UWB搜救生物雷达分段时窗探测系统的实现

安强，李钊，吕昊，梁福来，刘淼，张扬，于霄，王健琪

第四军医大学 生物医学工程学院，陕西 西安 710032

UWB搜救生物雷达分段时窗探测系统的实现

安强，李钊，吕昊，梁福来，刘淼，张扬，于霄，王健琪

第四军医大学 生物医学工程学院，陕西 西安 710032

本文在原有大时窗搜救生物雷达基础上，改进硬件电路设计，实现了对时窗的分段自由选择，同时进一步结合delphi多线程编程技术，通过无线网络采集雷达回波数据，对得到的回波进行信号处理给出时窗分段探测结果。新建立的搜救生物雷达分段时窗探测系统，能够控制实现任一分段时窗自由选择探测和分段时窗从前往后连续探测，该系统在探测准确性，时窗选择灵活性等方面均优于原有探测系统，可用于复杂环境的救援行动，能大幅提高灾后救援效率。

搜救生物雷达；分段时窗；多线程编程；信号处理

0 前言

我国是世界上大陆地震最活跃、地震灾害最严重的国家之一。当地震发生时，抢救被压埋人员是减轻灾害的首要任务。随着科技的进步与技术的发展，先后出现了音频、视频、红外、气敏、静电场为代表的地震搜救生命探测仪，但是，直至雷达技术应用于地震搜救，才从根本上带来生命救援领域技术的革新。

我们将用于生命探测领域的雷达统称为生物雷达。生物雷达分窄带雷达、超宽带（Ultra-Wide Band，UWB）雷达。其中，超宽带雷达因其非接触、能穿透非金属障碍物、超近程探测、抗干扰性能强和定位准确等优点在地震搜救、隔墙探人等领域被广泛应用。超宽带雷达应用于地震搜救领域，极大地提高了救援效率[1-4]。本文研究中使用的是脉冲体制的超宽带雷达。

超宽带搜救生物雷达中最重要的一个参数是时窗，它决定了每一次探测的感兴趣范围。目前用于现场救援的搜救雷达装备，为了节省探测时间，提高救援效率，普遍都采用固定时窗参数选择覆盖整个探测区域的方式进行探测。但在实际应用中我们发现，这种将整个探测区域作为感兴趣范围的时窗策略选择会导致很高的误判率，对实际救援行动的指导意义有限。这是由于灾后救援现场状况复杂，探测区域内非目标点的强静态、非静态杂波干扰湮没了微弱目标信号的原因[5]。因此，笔者考虑改进搜救雷达探测性能，降低误判率，提高探测结果的准确性。

本研究主要从硬件电路设计和软件回波信号处理算法两个角度来提升搜救需求的探测性能。目前用于搜救雷达目标识别的回波信号处理方法大都基于慢时间能量累积来实现生命体识别的，方法趋于成熟，算法优化空间不大[6-7]。而脉冲超宽带雷达硬件电路设计模式固定，也无法做出大的改动。本课题组前期针对这一问题作了大量研究，在实际应用中发现合理选取决定雷达探测范围的时窗的大小，可在一定程度上提高探测结果的准确性。文献[8]中分析了时窗选择和采集回波功率分布之间的关系，具体做法是截取不同时窗下采集回波前20 ns的数据沿慢时间计算功率，结果表明，相比于其他时窗下截取前20 ns回波计算的结果，直接开时窗为20 ns时，回波中目标点功率较其他时窗下明显增强且目标点与非目标点功率分布对比明显。由于笔者的探测实践是基于回波能量差别来进行目标识别的，这也就从侧面说明了时窗变小可提升雷达探测性能。但是，在实际搜救行动中，快速准确地探测是第一要务，故时窗不能无限减小，再考虑到被压埋目标位置往往未知，因此，为了兼顾探测准确性和救援效率两方面的要求，笔者对探测区域进行距离分段细化，将每个分段时窗确定的探测范围作为感兴趣探测范围，对整个探测区域实现从前向后的精细探测来提高对目标的探测能力。本研究合理改进硬件电路时窗参数设计，结合软件系统控制实现对探测范围的距离分段精细探测，大大提高了搜救雷达的探测能力。

1 系统构成

超宽带搜救生物雷达系统由雷达前端、无线网络和基于便携式计算机的信号处理单元三部分组成（图1）。

图1 超宽带搜救生物雷达系统框图

其中雷达前端由控制单元、发射单元、接收单元、收发天线、信号预处理单元等部分组成，主要实现回波数据采集功能。后端信号处理PC主要作用是控制回波数据的采集和对采集回波进行后处理目标识别。无线网络是两者之间数据传输的通路。

1.1 超宽带搜救生物雷达硬件组成及分段时窗功能实现

本文中使用的超宽带搜救生物雷达主频400 MHz，带宽100 MHz，硬件系统的整体结构框见图2。本系统主要分为雷达主机和天线系统两部分。

图2 超宽带搜救生物雷达硬件整体结构框图

其中，发射机主要发射高速窄脉冲，并通过宽带天线将其窄脉冲辐射到探测区域。电磁波在探测区域废墟介质中传播时，复杂介质环境使电磁波产生反射、折射和吸收，使得电磁波在传播的过程中能量衰减很大，接收天线接收到的高频回波信号比较微弱。故应在接收电路部分对回波信号进行高频放大再传送至取样门，步进延时脉冲触发取样门电路对回波信号进行采样，将高频信号转换为低频信号。采样后的波形再经过保持放大电路单元分滤波放大后送至后置电路中的A/D转换器，将离散的模拟信号转换为数字信号，然后送到雷达系统主机的存储器。这样就实现了回波信号数据一次完整的采集过程，采集得到的回波信号以数字信号的形式存储在RAM中，用于后续信号处理目标识别。

由于冲击脉冲搜救雷达回波信号的频率较高，对于ns级持续时间的脉冲信号，有效频谱分量可达数百兆赫兹，以目前的技术水平，若直接进行采样，需要昂贵的高位超高速A/D芯片和超高速存储器。因此，在工程实现上一般按照等效采样原理进行等效采样[9]，其采样原理，见图3。

图3 等效采样示意图

通过对重复信号的多次采样，把在信号不同周期中采样得到的数据进行重组，重建原始信号波形，图3中的信号即步进延时采样脉冲信号。

接收机中的取样门电路是回波信号等效采样的核心，取样门在每个周期或每隔数个周期采集一个样点，并将其重新组合实现对原始波形的重建[10]。新组成的信号形状与原被采样信号相似，在时间宽度上比原被采样信号增加了数倍，进而降低了被采样信号的频率。

取样门电路的触发脉冲由雷达系统主机的可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）控制产生。以往采用固定时窗参数选择的雷达系统，用于产生步进延时采样脉冲的触发信号和用于产生发射脉冲的触发信号要保持同步，对整个探测区域进行覆盖探测。本文中为了实现分段时窗探测，笔者在发射脉冲触发信号和采样脉冲触发之间增加一个可变延时器，以改变采样脉冲与触发脉冲的相对位置，实现分段时窗起始位置的自由选择功能。

从图3可知，对雷达原始回波信号的等效采样是由步进延时采样脉冲信号取样实现的。其产生原理是高速比较一个步进值一致的阶梯波与一个斜率较大的快斜波，会产生一个与触发脉冲有步进延时的采样脉冲，对回波进行采样（图4）。

图4 步进采样脉冲产生原理

通过控制慢斜波阶梯电平差可改变步进延时采样脉冲的个数，即改变采样的时窗。

通过以上的分析，改变采样脉冲的延时可以改变时窗的起始位置，改变慢斜波的阶梯电平差则可改变采样的时窗。用两者配合调整，则可使感兴趣区的信号落在时窗范围内，实现对探测区域的分段选择探测。

1.2 超宽带搜救生物雷达软件组成及功能实现

超宽谱搜救生物雷达分段时窗探测系统的软件部分基于delphi7.0多线程技术编写，实现对回波信号同步采集和处理，保证系统能够实时给出探测结果。软件工作流程见图5。

图5 软件工作流程图

编程技术系统开始工作，首先尝试连接雷达前端数据收发无线AP，判断无线网络是否可用。当ED_ TestEDaqConnection（pIpAddr, nPort）返回连接成功时，写入雷达硬件时窗参数，包括时窗范围、时窗起始位置、时窗终止位置、时延参数。在完成时窗参数写入后，继续写入非线性硬件放大增益。放大的目的是补偿信号衰减、均衡回波能量，本研究采用16段256点硬件放大策略，根据经验公式进行二次放大确定增益参数。初始化完成后，开始探测采集回波数据，同时创建线程进行回波信号处理，经积分、归一化、去直流、低通滤波、自适应谱线增强、计算功率等操作后，给出有无目标的探测结论。基于实际应用便捷性等方面的考虑，软件部分笔者增加分段时窗从前往后自动探测的功能，即在第一个时窗范围内经探测不含目标，自动跳到相邻后一个时窗区域进行探测，此功能主要由delphi软件中的synchronize函数控制实现。在一次探测回波信号处理结束后，先判断有无目标存在，如果有则撤销线程结束探测，如果没有则写入相邻时窗参数继续探测。软件实现界面见图6。

图6 软件实现界面

注：（a）参数设置界面，其中连续探测按钮即实现时窗从前往后自动探测的功能；（b）波形显示界面，给出采集回波的实时动态波形图和信号处理后的功率分布图；（c）结果显示界面，它给出有无目标以及目标位置的信息。

2 实验与结果

2.1 实验方法

为了验证分析新搭建分段时窗探测系统的性能，笔者在模拟废墟环境进行对比实验，实验场景见图7，砖墙厚2 m，实验对象为24岁成年健康男性，目标物呼吸平静，距雷达2 m。采样点数8192点，脉冲重复频率250 kHz，采样频率30.5 Hz，进行数据采集分析探测结果。

图7 模拟废墟环境实验场景

2.2 实验结果

图8是在模拟废墟实验场用课题组原有的大时窗探测系统和新搭建的分段时窗探测系统分别进行数据采集得到的雷达回波能量分布图，从图中可明显看出新系统目标点与非目标点回波信号对比更加明显，且幅值较强，这说明新系统的目标识别能力更强。

图8 新旧雷达系统采集回波能量分布图

为进一步说明新系统的探测能力，笔者进行重复实验并从误判率、漏判率和平均距离误差3个指标验证比对各自系统的探测能力，在模拟废墟实验场两个系统分别进行50次探测能力的测试，测试结果见表1。新搭建的分段时窗探测系统探测性能优于原系统。

表1 系统探测能力测试结果

3 结论

本文首先分析了现有搜救生物雷达探测平台存在的问题，在此基础上提出了分段时窗探测改善探测性能的方法。笔者研究了超宽带雷达回波采集机制，影响时窗分段探测的因素，进一步改进硬件电路设计实现分段时窗探测雷达硬件前端；再结合实际应用中的具体探测需求，使用delphi编程实现了回波信号处理显示软件系统，该系统具备分段时窗自由选择探测和分段时窗从前往后自动连续探测的功能。为了验证新搭建系统的探测性能，在模拟废墟环境对比了新旧探测系统的探测能力，结果表明新搭建探测系统性能优于原系统。该系统不仅可以更好地指导灾后救援行动，也为课题组今后搜救生物雷达技术进一步的研究提供了实验平台。

[1]Chen KM,Zhang JP,Norman A,et al．M icrowave Life-detection Systems for Searching Human Subjects under Earthquake Rubble or Behind Barrier[J]．IEEE Trans on Biomed Eng,2000,47（1）：105-114．

[2]Yarovoy AG,Matuzas J,Levitas B,et al．UWB Radar for Human Being Detection[J]．IEEE Aero El Sys Mag,2006,21（3）：10-14．

[3]Nezirovic A,Yarovoy AG,Ligthart LP．Signal Processing for Improved Detection of Trapped Victims Using UWB Radar[J]．IEEE T Geosci Remote,2010,48（4）：2005-2014．

[4]Lv H,Lu GH,Jing XJ,et al．A New U ltra-w ideband Radar for Detecting Survivors Buried under Earthquake Rubbles[J]．Microw Opt Techn Let,2010,52：2621-2624．

[5]倪安胜,王健琪,杨国胜．基于FFT频域积累的非接触生命参数信号检测[J]．第四军医大学学报,2003,24（2）：172-175．

[6]Xu Y,W u S,Shao J,et al．Life detection and location by M IMO U ltra w ideband radar[C]．14th International Conference on Ground Penetrating Radar（GPR）[C]．Shanghai：IEEE,2012：80-84．

[7]Li Z,Li W Z,Lv H,et al．A Novel M ethod for Respiration-like Clutter Cancellation in Life Detection by Dual-Frequency IRUWB Radar[J]．IEEE T Microw Theory,2013,61（5）：2086-2092．

[8]吕昊．基于UWB雷达的生命探测技术研究[D]．西安：第四军医大学,2010：63-64．

[9]粟毅,黄春琳,雷文太．探地雷达理论与应用[M]．北京：科学出版社,2006：55-56．

[10]贾海亮．冲击脉冲探地雷达系统的设计与实现[D]．沈阳：沈阳航空航天大学,2012：31-49．

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

国家科技支撑计划（2012BAI20B02）；国科金重大科研仪器设备研制专项（61327805）；国家自然科学基金青年项目（61201382）。

王健琪，教授，博士生导师。

通讯作者邮箱：wangjq@fmmu．edu．cn