CN109738885A - 一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统及方法，包括雷达主机和手持终端，所述雷达主机包括电源模块、中央处理器、发射单元、接收单元、发射天线、接收天线及通信单元，由所述手持终端向雷达主机发送生命探测命令，系统接收到命令后产生随机码调制正弦波信号,经功率放大器放大后由发射天线发射，对目标区域进行生命探测，接收天线接收到的回波信号经低噪放大器放大后由正交解调器进行解调，数据采集模块对解调后的信号进行采集，然后输出至中央处理器进行生命信息及位置信息的提取，并将分析判断结果传输至手持终端进行显示。本系统将随机码信号引入到传统多普勒生命探测雷达中，反应灵敏，分辨率高，抗干扰能力强。

Description

一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统及方法

技术领域

本发明涉及人体目标生命探测设备领域，尤其涉及一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统及方法，可同时获得人体目标的生命信息和位置信息。

背景技术

在我国，地震、泥石流等自然灾害时有发生，如何在灾后快速发现幸存者成为提高搜救效率的关键。生命探测仪是通过探测人体的心跳、血压、体温、呼吸等生命信息来确定特定的区域目标有无生命迹象的仪器。目前市场上存在的生命探测仪主要包括音频生命探测仪、视频生命探测仪、红外生命探测仪、气敏生命探测仪以及雷达式生命探测仪。音频、视频、红外、气敏式生命探测仪容易受环境噪音、温度和现场可见度等外界因素影响，而雷达式生命探测仪是将雷达技术与生物医学信号检测技术相结合，基于雷达回波上产生的时域多普勒效应来分析判断有无生命体存在以及生命体的具体位置信息，具有良好的障碍物穿透能力以及受环境因素干扰较小的明显优势。因此生命探测雷达系统的研究对提高我国灾后救援能力、减少人员伤亡等具有重要意义。

上世纪90年代后期，美国的佐治亚技术研究所研制的CW(单频连续波) 雷达利用单频连续波回波信号的相位变化对人体目标的生命信息进行检测，单频连续波雷达反应灵敏，结构简单，但只能探测人体目标的生命信息而不能获得目标的位置；俄罗斯的IJImmoreev等人研制了用于应急救援的UWB(超宽带脉冲)雷达，超宽带脉冲雷达利用回波脉冲信号的时延变化对人体目标的生命信息和位置信息进行检测，具有穿透能力强，距离分辨率高，杂波抑制能力强的优点，但信号处理过程较为复杂并且最大探测距离与分辨率之间存在着无法调和的矛盾。2005年，土耳其ILHT(International Laboratory for HighTechnology) 实验室研制了步进频率连续波生命探测雷达系统，步进频率连续波生命探测雷达利用步进频率连续波回波信号和发射信号之间的频率差和相位变化进行人体目标生命信息和位置信息的探测，克服了多普勒雷达不能定位的缺点，但步进频率连续波的信号发生装置较为复杂且回波信号处理的计算量十分庞大，实时性较差。 2012年，美国宾利法尼亚大学Narayanan Ram.M.等人提出了一种基于超宽带的噪声和正弦连续波的新型生命探测雷达系统，该系统通过模式开关对系统工作模式进行控制，利用超宽带噪声对墙后目标进行定位，利用正弦连续波对目标生命信息进行探测，该系统解决了单频连续波不能测得目标位置的缺点，但硬件结构比较复杂，并且噪声信号的信号幅度较小，难以进行远距离的生命探测。

随机码信号具有类噪声特性和较强的抗干扰能力，产生方法简单并且容易获得较大功率，其模糊函数为理想的“图钉型”使得它具有无模糊测距、测速性能和良好的距离、速度分辨率。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统及方法，相比于单频连续波生命探测雷达，该系统可同时探测人体的生命信息和位置信息，相比于步进频率连续波生命探测雷达及超宽带脉冲生命探测雷达，该系统信号发生装置和后续信号处理较为简单，具有穿透能力强，探测精度高，抗干扰能力强以及操作简单方便的优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统，其包括雷达主机和手持终端，所述雷达主机主要包括：电源模块、中央处理器、发射单元、接收单元、通信单元、发射天线和接收天线。所述手持终端可用于参数设置以及向雷达主机发送校准指令和探测指令，所述通信单元用于雷达主机和手持终端之间的数据传输，系统接收到探测指令后，所述发射单元产生纳秒级随机码调制的正弦波信号，所述发射天线用于向探测区域辐射探测信号，所述接收天线用于接收回波信号，然后传输至中央处理器，所述中央处理器进行杂波抑制、检测和分析判断，探测结果经所述通信单元传输至手持终端进行显示。

特别的，所述发射单元包括信号发生模块和功率放大器，所述信号发生模块包括随机码发生器、连续波发生器、混频器、第一功分器和第二功分器；随机码发生器信号输出端与第一功分器相连接，连续波发生器信号输出端与第二功分器相连接，第一功分器的第一路输出端与混频器的IF(中频)输入端相连接，混频器的RF(射频)输出端与功率放大器的信号输入端相连接，功率放大器的信号输出端与发射天线的信号输入端相连接；第二功分器的第一路输出端与混频器的LO(本振)输入端相连接；所述接收单元包括数据采集模块、正交解调器和低噪放大器；接收天线的信号输出端与低噪声放大器的信号输入端相连接，低噪声放大器的信号输出端与正交解调器的RF(射频)输入端相连接，第一功分器的第二路输出端、正交解调器的两路IF(中频)输出端均与数据采集模块的信号输入端相连接，第二功分器的第二路输出端与正交解调器的LO(本振)输入端相连接；数据处理模块与中央处理器通过USB连接线进行数据通信；随机码发生器产生纳秒级随机码信号由第一功分器功分两路，第一路用于调制正弦波信号，第二路用于定位的参考信号；连续波发生器产生正弦波信号由第二功分器分为两路，第一路用于本振信号，第二路用于回波信号的解调；混频器输出随机码调制的正弦波信号经所述功率放大器放大后对目标区域进行探测；所述低噪放大器用于放大接收天线接收的回波信号，然后由所述正交解调器进行正交解调。

特别的，雷达主机进行生命探测时，所述数据采集模块自动在不同采集参数下对解调后的中频信号采集两次，分别用于生命信息的提取和位置信息的提取。

特别的，所述中央处理器能够与数据采集模块进行通信，接收数据采集模块采集的中频信号进行杂波抑制、检测和分析判断，同时能够控制数据采集模块的采集参数，能够通过通信单元与所述手持终端进行通信，接收其发送的校准或探测指令，并能将探测结果反馈到手持终端，由手持终端进行显示。

特别的，所述通信单元为WiFi单元。

本发明还公开了一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统的生命探测方法，所述方法包括如下步骤：

S1、打开系统开关，手持终端对系统参数进行设置，发射单元产生经纳秒级随机码调制的正弦波信号并由发射天线向目标区域进行辐射；

S2、接收天线对回波信号进行接收；

S3、手持终端发射校准指令，雷达主机中的中央处理器通过通信单元接收到校准指令后对系统延迟等干扰探测结果的因素进行测试并将结果按指定路径进行存储；

S4、手持终端发射探测指令，雷达主机中的中央处理器通过通信单元接收到探测指令后，控制数据采集卡在不同采集参数下对解调后的回波信号进行两次采集；

S5、中央处理器按指定路径调用校准结果同时对采集信号进行杂波抑制，检测、分析和判断；

S6、中央处理器通过通信单元将探测结果传输至手持终端进行显示。

特别的，所述步骤S1至S6具体包括：系统开关打开后，所述信号发生模块产生3路信号，包括：一路经纳秒级随机码调制的正弦波信号，一路用于定位参考信号的纳秒级随机码信号，一路用于回波信号解调的正弦信号，经纳秒级随机码调制的正弦波信号由功率放大器放大后作为探测信号由发射天线进行发射，回波信号经过接收天线进入接收单元；手持终端通过通信单元向雷达主机发射校准指令，中央处理器控制数据采集模块对解调后的回波信号进行采集并处理，并将测试的系统延迟等结果按指定路径进行存储；手持终端通过通信单元向雷达主机发射探测指令，中央处理器控制数据采集模块分别在不同采集参数下对解调后的回波信号自动进行两次采集，分别用于生命信息和位置信息的提取。

特别的，所述雷达主机发射的探测信号为基于随机码调制的正弦波信号，探测信号照射到人体目标后反射，由所述接收天线接收进入接收单元进行处理，中央处理器利用多普勒原理结合相关定位方法对人体生命信息和位置信息进行提取。

特别的，所述手持终端设置系统参数或发射校准和探测指令具体包括：手持终端操作界面中包括参数设置和结果显示区域，手持终端可通过通信单元向雷达主机发射参数设置指令、校准指令和探测指令，能够通过通信单元接收雷达主机的探测结果并显示。

特别的，所述通信单元为WiFi单元。

本发明的有益效果为，所述一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统及方法，其采用随机码调制正弦波信号作为探测信号，其相比于单频连续波生命探测雷达，可同时探测人体的生命信息和位置信息；相比于步进频率连续波生命探测雷达及超宽带脉冲生命探测雷达，该系统信号发生装置和后续信号处理较为简单。具有穿透能力强，探测精度高，抗干扰能力强,距离分辨率高(可达厘米级)以及操作简单方便的优点。

附图说明

图1基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达的结构示意图；

图2基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统探测方法的流程图。

1-雷达主机，2-电源模块，3-随机码发生器、4-连续波信号发生器、5-第一功分器、6-第二功分器、7-混频器、8-信号发生模块、9-功率放大器、10-发射天线、11-中央处理器、12-数据采集模块、13-正交解调器、14-低噪放大器、15-接收天线、16-通信单元、17-手持终端、18-发射单元、19-接收单元。

具体实施方式

基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统及方法具有较强的抗电磁干扰能力和杂波抑制能力，因此，在处于复杂环境中进行使用时，有利于保证系统探测结果的可靠性，此外，基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统及方法中的探测信号产生原理较为简单。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。请参照图1所示，图1是本发明基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达的结构示意图。

本实施例中，一种超宽带雷达式生命探测系统，包括雷达主机1和手持终端17，所述雷达主机1包括电源模块2、中央处理器11、发射单元18、接收单元19、发射天线10、接收天线15及通信单元16(采用WiFi单元)，所述发射单元18包括信号发生模块8和功率放大器9，其中信号发生模块8包括随机码发生器3、连续波信号发生器4、第一功分器5、第二功分器6及混频器7，所述接收单元19包括数据采集模块12、正交解调器13和低噪放大器14，所述电源模块2为随机码发生器3、连续波信号发生器4、正交解调器13、功率放大器 9以及低噪放大器14供电，系统供电后，发射单元18产生由纳秒级随机码调制的正弦波信号经功率放大器9放大后由发射天线10向目标区域辐射，所述手持终端17向雷达主机1发射探测指令，探测指令经通信单元16进入中央处理器 11，回波信号经接收天线15进入接收单元19，对回波进行处理后进入中央处理器11进行杂波抑制、检测和分析判断，并通过通信单元16将处理结果传输至手持终端17进行显示。

本发明基本工作过程：

(1)雷达主机1和手持终端17开机，手持终端17进入操作界面，发射单元18产生探测信号由发射天线10向目标区域辐射。

(2)点击手持终端17软件界面中的校准按钮，通过通信单元16向雷达主机1发送校准指令，系统进行校准。

(3)点击手持终端17软件界面中的探测按钮，通过通信单元16向雷达主机1发送探测指令。

(4)回波信号经接收天线15进入接收单元19经过处理，中央处理器11控制数据采集模块分别在不同采样率下对信号自动采集两次并传输至中央处理器分别进行生命信息和位置信息提取，探测结果通过通信单元16传输至手持终端 17进行显示。单次运行时间大约需要40秒。

(5)根据需要，选择继续进行下一次探测，或者退出软件，结束探测。

(6)手持终端17和雷达主机1关机。

请参照图2所示，图2是本发明基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统探测方法的流程图；

本实施例中，一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统生命探测方法，所述方法如下：

所述一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统及方法采用经随机码调制的正弦波信号作为探测信号，其发生装置较为简单，能够同时测得人体目标的生命信息和位置信息，能够实现厘米级距离分辨率，并且抗电磁干扰能力较强，能够在复杂环境中保证系统的可靠性。随机码发生器产生纳秒级随机码信号由第一功分器功分两路，一路用于定位的参考信号，由数据采集模块进行采样，另一路用于调制正弦波信号；连续波发生器产生正弦波信号由第二功分器功分两路，一路用于本振信号，另一路用于回波信号的解调。由于呼吸频率与随机码信号速率相差甚远，获得一段完整的呼吸信号需要20秒左右，因此，数据采集模块在不同采样参数下自动对解调后的信号采集两次，分别用于提取人体目标的生命信息和位置信息。

基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统生命探测方法主要利用多普勒原理结合相关定位算法实现人体目标生命信息和位置信息的探测，结合公式，对探测方法做具体说明：

随机码-多普勒生命探测雷达系统发射的信号为经随机码调制的正弦信号，可表示为T_R+S(t)，由于一部分正弦信号泄露到混频器输出端，发射信号可表示为:

T_R+S(t)＝T_R(t)×T_S(t)+T_S(t)

其中T_R(t)为随机码信号，T_S(t)为正弦连续波信号。

该雷达系统主要利用探测信号中的连续波成分来探测生命体征，当雷达的探测信号照射到人体时，根据多普勒原理，人体胸腔的周期性运动会对探测信号产生窄带调相效应，从而能够在回波信号中获取目标的生命信息。雷达探测信号中的连续波成分可表示为：

其中A_T，f分别为正弦连续波信号的振幅和频率；为正弦连续波信号的时变相位噪声。

人体与雷达天线的距离随时间变化，表示为d(t)＝d₀+x(t)，d₀为人体目标与天线之间的象征距离，x(t)为人体胸腔周期性运动产生的位移，近似为 x(t)≈A_Lsin(2πf_Lt)，其中A_L，f_L分别为生命信号的振幅和频率。由于信号往返时间的延迟，正弦波的回波信号可表示为：

A_R为接收信号幅度，θ₀为其他因素引起的相移，t_d为信号的往返时间延迟，可表示为

因此，正弦波的回波信号可表示为

其中，λ为正弦波信号波长。

可见，人体胸腔的微动x(t)对回波信号R_S(t)的相位产生了调制。为了得到胸腔的微动信息，将正弦波的回波信号与本振信号进行混频解调，解调后的基带信号经过低通滤波后可表示如下：

其中，A_RB为基带信号的振幅，相移常量剩余噪声

将低通滤波后的基带信号进行去直流和傅里叶变换处理，获得基带信号的频率后,与一般人体呼吸频率(0.1Hz-0.5Hz)进行比较，若在此频率范围内，则判断障碍物后有人体目标存在；否则，判断无人体目标。

对于目标位置的测量，设电磁波在空气中传播的速度为v，则目标的位置信息可由公式v*t_d/2计算得到。目标定位的关键在于获取信号的往返时间t_d。作为探测信号的一路随机码信号经过传播后相对于另一路随机码参考信号产生时延即信号由发射到接收的往返时间。由于随机码的相关特性，随机码回波信号 R_ech-I(t_f),R_ech-Q(t_f)与随机码参考信号R_ref(t_f)的时间序列相关曲线具有δ线型，且峰值出现在二者的时间延迟处。因此t_d可由以下公式得到：

其中表示进行相关运算。

本系统将随机码信号引入到传统多普勒生命探测雷达中，系统结构和信号提取算法简单，能够同时实现生命探测和定位功能，具有反应灵敏，分辨率高以及抗干扰能力强的优点。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统，其特征在于所述系统包括雷达主机（1）和手持终端（17）；所述雷达主机（1）包括：电源模块（2）、中央处理器（11）、发射单元（18）、接收单元（19）、通信单元（16）、发射天线（10）和接收天线（15）；所述手持终端（17）用于参数设置以及向雷达主机（1）发送校准指令和探测指令，当雷达主机（1）接收到校准指令时，对系统时延及环境干扰因素进行测试，为生命探测做准备；当雷达主机（1）接收到探测指令时，回波信号由接收天线（15）进入接收单元（19）进行放大解调处理，然后输入至中央处理器（11）进行杂波抑制、检测和分析判断，探测结果经所述通信单元（16）传输至手持终端（17）进行显示。

2.根据权利要求1所述的基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统，其特征在于，所述发射单元（18）包括信号发生模块（8）和功率放大器（9），所述信号发生模块（8）包括随机码发生器（3）、连续波发生器（4）、混频器（7）、第一功分器（5）和第二功分器（6）；随机码发生器（3）信号输出端与第一功分器（5）相连接，连续波发生器（4）信号输出端与第二功分器（6）相连接，第一功分器（5）的第一路输出端与混频器（7）的IF输入端相连接，混频器（7）的RF输出端与功率放大器（9）的信号输入端相连接，功率放大器（9）的信号输出端与发射天线（10）的信号输入端相连接；第二功分器（6）的第一路输出端与混频器（7）的LO输入端相连接；所述接收单元（19）包括数据采集模块（12）、正交解调器（13）和低噪放大器（14）；接收天线（15）的信号输出端与低噪声放大器（14）的信号输入端相连接，低噪声放大器（14）的信号输出端与正交解调器（13）的RF输入端相连接，第一功分器（5）的第二路输出端、正交解调器（13）的两路IF输出端均与数据采集模块（12）的信号输入端相连接，第二功分器（6）的第二路输出端与正交解调器（13）的LO端相连接；数据处理模块（12）与中央处理器（11）通过USB连接线进行数据通信；随机码发生器（3）产生纳秒级随机码信号由第一功分器（5）功分两路，第一路用于调制正弦波信号，第二路用于定位的参考信号；连续波发生器（4）产生正弦波信号由第二功分器（6）功分两路，第一路用于本振信号，第二路用于回波信号的解调；混频器（7）输出随机码调制的正弦波信号经所述功率放大器（9）放大后对目标区域进行探测；所述低噪放大器（14）用于放大接收天线（15）接收的回波信号，然后由所述正交解调器（13）进行正交解调。

3.根据权利要求2所述的基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统，其特征在于，雷达主机（1）进行生命探测时，所述数据采集模块（12）自动在不同采集参数下对解调后的中频信号采集两次，分别用于生命信息的提取和位置信息的提取。

4.根据权利要求2或3所述的基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统，其特征在于，所述中央处理器（11）能够与数据采集模块（12）进行通信，接收数据采集模块（12）采集的中频信号进行杂波抑制、检测和分析判断，同时能够控制数据采集模块（12）的采集参数，能够通过通信单元（16）与所述手持终端（17）进行通信，接收其发送的校准或探测指令，并能将探测结果反馈到手持终端（17），由手持终端进行显示。

5.根据权利要求1~3任一项所述的一种基于随机码调制正弦波信号的生命探测雷达系统，其特征在于，所述通信单元（16）为WiFi单元。

6.一种基于随机码调制正弦波信号生命探测雷达的生命探测方法，其特征在于，包括如下步骤 ：

S1、打开系统开关，手持终端（17）对系统参数进行设置，发射单元（18）产生经纳秒级随机码调制的正弦波信号由发射天线（10）向目标区域进行辐射；

S2、接收天线（15）对回波信号进行接收；

S3、手持终端（17）发射校准指令，雷达主机（1）中的中央处理器（11）通过通信单元（16）接收到校准指令后对系统延迟这样干扰探测结果的因素进行测试并将结果按指定路径进行存储；

S4、手持终端（17）发射探测指令，雷达主机（1）中的中央处理器（11）通过通信单元（16）接收到探测指令后，控制数据采集模块（12）在不同采集参数下对解调后的回波信号进行两次采集；

S5、中央处理器（11）按指定路径调用校准结果同时对采集信号进行杂波抑制，检测、分析和判断；

S6、中央处理器（11）通过通信单元（16）将探测结果传输至手持终端（17）进行显示。

7.根据权利要求 6 所述的基于随机码调制正弦波信号生命探测雷达的生命探测方法，其特征在于，所述步骤 S1 至 S6具体包括 ：系统开关打开后，所述信号发生模块（8）产生3路信号，包括：一路经纳秒级随机码调制的正弦波信号，一路用于定位参考信号的纳秒级随机码信号，一路用于回波信号解调的正弦信号，经纳秒级随机码调制的正弦波信号由功率放大器（9）放大后作为探测信号由发射天线（10）进行发射，回波信号经过接收天线（15）进入接收单元（19）；手持终端（17）通过通信单元（16）向雷达主机（1）发射校准指令，中央处理器（11）控制数据采集模块（12）对解调后的回波信号进行采集并处理，并将测试的如系统延迟的结果按指定路径进行存储；手持终端（17）通过通信单元（16）向雷达主机（1）发射探测指令，中央处理器（11）控制数据采集模块（12）分别在不同采集参数下对解调后的回波信号自动进行两次采集，分别用于生命信息和位置信息的提取。

8.根据权利要求6或7所述的基于随机码调制正弦波信号生命探测雷达的生命探测方法，其特征在于，所述雷达主机（1）发射的探测信号为基于随机码调制的正弦波信号，探测信号照射到人体目标后反射，由所述接收天线（15）接收进入接收单元（19）进行处理，中央处理器（11）利用多普勒原理结合相关定位方法对人体生命信息和位置信息进行提取。

9.根据权利要求6或7所述的基于随机码调制正弦波信号生命探测雷达的生命探测方法，其特征在于，所述手持终端（17）设置系统参数或发射校准和探测指令具体包括：手持终端操作界面中包括参数设置和结果显示区域，手持终端可通过通信单元向雷达主机发射参数设置指令、校准指令和探测指令，能够通过通信单元接收雷达主机的探测结果并显示。

10.根据权利要求6或7所述的基于随机码调制正弦波信号生命探测雷达的生命探测方法，其特征在于，所述通信单元（16）为WiFi单元。