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      基于多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)的多人體目標(biāo)識別定位方法研究

      2021-09-24 03:38:42白思源王昭昳許兆坤薛慧君
      醫(yī)療衛(wèi)生裝備 2021年9期
      關(guān)鍵詞:大值拐點(diǎn)雷達(dá)

      白思源,王昭昳,許兆坤,薛慧君,呂 昊,安 強(qiáng),張 楊

      (空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系,西安 710032)

      0 引言

      生物雷達(dá)是一種通過提取雷達(dá)回波中與生命體征(呼吸、心跳等)相關(guān)的信號,非接觸、遠(yuǎn)距離且能穿透一定介質(zhì)(磚墻、混凝土、廢墟等)實(shí)現(xiàn)生命體探測、生命體征監(jiān)測、生命體區(qū)分、生命體成像和定位等功能的技術(shù),在災(zāi)后救援、醫(yī)學(xué)監(jiān)測、反恐維穩(wěn)、戰(zhàn)場搜救等領(lǐng)域顯示出了很大的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景[1-12]。

      然而,生物雷達(dá)在穿透條件下的多目標(biāo)識別定位技術(shù)是一個(gè)難點(diǎn),也是制約生物雷達(dá)技術(shù)進(jìn)一步走向?qū)嵱玫钠款i。從所能查閱到的文獻(xiàn)資料來看,目前只有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)開展了基于生物雷達(dá)的多人體目標(biāo)識別、定位研究,而且相當(dāng)一部分只能獲取目標(biāo)的徑向距離信息[13-16]。少量既有距離又有方位信息的定位研究往往會(huì)對目標(biāo)有一些限定條件,如在徑向和測量方位上的目標(biāo)之間需要間隔一定距離等[17],這影響了現(xiàn)有生物雷達(dá)的實(shí)用價(jià)值。多人體目標(biāo)識別定位問題的解決將實(shí)現(xiàn)在穿透條件下同時(shí)對多個(gè)人體目標(biāo)的探測定位,可以大大提高非接觸生命探測的效率,擴(kuò)大生物雷達(dá)的應(yīng)用范圍,從而促進(jìn)生物雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

      本文針對生物雷達(dá)多人體目標(biāo)識別定位技術(shù)的難題,基于多基地脈沖超寬譜(impluse radio ultra wideband,IR-UWB)生物雷達(dá)系統(tǒng),提出一種多人體目標(biāo)的識別定位方法,即先采用回波二次拐點(diǎn)和相關(guān)系數(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行目標(biāo)識別和徑向距離計(jì)算,再根據(jù)計(jì)算出的各目標(biāo)在3個(gè)通道中的徑向距離數(shù)據(jù)對目標(biāo)進(jìn)行定位。然后基于一發(fā)三收的多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)室穿墻條件下采集3個(gè)人體目標(biāo)的雷達(dá)回波數(shù)據(jù),采用本文提出的方法進(jìn)行信號處理和目標(biāo)識別定位,并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到相關(guān)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的方法可以對廢墟掩埋等穿透場景下的3個(gè)人體目標(biāo)進(jìn)行探測識別和定位,具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

      1 多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)及回波信號

      多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在脈沖重復(fù)頻率(pulserepeat frequency,PRF)振蕩器的控制下,脈沖發(fā)生器以一定的PRF產(chǎn)生脈沖信號。產(chǎn)生的脈沖信號分成2路:一路經(jīng)過發(fā)射電路調(diào)理整形成雙極性脈沖信號,然后通過發(fā)射天線輻射出去;另一路脈沖信號被送入延時(shí)單元,并在微處理器的控制下產(chǎn)生一系列延時(shí)時(shí)間可調(diào)的距離門(距離門其實(shí)是一種采樣脈沖信號,持續(xù)時(shí)間非常短)。由發(fā)射天線輻射出去的信號在遇到人體時(shí)發(fā)生反射,反射的雷達(dá)回波被接收天線接收后送入接收電路,在距離門的觸發(fā)下進(jìn)行選擇性地采樣、積分、放大,然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)形成雷達(dá)回波信號。雷達(dá)回波信號在微處理器控制下經(jīng)由Wi-Fi模塊送到處理顯示終端進(jìn)行信號處理和結(jié)果顯示。多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)一共由3個(gè)通道組成:發(fā)射天線和其中1個(gè)接收天線組成1個(gè)收發(fā)通道,如圖1所示的3個(gè)接收天線可分別與發(fā)射天線組合,形成3個(gè)通道。

      圖2為多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行多人體目標(biāo)穿墻探測識別的平面示意圖,各雷達(dá)天線緊貼一堵24 cm厚的磚墻放置,距離地面1.15 m(對應(yīng)成年人胸部的平均高度),其中發(fā)射天線Tx和接收天線Rx1緊挨放置于中間,組成雷達(dá)系統(tǒng)的中間通道,中間通道的數(shù)據(jù)主要用來進(jìn)行目標(biāo)個(gè)數(shù)的判別和各目標(biāo)徑向距離的確定;接收天線Rx2和接收天線Rx3分別置于發(fā)射天線Tx左側(cè)1.2 m處和右側(cè)1.2 m處(這里1.2 m是指從接收天線Rx3的中心到發(fā)射天線Tx的中心距離),并與發(fā)射天線組成左邊通道和右邊通道,左邊通道和右邊通道的數(shù)據(jù)主要用來對目標(biāo)進(jìn)行方向定位。

      圖2 多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)穿墻探測示意圖

      本研究以其中一個(gè)通道為例,描述雷達(dá)回波信號的特點(diǎn)及其信號處理過程。在實(shí)際探測中,多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)采樣的回波信號經(jīng)過采樣、積分和放大后,存儲(chǔ)在一個(gè)二維矩陣中,如圖3所示。圖中縱坐標(biāo)為快時(shí)間維度,對應(yīng)的是空間距離信息,即在空間上探測目標(biāo)距離雷達(dá)的遠(yuǎn)近,單位為ns,快時(shí)間與距離的計(jì)算關(guān)系為:距離(m)=快時(shí)間(ns)×電磁波在介質(zhì)中的傳播速度(m/ns)/2;橫坐標(biāo)為慢時(shí)間維度,對應(yīng)的是每一個(gè)距離點(diǎn)的信號隨時(shí)間變化的情況,單位為s。分別沿縱坐標(biāo)方向或橫坐標(biāo)方向任意抽出一組一維數(shù)據(jù),就形成了快時(shí)間信號或慢時(shí)間信號,圖4(a)和(b)分別顯示了雷達(dá)回波快時(shí)間信號和慢時(shí)間信號的波形。多基地IR-UWB生物雷達(dá)時(shí)窗的窗寬決定了快時(shí)間信號的長度,本文實(shí)驗(yàn)中,一個(gè)快時(shí)間信號的時(shí)窗寬度設(shè)為80 ns,對應(yīng)的探測距離為12 m。每個(gè)快時(shí)間信號由8 192個(gè)采樣點(diǎn)組成,每采集2個(gè)完整快時(shí)間信號的時(shí)間間隔Ts為0.062 5 s,也就是說,慢時(shí)間信號的采樣頻率fs=1/Ts=16 Hz,滿足奈奎斯特采樣定律對人體呼吸信號采樣的要求。

      圖3 多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)回波信號(二維矩陣)

      圖4 多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)回波信號波形圖

      多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)探測人體呼吸信號示意圖如圖5所示。假設(shè)人體目標(biāo)的胸壁表面與雷達(dá)之間的初始距離為d0,人體的呼吸會(huì)引起胸腔周期性的擴(kuò)張和收縮,一般情況下,人體呼吸時(shí)胸腔壁的位移是一個(gè)關(guān)于慢時(shí)間的正弦函數(shù)x(t),那么人體目標(biāo)的胸壁表面與雷達(dá)之間的實(shí)際距離d(t)將會(huì)根據(jù)人體的呼吸頻率fr在d0附近發(fā)生周期性變化。人體胸壁表面與雷達(dá)之間的距離d(t)的計(jì)算公式如下:

      圖5 多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)探測人體呼吸信號示意圖

      式中,t表示慢時(shí)間;x(t)表示人體呼吸時(shí)胸壁的位移;Ar表示人體呼吸的最大幅度。

      因?yàn)樘綔y范圍內(nèi)的環(huán)境是靜態(tài)的,人體目標(biāo)也保持靜止,只有呼吸引起胸壁運(yùn)動(dòng),那么雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)h(t,τ)將和呼吸運(yùn)動(dòng)一樣隨時(shí)間變化。雷達(dá)脈沖響應(yīng)h(t,τ)的計(jì)算公式如下:

      式中,c為電磁波在真空中的傳播速度;τ0為電磁波走完從雷達(dá)到固定目標(biāo)之間的距離所用的時(shí)間;τr為呼吸運(yùn)動(dòng)在快時(shí)間維度上的最大延時(shí)。如果忽略脈沖失真和其他非線性影響,就可以將雷達(dá)的回波信號看作是雷達(dá)發(fā)射脈沖和系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的卷積。那么在不考慮噪聲存在的條件下,t時(shí)刻雷達(dá)的回波信號E(τ,t)為

      式中,p(τ)為雷達(dá)的發(fā)射脈沖。

      實(shí)際探測中,多基地IR-UWB生物雷達(dá)沿快時(shí)間方向在各離散時(shí)刻τ=mTf(m=1,2,…,M)對每個(gè)脈沖波形上的各點(diǎn)進(jìn)行采樣,而沿慢時(shí)間方向在每個(gè)離散時(shí)刻t=nTs(n=1,2,…,N)采樣一次脈沖波形。采樣后的回波信號存儲(chǔ)為一個(gè)M×N二維數(shù)組E,數(shù)組E中的元素用E(m,n)表示:

      式中,信號E(m,n)為一個(gè)二維信號,其中m為快時(shí)間方向的采樣序數(shù),n為慢時(shí)間方向的采樣序數(shù);p(mTf-τi)為雷達(dá)的靜態(tài)目標(biāo)脈沖回波;Tf和Ts分別為快時(shí)間信號和慢時(shí)間信號的采樣周期。

      2 信號處理和識別定位方法

      2.1 信號預(yù)處理

      原始的雷達(dá)回波信號數(shù)據(jù)量大、所需要的處理時(shí)間長,且其中有大量干擾、噪聲存在,影響了人體生命特征提取和目標(biāo)識別,因此在目標(biāo)識別定位之前,先對各通道雷達(dá)回波進(jìn)行信號預(yù)處理(以中間通道為例)。信號預(yù)處理流程圖如圖6所示,各步驟描述如下:

      圖6 信號預(yù)處理流程圖

      (1)快時(shí)間累積——在不影響有用信息的前提下,對雷達(dá)的原始回波數(shù)據(jù)E(m,n)沿著快時(shí)間維度進(jìn)行距離累積,在大大降低雷達(dá)數(shù)據(jù)運(yùn)算量的同時(shí)可以抑制快時(shí)間信號上的高頻干擾。

      (2)衰減補(bǔ)償——以人體目標(biāo)位置處相應(yīng)的反射回波幅值為補(bǔ)償基準(zhǔn),采取指數(shù)增益補(bǔ)償?shù)姆椒▽嚯x累積后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)在快時(shí)間維度上進(jìn)行衰減補(bǔ)償。

      (3)去均值——沿著慢時(shí)間維度,采用滑窗減平均的方法將補(bǔ)償后的雷達(dá)回波信號中的靜態(tài)雜波濾除,只留下人體生命信號。

      (4)線性趨勢消除——通過線性最小二乘擬合估計(jì)出去背景的回波信號在慢時(shí)間維度上的直流分量和低頻線性漂移趨勢后,再從回波數(shù)據(jù)中減去,從而移除回波信號中的線性基線漂移。

      (5)低通濾波——用截止頻率為0.5 Hz、階數(shù)為120階的低通濾波器在慢時(shí)間維度上對雷達(dá)回波信號進(jìn)行低通濾波,從而有效濾除高頻干擾,進(jìn)一步提高雷達(dá)回波的信噪比。

      (6)慢時(shí)間累積——將低通濾波后的快時(shí)間信號0200取絕對值以后沿慢時(shí)間軸(200~1 200)累加,形成一維能量信號E(l)(l=1,2,…,200)。

      經(jīng)過前述一系列信號處理以后,能量信號的幅值與生命體的生命信號密切相關(guān),幅值越大,表明該距離處生命微動(dòng)信號越強(qiáng),越有可能是一個(gè)人體或者生物目標(biāo)。

      除了中間通道,同樣按照以上的方法和步驟分別對左邊通道、右邊通道的回波信號進(jìn)行處理,得到左邊通道能量信號Eleft(l)和右邊通道能量信號Eright(l)。本研究以3個(gè)通道的能量信號為主,結(jié)合中間通道的部分慢時(shí)間信號來進(jìn)行多目標(biāo)的個(gè)數(shù)判別和定位。

      2.2 多人體目標(biāo)識別定位

      通過大量的多人體目標(biāo)(包括無目標(biāo)、單目標(biāo)、雙目標(biāo)、三目標(biāo))穿墻探測實(shí)驗(yàn),對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析和特征提取,最終形成以下多人體目標(biāo)識別定位方法,其具體步驟描述如下:

      (1)去除能量信號E(l)直達(dá)波,以消除收發(fā)天線之間的直達(dá)波對目標(biāo)判別造成的影響。

      將E(l)前50點(diǎn)數(shù)據(jù)置零,形成新的去除直達(dá)波以后的能量信號E1(l)。

      (2)找出能量信號E1(l)的所有一次拐點(diǎn)。

      由于電磁波傳播的復(fù)雜性,很難直接從去除直達(dá)波后的能量信號E1(l)中找到被探測目標(biāo),因此需要去除干擾。雷達(dá)回波中一種影響目標(biāo)識別的主要干擾是峰值附近的旁瓣干擾,并且峰值的旁瓣呈現(xiàn)出一種向兩側(cè)衰減的特點(diǎn)。所以在本步驟中通過拐點(diǎn)提取來識別峰值信號,即當(dāng)某一點(diǎn)處的能量信號幅值比它左右兩側(cè)相鄰點(diǎn)處的信號幅值都大時(shí),則判別該點(diǎn)為一次拐點(diǎn)。一次拐點(diǎn)判別規(guī)則如下:

      所有滿足上式條件的點(diǎn),稱為一次拐點(diǎn),將不滿足一次拐點(diǎn)條件的各點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)值置零,滿足條件的各點(diǎn)按原幅值、原位置存儲(chǔ)在新的一維數(shù)組中形成一次拐點(diǎn)信號E2(l)。

      (3)在一次拐點(diǎn)信號E2(l)的基礎(chǔ)上找出所有二次拐點(diǎn)。

      從實(shí)際處理結(jié)果來看,一次拐點(diǎn)信號E2(l)仍然有干擾存在,導(dǎo)致無法準(zhǔn)確識別目標(biāo),尤其是無法準(zhǔn)確識別多目標(biāo)。因此作為一種優(yōu)化的實(shí)施方式,對所述的一次拐點(diǎn)信號E2(l)進(jìn)行二次拐點(diǎn)提取,獲得二次拐點(diǎn)信號,即保留一次拐點(diǎn)信號E2(l)中所有滿足以下條件的點(diǎn),識別這些點(diǎn)為二次拐點(diǎn):

      式中,E2(l+a)為E2(l)右邊第一個(gè)不為零的值;E2(lb)為E2(l)左邊第一個(gè)不為零的值。

      所有滿足上式條件的點(diǎn),稱為二次拐點(diǎn),將不滿足二次拐點(diǎn)條件的各點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)值置零,滿足條件的各點(diǎn)按原幅值、原位置存儲(chǔ)在新的一維數(shù)組中形成二次拐點(diǎn)信號E3(l)。經(jīng)過二次拐點(diǎn)提取之后的能量信號E3(l)去除了絕大部分峰值的旁瓣干擾,并最大程度地保留了各目標(biāo)位置處的信號能量,可大大提高多目標(biāo)識別的能力。

      采用步驟(1)、(2)、(3)對左邊通道能量信號Eleft(l)進(jìn)行去直達(dá)波、一次拐點(diǎn)和二次拐點(diǎn)提取處理得到左邊通道的二次拐點(diǎn)信號E3left(l)。同樣地,得到右邊通道的二次拐點(diǎn)信號E3right(l)。

      (4)找出二次拐點(diǎn)信號E3(l)上的前3個(gè)最大值。

      通過冒泡排序算法,找出中間通道二次拐點(diǎn)信號E3(l)上的第一大值E3-max1,位置記為lmax1。由于人體胸壁具有一定的厚度,所以其回波信號E3(l)不光在人體胸壁表面位置處有高能量幅值出現(xiàn),而在該位置后面一段距離上的能量幅值都較高,將其稱之為“拖尾”,“拖尾”現(xiàn)象影響了對多目標(biāo)的個(gè)數(shù)判別。因?yàn)闃?biāo)記的E3(l)第一大值E3-max1所處位置lmax1的一定距離范圍內(nèi)不可能是其他目標(biāo),而只能是該位置處目標(biāo)所產(chǎn)生的“拖尾”。為了去除這種“拖尾”,將最大值位置lmax1之后相鄰的16個(gè)連續(xù)的幅值信號置零。

      在去除最大值“拖尾”后的信號中通過冒泡排序算法找出第二大值E3-max2,位置記為lmax2。同樣將lmax2位置之后相鄰的16個(gè)連續(xù)的幅值信號置零,以去除第二大值的“拖尾”。繼續(xù)在去除第二大值“拖尾”后的信號中通過冒泡排序算法找出第三大值E3-max3,位置記為lmax3。二次拐點(diǎn)信號E3(l)的3個(gè)最大值以及“拖尾”現(xiàn)象示意圖如圖7所示。

      去除中間通道第一大值和第二大值“拖尾”后的二次拐點(diǎn)信號E3(l)如圖8所示,在這個(gè)信號的基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)個(gè)數(shù)的判別。

      圖8 中間通道去除“拖尾”后的二次拐點(diǎn)信號E3(l)

      采用以上方法,陸續(xù)找出左邊通道二次拐點(diǎn)信號E3left(l)上的前3個(gè)最大值E3left-max1、E3left-max2、E3left-max3(即信號E3left(l)中的第一大值、第二大值和第三大值),其中第一大值、第二大值在找到后需要去除“拖尾”后再尋找第三大值,找到的前3個(gè)最大值位置分別記為lleft-max1、lleft-max2、lleft-max3。同樣地,得到右邊通道二次拐點(diǎn)信號E3right(l)上的前3個(gè)最大值E3right-max1、E3right-max2、E3right-max3(找到的前3個(gè)最大值位置分別記為lright-max1、lright-max2、lright-max3)。

      (5)計(jì)算二次拐點(diǎn)信號E3(l)背景均值。

      計(jì)算中間通道二次拐點(diǎn)信號E3(l)中去除3個(gè)最大值及前2個(gè)大值“拖尾”后剩余非零值的均值Bave,作為背景。

      (6)分別計(jì)算前3個(gè)最大值的波峰-背景比值。

      中間通道二次拐點(diǎn)信號的第一大值E3-max1除以二次拐點(diǎn)信號背景均值Bave得到第一大值的波峰-背景比值,即;二次拐點(diǎn)信號的第二大值E3-max2除以二次拐點(diǎn)信號背景均值Bave得到第二大值的波峰-背景比值,即;二次拐點(diǎn)信號的第三大值E3-max3除以二次拐點(diǎn)信號背景均值Bave得到第三大值的波峰-背景比值,即VEtoB3=

      (7)計(jì)算相關(guān)系數(shù)均值。

      在低通濾波后的雷達(dá)回波信號中(以中間通道為例),抽出二次拐點(diǎn)信號第一大值位置lmax1處的慢時(shí)間信號,記為Emax1(n),并且抽出與該位置相鄰的前3個(gè)、后3個(gè)共6個(gè)位置,即lmax1-3、lmax1-2、lmax1-1、lmax1+1、lmax1+2、lmax1+3處的慢時(shí)間信號,分別記為Emax1-3(n)、Emax1-2(n)、Emax1-1(n)、Emax1+1(n)、Emax1+2(n)、Emax1+3(n),分別計(jì)算這6個(gè)慢時(shí)間信號與信號Emax1(n)的相關(guān)系數(shù)。以計(jì)算信號Emax1-3(n)與信號Emax1(n)的相關(guān)系數(shù)為例,相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下:

      按照以上公式計(jì)算出來的6個(gè)相關(guān)系數(shù)分別記為r1、r2、r3、r4、r5、r6,然后計(jì)算二次拐點(diǎn)信號第一大值lmax1位置處的6個(gè)相關(guān)系數(shù)的均值rm1,計(jì)算公式如下:

      參照以上步驟,在低通濾波后的雷達(dá)回波信號中,抽出二次拐點(diǎn)信號第二大值位置lmax2處的慢時(shí)間信號,記為Emax2(n),并且抽出與該位置相鄰的前3個(gè)、后3個(gè)共6個(gè)位置lmax2-3、lmax2-2、lmax2-1、lmax2+1、lmax2+2、lmax2+3處的慢時(shí)間信號,分別計(jì)算這6個(gè)慢時(shí)間信號與信號Emax2(n)的相關(guān)系數(shù),并求出這6個(gè)相關(guān)系數(shù)的均值rm2。

      同樣地,抽出二次拐點(diǎn)信號第三大值位置lmax3處的慢時(shí)間信號Emax3(n),并且抽出與該位置相鄰的6個(gè)位置處的慢時(shí)間信號,分別計(jì)算這6個(gè)慢時(shí)間信號與信號Emax3(n)的相關(guān)系數(shù),并求出這6個(gè)相關(guān)系數(shù)的均值rm3。

      (8)多人體目標(biāo)個(gè)數(shù)判別。

      通過上述步驟,計(jì)算出了中間通道二次拐點(diǎn)信號E3(l)上的前3個(gè)最大值E3-max1、E3-max2、E3-max3,以及其對應(yīng)的位置lmax1、lmax2、lmax3;計(jì)算出了目標(biāo)k(k=1,2,3)的波峰-背景比VEtoBk,并計(jì)算出了該位置處的慢信號與其相鄰的6個(gè)慢信號的相關(guān)系數(shù)均值rm1、rm2和rm3。

      VEtoBk的計(jì)算公式如下:

      式中,E3-maxk為某通道二次拐點(diǎn)信號E3(l)上的第k個(gè)最大值;ak為常系數(shù),在背景信號能量水平(含噪聲)相同的條件下,人體目標(biāo)k的胸壁面積越大反射能量越強(qiáng),呼吸幅度越大呼吸信號能量越強(qiáng),此時(shí)目標(biāo)k的波峰-背景比VEtoBk越大。在多人體目標(biāo)場景下,二次拐點(diǎn)信號前3個(gè)最大值E3-max1、E3-max2、E3-max3的幅值是依次遞減的,而二次拐點(diǎn)信號背景均值Bave為同一個(gè)值,因此針對不同目標(biāo)需要設(shè)定不同閾值進(jìn)行識別。

      rmk的計(jì)算公式如下:

      式中,bk為常系數(shù),在噪聲水平相同的條件下,人體目標(biāo)k的胸壁厚度(從前胸到后背的距離)越厚,其對應(yīng)各距離點(diǎn)的呼吸信號(慢時(shí)間信號)越反映為有規(guī)律的呼吸信號,即r1k~r6k均呈現(xiàn)為較高的值,且較為一致,故均值rmk越大;而人體目標(biāo)k的呼吸規(guī)律程度越高,則目標(biāo)距離點(diǎn)處呼吸信號與其左右相鄰的幾個(gè)慢時(shí)間信號的相關(guān)性越高,均值rmk越大。根據(jù)該特點(diǎn)本研究確定以下流程來進(jìn)行人體目標(biāo)個(gè)數(shù)判別,如圖9所示。

      圖9 多人體目標(biāo)個(gè)數(shù)判別方法流程圖

      (9)人體目標(biāo)定位。

      本研究以目標(biāo)2為例說明其定位方法。前面已經(jīng)分別計(jì)算出了中間通道、左邊通道、右邊通道的二次拐點(diǎn)信號第二大值的位置lmax2、lleft-max2、lright-max2。目標(biāo)2的徑向距離為lmax2對應(yīng)的距離,即12*lmax2/200 m,下面按照以下原則確定目標(biāo)2處于探測區(qū)域的左半?yún)^(qū)域、右半?yún)^(qū)域還是徑向中軸上。

      ①若左邊通道第二大值位置減去右邊通道第二大值位置的絕對值≤2(即2個(gè)通道第二大值位置距離差的絕對值≤0.12 m),即|lleft-max2-lright-max2|≤2,則目標(biāo)2在中軸線上;

      ②若左邊通道第二大值位置減去右邊通道第二大值位置的值<-2(右通道與左通道第二大值位置距離差>0.12 m),即lleft-max2-lright-max2<-2,則目標(biāo)2在中軸線的左半?yún)^(qū)域;

      ③若左邊通道第二大值位置減去右邊通道第二大值位置的值>2(左通道與右通道第二大值位置距離差>0.12 m),即lleft-max2-lright-max2>2,則目標(biāo)2在中軸線的右半?yún)^(qū)域。

      根據(jù)同樣的原則,利用中間通道、左邊通道、右邊通道的二次拐點(diǎn)信號第一大值的位置lmax1、lleft-max1、lright-max1對目標(biāo)1進(jìn)行定位,利用中間通道、左邊通道、右邊通道的二次拐點(diǎn)信號第三大值的位置lmax3、lleft-max3、lright-max3對目標(biāo)3進(jìn)行定位,這樣就完成了對所有3個(gè)目標(biāo)的定位。

      3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      3.1 實(shí)驗(yàn)場景

      為了驗(yàn)證以上方法的有效性,本研究采用多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室條件下的多人體目標(biāo)識別定位實(shí)驗(yàn)。

      選擇3名健康青年男性(目標(biāo)1、目標(biāo)2和目標(biāo)3)進(jìn)行穿透單磚墻條件下的探測實(shí)驗(yàn)。其中目標(biāo)1靜止站立于墻后2.3 m遠(yuǎn)處偏右側(cè)方向,目標(biāo)2靜止站立于墻后5.7 m遠(yuǎn)處偏左側(cè)方向,目標(biāo)3靜止站立于墻后7.8 m遠(yuǎn)處中軸線方向,實(shí)際探測定位場景如圖10所示。

      圖10 三目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)場景圖

      3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      采用多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)穿墻探測后,對3個(gè)通道的雷達(dá)回波信號進(jìn)行處理和計(jì)算,各項(xiàng)數(shù)據(jù)的結(jié)果為:VEtoB1=4.01、VEtoB2=2.93、VEtoB3=2.17,rm1=0.97、rm2=0.95、rm3=0.89。根據(jù)上文的多目標(biāo)人數(shù)判別方法流程可以判斷該次探測結(jié)果為3個(gè)人體目標(biāo)。而且,由中間通道去除“拖尾”后的二次拐點(diǎn)信號前3個(gè)最大值的位置lmax1、lmax2、lmax3可知,3個(gè)目標(biāo)的徑向距離分別為2.34、5.64、7.86 m,與實(shí)際距離誤差均小于0.1 m。在確定各目標(biāo)徑向距離以后,結(jié)合左邊通道前3個(gè)最大值位置和右邊通道前3個(gè)最大值位置可以確定目標(biāo)1位于探測區(qū)域右側(cè)方向,目標(biāo)2位于探測區(qū)域左側(cè)方向,目標(biāo)3位于探測區(qū)域中軸線方向。本次實(shí)驗(yàn)的探測結(jié)果與實(shí)際3個(gè)目標(biāo)站立分布情況相符,雷達(dá)識別定位結(jié)果正確,三目標(biāo)識別定位結(jié)果如圖11所示。

      圖11 三目標(biāo)識別定位結(jié)果圖

      4 結(jié)語

      本文基于多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)對多人體目標(biāo)的雷達(dá)回波信號進(jìn)行處理,得到目標(biāo)k的波峰-背景比和該位置處的慢時(shí)間信號與其相鄰的6個(gè)慢時(shí)間信號的相關(guān)系數(shù)均值,根據(jù)多人體目標(biāo)判別方法流程可以判斷探測的人體目標(biāo)個(gè)數(shù),然后利用中間通道、左邊通道、右邊通道的二次拐點(diǎn)信號最大值的位置對目標(biāo)進(jìn)行定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,多基地IRUWB生物雷達(dá)系統(tǒng)可以對多人體目標(biāo)進(jìn)行正確識別和定位。本文提出的雷達(dá)系統(tǒng)和方法可以大大提高非接觸生命探測的效率,滿足實(shí)際探測中多人體目標(biāo)的探測定位需求,具有廣闊的應(yīng)用前景。該方法目前最多只能實(shí)現(xiàn)對3個(gè)目標(biāo)的識別定位,而且本研究中的目標(biāo)定位驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)次數(shù)較少,因此該方法的魯棒性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。在后續(xù)研究中,將進(jìn)一步對多人目標(biāo)的識別和定位方法進(jìn)行優(yōu)化,以提高目標(biāo)探測定位的準(zhǔn)確率,提升生物雷達(dá)探測效率。

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