處理任務，主要包括雜波抑制、生命跡象探測、移動目 標探測、虛假目標剔除等功能。本系統采用DSP+FPGA (數字信號處理器+可編程門陣列)的 方案來實現。DSP芯片采用兩片ADI公司的TigerSHARC系列TS203S 實現，此處理器片內集成了大容量的存儲器，性價比很高。該芯片內 核工作速率可達500MHz，完成一次復乘運算僅需要2ns時間。 一般 情況下，只要上一組數據處理時間小于下一組數據收集時間，就能滿 足實時性要求。本系統在不同的工作模式對處理性能有不同的要求。信號處理系統輸出數據顯示在控制系統的液晶顯示屏(LCD)上， 并通過人機GUI交互方式由控制系統完成雷達參數的設置和工作模 式選擇等功能，采用嵌入式計算機結構形式。控制系統結構如圖4所 示。其中32位微控制器(MCU)采用Atmel公司的ARM9系列產品，其主頻達到200MHz; FPGA主要實現總線接口、液晶顯示驅動、時 鐘管理等功能，可選用Cyclone II完成。整個雷達系統的工作主要過程如下1、 系統啟動工作給系統加上電源，按下系統啟動按鈕，開始預熱，系統進入工作準備階段。2、 系統準備工作預熱完畢嵌入式計算機系統啟動，進入GUI界面，在LCD上顯示。參數設置操作人員通過鍵盤將工作的起始時刻，工作模式選擇 以及與此工作模式相應的低通濾波器參數選擇，波形代碼(正弦)， 掃描參數(包括掃描的起始頻率，頻率步長，終止頻率，掃描周期)，掃描次數，衰減器值等鍵入GUI。若要實現場景成像模式還需設置天 線運動參數及PRF (脈沖重復頻率)，掃描時間周期等工作等待從GUI中獲取系統所有工作參數，并進計算。然后將所得參數以2進制數的形式傳送給FPGA。 FPGA進入工作等待， 當設置的工作時刻的上升沿到來時，開始作為控制中心控制各個模塊 工作。3、 發射各單元準備工作當檢測到所設置的工作起始時刻的上 升沿到來，發射各單元在FPGA的控制下開始準備工作。DDS (數字式頻率合成器)準備工作FPGA發出DDS復位信 號，DDS復位同時發DDS使能信號，使DDS開始工作，并將工作 模式和工作參數碼發送給DDS。然后等待DDS就緒信號。FPGA將衰減器參數送入衰減器，以控制最終的發射波形幅度變化。FPGA控制收發前端的所有單刀多擲開關進行通路選擇。
4、 本振波形觸發由FPGA檢測到DDS的就緒信號后等待一定 時間，由FPGA發出波形觸發脈沖，控制DDS產生需要的SFCW (頻 率步進波)本振信號，觸發脈沖的間隔應為一次掃描時間加上很短的 工作間隙。與此同時，控制系統FPGA進入步驟8。
5、 發射波形產生(下變頻)將本振信號與參考中頻下變頻后， 經衰減后由發射天線發射出去。
6、 回波中頻產生將本振信號分別與兩路回波信號下變頻后， 經窄帶中頻濾波器濾波后，得到兩路回波中頻信號。
7、 IQ正交解調將兩路回波中頻信號分別進行IQ正交解調， 并將結果Il， Ql， 12， Q2分別送入四個AD轉換器。
8、 數據采樣與轉換控制當FPGA產生波形觸發脈沖的同時， FPGA同時將產生AD片選信號，四個AD轉換器在內部采樣時鐘控 制下開始對輸入模擬信號進行采樣，FPGA等待很短的時間后發送 CNVST (低有效)脈沖信號，AD轉換器啟動轉換，之后BUSY信號 維持為高電平。轉換結束后，BUSY信號變為低。在BUSY信號下降 沿時，FPGA開始取走數據，將數據放入FIFO輸入緩沖隊列中，與 此同時發出啟動下次轉換的CNVST脈沖。如此反復，直至一次A掃 描結束，返回步驟4，等待下一次波形觸發脈沖(間隔很短)。這里需要注意的是1)若在工作過程中需要切換工作模式，需要操作人員通過GUI重新選擇模式，鍵入新的參數值，以及工作等待，并重復上述步驟，系統方可開始新的工作狀態。2)數據經AD 采樣轉換后送至FPGA,又先后經預處理，SRAM暫存，DSP處理等 步驟后，最終送至ARM并由LCD顯示出結果。本發明可對隱蔽的運動目標進行探測、定位、跟蹤和成像，尤其 是對隱蔽人體的探測，可以用于反恐、災難救援、執法監視、警戒等 領域。
權利要求
1.隱蔽目標生命跡象探測方法，包括以下步驟a.向目標發射電磁波；b.接收目標的反射波；c.根據目標反射波的微多普勒特征判斷目標的生命跡象。
2. 根據權利要求1所述的隱蔽目標生命跡象探測方法，其特征 在于，所述微多普勒特征為生命運動對電磁波的調制。
3. 根據權利要求2所述的隱蔽目標生命跡象探測方法，其特征 在于，所述生命運動對電磁波的調制為相位調制。
4. 根據權利要求2或3所述的隱蔽目標生命跡象探測方法，其 特征在于，所述生命運動為人體的心跳和呼吸。
5. 根據權利要求4所述的隱蔽目標生命跡象探測方法，其特征 在于，所述步驟c包括cl.除去目標回波中的干擾信號和直流分量； c2.根據呼吸和心跳的微多普勒特征，采用低通濾波器和高通濾 波器分離呼吸信息和心跳信息；c3.對呼吸信息和心跳信息進行頻譜分析判斷有無生命跡象。
6. 隱蔽目標探測裝置，由微波雷達構成，其特征在于，所述微 波雷達具有兩種各種模式移動目標探測模式和生命跡象探測模式。
7. 根據權利要求6所述的隱蔽目標探測裝置，其特征在于，所 述微波雷達包括收發前端、控制系統及信號處理系統；所述微波雷達 工作在移動目標探測模式時，所述收發前端根據控制系統的指令，發射步進頻率電磁波；所述微波雷達工作在生命跡象探測模式時，所述 收發前端根據控制系統的指令，發射單頻連續波。
8. 根據權利要求7所述的隱蔽目標探測裝置，其特征在于，所 述收發前端包括接收通道濾波系統；所述接收通道濾波系統由4組低 通濾波器構成；當所述微波雷達工作在移動目標探測模式時，對應的 低通濾波器截止頻率為lMHz;所述微波雷達工作在生命跡象探測模 式時，對應的低通濾波器截止頻率為10Hz。
9. 根據權利要求7所述的隱蔽目標探測裝置，其特征在于，所述步進頻率電磁波頻率范圍為1 3GHz;所述單頻連續波頻率為2GHz。
10. 根據權利要求7所述的隱蔽目標探測裝置，其特征在于，所 述收發前端發射天線和接收天線采用超寬帶天線。
全文摘要
本發明涉及雷達技術，特別涉及隱蔽目標探測識別技術。本發明公開了一種利用雷達技術探測隱蔽的有生目標的方法及探測裝置。本發明的隱蔽目標探測裝置，由微波雷達構成，其特征在于，所述微波雷達具有兩種各種模式移動目標探測模式和生命跡象探測模式。本發明的有益效果是，利用微波的穿透性，對隱蔽目標進行探測、定位。能夠對隱蔽目標的運動狀態進行準確的探測，并對靜止目標的生命特征進行探測和識別，可以廣泛應用于反恐斗爭、災害救援等領域。
文檔編號G01S13/02GK101324666SQ200710049320
公開日2008年12月17日 申請日期2007年6月16日 優先權日2007年6月16日
發明者周正歐, 孔令講, 楊建宇, 楊曉波 申請人:電子科技大學
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