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(guò)提取雷達(dá)回波中與生命體征（呼吸、心跳等）相關(guān)的信號(hào)，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(cè)、生命體征監(jiān)測(cè)、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(cè)、反恐維穩(wěn)、戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)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(lái)看，目前只有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了基于生物雷達(dá)的多人體目標(biāo)識(shí)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(duì)目標(biāo)有一些限定條件，如在徑向和測(cè)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(shí)別定位問(wèn)題的解決將實(shí)現(xiàn)在穿透條件下同時(shí)對(duì)多個(gè)人體目標(biāo)的探測(cè)定位，可以大大提高非接觸生命探測(cè)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(duì)生物雷達(dá)多人體目標(biāo)識(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(hào)處理和目標(biāo)識(shí)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(duì)廢墟掩埋等穿透場(chǎng)景下的3個(gè)人體目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)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(hào)

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(hào)。產(chǎn)生的脈沖信號(hào)分成2路：一路經(jīng)過(guò)發(fā)射電路調(diào)理整形成雙極性脈沖信號(hào)，然后通過(guò)發(fā)射天線輻射出去；另一路脈沖信號(hào)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(mén)（距離門(mén)其實(shí)是一種采樣脈沖信號(hào)，持續(xù)時(shí)間非常短）。由發(fā)射天線輻射出去的信號(hào)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(mén)的觸發(fā)下進(jìn)行選擇性地采樣、積分、放大，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）形成雷達(dá)回波信號(hào)。雷達(dá)回波信號(hào)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(hào)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(cè)識(shí)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(duì)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(lái)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(lái)對(duì)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(cè)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(hào)的特點(diǎn)及其信號(hào)處理過(guò)程。在實(shí)際探測(cè)中，多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)采樣的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)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(duì)應(yīng)的是空間距離信息，即在空間上探測(cè)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(duì)應(yīng)的是每一個(gè)距離點(diǎn)的信號(hào)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(hào)或慢時(shí)間信號(hào)，圖4（a）和（b）分別顯示了雷達(dá)回波快時(shí)間信號(hào)和慢時(shí)間信號(hào)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(hào)的長(zhǎng)度，本文實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)快時(shí)間信號(hào)的時(shí)窗寬度設(shè)為80 ns，對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離為12 m。每個(gè)快時(shí)間信號(hào)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(hào)的時(shí)間間隔Ts為0.062 5 s，也就是說(shuō)，慢時(shí)間信號(hào)的采樣頻率fs=1/Ts=16 Hz，滿足奈奎斯特采樣定律對(duì)人體呼吸信號(hào)采樣的要求。

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

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

多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)人體呼吸信號(hào)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(cè)人體呼吸信號(hào)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(cè)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(hào)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(hào)E（τ，t）為

式中，p（τ）為雷達(dá)的發(fā)射脈沖。

實(shí)際探測(cè)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(duì)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(hào)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(hào)E（m，n）為一個(gè)二維信號(hào)，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(hào)和慢時(shí)間信號(hào)的采樣周期。

2 信號(hào)處理和識(shí)別定位方法

2.1 信號(hào)預(yù)處理

原始的雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)量大、所需要的處理時(shí)間長(zhǎng)，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(shí)別，因此在目標(biāo)識(shí)別定位之前，先對(duì)各通道雷達(dá)回波進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理（以中間通道為例）。信號(hào)預(yù)處理流程圖如圖6所示，各步驟描述如下：

圖6 信號(hào)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(duì)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(hào)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▽?duì)距離累積后的雷達(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(hào)中的靜態(tài)雜波濾除，只留下人體生命信號(hào)。

（4）線性趨勢(shì)消除——通過(guò)線性最小二乘擬合估計(jì)出去背景的回波信號(hào)在慢時(shí)間維度上的直流分量和低頻線性漂移趨勢(shì)后，再?gòu)幕夭〝?shù)據(jù)中減去，從而移除回波信號(hào)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(duì)雷達(dá)回波信號(hào)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(hào)0200取絕對(duì)值以后沿慢時(shí)間軸（200～1 200）累加，形成一維能量信號(hào)E（l）（l=1，2，…，200）。

經(jīng)過(guò)前述一系列信號(hào)處理以后，能量信號(hào)的幅值與生命體的生命信號(hào)密切相關(guān)，幅值越大，表明該距離處生命微動(dòng)信號(hào)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(duì)左邊通道、右邊通道的回波信號(hào)進(jìn)行處理，得到左邊通道能量信號(hào)Eleft（l）和右邊通道能量信號(hào)Eright（l）。本研究以3個(gè)通道的能量信號(hào)為主，結(jié)合中間通道的部分慢時(shí)間信號(hào)來(lái)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(shí)別定位

通過(guò)大量的多人體目標(biāo)（包括無(wú)目標(biāo)、單目標(biāo)、雙目標(biāo)、三目標(biāo)）穿墻探測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(shí)別定位方法，其具體步驟描述如下：

（1）去除能量信號(hào)E（l）直達(dá)波，以消除收發(fā)天線之間的直達(dá)波對(duì)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(hào)E1（l）。

（2）找出能量信號(hào)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(hào)E1（l）中找到被探測(cè)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(shí)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(guò)拐點(diǎn)提取來(lái)識(shí)別峰值信號(hào)，即當(dāng)某一點(diǎn)處的能量信號(hào)幅值比它左右兩側(cè)相鄰點(diǎn)處的信號(hào)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(duì)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(hào)E2（l）。

（3）在一次拐點(diǎn)信號(hào)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(lái)看，一次拐點(diǎn)信號(hào)E2（l）仍然有干擾存在，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)，尤其是無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別多目標(biāo)。因此作為一種優(yōu)化的實(shí)施方式，對(duì)所述的一次拐點(diǎn)信號(hào)E2（l）進(jìn)行二次拐點(diǎn)提取，獲得二次拐點(diǎn)信號(hào)，即保留一次拐點(diǎn)信號(hào)E2（l）中所有滿足以下條件的點(diǎn)，識(shí)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(duì)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(hào)E3（l）。經(jīng)過(guò)二次拐點(diǎn)提取之后的能量信號(hào)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(hào)能量，可大大提高多目標(biāo)識(shí)別的能力。

采用步驟（1）、（2）、（3）對(duì)左邊通道能量信號(hào)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(hào)E3left（l）。同樣地，得到右邊通道的二次拐點(diǎn)信號(hào)E3right（l）。

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

通過(guò)冒泡排序算法，找出中間通道二次拐點(diǎn)信號(hào)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(hào)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(duì)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(hào)置零。

在去除最大值“拖尾”后的信號(hào)中通過(guò)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(hào)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(hào)中通過(guò)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(hào)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(hào)E3（l）如圖8所示，在這個(gè)信號(hào)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(hào)E3（l）

采用以上方法，陸續(xù)找出左邊通道二次拐點(diǎn)信號(hào)E3left（l）上的前3個(gè)最大值E3left-max1、E3left-max2、E3left-max3（即信號(hào)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(hào)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(hào)E3（l）背景均值。

計(jì)算中間通道二次拐點(diǎn)信號(hào)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(hào)的第一大值E3-max1除以二次拐點(diǎn)信號(hào)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(hào)的第二大值E3-max2除以二次拐點(diǎn)信號(hào)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(hào)的第三大值E3-max3除以二次拐點(diǎn)信號(hào)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(hào)中（以中間通道為例），抽出二次拐點(diǎn)信號(hào)第一大值位置lmax1處的慢時(shí)間信號(hào)，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(hào)，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(hào)與信號(hào)Emax1（n）的相關(guān)系數(shù)。以計(jì)算信號(hào)Emax1-3（n）與信號(hào)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(lái)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(hào)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(hào)中，抽出二次拐點(diǎn)信號(hào)第二大值位置lmax2處的慢時(shí)間信號(hào)，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(hào)，分別計(jì)算這6個(gè)慢時(shí)間信號(hào)與信號(hào)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(hào)第三大值位置lmax3處的慢時(shí)間信號(hào)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(hào)，分別計(jì)算這6個(gè)慢時(shí)間信號(hào)與信號(hào)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(guò)上述步驟，計(jì)算出了中間通道二次拐點(diǎn)信號(hào)E3（l）上的前3個(gè)最大值E3-max1、E3-max2、E3-max3，以及其對(duì)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(hào)與其相鄰的6個(gè)慢信號(hào)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(hào)E3（l）上的第k個(gè)最大值；ak為常系數(shù)，在背景信號(hào)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(hào)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(chǎng)景下，二次拐點(diǎn)信號(hào)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(hào)背景均值Bave為同一個(gè)值，因此針對(duì)不同目標(biāo)需要設(shè)定不同閾值進(jìn)行識(shí)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(duì)應(yīng)各距離點(diǎn)的呼吸信號(hào)（慢時(shí)間信號(hào)）越反映為有規(guī)律的呼吸信號(hào)，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(hào)與其左右相鄰的幾個(gè)慢時(shí)間信號(hào)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(lái)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(shuō)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(hào)第二大值的位置lmax2、lleft-max2、lright-max2。目標(biāo)2的徑向距離為lmax2對(duì)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(cè)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(duì)值≤2（即2個(gè)通道第二大值位置距離差的絕對(duì)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(hào)第一大值的位置lmax1、lleft-max1、lright-max1對(duì)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(hào)第三大值的位置lmax3、lleft-max3、lright-max3對(duì)目標(biāo)3進(jìn)行定位，這樣就完成了對(duì)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(chǎng)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(shí)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(cè)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(cè)定位場(chǎng)景如圖10所示。

圖10 三目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(cè)后，對(duì)3個(gè)通道的雷達(dá)回波信號(hào)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(cè)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(hào)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(cè)區(qū)域右側(cè)方向，目標(biāo)2位于探測(cè)區(qū)域左側(cè)方向，目標(biāo)3位于探測(cè)區(qū)域中軸線方向。本次實(shí)驗(yàn)的探測(cè)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(shí)別定位結(jié)果正確，三目標(biāo)識(shí)別定位結(jié)果如圖11所示。

圖11 三目標(biāo)識(shí)別定位結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于多基地IR-UWB生物雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)多人體目標(biāo)的雷達(dá)回波信號(hào)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(hào)與其相鄰的6個(gè)慢時(shí)間信號(hào)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(cè)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(hào)最大值的位置對(duì)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(duì)多人體目標(biāo)進(jìn)行正確識(shí)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(cè)的效率，滿足實(shí)際探測(cè)中多人體目標(biāo)的探測(cè)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(duì)3個(gè)目標(biāo)的識(shí)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(duì)多人目標(biāo)的識(shí)別和定位方法進(jìn)行優(yōu)化，以提高目標(biāo)探測(cè)定位的準(zhǔn)確率，提升生物雷達(dá)探測(cè)效率。