超寬帶廢墟搜救雷達(dá)的多生命體目標(biāo)識(shí)別

陳光　費(fèi)翔宇　馮溫雅　王成浩

摘 要： 超寬帶廢墟搜救雷達(dá)是一種新型的搜救設(shè)備，在地震等災(zāi)害后的救援工作中能夠發(fā)揮重要的作用，但現(xiàn)有搜救雷達(dá)一次探測(cè)僅僅只能夠識(shí)別單個(gè)生命體目標(biāo)，缺乏多生命體目標(biāo)探測(cè)識(shí)別的能力，因此提出一種多生命體目標(biāo)識(shí)別的方法。詳細(xì)敘述了超寬帶廢墟搜救雷達(dá)多生命體目標(biāo)識(shí)別方法的整個(gè)信號(hào)處理過(guò)程，從原始雷達(dá)數(shù)據(jù)的獲取，到信號(hào)預(yù)處理中道內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮、時(shí)域積分及無(wú)量綱化，再到如何進(jìn)行多生命體目標(biāo)識(shí)別都有詳細(xì)的介紹，并在每步處理中給出了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，從結(jié)果中可以看出所給方法的有效性與可行性。

關(guān)鍵詞： 超寬帶； 廢墟搜救雷達(dá)； 多目標(biāo)； 目標(biāo)識(shí)別

中圖分類號(hào)： TN957.51?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）19?0076?03

Abstract： Ultra wide band （UWB） ruin?rescue radar is a new search and rescue equipment， which can play an important role in rescue operation after earthquake and other disasters. Since the existing search and rescue radar can recognize single life target once， and lacks the ability of detecting and recognizing multi?lift target， a multi?life target recognition method is proposed. The whole signal processing procedure of the proposed life recognition method based on UWB ruin?rescue radar is described in detail. The process of radar data acquisition， data compression， time?domain integral and undimensionalization in signal preprocessing， and how to recognize multi?life target is introduced at length. The processing results were provided in each?step processing， which shows that the proposed method is validity and feasibility.

Keywords： UWB； ruin?rescue radar； multi?target； target recognition

0 引 言

我國(guó)是全球大陸性地震最活躍、災(zāi)害損失最嚴(yán)重的國(guó)家之一。各類建筑物倒塌、塌方、雪崩、泥石流等災(zāi)害也頻繁發(fā)生。我國(guó)又是能源大國(guó)，各種礦場(chǎng)數(shù)量眾多，礦難事故也防不勝防，時(shí)有發(fā)生。當(dāng)這些天災(zāi)人禍發(fā)生時(shí)，能發(fā)揮重要作用的超寬帶生命搜救雷達(dá)也越來(lái)越多的引起了人們的關(guān)注，但目前搜救雷達(dá)一次探測(cè)僅僅只能識(shí)別單個(gè)生命體目標(biāo)，缺乏多目標(biāo)識(shí)別的能力，難以適應(yīng)當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用的要求。

超寬帶雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)在國(guó)外開始得比較早，據(jù)文獻(xiàn)[1?4]推斷早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始，而在國(guó)內(nèi)興起比較晚[3]，但隨后很快引起了人們頗多的關(guān)注。目前正在積極開展此相關(guān)課題研究的科研院所主要有：中國(guó)電波傳播研究所，第四軍醫(yī)大學(xué)等[5?7]。

1 雷達(dá)數(shù)據(jù)的獲取

超寬帶雷達(dá)主要包括線性調(diào)頻連續(xù)波、步進(jìn)掃頻和沖激脈沖等幾種形式。其中沖擊脈沖超寬帶雷達(dá)存在系統(tǒng)發(fā)射、接收效率低等缺點(diǎn)，但其具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、功耗小、成本低、方便攜帶，非常適合廢墟搜救使用等優(yōu)點(diǎn)，因此在搭建超寬帶廢墟搜救雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)采用沖擊脈沖形式。因沖擊脈沖超寬帶雷達(dá)天線的中心頻率及帶寬（此形式超寬帶雷達(dá)一般帶寬值與中心頻率相當(dāng)）影響到整個(gè)超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)的穿透性和分辨率：天線中心頻率越高則分辨率越高，但探測(cè)深度減弱；天線中心頻率越低則分辨率會(huì)越低，但探測(cè)深度會(huì)增強(qiáng)。穿透深度和分辨率對(duì)于沖擊脈沖超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)而言是一矛盾體，需要進(jìn)行權(quán)衡考慮，根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和綜合考慮選擇中心頻率為400 MHz的蝶形振子超寬帶天線。

超寬帶廢墟搜救雷達(dá)時(shí)窗選擇為80 ns，對(duì)應(yīng)空氣一次探測(cè)距離為12 m，為了有效提取人體生命體特征，信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)選擇為8 192點(diǎn)，受整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)重復(fù)頻率的限制，掃描速度選擇為16 Hz，即雷達(dá)對(duì)探測(cè)區(qū)域每秒進(jìn)行16次掃描。

探測(cè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)俯視示意圖如圖1所示。在探測(cè)區(qū)域內(nèi)第二面墻后放置有兩個(gè)模擬呼吸裝置代替人體目標(biāo)，模擬裝置振動(dòng)頻率為0.3 Hz，振幅為1.0 cm。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)由三面長(zhǎng)、高、寬（這里指的是墻體厚度）分別為3.0 m，2.0 m，0.24 m不同材質(zhì)的磚混墻組成。其中第一面墻為粉煤灰磚墻，第二面墻為粘土磚墻，第三面墻為加氣混凝土磚墻，墻與墻之間的間距為3 m，實(shí)物圖如圖2所示。

2 信號(hào)預(yù)處理

超寬帶廢墟搜救雷達(dá)多目標(biāo)識(shí)別信號(hào)處理過(guò)程中信號(hào)預(yù)處理部分是十分重要的。首先，為了能有效攜帶壓埋人員的生命特征信號(hào)，在雷達(dá)原始數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中盡可能密集地采集雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，因此原始數(shù)據(jù)量是非常大的，如果不加預(yù)處理的進(jìn)行信號(hào)處理會(huì)增加巨大的計(jì)算量，不利于DSP準(zhǔn)確實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)；其次，廢墟壓埋幸存者的生命特征信號(hào)是非常微弱的小信號(hào)，常常會(huì)被淹沒在其周圍背景以及各種噪聲中，因此通過(guò)預(yù)處理手段增強(qiáng)信噪比是十分必要的。

2.1 道內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮endprint

2.2 時(shí)域積分

時(shí)域積分的主要作用是增強(qiáng)信噪比?？紤]到人體目標(biāo)特征呼吸信號(hào)為準(zhǔn)周期信號(hào)，在時(shí)域上選擇合適的滑動(dòng)積分窗會(huì)增強(qiáng)此信號(hào)。相反，背景噪聲信號(hào)是一些隨機(jī)信號(hào)，在積分過(guò)程中會(huì)有一個(gè)相消減弱作用。

2.3 無(wú)量綱化

無(wú)量綱化處理的主要作用是去除疊加到雷達(dá)回波的直流分量，同時(shí)消除雷達(dá)電磁波傳播衰減的影響。在雷達(dá)回波數(shù)據(jù)上疊加有不同位置、不同固定目標(biāo)的反散射信號(hào)，在雷達(dá)掃描時(shí)間上表現(xiàn)為一相對(duì)固定數(shù)值。另外，雷達(dá)電磁波在傳播過(guò)程中會(huì)有傳播衰減，不同距離衰減量存在一定差異，通過(guò)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的行向量進(jìn)行無(wú)量綱化處理即可去除直流分量及消除雷達(dá)電磁波在傳播過(guò)程中的衰減影響。無(wú)量綱化的計(jì)算公式為：

3 多生命體目標(biāo)識(shí)別

對(duì)于生命體目標(biāo)的識(shí)別主要是通過(guò)識(shí)別人體目標(biāo)特征呼吸信號(hào)來(lái)進(jìn)行的，對(duì)此信號(hào)的識(shí)別在預(yù)處理后的雷達(dá)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上主要進(jìn)行以下幾個(gè)處理過(guò)程：

（1） 頻譜分析；

（2） 對(duì)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而預(yù)估計(jì)出可能存在多生命體目標(biāo)的位置；

（3） 時(shí)域自適應(yīng)濾波分離提取生命體目標(biāo)特征呼吸信號(hào)[5?6]；

（4） 生命體目標(biāo)特征呼吸信號(hào)的識(shí)別[5]。

從圖5中可以較明顯的看出，在回波延時(shí)為40 ns和60 ns處有較明顯生命體目標(biāo)特征呼吸信號(hào)存在，頻率在0.3 Hz左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

多生命體目標(biāo)識(shí)別方法是解決現(xiàn)有超寬帶生命搜救雷達(dá)不能夠一次探測(cè)識(shí)別多個(gè)生命體目標(biāo)的重要方法，文中詳細(xì)地給出了整個(gè)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，并給出了相應(yīng)步驟的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，驗(yàn)證了文中所述方法的有效性。但當(dāng)探測(cè)區(qū)域中生命體目標(biāo)相鄰較近，雷達(dá)回波中無(wú)法區(qū)分多生命體目標(biāo)時(shí)，生命特征信號(hào)產(chǎn)生混疊相互干擾下如何識(shí)別是需要進(jìn)一步考慮和研究的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] CHEN Kunmu， HUANG Yong， ZHANG Jianping， et al. Microwave life?detection systems for searching human subjects under earthquake rubble or behind barrier [J]. IEEE Transactions On Biomedical Engineering， 2000， 47（1）： 132?137.

[2] MISRA D K. Scattering of electromagnetic waves by human body and its applications [D]. East Lansing， Michigan State University， 1984.

[3] BUGAEV A S， CHAPURSKY V V. Through wall sensing of human breathing and heart beating by monochromatic radar [C]// Proceedings of 2004 the 10th International Conference on Ground Penetrating Radar. Netherlands： IEEE， 2004： 291?294.

[4]CHEN Kunmu， MISRA D. An X?band microwave life?detection system [J]. IEEE Transactions On Biomedical Engineering， 1986， 33（7）： 514?518.

[5] 費(fèi)翔宇，王君超，王春和.穿墻定位雷達(dá)靜止人體目標(biāo)的信號(hào)處理[J].信號(hào)處理，2011，27（5）：786?790.

[6] 費(fèi)翔宇，王春和，黃素貞.雷達(dá)式非接觸生命參數(shù)信號(hào)的提取及判別[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（9）：38?40.

[7] 王海濱，倪安勝，王健琪，等.LMS算法在非接觸生命參數(shù)信號(hào)檢測(cè)中的消噪應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2003，27（1）：21?24.endprint