張自啟，張楊，祁富貴，劉淼，王鵬飛，殷悅，史剛，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

基于雙曲線模型的生物雷達(dá)二維定位算法

張自啟，張楊，祁富貴，劉淼，王鵬飛，殷悅，史剛，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

目前多通道生物雷達(dá)目標(biāo)二維定位多采用多條圓弧相交的算法，該算法容易因單通道定位不準(zhǔn)而造成圓弧無(wú)法相交于一點(diǎn)的情況。本文提出了在一種基于雙曲線模型的目標(biāo)二維定位方法，該方法利用其中兩個(gè)通道信息所確定的雙曲線并結(jié)合另一個(gè)通道信息所確定的圓弧對(duì)目標(biāo)進(jìn)行二維定位。自由空間實(shí)驗(yàn)和穿墻實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該定位方法能在直角坐標(biāo)系下較準(zhǔn)確地確定目標(biāo)的二維坐標(biāo)，二維坐標(biāo)與目標(biāo)實(shí)際位置之間的平均誤差在10 cm左右，從而驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)方法的正確性和有效性。該算法計(jì)算簡(jiǎn)便，結(jié)果可靠，可以為實(shí)際搜救工作提供有效的指導(dǎo)。

生物雷達(dá)；超寬帶；雙曲線；定位；生命探測(cè)

引言

超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）生物雷達(dá)是一種融合雷達(dá)技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)并以人體等生命體為探測(cè)目標(biāo)的新型雷達(dá)，是用于地震、礦難、泥石流等災(zāi)害發(fā)生后失蹤人員搜救的效率最高的技術(shù)手段之一[1-3]。生物雷達(dá)可以快速實(shí)現(xiàn)探測(cè)區(qū)域內(nèi)生命體目標(biāo)有無(wú)的判別和定位，為專業(yè)救援提供指導(dǎo)，從而提高搜救精度和效率。生物雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果一般包括目標(biāo)識(shí)別（目標(biāo)有無(wú)判別和目標(biāo)類型區(qū)分）和目標(biāo)定位兩個(gè)方面，其中目標(biāo)定位是搜救現(xiàn)場(chǎng)最迫切需要的關(guān)鍵技術(shù)，也是目前沒(méi)有很好解決的一個(gè)難點(diǎn)。如果能準(zhǔn)確地估計(jì)出被困目標(biāo)的實(shí)際位置，將能較好地集中有限搜救資源、極大提高救援效率。目前，二維定位一般采用多條圓弧相交的算法，該算法容易出現(xiàn)多個(gè)圓弧無(wú)法相交于同一點(diǎn)的情況[4]。因此，本文基于多通道便攜式生物雷達(dá)平臺(tái)，提出了一種基于雙曲線模型的定位方法，并進(jìn)行了單個(gè)目標(biāo)的定位方法實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該方法能夠較準(zhǔn)確地確定目標(biāo)的二維坐標(biāo)。由于遮蔽效應(yīng)[5]等的存在，在目標(biāo)定位技術(shù)中，多目標(biāo)定位最具有挑戰(zhàn)性也是目前的難題[6]，本研究也為后續(xù)多目標(biāo)定位難題的解決打下基礎(chǔ)。

本文首先介紹了多通道UWB生物雷達(dá)和天線陣列設(shè)置，然后提出了一種新的基于雙曲線模型的目標(biāo)二維定位方法[7-11]，并從理論上分析了其可行性，再通過(guò)自由空間實(shí)驗(yàn)、穿墻實(shí)驗(yàn)逐步檢驗(yàn)了其效能并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論。

1 多通道便攜式生物雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)

本文采用的多通道便攜式生物雷達(dá)系統(tǒng)由一發(fā)四收的UWB生物雷達(dá)天線、便攜式多自由度可折疊支架和觸控式遠(yuǎn)程控制處理器組成。

1.1 硬件組成

本實(shí)驗(yàn)采用的是低中心頻率UWB脈沖體制生物雷達(dá)，其原理框圖，見(jiàn)圖1。系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)整形電路后形成雙極脈沖由垂直極化的蝶形天線發(fā)射出去，同時(shí)脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)被送入延時(shí)單元產(chǎn)生一系列距離門信號(hào)控制接收電路。接收天線接收到反射回波后，由距離門信號(hào)控制接收電路進(jìn)行采樣，再經(jīng)過(guò)高速AD采樣和Wi-Fi模塊送入控制處理器[12]。

圖1 UWB脈沖雷達(dá)原理框圖

UWB雷達(dá)的中心頻率為400 MHz，帶寬為400 MHz，脈沖重復(fù)頻率為128 kHz，每個(gè)通道的AD采樣頻率為64 Hz。

1.1.1 一發(fā)多收天線

本文采用的多通道生物雷達(dá)由兩部分組成（圖2）：一部分是雷達(dá)主機(jī)，包括發(fā)射天線、雷達(dá)系統(tǒng)收發(fā)電路、無(wú)線通信模塊以及電源等；另一部分是各自分立的4個(gè)接收天線，分別通過(guò)纜線與主機(jī)相連并通過(guò)該纜線將接收到的雷達(dá)回波傳回主機(jī)。為了方便描述，從正對(duì)天線發(fā)射面的角度看，我們按照逆時(shí)針的方向?qū)?個(gè)接收天線分別編號(hào)為0、1、2、3，其各自對(duì)應(yīng)的通道也分別編號(hào)為0通道、1通道、2通道、3通道。

圖2 一發(fā)多收天線陣列

1.1.2 多自由度天線支架

為適應(yīng)廢墟等復(fù)雜的探測(cè)環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了多自由度可折疊式天線支架將各個(gè)接收天線與主機(jī)進(jìn)行機(jī)械連接，同時(shí)將電纜線嵌入到折疊臂中實(shí)現(xiàn)接收天線與主機(jī)之間的電氣連接。可折疊式支架收縮狀態(tài)，見(jiàn)圖3。在實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H探測(cè)中，可以根據(jù)需求自由調(diào)整折疊臂的長(zhǎng)度、角度、天線探測(cè)方向等來(lái)形成靈活多樣的天線陣探測(cè)模式。

圖3 折疊式支架收縮狀態(tài)

1.2 探測(cè)天線陣列

根據(jù)前面的研究成果[13]，要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)平面上的二位定位，需要最少3個(gè)通道才能避免偽影的出現(xiàn)。因此，本文采用一發(fā)三收（接收天線采用0號(hào)、1號(hào)、2號(hào)）的天線組合，天線陣列近似為直線型。其中發(fā)射天線在主機(jī)內(nèi)，將1號(hào)天線緊挨主機(jī)，置于主機(jī)上方；為確保較遠(yuǎn)距離的角度分辨率，將0號(hào)天線和2號(hào)天線的折疊臂伸展至最長(zhǎng)，此時(shí)0號(hào)天線和2號(hào)天線與主機(jī)之間的中心距離均為1.08 m。因此發(fā)射天線與3個(gè)接收天線近似呈現(xiàn)出直線型分布陣列，見(jiàn)圖4，此處用T表示發(fā)射天線，R表示接收天線，下標(biāo)編號(hào)分別與圖1相對(duì)應(yīng)。其中圖4b表示進(jìn)行自由空間實(shí)驗(yàn)時(shí)雷達(dá)的架設(shè)方式，圖4c表示進(jìn)行穿墻實(shí)驗(yàn)時(shí)雷達(dá)的架設(shè)方式。

圖4 直線型探測(cè)天線陣列

1.3 遠(yuǎn)程控制處理器

為了保證可靠性與軟件系統(tǒng)的兼容性，采用微軟公司生產(chǎn)的Surface系列觸控平板電腦作為遠(yuǎn)程控制處理器。該系列平板電腦能很好地與Windows操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)的控制處理軟件相兼容，實(shí)驗(yàn)還表明在與雷達(dá)相距30 m （自由空間）的情況下其仍然能和生物雷達(dá)前端保持穩(wěn)定的通信。因此在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，生物雷達(dá)的操作人員可以保持與雷達(dá)探測(cè)區(qū)域較遠(yuǎn)的距離以減少操作人員對(duì)雷達(dá)的干擾。

2 基于雙曲線模型的目標(biāo)二維定位實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 探測(cè)目標(biāo)的位置選取

為了更容易地描述目標(biāo)點(diǎn)的位置，我們實(shí)驗(yàn)室地面上建立了直角坐標(biāo)系。將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地劃分為若干個(gè)邊長(zhǎng)為1 m的正方形格子，同時(shí)以生物雷達(dá)系統(tǒng)主機(jī)所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡兒直角坐標(biāo)系，以直線型探測(cè)天線陣列所在的直線為坐標(biāo)軸的橫軸，以垂直方向?yàn)樽鴺?biāo)的縱軸，左側(cè)標(biāo)定的是該水平線與坐標(biāo)橫軸的縱向距離，上側(cè)標(biāo)定的是該縱線與坐標(biāo)縱軸的橫向距離，見(jiàn)圖5。其中，圖5a表示自由空間實(shí)驗(yàn)中的位置劃分，受場(chǎng)地限制右側(cè)的5、10、15、20、25等5個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x=1.7，其余各點(diǎn)的坐標(biāo)均為整數(shù)值。即該區(qū)域是一個(gè)以(-2,0)、(1.7,0)、(-2,-6)和(1.7,-6)共4個(gè)點(diǎn)為頂點(diǎn)的矩形區(qū)域，對(duì)于圖中所標(biāo)定的25個(gè)點(diǎn)則很容易描述各自的位置。例如2點(diǎn)的坐標(biāo)為(-1,0)，3點(diǎn)的坐標(biāo)為(0,-2)。另外，在進(jìn)行穿墻探測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)換了實(shí)驗(yàn)儀器擺放的方向，如圖5b所示，同樣由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地限制，左側(cè)的1、6、11、16、21等5個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x=-1.7。實(shí)驗(yàn)時(shí)，被探測(cè)目標(biāo)分別站在上述25個(gè)不同的位置點(diǎn)進(jìn)行定位探測(cè)，對(duì)比探測(cè)結(jié)果與目標(biāo)實(shí)際位置坐標(biāo)以評(píng)價(jià)本文算法的目標(biāo)定位能力。

圖5 兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)位置劃分

2.1.2 自由空間和穿墻實(shí)驗(yàn)

本文計(jì)劃從自由空間和穿墻兩種不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景來(lái)檢驗(yàn)定位方法的效能，先進(jìn)行自由空間實(shí)驗(yàn)進(jìn)行原理驗(yàn)證，再進(jìn)行穿墻探測(cè)實(shí)驗(yàn)，從而逐步驗(yàn)證定位方法的合理性、正確性。兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，見(jiàn)圖6。

圖6 兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

2.2 信號(hào)處理方法

2.2.1 雷達(dá)回波預(yù)處理

在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位之前，需要對(duì)原始雷達(dá)回波進(jìn)行預(yù)處理。雷達(dá)各通道的回波以脈沖形式采集，各個(gè)波形的采樣點(diǎn)數(shù)均為2048點(diǎn)。為減少運(yùn)算量提高運(yùn)算效率首先對(duì)波形進(jìn)行距離抽取，再進(jìn)行低通濾波濾除高頻噪聲，最后通過(guò)滑動(dòng)減平均、能量累積等處理方法以增強(qiáng)信噪比[14]，為下一步的定位算法打下基礎(chǔ)。雷達(dá)回波預(yù)處理的算法流程，見(jiàn)圖7。

圖7 雷達(dá)回波預(yù)處理流程

2.2.2 基于雙曲線模型的定位方法

三通道生物雷達(dá)對(duì)人體目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)定位的方式，見(jiàn)圖8，其中緊挨主機(jī)的1號(hào)接收天線R1與發(fā)射天線T近似重合為一點(diǎn)，0號(hào)接收天線R0和2號(hào)接收天線R2與發(fā)射天線T之間的距離都為1.08 m且分別位于主機(jī)的左右兩側(cè)。雷達(dá)波從發(fā)射機(jī)發(fā)出后到達(dá)目標(biāo)P所用的時(shí)間為τp，雷達(dá)回波經(jīng)過(guò)目標(biāo)P反射后回到3個(gè)不同通道接收機(jī)R0、R1和R2所用的時(shí)間分別為τ0、τ1和τ2，則有 ：

圖8 定位示意圖

其中，c表示電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

若雷達(dá)波從發(fā)射機(jī)發(fā)出并經(jīng)過(guò)目標(biāo)P反射后回到3個(gè)不同通道接收天線R0、R1和R2的距離分別為L(zhǎng)0、L1、L2。那么，|L0-L2|可以通過(guò)公式(5)獲得。

其中，ch表示雙曲線的半焦距，a表示雙曲線的實(shí)半軸長(zhǎng)，則雙曲線的虛半軸長(zhǎng)為根據(jù)實(shí)驗(yàn)中某一組數(shù)據(jù)所繪制的雙曲線，見(jiàn)圖9。目標(biāo)實(shí)際坐標(biāo)為(-1,-5)，圖5(a)中編號(hào)為17的點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得L0=5.40 m，L1=5.19 m，L2=5.18 m，根據(jù)生物雷達(dá)探測(cè)到的L0與L2的大小即可繪制出下圖的雙曲線。圖中所示的R2和R0即2通道和0通道接收天線所在的位置，二者也是該雙曲線的兩個(gè)焦點(diǎn)，目標(biāo)P處在該雙曲線的一支上。若L0＞L2，則目標(biāo)離R2更近，處在雙曲線的左支即直角坐標(biāo)系的第三象限，同理若L0＜L2，則目標(biāo)離R0更近，處在雙曲線的右支即直角坐標(biāo)系的第四象限。而目標(biāo)的具體坐標(biāo)則需要結(jié)合1通道的探測(cè)結(jié)果計(jì)算來(lái)確定。

圖9 由0通道和2通道所確定的雙曲線

另外注意到，由于1通道的接收天線和生物雷達(dá)主機(jī)發(fā)射天線靠得很近，工程上可以近似認(rèn)為τp=τ1，即等效的近似有所以，目標(biāo)P同時(shí)還處在一個(gè)由1通道的接收天線所確定的圓上，則有：

其中，r為1通道的接收天線所確定的圓的半徑。為了減小誤差，一般不直接取而認(rèn)為根據(jù)圖9實(shí)驗(yàn)中的同一組數(shù)據(jù)所繪制的圓弧，見(jiàn)圖10。目標(biāo)實(shí)際坐標(biāo)為(-1,-5)（圖5a中編號(hào)為17的點(diǎn)），為了與圖9的坐標(biāo)范圍一致圖中只顯示了一部分有實(shí)際意義的圓弧。

圖10 由1通道所確定的圓弧

如果目標(biāo)P既存在于一支雙曲線上，又存在于一段圓弧上，那么這支雙曲線和該圓弧的交點(diǎn)即為目標(biāo)P的實(shí)際位置。因此，定位方法，見(jiàn)圖11，在同一個(gè)直角坐標(biāo)系中分別繪制出由0通道和2通道所確定的雙曲線以及由1通道所確定的圓弧，找到兩個(gè)曲線的交點(diǎn)則很容易對(duì)目標(biāo)P進(jìn)行二維定位。對(duì)于本示例中的數(shù)據(jù)，由于L0＞L2，因此目標(biāo)處在直角坐標(biāo)系的第三象限，則追蹤第三象限中兩曲線的交點(diǎn)的坐標(biāo)得(-1.056,-5.077)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)P的二維定位，該定位結(jié)果與目標(biāo)實(shí)際位置(-1,-5)相比誤差小，絕對(duì)誤差不超過(guò)8 cm。

圖11 基于雙曲線模型的定位方法

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 自由空間實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)基于雙曲線模型的二維定位方法的效能，我們先進(jìn)行了自由空間探測(cè)定位實(shí)驗(yàn)（圖12）。目標(biāo)按照?qǐng)D5(a)所示的位置劃分分別站在25個(gè)不同的位置，用生物雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行上述雷達(dá)回波信號(hào)預(yù)處理，并按照本文提出的基于雙曲線模型的二維定位方法進(jìn)行定位。根據(jù)前文的約定，雷達(dá)波從發(fā)射機(jī)出發(fā)再經(jīng)由目標(biāo)P反射后回到各個(gè)不同通道接收天線的距離分別為L(zhǎng)0、L1、L2，重新定義將實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理，見(jiàn)表1，其中定位結(jié)果中的x和y分別表示根據(jù)基于雙曲線模型的二維定位方法探測(cè)識(shí)別后目標(biāo)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)，|PP0|表示目標(biāo)實(shí)際位置坐標(biāo)與探測(cè)結(jié)果坐標(biāo)之間的距離，即定位誤差。

圖12 自由空間實(shí)驗(yàn)

2.3.2 穿墻實(shí)驗(yàn)

災(zāi)害發(fā)生后，被困的幸存者往往會(huì)被廢墟等障礙物壓埋，所以在實(shí)際的災(zāi)后救援中通常需要穿透廢墟等介質(zhì)來(lái)探測(cè)生命信號(hào)，因此我們還進(jìn)行了穿墻探測(cè)實(shí)驗(yàn)（圖13），進(jìn)一步驗(yàn)證這種基于雙曲線模型的定位方法在穿透障礙物的情景下的有效性、正確性。目標(biāo)按照?qǐng)D5b所示的位置劃分分別站在25個(gè)不同的位置，用上述相同的方法進(jìn)行定位，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理，見(jiàn)表2。

表1 自由空間實(shí)驗(yàn)結(jié)果（m）

表2 穿墻場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)結(jié)果（m）

圖13 穿墻實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

UWB生物雷達(dá)技術(shù)[15-16]是應(yīng)用于災(zāi)后搜救的重要生命探測(cè)手段，生命探測(cè)技術(shù)的研究主要包括目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)定位等方面。其中，目標(biāo)識(shí)別是基礎(chǔ)，目標(biāo)定位是重要的實(shí)戰(zhàn)需求，綜合二者才能為災(zāi)后的救援工作提供具有實(shí)際意義的指導(dǎo)意見(jiàn)。本文提出了一種基于雙曲線模型的目標(biāo)二維定位方法，綜合3個(gè)不同通道的信息估計(jì)出目標(biāo)的二維坐標(biāo)，并通過(guò)自由空間實(shí)驗(yàn)和穿墻實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該定位方法的有效性。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）從自由空間實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該方法在自由空間場(chǎng)景下能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的二維定位，與目標(biāo)實(shí)際坐標(biāo)相比該方法能較為準(zhǔn)確地估計(jì)出目標(biāo)的二維坐標(biāo)。從25個(gè)不同位置的定位結(jié)果來(lái)看，最小的誤差為1.4 cm，最大誤差為22.1 cm，平均誤差為11.2 cm。

（2）在穿墻實(shí)驗(yàn)中，該方法同樣能有效對(duì)目標(biāo)進(jìn)行二維定位并給出目標(biāo)的二維坐標(biāo)。從25個(gè)不同位置的定位結(jié)果來(lái)看，最小的誤差只有1.4 cm，最大誤差為29.1 cm，平均誤差為12.8 cm。體現(xiàn)出了較好的性能。

（3）綜上所述，通過(guò)自由空間實(shí)驗(yàn)和穿墻實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該基于雙曲線的定位方法的有效性，平均定位誤差小于13 cm，最大誤差為29.1 cm，而成年人身體的寬度也多數(shù)在30 cm以上，因此這種誤差大小是與人體尺寸可比擬的，在實(shí)際的救援應(yīng)用中是可以接受的。

本文主要關(guān)注了單個(gè)目標(biāo)的二維定位，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了該方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)二維定位的可行性，為后續(xù)更復(fù)雜情景下的定位研究打下基礎(chǔ)。下一階段，還將基于該方法開(kāi)展多個(gè)目標(biāo)的二維定位、目標(biāo)的三維定位等研究，以期將該定位方法推廣到更加實(shí)際的應(yīng)用中。

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Two Dimensional Localization Algorithm of Bio-Radar Based on Hyperbolic Model

ZHANG Ziqi, ZHANG Yang, Qi Fugui, LIU Miao, WANG Pengfei, YIN Yue, SHI Gang, WANG Jianqi
School of Biomedical Engineering, The Fourth Military Medical University, Xi’an Shaanxi 710032, China

At present, most targets detection algorithms in two dimensions is multi-channels bio-radar chose to locate targets by finding the intersection of some arcs, these algorithms may not intersecting those arcs into one point because of the inaccuracies from one of the channels. This paper presented a two-dimensional target localization algorithms based on hyperbolic model, it combined the hyperbolic determined by two of the channels and the arc determined by another channel to realize the two-dimensional localization of the target. The results of the free space and through wall experiment indicated the method could accurately determine the two-dimensional coordinates of the target in Cartesian coordinates, the average error between the two-dimensional coordinates and the actual position of the target was about 10 cm, which verified the correctness and validity of the algorithm. The algorithm is simple and reliable, and can provide effective guidance for actual search and rescue work.

bio-radar; ultra-wide band; hyperbolic; positioning; life detection

TP393

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.006

1674-1633(2017)12-0025-05

2017-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（61327805）；第四軍醫(yī)大學(xué)人才資助項(xiàng)目（4139Z3B8DA）。

王健琪，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榉墙佑|生命信號(hào)檢測(cè)。

通訊作者郵箱：wangjq@fmmu.edu.cn

本文編輯 袁雋玲