一種基于全向生物雷達(dá)的二維ca-cfar人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于全向生物雷達(dá)的二維CA?CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法，利用生物雷達(dá)探測(cè)較強(qiáng)動(dòng)目標(biāo)干擾環(huán)境中的人體隨機(jī)體動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)幸存目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別，為雷達(dá)探測(cè)幸存目標(biāo)提供了新思路；采用通道內(nèi)參考背景和環(huán)境參考背景作為二維CA?CFAR技術(shù)的二維閾值對(duì)全向四通道生物雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行綜合分析和判斷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)戶外有風(fēng)吹草動(dòng)等動(dòng)目標(biāo)干擾情況下的人體隨機(jī)體動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和識(shí)別，有效降低了生命探測(cè)雷達(dá)對(duì)搜救環(huán)境的要求，提高了搜救效率。
【專利說(shuō)明】
-種基于全向生物雷達(dá)的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢觀 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于生物雷達(dá)或雷達(dá)式生命探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于全向生物雷達(dá)的 二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物雷達(dá)是W探測(cè)生命體為目的的新概念雷達(dá)，它將雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī) 等技術(shù)融合于一體，可穿透非金屬介質(zhì)(磚墻、廢墟等）、遠(yuǎn)距離、非接觸探測(cè)和識(shí)別生命體 征，已廣泛應(yīng)用于反恐處突、災(zāi)后捜救等場(chǎng)合，對(duì)保障人民群眾的生命安全具有重要作用。
[0003] 然而在核化生泄露、爆炸現(xiàn)場(chǎng)捜救W及飛行員應(yīng)急落地生命活動(dòng)探測(cè)等實(shí)際探測(cè) 環(huán)境中，幸存者頭或腳可能正對(duì)雷達(dá)波W及探測(cè)環(huán)境中可能存在風(fēng)吹草動(dòng)等環(huán)境動(dòng)目標(biāo)干 擾，并且幸存者往往處于受傷或虛弱狀態(tài)下，此時(shí)規(guī)律的人體呼吸特征信號(hào)將很難被檢測(cè) 到。幸運(yùn)的是，此時(shí)幸存者往往會(huì)產(chǎn)生掙扎、抽搖等隨機(jī)體動(dòng)。并且運(yùn)些體動(dòng)相對(duì)呼吸信號(hào) 幅度更大、更強(qiáng)烈，更容易被雷達(dá)探測(cè)到，將為戶外災(zāi)害捜救提供重要參考信息。另外，單元 平均恒虛警（Cell Average-Constant False-Alarm Rate,CA-CFAR)檢測(cè)作為經(jīng)典的雷達(dá) 動(dòng)目標(biāo)恒虛警率檢測(cè)方法，能夠在雜波功率變化的情況下保持恒定的虛警率。
[0004] 現(xiàn)有的捜救生物雷達(dá)技術(shù)主要對(duì)人體呼吸和屯、跳等生命體征信號(hào)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別 從而進(jìn)行幸存目標(biāo)有無(wú)判斷，而在戶外有動(dòng)目標(biāo)干擾情況下利用人體隨機(jī)體動(dòng)進(jìn)行幸存目 標(biāo)判斷的研究還尚未見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題與缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于全向 生物雷達(dá)的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法，能夠?qū)敉庥酗L(fēng)吹草動(dòng)等動(dòng)目標(biāo)干擾 情況下的人體隨機(jī)體動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)戶外災(zāi)害捜救中幸存目標(biāo)有無(wú)的判 斷。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種基于全向生物雷達(dá)的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法，包括W下步驟： [000引步驟一:全向生物雷達(dá)的發(fā)射天線向探測(cè)區(qū)域發(fā)射電磁波，電磁波被障礙物反射， 反射后的電磁波被全向生物雷達(dá)的接收天線接收，形成4個(gè)通道的雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA, S i卻，S i gc，S i抑，4個(gè)通道分別為通道A、通道B、通道C和通道D;
[0009]步驟二:針對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA，SigB ,Sigc，Si即均采用二維CA-CFAR進(jìn)行處 理，判斷雷達(dá)原始回波信號(hào)sigA，SigB ,Sigc，SigD內(nèi)是否存在人體隨機(jī)體動(dòng);若雷達(dá)原始回 波信號(hào)S i gA，S i gB，S i gc，S i gD中任一雷達(dá)原始回波信號(hào)中存在人體隨機(jī)體動(dòng)，則判定整個(gè)探 測(cè)區(qū)域中存在人體隨機(jī)體動(dòng)；
[0010]其中，針對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx,X表示A，B，C或D，采用二維CA-CFAR進(jìn)行處理， 包括W下步驟：
[oow 步驟2.1:求取雷達(dá)原始回波信號(hào)Sig沖每個(gè)識(shí)別單元的滑動(dòng)方差S2(Hi)，其中，m表 示雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx中的第m個(gè)識(shí)別單元;雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx由離散采樣點(diǎn)組成， 每個(gè)識(shí)別單元包含多個(gè)離散采樣點(diǎn)；
[0012] 步驟2.2:計(jì)算雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx所在通道內(nèi)的參考背景Zxi(m)，將其作為二 維CA-CFAR的第一維參考背景；
[0013] 步驟2.3:計(jì)算雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx的環(huán)境參考背景Zx2(m)，將其作為二維CA- CFAR的第二維參考背景；
[0014] 步驟2.4:根據(jù)通道內(nèi)的參考背景2<1(111)和環(huán)境參考背景2<2(111)判斷雷達(dá)原始回波 f曰號(hào)S igx內(nèi)是否存在隨機(jī)體動(dòng)。
[0015] 具體地，所述步驟2.1中的求取雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx中每個(gè)識(shí)別單元的滑動(dòng)方 差S2(Hi)，采用的公式為：
[0016]
(1)
[0017] 其中，i表示雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx中采樣點(diǎn)的序號(hào)，識(shí)別單元的重疊區(qū)域?yàn)閨，:X 表示A,B,C或D。
[0018] 具體地，所述步驟2.2中的獲取雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx所在通道內(nèi)的參考背景Zxi (m)，采用的公式為：
[0019]
(2,)
[0020] 其中，N是參考窗的長(zhǎng)度，Lguard是保護(hù)單元的長(zhǎng)度，X表示A，B，C或D。
[0021] 具體地，所述步驟2.3中的計(jì)算雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx的環(huán)境參考背景Zx2(m)，W 雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA為例，計(jì)算環(huán)境參考背景ZA2(m)，具體包括W下步驟：
[0022] 步驟2.3.1:計(jì)算雷達(dá)原始回波信號(hào)SigAW外的雷達(dá)原始回波信號(hào)的滑動(dòng)方差，即 雷達(dá)原始回波信號(hào)SigB,Sigc，Si抑的滑動(dòng)方差Sb2(IH)、Sc2(m)和Sd 2(HI);
[0023] 步驟2.3.2:利用滑動(dòng)方差Sb2(HI)、Sc2(m)和Sd 2(HI)計(jì)算環(huán)境參考背景ZA2(m)，采用的 公式如下：
[0024]
(3)
[0025] 具體地，所述步驟2.4中的根據(jù)通道內(nèi)的參考背景2<1(111)和環(huán)境參考背景2<2(111)判 斷雷達(dá)原始回掘信號(hào)S igx內(nèi)是否存在隨化體動(dòng)，采用的公式化下：
[0026]
(4)
[0027] 其中，Indexx(m) = 1表示雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx的m識(shí)別單元判定為有體動(dòng)， Indexx(Hi)=O，表示雷達(dá)原始回波信號(hào)Sigx的m識(shí)別單元判定為沒(méi)有體動(dòng);Ki是通道內(nèi)的參 考背景闊值，K2是環(huán)境參考背景闊值，拉為環(huán)境補(bǔ)償闊值，X表示A，B，C或D。
[002引 進(jìn)一步地，1.9>Ki = K2>1.6，K3 = 0.3。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下技術(shù)效果:本發(fā)明利用生物雷達(dá)探測(cè)較強(qiáng)動(dòng)目 標(biāo)干擾環(huán)境中的人體隨機(jī)體動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)幸存目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別，為雷達(dá)探測(cè)幸存目標(biāo)提供 了新思路;采用通道內(nèi)參考背景和環(huán)境參考背景作為二維CA-CFAR技術(shù)的二維闊值對(duì)全向 四通道生物雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行綜合分析和判斷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)戶外有風(fēng)吹草動(dòng)等動(dòng)目標(biāo)干擾情況下 的人體隨機(jī)體動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和識(shí)別，有效降低了生命探測(cè)雷達(dá)對(duì)捜救環(huán)境的要求，提高 了捜救效率。
[0030] 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】
[0031 ]圖1為全向生物雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖2為戶外雷達(dá)生命探測(cè)場(chǎng)景示意圖；
[0033] 圖3為單通道雷達(dá)原始回波信號(hào)的二維CA-CFAR體隨機(jī)體動(dòng)檢測(cè)流程圖；
[0034] 圖4為全向四通道雷達(dá)陣列的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)檢測(cè)流程圖；
[0035] 圖5為室外有風(fēng)吹草動(dòng)情況下雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中，（a)表示表示四通道內(nèi)的 信號(hào)波形，（b)四通道內(nèi)信號(hào)的滑動(dòng)方差波形；
[0036] 圖6為室內(nèi)無(wú)人情況下探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中，（a)表示四通道內(nèi)的信號(hào)波形，（b)表 示四通道內(nèi)信號(hào)的滑動(dòng)方差波形；
[0037] 圖7為當(dāng)目標(biāo)處于雷達(dá)A天線的正前方7m情況下的雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中，（a)表 示四通道內(nèi)的信號(hào)波形，（b)表示四通道內(nèi)信號(hào)的滑動(dòng)方差波形；
[0038] 圖8為當(dāng)目標(biāo)位于兩個(gè)雷達(dá)夾角處雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中，（a)表示四通道內(nèi)的 信號(hào)波形，（b)表示四通道內(nèi)信號(hào)的滑動(dòng)方差波形；
[0039] 圖9為人體的腹部正對(duì)于雷達(dá)A主瓣方向時(shí)的原始信號(hào)及其處理結(jié)果，其中，（a)表 示四個(gè)雷達(dá)采集到的信號(hào)波形，（b)表示體動(dòng)識(shí)別結(jié)果，（C)表示雷達(dá)A采集到的信號(hào)的時(shí)頻 圖；
[0040] 圖10為人體的腹部正對(duì)于雷達(dá)B和雷達(dá)C兩個(gè)雷達(dá)天線主瓣方向的夾角處的原始 信號(hào)及其處理結(jié)果，其中，（a)表示四個(gè)雷達(dá)采集到的信號(hào)波形，（b)表示體動(dòng)識(shí)別結(jié)果，（C) 表示雷達(dá)B信號(hào)的時(shí)頻圖，（d)表示雷達(dá)B、C信號(hào)的時(shí)頻圖；
[0041] 圖11為人體平躺且雷達(dá)B天線正對(duì)人體頭部的原始信號(hào)及其處理結(jié)果，其中，（a) 表示四個(gè)雷達(dá)采集到的信號(hào)波形，（b)表示體動(dòng)識(shí)別結(jié)果，（C)表示雷達(dá)B信號(hào)的時(shí)頻圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 參見(jiàn)圖1，對(duì)全向生物雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明：此全向生物雷達(dá) 系統(tǒng)由四個(gè)同一型號(hào)的生物雷達(dá)構(gòu)成，按照順時(shí)針?lè)较蚍謩e定義為雷達(dá)A、B、C、D。圖1展示 了全向雷達(dá)系統(tǒng)主瓣和旁瓣覆蓋情況，雷達(dá)A表示雷達(dá)A的覆蓋區(qū)域，雷達(dá)B表示雷達(dá)B的覆 蓋區(qū)域，雷達(dá)AB表示雷達(dá)的共同覆蓋區(qū)域，依此類推。
[0043] 單個(gè)生物雷達(dá)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示:此雷達(dá)探測(cè)距離不小于15m，能夠滿足 生物雷達(dá)近場(chǎng)探測(cè)的需要。雷達(dá)主瓣范圍為80%滿足單個(gè)雷達(dá)探測(cè)角度覆蓋范圍的要求。 另外此雷達(dá)外形小巧、輸出功率低，適合多個(gè)雷達(dá)組合進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作。單個(gè)雷達(dá)采用自發(fā) 自收方式，單獨(dú)形成一個(gè)信號(hào)采集通道，4個(gè)雷達(dá)形成4個(gè)通道，分別為通道A、通道B、通道C 和通道D。
[0044] 全向生物雷達(dá)系統(tǒng)雷達(dá)工作時(shí)，采樣率為40化，4個(gè)雷達(dá)同時(shí)工作得到4通道的雷 達(dá)信號(hào)，并且根據(jù)單個(gè)雷達(dá)的主瓣和旁瓣覆蓋范圍可實(shí)現(xiàn)360°全向探測(cè)，為信號(hào)處理和生 命體征識(shí)別帶來(lái)了便利。實(shí)際戶外生命探測(cè)場(chǎng)景如圖2所示，除了與雷達(dá)相對(duì)位置隨機(jī)的幸 存人體目標(biāo)外，還存在化學(xué)煙霧、房屋、雜草等復(fù)雜的周圍環(huán)境干擾。因此，本發(fā)明充分利用 全向生物雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，將通道內(nèi)的參考背景和環(huán)境參考背景作為二維CA-CFAR技術(shù)的雙 重參考背景對(duì)全向生物雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行綜合分析和判斷，能夠有效檢測(cè)出風(fēng)吹草動(dòng)等動(dòng)目標(biāo) 干擾環(huán)境中的人體隨機(jī)體動(dòng)。
[0045] 表1單個(gè)生物雷達(dá)的主要技術(shù)指標(biāo)
[0046]
[0047] 本發(fā)明的基于全向生物雷達(dá)的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法，包括W下 步驟：
[0048] 步驟一:利用全向生物雷達(dá)對(duì)人體隨機(jī)體動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，全向生物雷達(dá)的發(fā)射 天線向探測(cè)區(qū)域發(fā)射電磁波，電磁波被障礙物反射，反射后的電磁波被全向生物雷達(dá)的接 收天線接收，形成4個(gè)通道的雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA, SigB, Sigc, SigD, 4個(gè)通道分別為通道 A、通道B、通道C和通道D。障礙物包括幸存人體目標(biāo)、化學(xué)煙霧、房屋和雜草等。
[0049] 步驟二:針對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA，SigB ,Sigc，Si即均采用二維CA-CFAR進(jìn)行處 理，對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA, SigB, Sigc, Si抑中的人體隨機(jī)體動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，若任一雷達(dá)原 始回波信號(hào)中存在人體隨機(jī)體動(dòng)，則判定整個(gè)探測(cè)區(qū)域中存在人體隨機(jī)體動(dòng)。
[0050] 本實(shí)施例W雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA為例，詳細(xì)介紹二維CA-CFAR的具體實(shí)現(xiàn)方法， 參見(jiàn)圖4,步驟如下：
[0053] 其中，S2(Hi)表示第m個(gè)識(shí)別單元的方差，L = 40，i表示雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA中采 樣點(diǎn)的序號(hào)，表示識(shí)別單元的重疊區(qū)域?yàn)槔走_(dá)原始回波信號(hào)SigA由離散采樣點(diǎn)組成，每
[0051] 步驟2.1:求取雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA中每個(gè)識(shí)別單元的滑動(dòng)方差S2(Hi)，參見(jiàn)圖3， 即：
[0052] 。 （ 1) 個(gè)識(shí)別單元包含^ JL長(zhǎng)度的離散采樣點(diǎn)。 么
[0054] 步驟2.2:獲取雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA所在通道A內(nèi)的參考背景ZAi(m)，將其作為二 維CA-CFAR的第一維參考背景。
[0055] 如圖3所示，設(shè)D為當(dāng)前識(shí)別單元，由于當(dāng)前的識(shí)別單元存在目標(biāo)時(shí)，其信息可能會(huì) 通過(guò)模擬濾波器傳遞到附近單元，為了得到最貼近真實(shí)的參考背景，在計(jì)算參考背景時(shí)需 要在當(dāng)前識(shí)別單元兩側(cè)增加保護(hù)單元，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)guardDP(I)和分別表示當(dāng)前識(shí)別單元 D左側(cè)的第1個(gè)、第N/2個(gè)(N為偶數(shù))背景參考單元值，N為參考單元的長(zhǎng)度，q(l)和gCf：)分別 表示識(shí)別單元D右側(cè)的第1個(gè)、第N/2個(gè)(N為偶數(shù))背景參考單元的值，N為背景參考單元的長(zhǎng) 度。Hl-假設(shè)識(shí)別單元存在目標(biāo)，HO-假設(shè)識(shí)別單元不存在目標(biāo)。使用當(dāng)前識(shí)別單元D前后 (不包含保護(hù)單元)共N個(gè)背景參考單元的平均值作為參考背景。
[0056] 令該參考背景的值為ZAi(m)，則：
[0057]
(2)
[005引其中，N是參考窗的長(zhǎng)度，在本發(fā)明中設(shè)為8，Lguard = 8。
[0059] 步驟2.3:計(jì)算雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA的環(huán)境參考背景ZA2(m)，將其作為二維CA- CFAR的第二維參考背景。
[0060] 步驟2.3.1:計(jì)算雷達(dá)原始回波信號(hào)SigAW外的雷達(dá)原始回波信號(hào)的滑動(dòng)方差，即 雷達(dá)原始回波信號(hào)SigB,Sigc，Si抑的滑動(dòng)方差Sb2(IH)、Sc2(m)和Sd 2(HI);
[0061 ] 步驟2.3.2:利用滑動(dòng)方差Sb2(HI)、Sc2(m)和Sd 2(HI)計(jì)算環(huán)境參考背景ZA2(m)，采用的 公式如下：
[0062]
(3)
[0063] 4個(gè)通道沒(méi)有特殊性，對(duì)A通道識(shí)別時(shí)，其它=通道就用來(lái)計(jì)算環(huán)境背景。計(jì)算環(huán)境 背景時(shí)去除了 =個(gè)中的最大值，是因?yàn)槿梭w目標(biāo)有可能處于兩個(gè)雷達(dá)的共同覆蓋范圍。去 除最大值相當(dāng)于設(shè)定了第二維度CA-CFAR的保護(hù)單元。運(yùn)樣即使有風(fēng)吹草動(dòng)干擾，由于有其 他兩通道得到的環(huán)境背景作為參考背景，也不會(huì)將環(huán)境動(dòng)目標(biāo)干擾判斷為幸存目標(biāo)體動(dòng)。
[0064] 若只是采用單一維CA-CFAR對(duì)每個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行判斷，即滑動(dòng)方差的某個(gè)值超出 了闊值就判定為有動(dòng)目標(biāo)。那么對(duì)于風(fēng)吹草動(dòng)環(huán)境中無(wú)人體體動(dòng)情況，將很容易造成誤判。 圖5為風(fēng)吹草動(dòng)環(huán)境中空采信號(hào)及其滑動(dòng)方差曲線。如果采用單闊值方法，類似圖5中的(b) 的80秒處將容易發(fā)生誤判，因?yàn)閳D5中的（b)中的80秒單元的方差值，明顯大于該通道的背 景值。本發(fā)明采用的二維CA-CFAR通過(guò)設(shè)置環(huán)境背景作為第二維參考背景將有效避免運(yùn)個(gè) 問(wèn)題。
[0065] 步驟2.4:根據(jù)通道內(nèi)的參考背景241(111)和環(huán)境參考背景242(111)判斷雷達(dá)原始回波 信號(hào)SigA內(nèi)是否存在隨機(jī)體動(dòng)。判斷方法如下：
[0066]
(64)
[0067] 其中，IndexA(m) = I表示雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA的m識(shí)別單元判定為有體動(dòng)； IndexA(m)=0,表示雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA的m識(shí)別單元判定為沒(méi)有體動(dòng)。在公式(4)中，Ki 是通道內(nèi)的參考背景闊值，K2是環(huán)境參考背景闊值，K3為環(huán)境補(bǔ)償闊值。當(dāng)某一識(shí)別單元同 時(shí)滿足運(yùn)=個(gè)闊值條件時(shí)，該識(shí)別單元內(nèi)存在隨機(jī)體動(dòng)，判定為被測(cè)對(duì)象存活。
[0068] 針對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)SigB, Sigc, Si即均采用與雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA相同的二 維CA-CFAR進(jìn)行處理，對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)sigA，SigB ,Sigc，SigD中的人體隨機(jī)體動(dòng)進(jìn)行檢 ，若任一雷達(dá)原始回波信號(hào)中存在人體隨機(jī)體動(dòng)，則判定整個(gè)探測(cè)區(qū)域中存在人體隨機(jī) 體動(dòng)，即存在幸存目標(biāo)。
[0069 ] 公式(4)中，1.9>1(1 = 1(2>1.6，拉=0.3，運(yùn)^個(gè)值的確定方法如下：
[0070] 由于目前無(wú)法確定干擾的分布類型，所W不能通過(guò)計(jì)算的方法來(lái)確定Ki、K2和K3的 值。針對(duì)此問(wèn)題，本發(fā)明采用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定二維Ki、K2和K3的值。本發(fā)明招募2位健康男 性志愿者進(jìn)行試驗(yàn)。首先空采五組數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)3分鐘。然后對(duì)同一受試者分別采用不同 的測(cè)試距離(3米、5米、7米)進(jìn)行測(cè)試。在不同距離處，每個(gè)受試者進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)。第一次實(shí) 驗(yàn)時(shí)，受試者仰躺，側(cè)腹部正對(duì)某一個(gè)雷達(dá)。第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)，受試者仰躺，側(cè)腹部處于兩個(gè)雷 達(dá)的夾角處。有人體目標(biāo)時(shí)，實(shí)驗(yàn)每次進(jìn)行到60s，120s時(shí)，實(shí)驗(yàn)記錄人員通知受試者進(jìn)行簡(jiǎn) 單晃動(dòng)，2-4秒后，實(shí)驗(yàn)記錄人員通知受試者停止晃動(dòng)，受試者開(kāi)始平靜呼吸。
[0071] (1)環(huán)境補(bǔ)償闊值K3的確定
[0072] 圖6為無(wú)人的室內(nèi)環(huán)境中所得四通道信號(hào)及其滑動(dòng)方差曲線。由于在室內(nèi)條件下 環(huán)境背景非常干凈，滑動(dòng)方差非常小，任何隨機(jī)擾動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生較大的相對(duì)滑動(dòng)方差變化，如 果只選用滿足室外多動(dòng)目標(biāo)干擾環(huán)境的相對(duì)闊值Ki, K2,就會(huì)將明顯無(wú)隨機(jī)體動(dòng)的數(shù)據(jù)判斷 為有隨機(jī)體動(dòng)。
[0073] 因此，我們通過(guò)結(jié)合有人體目標(biāo)隨機(jī)體動(dòng)時(shí)和無(wú)人室內(nèi)環(huán)境的滑動(dòng)方差特點(diǎn)設(shè)置 環(huán)境補(bǔ)償闊值K3。為了闊值更具普遍性，我們對(duì)室內(nèi)5組空采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì) 如表2所示。其中"雷達(dá)A"下的"總計(jì)"表示通道A內(nèi)的信號(hào)滑動(dòng)方差的總和，"最大值"表示通 道A內(nèi)的信號(hào)識(shí)別單元滑動(dòng)方差的最大值。通過(guò)表2看出，5組實(shí)驗(yàn)中四個(gè)雷達(dá)的最大滑動(dòng)方 差為0.215。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)距離人體目標(biāo)7米范圍內(nèi)，人體目標(biāo)有隨機(jī)體動(dòng)時(shí)滑動(dòng) 方差必將大于0.3,所W將K3 = 0.3作為絕對(duì)闊值引入可W有效避免雷達(dá)在理想條件下產(chǎn)生 的誤判。
[0074] 表2室內(nèi)空采集的滑動(dòng)方差統(tǒng)計(jì)
[0075]
[0076] (2)通道內(nèi)的參考背景闊值Ki和環(huán)境參考背景闊值K2的確定在進(jìn)行戶外人員捜救 時(shí)，人體與全向雷達(dá)的方位關(guān)系主要分為兩種情況:第一種情況為目標(biāo)處于某個(gè)雷達(dá)天線 的正前方，雷達(dá)處于其各通道信號(hào)和滑動(dòng)方差具有W下特點(diǎn)：W目標(biāo)處于雷達(dá)A正前方，距 離7m數(shù)據(jù)為例，如圖7所示:整個(gè)環(huán)境背景的滑動(dòng)方差較小;可W看出雷達(dá)A的前60秒有規(guī)律 的呼吸波形，分別在60秒、120秒處信號(hào)的幅度和頻率急劇變化，該變化也體現(xiàn)在圖7中的 (b)所示的滑動(dòng)方差圖中，雷達(dá)距離目標(biāo)近時(shí)可W探測(cè)到高質(zhì)量的呼吸信號(hào)，覆蓋范圍有人 體目標(biāo)的雷達(dá)通道滑動(dòng)方差較大，且目標(biāo)發(fā)生隨機(jī)體動(dòng)處滑動(dòng)方差大。第二種情況為目標(biāo) 處于雷達(dá)處于兩個(gè)雷達(dá)夾角處。W目標(biāo)在雷達(dá)A、B天線夾角處，距離為7m，如圖8所示：可W 看出在實(shí)驗(yàn)對(duì)象分別在60秒、120秒處有隨機(jī)體動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)該時(shí)刻雷達(dá)A、雷達(dá)B信號(hào)的幅度 和頻率急劇變化，該變化也體現(xiàn)在圖8中的(b)所示的滑動(dòng)方差圖中，雷達(dá)A、B通道的滑動(dòng)方 差在隨機(jī)體動(dòng)發(fā)生時(shí)急劇增大。
[0077] 因此我們通過(guò)在3/5/7米距離處分別采集兩個(gè)實(shí)驗(yàn)者在正對(duì)或處于雷達(dá)夾角處的 數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到各個(gè)位置處四通道雷達(dá)對(duì)應(yīng)的方差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。W可實(shí)現(xiàn)人體隨機(jī)體動(dòng) 識(shí)別但不會(huì)出現(xiàn)誤判為原則進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在有闊值K3的前提下發(fā)現(xiàn)4>Ki = K2>1.1可W 滿足要求。另外，本發(fā)明又在風(fēng)吹草動(dòng)強(qiáng)干擾條件下采集人體隨機(jī)體動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，W算 法能夠識(shí)別每次隨機(jī)體動(dòng)卻并不會(huì)將隨機(jī)動(dòng)目標(biāo)干擾誤判成隨機(jī)體動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)，采用嘗試和 修正的辦法確定闊值Ki、K2。結(jié)果表明當(dāng)1.9 > Ki=K2 > 1.6可W滿足上述標(biāo)準(zhǔn)。
[007引實(shí)施例
[0079] 采用本發(fā)明的方法，利用有人體目標(biāo)隨機(jī)體動(dòng)的生物雷達(dá)探測(cè)試驗(yàn)并選定Ki = K2 = 1.7對(duì)本方法進(jìn)行效能評(píng)價(jià)。根據(jù)人體和雷達(dá)相對(duì)位置的不同主要分為W下=種情況：
[0080] 圖9為人體的腹部正對(duì)于雷達(dá)A主瓣方向時(shí)的原始信號(hào)及其處理結(jié)果。如圖9中的 (a)所示，由于雷達(dá)A天線前方有人體的遮擋，動(dòng)目標(biāo)干擾很小，可W看出清晰的呼吸波形， 雷達(dá)B、C、D天線沒(méi)有人體的遮擋，動(dòng)目標(biāo)干擾很強(qiáng)。由于被測(cè)對(duì)象的晃動(dòng)，Radar A信號(hào)在 60s、120s附近發(fā)生了劇烈變化。隨機(jī)體動(dòng)識(shí)別算法在雷達(dá)A回波的60s、120s附近識(shí)別出了 體動(dòng)，如圖9中的（b)所示，其中Index = 1表示探測(cè)到實(shí)驗(yàn)對(duì)象的隨機(jī)體動(dòng)，Index = O表示沒(méi) 有探測(cè)到實(shí)驗(yàn)對(duì)象隨機(jī)體動(dòng)。圖9中的（C)是雷達(dá)A信號(hào)的時(shí)頻圖，可W看出在60s、120s附近 信號(hào)的頻率成分發(fā)生了突變。
[0081]如圖10所示為人體的腹部正對(duì)于雷達(dá)B和雷達(dá)C兩個(gè)雷達(dá)天線主瓣方向的夾角處， 雷達(dá)系統(tǒng)距離目標(biāo)3米左右的原始信號(hào)及其處理結(jié)果。如圖11所示為人體平躺且雷達(dá)B天線 正對(duì)人體頭部的原始信號(hào)及其處理結(jié)果。此時(shí)由于人體頭部遮擋，雷達(dá)將很難探測(cè)到人體 呼吸信號(hào)。然而根據(jù)隨機(jī)體動(dòng)判斷結(jié)果和時(shí)頻分析驗(yàn)證可W看出，本發(fā)明提出的二維CA- CFAR檢測(cè)方法能夠有效檢測(cè)出上述兩種情況下戶外環(huán)境中人體隨機(jī)體動(dòng)，滿足在戶外情況 下對(duì)幸存目標(biāo)存在與否進(jìn)行準(zhǔn)確判斷的使用需求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于全向生物雷達(dá)的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法，其特征在于，包括 以下步驟： 步驟一:全向生物雷達(dá)的發(fā)射天線向探測(cè)區(qū)域發(fā)射電磁波，電磁波被障礙物反射，反射 后的電磁波被全向生物雷達(dá)的接收天線接收，形成4個(gè)通道的雷達(dá)原始回波信號(hào)sigA，sigB， s i gc，s i gD，4個(gè)通道分別為通道A、通道B、通道C和通道D; 步驟二:針對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)sigA，sigB，sigc，sigD均采用二維CA-CFAR進(jìn)行處理，判 斷雷達(dá)原始回波信號(hào)sigA，sigB，sigc，sigD內(nèi)是否存在人體隨機(jī)體動(dòng);若雷達(dá)原始回波信號(hào) sigA，sigB，sigc，sigD中任一雷達(dá)原始回波信號(hào)中存在人體隨機(jī)體動(dòng)，則判定整個(gè)探測(cè)區(qū)域 中存在人體隨機(jī)體動(dòng)； 其中，針對(duì)雷達(dá)原始回波信號(hào)sigx，X表示A，B，C或D，采用二維CA-CFAR進(jìn)行處理，包括以 下步驟： 步驟2.1:求取雷達(dá)原始回波信號(hào)sigx中每個(gè)識(shí)別單元的滑動(dòng)方差δ2(π〇，其中，m表示雷 達(dá)原始回波信號(hào)sigx中的第m個(gè)識(shí)別單元;雷達(dá)原始回波信號(hào)sigx由離散采樣點(diǎn)組成，每個(gè) 識(shí)別單元包含多個(gè)離散采樣點(diǎn)； 步驟2.2:計(jì)算雷達(dá)原始回波信號(hào)sigx所在通道內(nèi)的參考背景Zn(m)，將其作為二維CA-CFAR的第一維參考背景； 步驟2.3:計(jì)算雷達(dá)原始回波信號(hào)sigx的環(huán)境參考背景ZX2(m)，將其作為二維CA-CFAR的 第二維參考背景； 步驟2.4:根據(jù)通道內(nèi)的參考背景Zn(m)和環(huán)境參考背景ZX2(m)判斷雷達(dá)原始回波信號(hào) sigx內(nèi)是否存在隨機(jī)體動(dòng)。2. 如權(quán)利要求1所述的基于全向生物雷達(dá)的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法，其 特征在于，所述步驟2.1中的求取雷達(dá)原始回波信號(hào)sigx中每個(gè)識(shí)別單元的滑動(dòng)方差δ 2(π〇， 采用的公式為：其中，i表示雷達(dá)原始回波信號(hào)sigx中采樣點(diǎn)的序號(hào)，識(shí)別單元的重疊區(qū)域?yàn)閨，X表示Α， B，C或 D03. 如權(quán)利要求1所述的基于全向生物雷達(dá)的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法，其 特征在于，所述步驟2.2中的獲取雷達(dá)原始回波信號(hào)sigx所在通道內(nèi)的參考背景Z xl(m)，采 用的公忒為，其中，N是參考窗的長(zhǎng)度，Lguard是保護(hù)單元的長(zhǎng)度，X表示A，B，C或D。4. 如權(quán)利要求1所述的基于全向生物雷達(dá)的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法，其 特征在于，所述步驟2.3中的計(jì)算雷達(dá)原始回波信號(hào)sigx的環(huán)境參考背景Z X2(m)，以雷達(dá)原 始回波信號(hào)SigA為例，計(jì)算環(huán)境參考背景ZA2(m)，具體包括以下步驟： 步驟2.3.1:計(jì)算雷達(dá)原始回波信號(hào)SigA以外的雷達(dá)原始回波信號(hào)的滑動(dòng)方差，即雷達(dá) 原始回波信號(hào)81&[3,818(；，818〇的滑動(dòng)方差3132(111)、5(；2(111)和5[) 2(111); 步驟2.3.2:利用滑動(dòng)方差362(!11)、3〇2( 111)和3#(111)計(jì)算環(huán)境參考背景2/12(111)，采用的公式 如下：5. 如權(quán)利要求1所述的基于全向生物雷達(dá)的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法，其 特征在于，所述步驟2.4中的根據(jù)通道內(nèi)的參考背景Zn(m)和環(huán)境參考背景Z X2(m)判斷雷達(dá) 原始回波信號(hào)sigx內(nèi)是否存在隨機(jī)體動(dòng)，采用的公式如下：其中，Indexx(m) = 1表示雷達(dá)原始回波信號(hào)8181的111識(shí)別單元判定為有體動(dòng)，Indexx(m) =0,表示雷達(dá)原始回波信號(hào)sigx的m識(shí)別單元判定為沒(méi)有體動(dòng);心是通道內(nèi)的參考背景閾 值，心是環(huán)境參考背景閾值，K3為環(huán)境補(bǔ)償閾值，X表示A，B，C或D。6. 如權(quán)利要求5所述的基于全向生物雷達(dá)的二維CA-CFAR人體隨機(jī)體動(dòng)的檢測(cè)方法，其 特征在于，1.9彡Ki = K2彡 1·6，Κ3 = 0·3。
【文檔編號(hào)】G01S7/41GK106019391SQ201610422537
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】祁富貴, 王健琪, 李川濤, 荊西京, 于霄, 路國(guó)華, 梁福來(lái), 王帥杰
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)