UWB搜救生物雷達分段時窗探測系統(tǒng)的實現(xiàn)

安強，李釗，呂昊，梁福來，劉淼，張揚，于霄，王健琪

第四軍醫(yī)大學 生物醫(yī)學工程學院，陜西 西安 710032

UWB搜救生物雷達分段時窗探測系統(tǒng)的實現(xiàn)

安強，李釗，呂昊，梁福來，劉淼，張揚，于霄，王健琪

第四軍醫(yī)大學 生物醫(yī)學工程學院，陜西 西安 710032

本文在原有大時窗搜救生物雷達基礎(chǔ)上，改進硬件電路設(shè)計，實現(xiàn)了對時窗的分段自由選擇，同時進一步結(jié)合delphi多線程編程技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)采集雷達回波數(shù)據(jù)，對得到的回波進行信號處理給出時窗分段探測結(jié)果。新建立的搜救生物雷達分段時窗探測系統(tǒng)，能夠控制實現(xiàn)任一分段時窗自由選擇探測和分段時窗從前往后連續(xù)探測，該系統(tǒng)在探測準確性，時窗選擇靈活性等方面均優(yōu)于原有探測系統(tǒng)，可用于復(fù)雜環(huán)境的救援行動，能大幅提高災(zāi)后救援效率。

搜救生物雷達；分段時窗；多線程編程；信號處理

0 前言

我國是世界上大陸地震最活躍、地震災(zāi)害最嚴重的國家之一。當?shù)卣鸢l(fā)生時，搶救被壓埋人員是減輕災(zāi)害的首要任務(wù)。隨著科技的進步與技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了音頻、視頻、紅外、氣敏、靜電場為代表的地震搜救生命探測儀，但是，直至雷達技術(shù)應(yīng)用于地震搜救，才從根本上帶來生命救援領(lǐng)域技術(shù)的革新。

我們將用于生命探測領(lǐng)域的雷達統(tǒng)稱為生物雷達。生物雷達分窄帶雷達、超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）雷達。其中，超寬帶雷達因其非接觸、能穿透非金屬障礙物、超近程探測、抗干擾性能強和定位準確等優(yōu)點在地震搜救、隔墻探人等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。超寬帶雷達應(yīng)用于地震搜救領(lǐng)域，極大地提高了救援效率[1-4]。本文研究中使用的是脈沖體制的超寬帶雷達。

超寬帶搜救生物雷達中最重要的一個參數(shù)是時窗，它決定了每一次探測的感興趣范圍。目前用于現(xiàn)場救援的搜救雷達裝備，為了節(jié)省探測時間，提高救援效率，普遍都采用固定時窗參數(shù)選擇覆蓋整個探測區(qū)域的方式進行探測。但在實際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，這種將整個探測區(qū)域作為感興趣范圍的時窗策略選擇會導致很高的誤判率，對實際救援行動的指導意義有限。這是由于災(zāi)后救援現(xiàn)場狀況復(fù)雜，探測區(qū)域內(nèi)非目標點的強靜態(tài)、非靜態(tài)雜波干擾湮沒了微弱目標信號的原因[5]。因此，筆者考慮改進搜救雷達探測性能，降低誤判率，提高探測結(jié)果的準確性。

本研究主要從硬件電路設(shè)計和軟件回波信號處理算法兩個角度來提升搜救需求的探測性能。目前用于搜救雷達目標識別的回波信號處理方法大都基于慢時間能量累積來實現(xiàn)生命體識別的，方法趨于成熟，算法優(yōu)化空間不大[6-7]。而脈沖超寬帶雷達硬件電路設(shè)計模式固定，也無法做出大的改動。本課題組前期針對這一問題作了大量研究，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)合理選取決定雷達探測范圍的時窗的大小，可在一定程度上提高探測結(jié)果的準確性。文獻[8]中分析了時窗選擇和采集回波功率分布之間的關(guān)系，具體做法是截取不同時窗下采集回波前20 ns的數(shù)據(jù)沿慢時間計算功率，結(jié)果表明，相比于其他時窗下截取前20 ns回波計算的結(jié)果，直接開時窗為20 ns時，回波中目標點功率較其他時窗下明顯增強且目標點與非目標點功率分布對比明顯。由于筆者的探測實踐是基于回波能量差別來進行目標識別的，這也就從側(cè)面說明了時窗變小可提升雷達探測性能。但是，在實際搜救行動中，快速準確地探測是第一要務(wù)，故時窗不能無限減小，再考慮到被壓埋目標位置往往未知，因此，為了兼顧探測準確性和救援效率兩方面的要求，筆者對探測區(qū)域進行距離分段細化，將每個分段時窗確定的探測范圍作為感興趣探測范圍，對整個探測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)從前向后的精細探測來提高對目標的探測能力。本研究合理改進硬件電路時窗參數(shù)設(shè)計，結(jié)合軟件系統(tǒng)控制實現(xiàn)對探測范圍的距離分段精細探測，大大提高了搜救雷達的探測能力。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

超寬帶搜救生物雷達系統(tǒng)由雷達前端、無線網(wǎng)絡(luò)和基于便攜式計算機的信號處理單元三部分組成（圖1）。

圖1 超寬帶搜救生物雷達系統(tǒng)框圖

其中雷達前端由控制單元、發(fā)射單元、接收單元、收發(fā)天線、信號預(yù)處理單元等部分組成，主要實現(xiàn)回波數(shù)據(jù)采集功能。后端信號處理PC主要作用是控制回波數(shù)據(jù)的采集和對采集回波進行后處理目標識別。無線網(wǎng)絡(luò)是兩者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐贰?/p>

1.1 超寬帶搜救生物雷達硬件組成及分段時窗功能實現(xiàn)

本文中使用的超寬帶搜救生物雷達主頻400 MHz，帶寬100 MHz，硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框見圖2。本系統(tǒng)主要分為雷達主機和天線系統(tǒng)兩部分。

圖2 超寬帶搜救生物雷達硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

其中，發(fā)射機主要發(fā)射高速窄脈沖，并通過寬帶天線將其窄脈沖輻射到探測區(qū)域。電磁波在探測區(qū)域廢墟介質(zhì)中傳播時，復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境使電磁波產(chǎn)生反射、折射和吸收，使得電磁波在傳播的過程中能量衰減很大，接收天線接收到的高頻回波信號比較微弱。故應(yīng)在接收電路部分對回波信號進行高頻放大再傳送至取樣門，步進延時脈沖觸發(fā)取樣門電路對回波信號進行采樣，將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號。采樣后的波形再經(jīng)過保持放大電路單元分濾波放大后送至后置電路中的A/D轉(zhuǎn)換器，將離散的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后送到雷達系統(tǒng)主機的存儲器。這樣就實現(xiàn)了回波信號數(shù)據(jù)一次完整的采集過程，采集得到的回波信號以數(shù)字信號的形式存儲在RAM中，用于后續(xù)信號處理目標識別。

由于沖擊脈沖搜救雷達回波信號的頻率較高，對于ns級持續(xù)時間的脈沖信號，有效頻譜分量可達數(shù)百兆赫茲，以目前的技術(shù)水平，若直接進行采樣，需要昂貴的高位超高速A/D芯片和超高速存儲器。因此，在工程實現(xiàn)上一般按照等效采樣原理進行等效采樣[9]，其采樣原理，見圖3。

圖3 等效采樣示意圖

通過對重復(fù)信號的多次采樣，把在信號不同周期中采樣得到的數(shù)據(jù)進行重組，重建原始信號波形，圖3中的信號即步進延時采樣脈沖信號。

接收機中的取樣門電路是回波信號等效采樣的核心，取樣門在每個周期或每隔數(shù)個周期采集一個樣點，并將其重新組合實現(xiàn)對原始波形的重建[10]。新組成的信號形狀與原被采樣信號相似，在時間寬度上比原被采樣信號增加了數(shù)倍，進而降低了被采樣信號的頻率。

取樣門電路的觸發(fā)脈沖由雷達系統(tǒng)主機的可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）控制產(chǎn)生。以往采用固定時窗參數(shù)選擇的雷達系統(tǒng)，用于產(chǎn)生步進延時采樣脈沖的觸發(fā)信號和用于產(chǎn)生發(fā)射脈沖的觸發(fā)信號要保持同步，對整個探測區(qū)域進行覆蓋探測。本文中為了實現(xiàn)分段時窗探測，筆者在發(fā)射脈沖觸發(fā)信號和采樣脈沖觸發(fā)之間增加一個可變延時器，以改變采樣脈沖與觸發(fā)脈沖的相對位置，實現(xiàn)分段時窗起始位置的自由選擇功能。

從圖3可知，對雷達原始回波信號的等效采樣是由步進延時采樣脈沖信號取樣實現(xiàn)的。其產(chǎn)生原理是高速比較一個步進值一致的階梯波與一個斜率較大的快斜波，會產(chǎn)生一個與觸發(fā)脈沖有步進延時的采樣脈沖，對回波進行采樣（圖4）。

圖4 步進采樣脈沖產(chǎn)生原理

通過控制慢斜波階梯電平差可改變步進延時采樣脈沖的個數(shù)，即改變采樣的時窗。

通過以上的分析，改變采樣脈沖的延時可以改變時窗的起始位置，改變慢斜波的階梯電平差則可改變采樣的時窗。用兩者配合調(diào)整，則可使感興趣區(qū)的信號落在時窗范圍內(nèi)，實現(xiàn)對探測區(qū)域的分段選擇探測。

1.2 超寬帶搜救生物雷達軟件組成及功能實現(xiàn)

超寬譜搜救生物雷達分段時窗探測系統(tǒng)的軟件部分基于delphi7.0多線程技術(shù)編寫，實現(xiàn)對回波信號同步采集和處理，保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r給出探測結(jié)果。軟件工作流程見圖5。

圖5 軟件工作流程圖

編程技術(shù)系統(tǒng)開始工作，首先嘗試連接雷達前端數(shù)據(jù)收發(fā)無線AP，判斷無線網(wǎng)絡(luò)是否可用。當ED_ TestEDaqConnection（pIpAddr, nPort）返回連接成功時，寫入雷達硬件時窗參數(shù)，包括時窗范圍、時窗起始位置、時窗終止位置、時延參數(shù)。在完成時窗參數(shù)寫入后，繼續(xù)寫入非線性硬件放大增益。放大的目的是補償信號衰減、均衡回波能量，本研究采用16段256點硬件放大策略，根據(jù)經(jīng)驗公式進行二次放大確定增益參數(shù)。初始化完成后，開始探測采集回波數(shù)據(jù)，同時創(chuàng)建線程進行回波信號處理，經(jīng)積分、歸一化、去直流、低通濾波、自適應(yīng)譜線增強、計算功率等操作后，給出有無目標的探測結(jié)論?；趯嶋H應(yīng)用便捷性等方面的考慮，軟件部分筆者增加分段時窗從前往后自動探測的功能，即在第一個時窗范圍內(nèi)經(jīng)探測不含目標，自動跳到相鄰后一個時窗區(qū)域進行探測，此功能主要由delphi軟件中的synchronize函數(shù)控制實現(xiàn)。在一次探測回波信號處理結(jié)束后，先判斷有無目標存在，如果有則撤銷線程結(jié)束探測，如果沒有則寫入相鄰時窗參數(shù)繼續(xù)探測。軟件實現(xiàn)界面見圖6。

圖6 軟件實現(xiàn)界面

注：（a）參數(shù)設(shè)置界面，其中連續(xù)探測按鈕即實現(xiàn)時窗從前往后自動探測的功能；（b）波形顯示界面，給出采集回波的實時動態(tài)波形圖和信號處理后的功率分布圖；（c）結(jié)果顯示界面，它給出有無目標以及目標位置的信息。

2 實驗與結(jié)果

2.1 實驗方法

為了驗證分析新搭建分段時窗探測系統(tǒng)的性能，筆者在模擬廢墟環(huán)境進行對比實驗，實驗場景見圖7，磚墻厚2 m，實驗對象為24歲成年健康男性，目標物呼吸平靜，距雷達2 m。采樣點數(shù)8192點，脈沖重復(fù)頻率250 kHz，采樣頻率30.5 Hz，進行數(shù)據(jù)采集分析探測結(jié)果。

圖7 模擬廢墟環(huán)境實驗場景

2.2 實驗結(jié)果

圖8是在模擬廢墟實驗場用課題組原有的大時窗探測系統(tǒng)和新搭建的分段時窗探測系統(tǒng)分別進行數(shù)據(jù)采集得到的雷達回波能量分布圖，從圖中可明顯看出新系統(tǒng)目標點與非目標點回波信號對比更加明顯，且幅值較強，這說明新系統(tǒng)的目標識別能力更強。

圖8 新舊雷達系統(tǒng)采集回波能量分布圖

為進一步說明新系統(tǒng)的探測能力，筆者進行重復(fù)實驗并從誤判率、漏判率和平均距離誤差3個指標驗證比對各自系統(tǒng)的探測能力，在模擬廢墟實驗場兩個系統(tǒng)分別進行50次探測能力的測試，測試結(jié)果見表1。新搭建的分段時窗探測系統(tǒng)探測性能優(yōu)于原系統(tǒng)。

表1 系統(tǒng)探測能力測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文首先分析了現(xiàn)有搜救生物雷達探測平臺存在的問題，在此基礎(chǔ)上提出了分段時窗探測改善探測性能的方法。筆者研究了超寬帶雷達回波采集機制，影響時窗分段探測的因素，進一步改進硬件電路設(shè)計實現(xiàn)分段時窗探測雷達硬件前端；再結(jié)合實際應(yīng)用中的具體探測需求，使用delphi編程實現(xiàn)了回波信號處理顯示軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備分段時窗自由選擇探測和分段時窗從前往后自動連續(xù)探測的功能。為了驗證新搭建系統(tǒng)的探測性能，在模擬廢墟環(huán)境對比了新舊探測系統(tǒng)的探測能力，結(jié)果表明新搭建探測系統(tǒng)性能優(yōu)于原系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以更好地指導災(zāi)后救援行動，也為課題組今后搜救生物雷達技術(shù)進一步的研究提供了實驗平臺。

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Im p lementation of a Life-Rescue UWB Bio-Radar Detecting System Based on the Segmented Time-W indow

AN Qiang, LI Zhao, LV Hao, LIANG Fu-lai, LIU Miao, ZHANG Yang, YU Xiao, WANG Jian-qi
School of Biomedical Engineering, the Fourth M ilitary M edical University, Xi’an Shaanxi 710032, China

Improved hardware circuit of life-rescue bio-radar was implemented in this paper to achieve the free selection of the segmented time-w indow. Then the multi-threaded programm ing techniques were employed to collect the radar echo data through a w ireless network. Simultaneously, the signal processing result was revealed on a laptop term inal. The new ly established segmented time-w indow liferescue bio-radar detection system was capable of freely choosing the segmented time-w indow to carry out a detecting procedure and detecting in a continuous order from front to back in the detection region. The system was superior in terms of detection accuracy and flexibility when compared w ith the original detection system, and it could be used for rescue operations in complex environments, which greatly improved the efficiency of disaster relief.

life-rescue bio-radar；segmented time-w indow；multi-threaded programm ing；signal processing

R129

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.11.006

1674-1633（2015）11-0018-04

2015-02-04

2015-03-31

國家科技支撐計劃（2012BAI20B02）；國科金重大科研儀器設(shè)備研制專項（61327805）；國家自然科學基金青年項目（61201382）。

王健琪，教授，博士生導師。

通訊作者郵箱：wangjq@fmmu．edu．cn