分布式超寬帶雷達地震被困人員協同探測技術1

孫公德 郭 勇 沈 建 趙蕾莛 張忠元

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分布式超寬帶雷達地震被困人員協同探測技術1

孫公德 郭 勇 沈 建 趙蕾莛 張忠元

（成都理工大學信息科學與技術學院，成都 610059）

針對震后在大面積廢墟下快速準確檢測與定位被困人員的需求，本論文提出了用分布式超寬帶雷達探測地震被困人員的技術，主要包括對分布式超寬帶雷達協同探測網絡構建、超寬帶雷達生命跡象探測算法、分布式雷達節點探測數據融合方法等3個方面進行研究，對多雷達干擾抑制、分布式雷達節點自定位、微弱生命跡象穩健探測、廢墟穿透定位誤差補償等關鍵技術難題提供了設計方案，為完成分布式超寬帶雷達系統的研制奠定了技術基礎。

分布式超寬帶雷達 激光測距 Wi-Fi通信 地震被困人員探測

引言

中國地震多發，近年來發生了“5·12”四川汶川8級地震、青海玉樹7.1級地震、四川蘆山7.0級地震，均造成了巨大的人員傷亡和經濟損失。據新華網統計，地震中95%以上的人員傷亡由建筑物倒塌廢墟掩埋造成。根據歷史大地震災后救援的實踐經驗，在緊急救援的黃金72小時內，快速準確地獲取廢墟內被困幸存人員的位置分布是減少地震傷亡的關鍵（孔平等，2001；顧建華等，2003；陳維鋒等，2003，2008）。

目前用來探測震后廢墟中被困人員的技術手段主要有光學、聲波振動、紅熱外等（張立軍等，2006；侯培國等，2014）。除此之外，微波雷達也被證明是一種有效的技術手段，主要通過捕獲被困人員小幅度的肢體抖動和微弱的呼吸信號實現探測，具有作用距離遠、抗干擾性強、靈敏度高和多目標探測能力強等優點（徐雯琪，2006；趙偉等，2009）。但現有生命探測雷達受限于探測視角和作用距離，只適合在范圍較小的廢墟區域內使用，而用于大面積廢墟時（如城鎮大樓倒塌廢墟），需要在廢墟中選取多個位置點進行多次局部探測以覆蓋整個廢墟區域，這無疑降低了探測效率，而且在多點探測判斷有被困人員幸存后，現有生命探測雷達也無法實現對廢墟中被困人員進行三維定位。因此現有生命探測雷達難以快速準確地獲取大面積廢墟中被困人員的位置分布信息（Chen等，1986；Greneker，1998；朱文華，2010），嚴重影響地震救援效率。

分布式超寬帶雷達協同探測技術被證明是解決大面積廢墟下被困人員快速準確檢測與定位難題的有效技術手段。目前國內已經有研究機構開始研究多點探測的分布式超寬帶生命探測雷達協同探測技術（韓明華等，2013）。湖南華諾星空電子技術有限公司在2013年申請了一項名為“一種多模式自定位組網生命探測雷達方法和裝置”的專利，該專利僅提出了分布式雷達協同探測的基本思想，但對其中的關鍵技術問題并未提出解決方案。首先，多個雷達節點均使用超寬帶窄脈沖信號，同時工作存在相互干擾；其次，使用GPS對雷達節點進行定位，但民用領域GPS的精度約為5m左右，難以實現對廢墟內被困人員的準確定位；另外，未考慮如何補償廢墟穿透引入的定位誤差。因此國內對分布式超寬帶雷達協同探測技術研究還處于起步階段，在雷達節點自定位、多節點互擾抑制、廢墟穿透定位誤差補償等方面還存在許多值得深入研究的關鍵問題。本論文即是從這些關鍵問題入手，提出切實可行的解決方案，建立分布式超寬帶雷達協同探測技術體系，為完成分布式超寬帶雷達系統的研制奠定了技術基礎，以滿足對震后廢墟壓埋被困幸存人員進行大范圍快速搜索的現實需求。

1 分布式雷達的設計方案

分布式超寬帶生命探測雷達系統主要由多個探測雷達節點和中心處理平臺組成，其中雷達節點由步進變頻雷達模塊、激光測距模塊和Wi-Fi通信模塊組成，中心處理平臺由數據處理與顯控模塊和Wi-Fi通信模塊組成，如圖1所示。各個模塊的功能為：步進變頻雷達模塊用來產生、發射和接收步進變頻連續波信號，該信號的使用避免了多個節點同時工作時的互擾；激光測距模塊用來實現雷達節點的自定位；Wi-Fi通信模塊用來傳遞節點探測數據和中心控制指令。

根據圖1中分布式超寬帶雷達系統在大面積廢墟下進行被困人員協同探測的示意圖，探測流程為：首先合理布置雷達節點1、2、3、4、5，Wi-Fi通信模塊工作后，各節點加入中心處理平臺無線局域網，數據通信網絡搭建完成；然后，中心處理平臺發送控制指令，各節點紅外測距模塊開始工作，測得各節點間距離，由無線數據通信網絡發送給中心處理平臺，以雷達節點1為坐標原點解算各雷達節點的位置；隨后，中心處理平臺發送控制指令，各雷達節點同時發射步進頻率連續波信號，并將接收到的回波信號數據發送給中心處理平臺；接下來，中心處理平臺對各節點數據進行處理判斷是否存在被困人員并計算獲得在-平面的二維坐標；最后，使用另外的雷達節點6在二維坐標位置的廢墟上向下探測，探測數據發送給中心處理平臺處理后確定被困人員的壓埋深度，即被困人員的坐標，并由圖形化界面顯示被困人員的三維位置分布，完成對被困人員的快速準確檢測與定位。

根據上述探測流程分析，分布式超寬帶雷達系統的總體方案框圖如圖2所示，其中單發單收兩個超寬帶天線用以超寬帶步進變頻信號的輻射和收集，雷達節點微控制器用來控制步進變頻雷達模塊、Wi-Fi通信模塊和激光測距模塊正常工作，中心處理平臺MPU（Microprocessor Unit）和MCU（Microcontroller Unit）主要用以探測數據處理、處理結果顯示和全系統控制。

1.1 步進變頻雷達模塊

1.1.1 步進變頻發射機

對于步進變頻信號的產生，現有兩種主要的頻率合成技術：鎖相環技術PLL（Phase Locked Loop）和直接數字頻率合技術DDS（Direct Digital Synthesizer）。DDS具有頻率切換時間短、頻率分辨率高、相位變化連續、相位噪聲低、數字化程控靈活易實現任意波形信號等諸多優點，目前已在雷達系統中得到了廣泛的應用，因此采用DDS實現步進變頻發射機的設計。但是目前DDS無法直接產生的超寬帶信號，只能采用混頻或倍頻的方式拼接生成，考慮到晶振的頻率穩定性隨著頻率升高而降低，混頻需要采用較高頻率的參考信號，其頻率穩定性較低，從而降低了輸出信號的頻譜準確性，同時混頻會產生更多的雜散，需要采用高質量的濾波器濾波，增加了發射機的復雜度；雖然倍頻對發射機相位噪聲的惡化程度高于混頻，但由于DDS能夠實現很低的相位噪聲水平，經過倍頻后仍然易于滿足相位噪聲指標要求。

圖1 分布式雷達協同探測示意圖

圖2 系統總體方案框架

綜上所述，本論文對DDS產生的不同頻率的單頻信號進行合理的倍頻處理以產生超寬帶步進頻率信號，實現對頻譜的精確控制。

圖3 步進變頻發射機的設計方案

根據上述分析步進變頻發射機的設計方案如圖3所示，發射機的工作流程為：晶振輸出100MHz的單頻信號，通過倍頻-濾波-放大鏈路得到900MHz的單頻信號作為DDS的參考信號，利用數據采集模塊送入的控制指令實現DDS輸出頻率范圍為88.89—200MHz的步進頻率信號，然后經過帶通濾波器和放大器以消除雜散并放大至適合倍頻-濾波-放大鏈路，再次通過倍頻-濾波-放大鏈路輸出頻率范圍為的步進頻率信號，設置DDS輸出步進頻率信號的步長，由功分器將步進頻率信號分成兩路，其中一路本振信號送入單通道接收機進行下變頻，另一路發射信號經數控衰減進行發射功率控制，進入發射天線進行輻射。

1.1.2 單通道接收機

單個接收天線配置的雷達節點，采用單通道接收機對接收天線采集的回波信號進行處理。對于接收機的結構，雷達系統主要采用超外差和零中頻兩種接收機結構，分別對應超外差接收機和直接變頻接收機。由于超外差接收機存在結構復雜、成本高、體積大、功耗較高和干擾嚴重等缺點，因此探測雷達采用基于零中頻結構的接收機，能夠有效避免上述超外差接收機存在的問題，其存在直流干擾和IQ（Inphase載波，Quadrature phase載波）不平衡的問題能夠方便地通過信號處理進行消除。

如圖4所示的設計方案，單通道接收機的工作流程為：單個接收天線采集的回波信號并行進入對應的接收通道，首先通過低噪聲放大器對回波信號進行放大以滿足解調輸入需求；然后利用發射機提供的本振信號進行IQ兩路解調，直接下變頻到IQ兩路基帶（零頻）信號；最后采用運算放大器對IQ兩路基帶信號進行放大，作為數據采集模塊的輸入信號。

1.1.3 數據采集與時序控制子模塊

步進變頻雷達模塊的數據采集與時序控制子模塊主要完成3個功能：

圖4 單通道接收機的設計方案

（1）對來自單通道接收機的IQ模擬基帶信號進行AD（Analog-to-Digita）轉化形成IQ數字基帶信號；

（2）接收來自顯控終端的控制參數，譯碼為控制指令調整系統各模塊工作參數，保證系統按用戶需求工作；

（3）對整個系統完成時序控制，保證發射機產生滿足要求的步進頻率連續波信號，并且同步數據采集與傳輸。

針對上述3個功能，根據確定的ADC（Analog-to-Digital Converter）采樣位數和采樣速率的指標，數據采集模塊的方案設計如圖5所示。

圖5 數據采集與時序控制子模塊方案圖

1.2 激光測距模塊

激光測距模塊的基本思想是測得各終端間的距離和角度，解算雷達節點位置并且構建絕對坐標系。其中每個超寬帶雷達節點上都有一個激光測距模塊，包含兩個對焦（收發）傳感器和一個測距單元。每個測距模塊工作時以一定的角速度在基座上進行360度內正反轉，當與相鄰終端均正確對焦后停止轉動。

圖6 雷達節點位置信息圖

圖7 直線定向示意圖

即可根據點坐標算出點坐標，依次類推，確定其余各點的坐標。

1.3 Wi-Fi通信模塊

針對分布式雷達節點與中心處理平臺無線通信的需求，本論文采用無線Wi-Fi構建協同探測通信網絡，其結構框圖如圖8所示。無線Wi-Fi通信網絡主要負責分布式雷達節點探測數據向中心處理平臺的上行發送和中心處理平臺控制指令向分布式雷達節點的下行發送。

圖8 無線Wi-Fi通信網絡結構框圖

中心處理平臺下行發送至各個分布式雷達節點的控制指令主要用以控制激光測距模塊有序工作與參數調整、步進變頻雷達模塊同時工作與參數調整，而由各個分布式雷達節點上行發送至中心平臺的探測數據主要包括激光測距模塊獲取的距離和方位信息、步進變頻雷達模塊獲取的目標回波數據。

1.4 生命跡象檢測算法

為了保證在復雜廢墟環境中對被困人員微弱生命跡象檢測的穩定性，采用基于多脈沖積累的超寬帶雷達生命跡象檢測算法，算法處理流程如圖9所示。其中，MTI（Moving Target Indicator）平均對消濾除強靜止雜波，帶通濾波抑制低高頻強雜波，在雜波水平明顯下降的條件下，再由FFT（Fast Fourier Transformation）多脈沖相干積累實現信噪比的大幅提升，保證二維恒虛警（CFAR，Constant False-Alarm Rate）檢測具有較高的檢測概率，實現被困人員的穩健檢測，同時獲取被困人員的距離信息，為后續協同探測網絡進行被困人員三維定位提供必要條件。

圖9 基于多脈沖積累的超寬帶雷達跡象檢測算法流程圖

1.5 定位誤差補償算法

在定位過程中，確定被困人員三維位置的過程分為兩步，第一步：利用處于-平面的分布式雷達節點的立體測距結果確定被困人員位置的與坐標；第二步：在此坐標位置的廢墟上方使用雷達節點向下探測，確定被困人員位置的坐標。但廢墟穿透會造成立體測距誤差，而利用立體測距結果解算與二維平面坐標本身也會帶來定位誤差，兩者疊加可能造成嚴重的三維定位誤差。所以本研究采用基于等效介質穿透和最小二乘融合的定位誤差級聯補償算法，首先利用等效介質穿透的思路近似補償每個雷達節點的立體測距誤差；然后通過每兩個雷達節點的目標距離測量值解算出存在誤差的目標與坐標；最后利用已算出的與坐標，對由等效介質穿透和立體測距二維定位所引起的誤差進行有效補償，從而獲得較為準確的被困人員的與坐標，也為后續準確確定坐標進而實現對被困人員的準確定位提供了保障。

1.5.1 基于等效介質穿透的距離補償算法

電磁波穿透廢墟介質時會發生傳播路徑扭曲的現象，導致從雷達節點回波信號中提取的目標距離信息存在誤差，從而引起定位誤差。距離補償的關鍵是對廢墟介質電磁傳播特性進行準確描述，但廢墟通常是地板、墻體、天花板等多種建筑材料堆積而成，屬于復合非均勻介質，無法準確描述其電磁傳播特性，因此無法進行精確的距離補償。本論文采用基于等效介質穿透的距離補償算法，將復合非均勻介質等效成單層均勻介質來對待，其等效介電常數根據對典型地震廢墟進行多次測量統計得出，基于此進行距離補償，算法流程如圖10所示。

圖10 基于等效介質穿透的距離補償算法

根據圖10所示的算法處理流程，首先對多周期步進變頻連續波信號脈壓之后形成的距離像平面中多個脈沖進行相加積累，提取最大幅值對應的距離信息作為廢墟表面距離（廢墟表面為第一層反射面，回波幅度最大）；然后利用基于多脈沖相干積累的生命跡象檢測算法提取被困人員的距離信息；隨后用被困人員距離減去廢墟表面距離即為廢墟穿透距離，利用測得的等效廢墟介質介電常數對其進行距離補償；最后將補償后的廢墟穿透距離與廢墟表面距離相加得到近似補償后的被困人員距離。

1.5.2 基于最小方差融合的定位誤差補償算法

利用等效介質穿透補償算法求得雷達節點到目標的距離后，對于協同探測網絡內任意兩個雷達節點使用兩圓交叉定位方法即可將目標距離轉換為目標在-平面上的位置信息。但由于被困人員處于廢墟中的三維空間中，測得的距離信息包含了人體坐標的影響，造成定位出的目標二維位置偏離目標真實位置，如圖11所示。針對協同探測網絡確定的多個目標二維位置誤差的互補特性，本文采用基于最小方差融合的定位誤差補償算法，利用最小方差線性加權融合策略合并多個目標二維位置，既能夠補償立體測距帶來的固有定位誤差，又能夠抑制等效介質補償殘留距離誤差帶來的定位誤差。

圖11 目標立體測距示意圖

對于協同探測網絡產生的多個帶有誤差的被困人員二維坐標（，），最小方差線性加權融合的基本原理為：假設1、2是被困人員坐標的兩個估計結果，其期望、方差表示為：

則最小方差線性加權融合后的被困人員坐標為：

通過上述公式可見最小方差線性加權融合是對兩個坐標估計值進行加權，且誤差越大，加權值越小，也即對融合坐標值的貢獻越小。因此利用同樣的方法對縱坐標進行融合，得到誤差補償后的目標的y值。

圖12中給出了本算法的仿真結果，仿真中設置了6個雷達節點在高度為0的平面內，即雷達節點的坐標為0，目標的三維坐標為＝1m，＝6m，＝2m，直接用6個節點到目標的三維坐標距離進行定位。仿真結果顯示，每兩個節點的定位結果（圓點）均明顯偏離了目標真實位置（星號），通過最小方差線性加權融合得到的結果（圓圈）十分接近目標真實位置（星號），驗證了算法的可行性。

1.6 數據處理與顯控模塊設計

中心處理平臺的主要構成部分是數據處理與顯控模塊，主要實現對分布式雷達節點探測數據處理、被困人員探測結果顯示以及人機交互。本研究采用ARM（Constant False-Alarm Rate）微處理器和DSP（Digital Signal Processing）處理芯片設計數據處理與顯控模塊，其中DSP主要負責對探測數據處理，而ARM主要負責探測結果顯示與人機交互。該模塊的基本結構如圖13所示。

圖13 數據處理與顯控模塊

如圖13中所示，ARM系列的高性能低功耗微控制器作為控制子系統，高性能數字信號處理器（DSP）作為數據處理子系統。數據處理與顯控模塊采用多處理器協同工作的方式。首先響應用戶通過人機交互（觸摸屏和按鍵）的方式輸入命令和操作，控制無線通信部分傳輸探測數據到顯控中心的數字信號處理器（DSP）進行相關處理，然后控制系統將處理后的數據通過顯示界面實時的呈現給用戶。操作系統部分采用目前比較流行的LINUX或者Android系統，方便移植和維護；在此系統上擬設計的人機交互圖形化界面概念圖如圖14所示，左側顯示各雷達節點的工作狀態，中間主顯示區主要顯示各雷達節點的位置和被困人員的位置，右側為人機交互控制面板。

圖14 人機交互圖形化界面概念圖

2 結束語

本論文討論了分布式超寬帶雷達地震被困人員協同探測技術，給出了直接數字式步進變頻發射機、零中頻接收機和數據處理與顯控模塊的技術方案，并對多脈沖相干積累的超寬帶雷達生命探測算法和基于等效介質穿透與最小方差融合的定位誤差級聯補償算法提供了流程，為分布式雷達系統的研制奠定了基礎，有助于提升地震救援的技術水平。

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Collaborative Detection Technology for Detecting Trapped Personnel by Distributed UWB Radar Earthquake

Sun Gongde, Guo Yong, Shen Jian, Zhao Leiting and Zhang Zhongyuan

(College of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

In this paper, a distributed ultra-wideband radar cooperative detection technology is proposed, which mainly includes the construction of distributed ultra-wideband radar cooperative detection network and the detection of UAV radar life signs. We studied the algorithm, distributed radar node detection data fusion method, and designed the distributed ultra-wideband life detection radar system, multi-radar interference suppression, distributed radar node self-localization, weak life signs robust detection, ruin penetration positioning error compensation. The results provide a technical base, in order to complete the development of distributed ultra-wideband radar system in the future.

Distributed ultra wideband radar; Laser ranging; Wi-Fi communication; Earthquake trapped detectors

10.11899/zzfy20170424

“十二五”國家科技支撐計劃課題“城鎮地震災害應急處置關鍵技術研究”（2015BAK18B03）；成都理工大學2016中央財政支持地方發展專項“現代信息檢測及智能處理技術學科建設”；國家自然科學基金面上項目“分布式超寬帶雷達地震被困人員協同探測技術研究”（41574136）

2017-04-12

孫公德，男，生于1993年。碩士研究生。主要從事生命探測雷達信號處理。E-mail：664932201@qq.com

孫公德，郭勇，沈建，趙蕾莛，張忠元，2017．分布式超寬帶雷達地震被困人員協同探測技術．震災防御技術，12（4）：966—977．