安強(qiáng)，李釗，呂昊，梁福來，劉淼，張揚(yáng)，于霄，王健琪

第四軍醫(yī)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710032

UWB搜救生物雷達(dá)分段時(shí)窗探測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

安強(qiáng)，李釗，呂昊，梁福來，劉淼，張揚(yáng)，于霄，王健琪

第四軍醫(yī)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710032

本文在原有大時(shí)窗搜救生物雷達(dá)基礎(chǔ)上，改進(jìn)硬件電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對時(shí)窗的分段自由選擇，同時(shí)進(jìn)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(dá)回波數(shù)據(jù)，對得到的回波進(jìn)行信號處理給出時(shí)窗分段探測結(jié)果。新建立的搜救生物雷達(dá)分段時(shí)窗探測系統(tǒng)，能夠控制實(shí)現(xiàn)任一分段時(shí)窗自由選擇探測和分段時(shí)窗從前往后連續(xù)探測，該系統(tǒng)在探測準(zhǔn)確性，時(shí)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(dòng)，能大幅提高災(zāi)后救援效率。

搜救生物雷達(dá)；分段時(shí)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(yán)重的國家之一。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，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(jìn)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(dá)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(dá)統(tǒng)稱為生物雷達(dá)。生物雷達(dá)分窄帶雷達(dá)、超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）雷達(dá)。其中，超寬帶雷達(dá)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(qiáng)和定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)在地震搜救、隔墻探人等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。超寬帶雷達(dá)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(dá)。

超寬帶搜救生物雷達(dá)中最重要的一個(gè)參數(shù)是時(shí)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(dá)裝備，為了節(jié)省探測時(shí)間，提高救援效率，普遍都采用固定時(shí)窗參數(shù)選擇覆蓋整個(gè)探測區(qū)域的方式進(jìn)行探測。但在實(shí)際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，這種將整個(gè)探測區(qū)域作為感興趣范圍的時(shí)窗策略選擇會(huì)導(dǎo)致很高的誤判率，對實(shí)際救援行動(dòng)的指導(dǎo)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(biāo)點(diǎn)的強(qiáng)靜態(tài)、非靜態(tài)雜波干擾湮沒了微弱目標(biāo)信號的原因[5]。因此，筆者考慮改進(jìn)搜救雷達(dá)探測性能，降低誤判率，提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本研究主要從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件回波信號處理算法兩個(gè)角度來提升搜救需求的探測性能。目前用于搜救雷達(dá)目標(biāo)識別的回波信號處理方法大都基于慢時(shí)間能量累積來實(shí)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(dá)硬件電路設(shè)計(jì)模式固定，也無法做出大的改動(dòng)。本課題組前期針對這一問題作了大量研究，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)合理選取決定雷達(dá)探測范圍的時(shí)窗的大小，可在一定程度上提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[8]中分析了時(shí)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(shí)窗下采集回波前20 ns的數(shù)據(jù)沿慢時(shí)間計(jì)算功率，結(jié)果表明，相比于其他時(shí)窗下截取前20 ns回波計(jì)算的結(jié)果，直接開時(shí)窗為20 ns時(shí)，回波中目標(biāo)點(diǎn)功率較其他時(shí)窗下明顯增強(qiáng)且目標(biāo)點(diǎn)與非目標(biāo)點(diǎn)功率分布對比明顯。由于筆者的探測實(shí)踐是基于回波能量差別來進(jìn)行目標(biāo)識別的，這也就從側(cè)面說明了時(shí)窗變小可提升雷達(dá)探測性能。但是，在實(shí)際搜救行動(dòng)中，快速準(zhǔn)確地探測是第一要?jiǎng)?wù)，故時(shí)窗不能無限減小，再考慮到被壓埋目標(biāo)位置往往未知，因此，為了兼顧探測準(zhǔn)確性和救援效率兩方面的要求，筆者對探測區(qū)域進(jìn)行距離分段細(xì)化，將每個(gè)分段時(shí)窗確定的探測范圍作為感興趣探測范圍，對整個(gè)探測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)從前向后的精細(xì)探測來提高對目標(biāo)的探測能力。本研究合理改進(jìn)硬件電路時(shí)窗參數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)合軟件系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)對探測范圍的距離分段精細(xì)探測，大大提高了搜救雷達(dá)的探測能力。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

超寬帶搜救生物雷達(dá)系統(tǒng)由雷達(dá)前端、無線網(wǎng)絡(luò)和基于便攜式計(jì)算機(jī)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(dá)系統(tǒng)框圖

其中雷達(dá)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(shí)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(jìn)行后處理目標(biāo)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(dá)硬件組成及分段時(shí)窗功能實(shí)現(xiàn)

本文中使用的超寬帶搜救生物雷達(dá)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(dá)主機(jī)和天線系統(tǒng)兩部分。

圖2 超寬帶搜救生物雷達(dá)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

其中，發(fā)射機(jī)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(shí)，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(jìn)行高頻放大再傳送至取樣門，步進(jìn)延時(shí)脈沖觸發(fā)取樣門電路對回波信號進(jìn)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(dá)系統(tǒng)主機(jī)的存儲(chǔ)器。這樣就實(shí)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(chǔ)在RAM中，用于后續(xù)信號處理目標(biāo)識別。

由于沖擊脈沖搜救雷達(dá)回波信號的頻率較高，對于ns級持續(xù)時(shí)間的脈沖信號，有效頻譜分量可達(dá)數(shù)百兆赫茲，以目前的技術(shù)水平，若直接進(jìn)行采樣，需要昂貴的高位超高速A/D芯片和超高速存儲(chǔ)器。因此，在工程實(shí)現(xiàn)上一般按照等效采樣原理進(jìn)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(jìn)行重組，重建原始信號波形，圖3中的信號即步進(jìn)延時(shí)采樣脈沖信號。

接收機(jī)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(gè)周期或每隔數(shù)個(gè)周期采集一個(gè)樣點(diǎn)，并將其重新組合實(shí)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(shí)間寬度上比原被采樣信號增加了數(shù)倍，進(jìn)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(dá)系統(tǒng)主機(jī)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(shí)窗參數(shù)選擇的雷達(dá)系統(tǒng)，用于產(chǎn)生步進(jìn)延時(shí)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(gè)探測區(qū)域進(jìn)行覆蓋探測。本文中為了實(shí)現(xiàn)分段時(shí)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(gè)可變延時(shí)器，以改變采樣脈沖與觸發(fā)脈沖的相對位置，實(shí)現(xiàn)分段時(shí)窗起始位置的自由選擇功能。

從圖3可知，對雷達(dá)原始回波信號的等效采樣是由步進(jìn)延時(shí)采樣脈沖信號取樣實(shí)現(xiàn)的。其產(chǎn)生原理是高速比較一個(gè)步進(jìn)值一致的階梯波與一個(gè)斜率較大的快斜波，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與觸發(fā)脈沖有步進(jìn)延時(shí)的采樣脈沖，對回波進(jìn)行采樣（圖4）。

圖4 步進(jìn)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(jìn)延時(shí)采樣脈沖的個(gè)數(shù)，即改變采樣的時(shí)窗。

通過以上的分析，改變采樣脈沖的延時(shí)可以改變時(shí)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(shí)窗。用兩者配合調(diào)整，則可使感興趣區(qū)的信號落在時(shí)窗范圍內(nèi)，實(shí)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(dá)軟件組成及功能實(shí)現(xiàn)

超寬譜搜救生物雷達(dá)分段時(shí)窗探測系統(tǒng)的軟件部分基于delphi7.0多線程技術(shù)編寫，實(shí)現(xiàn)對回波信號同步采集和處理，保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)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(dá)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(dāng)ED_ TestEDaqConnection（pIpAddr, nPort）返回連接成功時(shí)，寫入雷達(dá)硬件時(shí)窗參數(shù)，包括時(shí)窗范圍、時(shí)窗起始位置、時(shí)窗終止位置、時(shí)延參數(shù)。在完成時(shí)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(bǔ)償信號衰減、均衡回波能量，本研究采用16段256點(diǎn)硬件放大策略，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)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(shí)創(chuàng)建線程進(jìn)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(qiáng)、計(jì)算功率等操作后，給出有無目標(biāo)的探測結(jié)論?；趯?shí)際應(yīng)用便捷性等方面的考慮，軟件部分筆者增加分段時(shí)窗從前往后自動(dòng)探測的功能，即在第一個(gè)時(shí)窗范圍內(nèi)經(jīng)探測不含目標(biāo)，自動(dòng)跳到相鄰后一個(gè)時(shí)窗區(qū)域進(jìn)行探測，此功能主要由delphi軟件中的synchronize函數(shù)控制實(shí)現(xiàn)。在一次探測回波信號處理結(jié)束后，先判斷有無目標(biāo)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(shí)窗參數(shù)繼續(xù)探測。軟件實(shí)現(xiàn)界面見圖6。

圖6 軟件實(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)窗從前往后自動(dòng)探測的功能；（b）波形顯示界面，給出采集回波的實(shí)時(shí)動(dòng)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(biāo)以及目標(biāo)位置的信息。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

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

圖7 模擬廢墟環(huán)境實(shí)驗(yàn)場景

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

圖8 新舊雷達(dá)系統(tǒng)采集回波能量分布圖

為進(jìn)一步說明新系統(tǒng)的探測能力，筆者進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)并從誤判率、漏判率和平均距離誤差3個(gè)指標(biāo)驗(yàn)證比對各自系統(tǒng)的探測能力，在模擬廢墟實(shí)驗(yàn)場兩個(gè)系統(tǒng)分別進(jìn)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(shí)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(dá)探測平臺(tái)存在的問題，在此基礎(chǔ)上提出了分段時(shí)窗探測改善探測性能的方法。筆者研究了超寬帶雷達(dá)回波采集機(jī)制，影響時(shí)窗分段探測的因素，進(jìn)一步改進(jìn)硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分段時(shí)窗探測雷達(dá)硬件前端；再結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的具體探測需求，使用delphi編程實(shí)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(shí)窗自由選擇探測和分段時(shí)窗從前往后自動(dòng)連續(xù)探測的功能。為了驗(yàn)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(dǎo)災(zāi)后救援行動(dòng)，也為課題組今后搜救生物雷達(dá)技術(shù)進(jìn)一步的研究提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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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(jì)劃（2012BAI20B02）；國科金重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)（61327805）；國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（61201382）。

王健琪，教授，博士生導(dǎo)師。

通訊作者郵箱：wangjq@fmmu．edu．cn