一種基于雙源ir?uwb生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙源IR?UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法，利用兩種不同中心頻率的天線同時(shí)進(jìn)行探測(cè)，首先對(duì)兩種不同頻率的雷達(dá)回波信號(hào)分別進(jìn)行通道內(nèi)預(yù)處理，包括在空間域上進(jìn)行距離累積，在時(shí)間域上進(jìn)行歸一化、線性趨勢(shì)消除和低通濾波，來(lái)實(shí)現(xiàn)人體微弱生命信號(hào)的增強(qiáng)；然后再對(duì)預(yù)處理后的兩種不同頻率雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行通道間處理，采用自適應(yīng)雜波消除技術(shù)抑制雷達(dá)回波中的強(qiáng)反射雜波干擾，從而提高雷達(dá)探測(cè)的準(zhǔn)確率。
【專利說(shuō)明】
一種基于雙源IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)式生命探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于雙源IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反 射雜波消除方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)生物雷達(dá)融合了雷達(dá)技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，通 過(guò)發(fā)射出的電磁波穿透非金屬介質(zhì)（木板、墻壁、廢墟等），檢測(cè)到生命體目標(biāo)的體動(dòng)，或者 呼吸、心跳等生命體征引起的體表微動(dòng)，并以此為依據(jù)探測(cè)和識(shí)別生命體目標(biāo)。與基于紅 外、光學(xué)和超聲的探測(cè)技術(shù)相比，UWB生物雷達(dá)因其具有非接觸、穿透性強(qiáng)、能夠獲得目標(biāo)距 離信息、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、反恐等領(lǐng)域，特別是在地震、塌方 等災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急救援中，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。
[0003] 目前的UWB生物雷達(dá)技術(shù)多采用沖激脈沖（Impulse Radio, IR)雷達(dá)，它是以固定 的脈沖重復(fù)頻率發(fā)射超短脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)超寬帶的。IR-UWB生物雷達(dá)在地震、塌方等災(zāi)后應(yīng)急 救援場(chǎng)景中，通常采用小時(shí)窗分段探測(cè)技術(shù)來(lái)提高雷達(dá)的探測(cè)精度和回波信噪比。當(dāng)目標(biāo) 壓埋較深，距離雷達(dá)較遠(yuǎn)時(shí)，使用這種技術(shù)就會(huì)增加探測(cè)時(shí)間，影響探測(cè)效率。因此，為了能 夠更加快速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)幸存人員，應(yīng)當(dāng)使用大時(shí)窗探測(cè)技術(shù)。但是當(dāng)生物雷達(dá)進(jìn)行大時(shí)窗 探測(cè)時(shí)，由于探測(cè)環(huán)境十分復(fù)雜，雷達(dá)發(fā)射的電磁波通常需要穿透多種不同介質(zhì)才能照射 到被壓埋的人體目標(biāo)。當(dāng)IR-UWB生物雷達(dá)發(fā)射的電磁波穿過(guò)兩種介電常數(shù)不同的介質(zhì)（如 磚和空氣）時(shí)，由于雷達(dá)硬件電路不可能工作在理想條件下，發(fā)射脈沖必然會(huì)產(chǎn)生細(xì)微抖 動(dòng)，原本應(yīng)該靜止的不同介質(zhì)交界面處的雷達(dá)回波，將會(huì)隨時(shí)間不斷變化，產(chǎn)生強(qiáng)反射雜 波。有時(shí)這種強(qiáng)反射雜波和人體的呼吸信號(hào)十分相近，普通的生物雷達(dá)探測(cè)技術(shù)很難將其 去除，從而在識(shí)別過(guò)程中造成誤判，導(dǎo)致雷達(dá)虛警率增高，浪費(fèi)寶貴的救援時(shí)間和資源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題或缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于雙源 IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法，該方法能夠有效地去除復(fù)雜探測(cè)環(huán)境中的強(qiáng)反射 雜波，從而提高雷達(dá)探測(cè)的準(zhǔn)確率，節(jié)約寶貴的救援時(shí)間和資源。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種基于雙源IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一:雙源IR-UWB生物雷達(dá)的發(fā)射天線發(fā)射雷達(dá)脈沖，雷達(dá)脈沖被人體目標(biāo)反 射，再通過(guò)雙源IR-UWB生物雷達(dá)的接收天線接收到被人體目標(biāo)反射后的雷達(dá)脈沖，即雷達(dá) 原始回波信號(hào);雙源IR-UWB生物雷達(dá)包含兩對(duì)具有不同中心頻率的天線，每對(duì)天線均包括 一個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線，兩個(gè)接收天線接收到兩個(gè)具有不同中心頻率的雷達(dá)原始回 波信號(hào)心和恥；
[0008] 步驟二:對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)辦和此分別進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的雷達(dá)回波信 號(hào) R41 和 R42 ;
[0009]步驟三:對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)R41和R42進(jìn)行自適應(yīng)雜波消除，得到人體呼吸信號(hào)的估計(jì) 值s(k)〇
[0010]具體地，所述步驟二中的對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)辦和辦分別進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理 后的雷達(dá)回波信號(hào)R4dPR42,用R表示任意一個(gè)雷達(dá)原始回波信號(hào)，具體包括以下步驟：
[0011]步驟2.1:對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)R在空間域沿著快時(shí)間方向進(jìn)行距離累積，得到距 離累積后的雷達(dá)回波信號(hào)R1;
[0012] 步驟2.2:雷達(dá)回波信號(hào)Ri在時(shí)間域沿著慢時(shí)間方向進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化 后的雷達(dá)回波信號(hào)R2;
[0013] 步驟2.3:對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)辦進(jìn)行線性趨勢(shì)消除，得到雷達(dá)回波信號(hào)R3;
[0014] 步驟2.4:對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)R3進(jìn)行低通濾波，得到濾波后的雷達(dá)回波信號(hào)R4。
[0015] 具體地，所述步驟2.3中對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)R2進(jìn)行線性趨勢(shì)消除，得到雷達(dá)回波信號(hào) R3,采用的公式如下：
[0016] Rl -/?; -\iy:y) ly Rl
[0017] 其中4=[11氣]^]，11=[0，1，2，...，1'|-1]1'，]^為一個(gè)長(zhǎng)度是~且元素都是1的列向 量，N為雷達(dá)回波信號(hào)辦中包含的道信號(hào)的個(gè)數(shù)。
[0018] 具體地，所述步驟三中對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)1?41和1?42進(jìn)行自適應(yīng)雜波消除，得到人體呼 吸信號(hào)的估計(jì)值S(k)，采用的公式如下：
[0020] e(k) =y(k)-s(k)
[0021 ] ω i(k+l) = ω i(k)+2ye(k)x(k_i )，i = 0，l，...，L_l
[0022] 其中，L為FIR濾波器的階數(shù)，μ為步長(zhǎng)因子，ωι(1〇為權(quán)系數(shù)向量，y(k)為提取的雷 達(dá)回波信號(hào)R 41的點(diǎn)信號(hào)。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：
[0024] 1、對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行通道內(nèi)預(yù)處理，首先在空間域上進(jìn)行距離累積，接著在時(shí) 間域上進(jìn)行歸一化和線性趨勢(shì)消除，最后進(jìn)行低通濾波，實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)人體微弱生命信號(hào)的 增強(qiáng)。
[0025] 2、對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行通道間處理，采用自適應(yīng)雜波消除技術(shù)抑制雷達(dá)回波中的 強(qiáng)反射雜波干擾，提高雷達(dá)探測(cè)的準(zhǔn)確率。
[0026] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的方案做進(jìn)一步詳細(xì)地解釋和說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為本發(fā)明的方法的流程圖；
[0028]圖2為雷達(dá)原始回波信號(hào)的二維矩陣示意圖；
[0029]圖3為自適應(yīng)雜波消除算法的原理框圖；
[0030] 圖4為實(shí)施例1中的穿墻探測(cè)場(chǎng)景示意圖；
[0031] 圖5為實(shí)施例1中采用現(xiàn)有的生物雷達(dá)處理方法得到的穿墻場(chǎng)景雷達(dá)回波數(shù)據(jù)能 量譜(有人體目標(biāo)）；
[0032]圖6為實(shí)施例1中采用現(xiàn)有的生物雷達(dá)處理方法得到的穿墻場(chǎng)景雷達(dá)回波數(shù)據(jù)能 量譜(無(wú)人體目標(biāo)）；
[0033] 圖7為實(shí)施例1中采用本發(fā)明的方法得到的穿墻場(chǎng)景雷達(dá)回波數(shù)據(jù)能量譜(有人體 目標(biāo))；
[0034] 圖8為實(shí)施例1中采用本發(fā)明的方法得到的穿墻場(chǎng)景雷達(dá)回波數(shù)據(jù)能量譜(無(wú)人體 目標(biāo))；
[0035] 圖9為實(shí)施例2中的穿廢墟探測(cè)場(chǎng)景示意圖；
[0036]圖10為實(shí)施例2中采用現(xiàn)有的生物雷達(dá)處理方法得到的穿廢墟場(chǎng)景雷達(dá)回波數(shù)據(jù) 能量譜(無(wú)人體目標(biāo)）；
[0037]圖11為實(shí)施例2中采用現(xiàn)有的生物雷達(dá)處理方法得到的穿廢墟場(chǎng)景雷達(dá)回波數(shù)據(jù) 能量譜(有人體目標(biāo)）；
[0038] 圖12為實(shí)施例2中采用本發(fā)明的方法得到的穿廢墟場(chǎng)景雷達(dá)回波數(shù)據(jù)能量譜(無(wú) 人體目標(biāo)）；
[0039] 圖13為實(shí)施例2中采用本發(fā)明的方法得到的穿廢墟場(chǎng)景雷達(dá)回波數(shù)據(jù)能量譜(有 人體目標(biāo)）。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 遵從上述技術(shù)方案，本發(fā)明的基于雙源IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法， 所采用的雙源IR-UWB生物雷達(dá)包含兩對(duì)不同中心頻率的天線，分別為270MHz和400MHz，每 對(duì)天線包含一個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接受天線;采用等效時(shí)間采樣、多通道分時(shí)復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 不同中心頻率天線每發(fā)射出一道信號(hào)后交替工作，從而使兩種中心頻率的天線在工作時(shí)相 互不產(chǎn)生干擾。由于兩對(duì)不同中心頻率的天線分時(shí)復(fù)用交替探測(cè)，且交替時(shí)間間隔非常短， 可以近似認(rèn)為兩對(duì)天線同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，那么兩對(duì)不同頻率的雷達(dá)回波中人體呼吸信 號(hào)具有一定的相關(guān)性;但是兩對(duì)天線的脈沖發(fā)射源是相互獨(dú)立的，因此產(chǎn)生的脈沖抖動(dòng)是 隨機(jī)的，不具有相關(guān)性。
[0041] 本發(fā)明的基于雙源IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法，參見(jiàn)圖1，包括以下步 驟：
[0042]步驟一:雙源IR-UWB生物雷達(dá)的發(fā)射天線發(fā)射雷達(dá)脈沖，雷達(dá)脈沖被人體目標(biāo)反 射，再通過(guò)雙源IR-UWB生物雷達(dá)的接收天線接收到被人體目標(biāo)反射后的雷達(dá)脈沖，即雷達(dá) 原始回波信號(hào);雙源IR-UWB生物雷達(dá)包含兩對(duì)具有不同中心頻率的天線，每對(duì)天線均包括 一個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線，兩個(gè)接收天線接收到兩個(gè)具有不同中心頻率的雷達(dá)原始回 波信號(hào)R4PR 2。每對(duì)天線形成雷達(dá)脈沖的發(fā)射和反射的通道。
[0043]步驟二:對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)RdPR2分別進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的雷達(dá)回波信 號(hào) R41 和 R42〇
[0044]以下用R表示任意一個(gè)通道內(nèi)的雷達(dá)原始回波信號(hào)，對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)R進(jìn)行預(yù) 處理的方法，包括以下步驟：
[0045]步驟2.1:對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)R在空間域沿著快時(shí)間方向進(jìn)行距離累積，得到距 離累積后的雷達(dá)回波信號(hào)Ru
[0046]雙源IR-UWB生物雷達(dá)接收的雷達(dá)原始回波信號(hào)R可以表示為二維矩陣R(m，n)，如 圖2所示，圖2中的橫軸表示探測(cè)時(shí)間，稱為"慢時(shí)間"，單位是秒，沿著探測(cè)時(shí)間的方向?yàn)槁?時(shí)間方向；縱軸表示探測(cè)距離，稱為"快時(shí)間"，沿著探測(cè)距離的方向?yàn)榭鞎r(shí)間方向，單位是 納秒。在某一時(shí)刻，沿著快時(shí)間方向的信號(hào)，即二維矩陣的列向量，叫做"道信號(hào)"；在某一距 離點(diǎn)上，沿著慢時(shí)間方向的信號(hào)，即二維矩陣的行向量，叫做"點(diǎn)信號(hào)"。由于快時(shí)間方向上 鄰近距離點(diǎn)處的雷達(dá)回波的調(diào)制方式大致相同，且具有一定的相關(guān)性，因此，在不影響有用 信息的前提下，首先對(duì)二維矩陣R(m，n)在空間域沿著快時(shí)間方向進(jìn)行距離累積，即：
[0048]式中，1^(1，11)(1 = 1，2，..丄)為距離累積后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，〇為沿著快時(shí)間方向 累積的窗寬，L為累積后在快時(shí)間方向的距離點(diǎn)數(shù)，
，其中」"表示向下取整， 設(shè)定窗寬Q = 40,采樣點(diǎn)數(shù)Μ為8192,則L為200,從而大大降低了雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算量，減 少了探測(cè)所需的運(yùn)算時(shí)間，提高了廢墟搜救幸存人員的工作效率。
[0049] 步驟2.2:距離累積后的雷達(dá)回波信號(hào)h在時(shí)間域沿著慢時(shí)間方向進(jìn)行歸一化處 理，得到歸一化后的雷達(dá)回波信號(hào)R2。
[0050] 為了增強(qiáng)距離雷達(dá)較遠(yuǎn)處目標(biāo)信號(hào)的幅度，補(bǔ)償信號(hào)在穿透和傳播過(guò)程中的衰 減，提高雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比，對(duì)距離累積后的信號(hào)心，在時(shí)間域沿著慢時(shí)間方向進(jìn)行點(diǎn) 信號(hào)的歸一化處理，即：
[0052]式中，R2(l，n)為歸一化后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，NSh中包含的道信號(hào)的個(gè)數(shù)。雷達(dá)回 波數(shù)據(jù)心(1，1〇經(jīng)過(guò)歸一化處理后，每個(gè)距離上的點(diǎn)信號(hào)的幅值范圍都在-1到1之間。
[0053]步驟2.3:對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)辦進(jìn)行線性趨勢(shì)消除，得到雷達(dá)回波信號(hào)R3。
[0054]由于IR-UWB生物雷達(dá)的硬件不可能在理想條件下工作，采集數(shù)據(jù)過(guò)程中往往伴隨 著回波基線的漂移，因此，本發(fā)明的方法采用的是線性趨勢(shì)消除（Linear Trend Subtraction，LTS)來(lái)去除雷達(dá)回波信號(hào)辦中的靜態(tài)雜波以及線性漂移，LTS通過(guò)線性最小 二乘擬合估計(jì)出雷達(dá)回波信號(hào)R 2在慢時(shí)間方向上的直流分量和線性趨勢(shì)后，再?gòu)幕夭〝?shù)據(jù) 中減去，即：
[0055] .if -y(/yrY^ (3)
[0056]式中，R3表示LTS后的雷達(dá)回波信號(hào)，y=[n/N，IN]，n=[0，l，2, . . .，N-1]t，In為一 個(gè)長(zhǎng)度是N且元素都是1的列向量，NSR2中包含的道信號(hào)的個(gè)數(shù)。
[0057]步驟2.4:對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)R3進(jìn)行低通濾波，得到濾波后的雷達(dá)回波信號(hào)R4。
[0058] 由于IR-UWB生物雷達(dá)的硬件在工作過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，而且人體 目標(biāo)的呼吸信號(hào)又是一個(gè)窄帶的準(zhǔn)周期信號(hào)，因此，為了進(jìn)一步提高雷達(dá)回波的信噪比，就 需要在慢時(shí)間方向上對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)R 3的點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行低通濾波：
[0059] R4(l，n) =R3(1，n)*h(t) (4)
[0060] 式中，R4(l，n)為濾波后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，表示卷積運(yùn)算，h(t)為有限沖擊響應(yīng) (Finite Impulse Response,FIR)濾波器的沖擊函數(shù)。根據(jù)人體的呼吸頻率，該算法中低通 濾波器的截止頻率為〇. 5Hz。
[0061]對(duì)兩個(gè)通道內(nèi)的兩個(gè)雷達(dá)原始回波信號(hào)RjPR2分別進(jìn)行上述處理后，分別得到預(yù) 處理后的雷達(dá)回波信號(hào)R41和R42。
[0062]步驟三:對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)1?41和1?42進(jìn)行自適應(yīng)雜波消除，得到人體呼吸信號(hào)的估計(jì) 值s(k)〇
[0063] 雷達(dá)回波信號(hào)R41和R42分別為中心頻率為270MHz和400MHz的兩個(gè)通道內(nèi)經(jīng)過(guò)預(yù)處 理的雷達(dá)回波信號(hào)。參見(jiàn)圖3,主輸入信號(hào)y(k)為提取的雷達(dá)回波信號(hào)R 41的點(diǎn)信號(hào)，由人體 目標(biāo)的呼吸信號(hào)81(1〇和非靜態(tài)雜波m(k)組成，而參考信號(hào)x(k)為提取的雷達(dá)回波信號(hào)R 42 的點(diǎn)信號(hào)，由人體目標(biāo)的呼吸信號(hào)s2(k)和非靜態(tài)雜波n2(k)組成。由于兩對(duì)不同中心頻率的 天線同時(shí)對(duì)人體目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，因此呼吸信號(hào) 81(1〇和82(1〇具有一定的相關(guān)性，又由于兩對(duì) 天線的脈沖發(fā)射源是相互獨(dú)立的，因此產(chǎn)生的脈沖抖動(dòng)是隨機(jī)的，非靜態(tài)雜波m(kWPn 2(k) 不具有相關(guān)性。
[0064] 利用誤差信號(hào)e(k)，通過(guò)最小均方算法調(diào)整FIR濾波器的參數(shù)，使濾波器的輸出信 號(hào)以10為相關(guān)的人體呼吸信號(hào)的估計(jì)值，將雷達(dá)回波信號(hào)中的強(qiáng)反射雜波等非靜態(tài)雜波去 除，計(jì)算步驟如下：
[0066] e(k) =y(k)-s(k) (6)
[0067] ω i(k+l) = ω i(k)+2ye(k)x(k_i)，i = 0，1，· · ·，L_1 (7)
[0068] 其中FIR濾波器的階數(shù)L = 50，步長(zhǎng)因子μ = 1 0-5，權(quán)系數(shù)向量ω i (k)的初始值全是 〇，讓表不輸出信號(hào)8(1〇中的數(shù)據(jù)序號(hào)。
[0069] 實(shí)施例1
[0070] 在某一穿墻場(chǎng)景中對(duì)本發(fā)明的方法的效能進(jìn)行驗(yàn)證：
[0071] 如圖4所示，房間內(nèi)兩堵平行的磚墻厚度均為24cm，將雙源IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)擺 放在其中一堵墻后，對(duì)無(wú)人的房間進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)完成后，一名健康成年男子緊靠另一堵墻 且正對(duì)雷達(dá)站立，平靜呼吸，身體保持靜止，雷達(dá)與人體目標(biāo)之間的距離約為3m，對(duì)其進(jìn)行 探測(cè)。
[0072] 為了能夠更加直觀的識(shí)別人體目標(biāo)的呼吸信號(hào)及其所在位置，對(duì)處理后的雷達(dá)回 波數(shù)據(jù)沿慢時(shí)間方向計(jì)算每個(gè)距離上的點(diǎn)信號(hào)的方差，得到雷達(dá)回波信號(hào)的能量譜。
[0073]圖5和圖6分別為有人體目標(biāo)和無(wú)人體目標(biāo)時(shí)采用普通IR-UWB生物雷達(dá)處理方法 得到的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)能量譜。從圖5中可以看出，3m附近的能量值明顯大于其余位置的能量 值，這正是由人體目標(biāo)的呼吸引起的。而圖6中，3m附近也出現(xiàn)了很明顯的能量峰值，這是因 為IR-UWB雷達(dá)在探測(cè)過(guò)程中，人體身后的墻產(chǎn)生了強(qiáng)反射雜波干擾，它與人體目標(biāo)的呼吸 信號(hào)十分相似，無(wú)法通過(guò)普通的IR-UWB生物雷達(dá)處理方法濾除。因此，通過(guò)普通的生物雷達(dá) 探測(cè)技術(shù)，兩種情況(有人體目標(biāo)和無(wú)人體目標(biāo))的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)都被判斷為探測(cè)區(qū)域內(nèi)有 人體目標(biāo)，且目標(biāo)距離都約為3m，圖6的回波數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤判。
[0074]圖7和圖8分別為有人體目標(biāo)和無(wú)人體目標(biāo)時(shí)采用本發(fā)明的方法得到的雷達(dá)回波 數(shù)據(jù)能量譜。從圖7中可以看出，只有3m附近的能量峰值較強(qiáng)，其最大值在2.88m處，正好是 人體目標(biāo)所站的位置。而圖8中有多處較強(qiáng)的能量峰值，這是由于能量譜進(jìn)行歸一化后，原 本很小的峰值都變得比較明顯。實(shí)際上，出現(xiàn)在圖6中的近似呼吸的強(qiáng)反射雜波已經(jīng)被較好 的抑制了。因此，圖8中雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的判斷結(jié)果為探測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)人體目標(biāo)，與實(shí)際情況相 符。
[0075] 實(shí)施例2
[0076]在某一穿廢墟場(chǎng)景中本發(fā)明的方法的效能進(jìn)行驗(yàn)證：
[0077]如圖9所示，模擬廢墟高度約為3m，包括兩個(gè)10cm厚的混凝土預(yù)制板，兩段厚度約 為lm的磚塊堆，還有一個(gè)高度約為80cm的廢墟空洞。IR-UWB雷達(dá)系統(tǒng)放置在模擬廢墟頂端， 方向朝下進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)完成后，一名健康成年男子平躺在廢墟空洞中，胸壁正對(duì)雷達(dá)，平 靜呼吸，身體保持靜止，雷達(dá)與人體目標(biāo)之間的距離接近3m，對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。
[0078]圖10和圖11分別為無(wú)人體目標(biāo)和有人體目標(biāo)時(shí)普通IR-UWB生物雷達(dá)處理方法得 到的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)能量譜。兩幅圖的能量波形很相似，都存在多處較強(qiáng)的能量峰值，這主要 是因?yàn)镮R-UWB雷達(dá)系統(tǒng)在穿透模擬廢墟探測(cè)過(guò)程中，由于雷達(dá)脈沖的抖動(dòng)，在兩種介質(zhì)(預(yù) 制板和空氣、磚和空氣）的交界面處原本應(yīng)該靜止的雷達(dá)回波卻隨慢時(shí)間不停變化，產(chǎn)生近 似呼吸的強(qiáng)反射雜波干擾。因此，兩幅圖的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)判斷結(jié)果都是探測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)人體 目標(biāo)，圖11的探測(cè)結(jié)果發(fā)生了漏判。
[0079] 圖12和圖13分別穿透廢墟場(chǎng)景中無(wú)人體目標(biāo)和有人體目標(biāo)時(shí)采用本發(fā)明的方法 得到的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)能量譜。雖然圖12中仍存在多處較強(qiáng)的能量峰值，但實(shí)際上由廢墟交 界面產(chǎn)生的近似呼吸的強(qiáng)反射雜波已經(jīng)被大大的削弱了，只是能量歸一化使得原本幅度很 小的能量峰值又變得比較明顯。因此，這幅圖的回波數(shù)據(jù)判別結(jié)果為探測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)人體目 標(biāo)，與實(shí)際情況相符。圖13中只剩下一處較強(qiáng)的能量峰值，這正是人體目標(biāo)的呼吸能量，其 能量最大值在4.05m處。由于該坐標(biāo)距離計(jì)算的是電磁波在空氣中的傳播距離，而電磁波在 該模擬廢墟中的衰減很大，經(jīng)過(guò)距離校準(zhǔn)后的實(shí)際位置約為2.83m，與人體目標(biāo)所躺的位置 相符。
[0080] 綜上，本發(fā)明的能夠較好的去除不同場(chǎng)景中的強(qiáng)反射雜波干擾，提高生物雷達(dá)系 統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于雙源IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法，其特征在于，包括w下步驟： 步驟一:雙源IR-UWB生物雷達(dá)的發(fā)射天線發(fā)射雷達(dá)脈沖，雷達(dá)脈沖被人體目標(biāo)反射，再 通過(guò)雙源IR-UWB生物雷達(dá)的接收天線接收到被人體目標(biāo)反射后的雷達(dá)脈沖，即雷達(dá)原始回 波信號(hào)；雙源IR-UWB生物雷達(dá)包含兩對(duì)具有不同中屯、頻率的天線，每對(duì)天線均包括一個(gè)發(fā) 射天線和一個(gè)接收天線，兩個(gè)接收天線接收到兩個(gè)具有不同中屯、頻率的雷達(dá)原始回波信號(hào) Ri和化； 步驟二:對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)Ri和R2分別進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的雷達(dá)回波信號(hào)R" 和 R42 ; 步驟Ξ:對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)R41和R42進(jìn)行自適應(yīng)雜波消除，得到人體呼吸信號(hào)的估計(jì)值S 化)。2. 如權(quán)利要求1所述的基于雙源IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法，其特征在于， 所述步驟二中的對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)Ri和R2分別進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的雷達(dá)回波信 號(hào)R41和R42,用R表示任意一個(gè)雷達(dá)原始回波信號(hào)，具體包括W下步驟： 步驟2.1:對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)R在空間域沿著快時(shí)間方向進(jìn)行距離累積，得到距離累 積后的雷達(dá)回波信號(hào)Ri; 步驟2.2:雷達(dá)回波信號(hào)Ri在時(shí)間域沿著慢時(shí)間方向進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化后的 雷達(dá)回波信號(hào)R2; 步驟2.3:對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)化進(jìn)行線性趨勢(shì)消除，得到雷達(dá)回波信號(hào)R3; 步驟2.4:對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)化進(jìn)行低通濾波，得到濾波后的雷達(dá)回波信號(hào)R4。3. 如權(quán)利要求2所述的基于雙源IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法，其特征在于， 所述步驟2.3中對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)R2進(jìn)行線性趨勢(shì)消除，得到雷達(dá)回波信號(hào)R3,采用的公式如 下：其中，y= [n/N, In]，n=[0，l，2，...，N-1]t，In為一個(gè)長(zhǎng)度是N且元素都是1的列向量，N 為雷達(dá)回波信號(hào)R2中包含的道信號(hào)的個(gè)數(shù)。4. 如權(quán)利要求3所述的基于雙源IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波消除方法，其特征在于， 所述步驟Ξ中對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)R"和R42進(jìn)行自適應(yīng)雜波消除，得到人體呼吸信號(hào)的估計(jì)值S 化），采用的公式如下：e化）=y化)-S化） ω i(k+l) = ω i(k)+aie(k)x(k-i), i = 0,1, . . . ,1^-1 其中，L為FIR濾波器的階數(shù)，μ為步長(zhǎng)因子，ωι化)為權(quán)系數(shù)向量，y化)為提取的雷達(dá)回 波信號(hào)R41的點(diǎn)信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01S7/02GK106093868SQ201610362413
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】李釗, 王健琪, 梁福來(lái), 安強(qiáng), 張楊, 呂昊, 張華
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)