基于雙曲線模型的生物雷達二維定位算法

張自啟，張楊，祁富貴，劉淼，王鵬飛，殷悅，史剛，王健琪

第四軍醫大學 生物醫學工程學院，陜西 西安 710032

基于雙曲線模型的生物雷達二維定位算法

張自啟，張楊，祁富貴，劉淼，王鵬飛，殷悅，史剛，王健琪

第四軍醫大學 生物醫學工程學院，陜西 西安 710032

目前多通道生物雷達目標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而造成圓弧無法相交于一點的情況。本文提出了在一種基于雙曲線模型的目標二維定位方法，該方法利用其中兩個通道信息所確定的雙曲線并結合另一個通道信息所確定的圓弧對目標進行二維定位。自由空間實驗和穿墻實驗結果表明，該定位方法能在直角坐標系下較準確地確定目標的二維坐標，二維坐標與目標實際位置之間的平均誤差在10 cm左右，從而驗證了該實驗方法的正確性和有效性。該算法計算簡便，結果可靠，可以為實際搜救工作提供有效的指導。

生物雷達；超寬帶；雙曲線；定位；生命探測

引言

超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）生物雷達是一種融合雷達技術和生物醫學工程技術并以人體等生命體為探測目標的新型雷達，是用于地震、礦難、泥石流等災害發生后失蹤人員搜救的效率最高的技術手段之一[1-3]。生物雷達可以快速實現探測區域內生命體目標有無的判別和定位，為專業救援提供指導，從而提高搜救精度和效率。生物雷達的探測結果一般包括目標識別（目標有無判別和目標類型區分）和目標定位兩個方面，其中目標定位是搜救現場最迫切需要的關鍵技術，也是目前沒有很好解決的一個難點。如果能準確地估計出被困目標的實際位置，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，該算法容易出現多個圓弧無法相交于同一點的情況[4]。因此，本文基于多通道便攜式生物雷達平臺，提出了一種基于雙曲線模型的定位方法，并進行了單個目標的定位方法實驗研究，結果表明該方法能夠較準確地確定目標的二維坐標。由于遮蔽效應[5]等的存在，在目標定位技術中，多目標定位最具有挑戰性也是目前的難題[6]，本研究也為后續多目標定位難題的解決打下基礎。

本文首先介紹了多通道UWB生物雷達和天線陣列設置，然后提出了一種新的基于雙曲線模型的目標二維定位方法[7-11]，并從理論上分析了其可行性，再通過自由空間實驗、穿墻實驗逐步檢驗了其效能并對實驗結果進行了討論。

1 多通道便攜式生物雷達探測系統

本文采用的多通道便攜式生物雷達系統由一發四收的UWB生物雷達天線、便攜式多自由度可折疊支架和觸控式遠程控制處理器組成。

1.1 硬件組成

本實驗采用的是低中心頻率UWB脈沖體制生物雷達，其原理框圖，見圖1。系統由脈沖發生器產生脈沖信號，脈沖信號經整形電路后形成雙極脈沖由垂直極化的蝶形天線發射出去，同時脈沖發生器所產生的脈沖信號被送入延時單元產生一系列距離門信號控制接收電路。接收天線接收到反射回波后，由距離門信號控制接收電路進行采樣，再經過高速AD采樣和Wi-Fi模塊送入控制處理器[12]。

圖1 UWB脈沖雷達原理框圖

UWB雷達的中心頻率為400 MHz，帶寬為400 MHz，脈沖重復頻率為128 kHz，每個通道的AD采樣頻率為64 Hz。

1.1.1 一發多收天線

本文采用的多通道生物雷達由兩部分組成（圖2）：一部分是雷達主機，包括發射天線、雷達系統收發電路、無線通信模塊以及電源等；另一部分是各自分立的4個接收天線，分別通過纜線與主機相連并通過該纜線將接收到的雷達回波傳回主機。為了方便描述，從正對天線發射面的角度看，我們按照逆時針的方向將4個接收天線分別編號為0、1、2、3，其各自對應的通道也分別編號為0通道、1通道、2通道、3通道。

圖2 一發多收天線陣列

1.1.2 多自由度天線支架

為適應廢墟等復雜的探測環境，本文設計了多自由度可折疊式天線支架將各個接收天線與主機進行機械連接，同時將電纜線嵌入到折疊臂中實現接收天線與主機之間的電氣連接?？烧郫B式支架收縮狀態，見圖3。在實驗或實際探測中，可以根據需求自由調整折疊臂的長度、角度、天線探測方向等來形成靈活多樣的天線陣探測模式。

圖3 折疊式支架收縮狀態

1.2 探測天線陣列

根據前面的研究成果[13]，要實現目標平面上的二位定位，需要最少3個通道才能避免偽影的出現。因此，本文采用一發三收（接收天線采用0號、1號、2號）的天線組合，天線陣列近似為直線型。其中發射天線在主機內，將1號天線緊挨主機，置于主機上方；為確保較遠距離的角度分辨率，將0號天線和2號天線的折疊臂伸展至最長，此時0號天線和2號天線與主機之間的中心距離均為1.08 m。因此發射天線與3個接收天線近似呈現出直線型分布陣列，見圖4，此處用T表示發射天線，R表示接收天線，下標編號分別與圖1相對應。其中圖4b表示進行自由空間實驗時雷達的架設方式，圖4c表示進行穿墻實驗時雷達的架設方式。

圖4 直線型探測天線陣列

1.3 遠程控制處理器

為了保證可靠性與軟件系統的兼容性，采用微軟公司生產的Surface系列觸控平板電腦作為遠程控制處理器。該系列平板電腦能很好地與Windows操作系統下開發的控制處理軟件相兼容，實驗還表明在與雷達相距30 m （自由空間）的情況下其仍然能和生物雷達前端保持穩定的通信。因此在實驗的過程中，生物雷達的操作人員可以保持與雷達探測區域較遠的距離以減少操作人員對雷達的干擾。

2 基于雙曲線模型的目標二維定位實驗

2.1 實驗設計

2.1.1 探測目標的位置選取

為了更容易地描述目標點的位置，我們實驗室地面上建立了直角坐標系。將實驗場地劃分為若干個邊長為1 m的正方形格子，同時以生物雷達系統主機所在位置為坐標原點建立笛卡兒直角坐標系，以直線型探測天線陣列所在的直線為坐標軸的橫軸，以垂直方向為坐標的縱軸，左側標定的是該水平線與坐標橫軸的縱向距離，上側標定的是該縱線與坐標縱軸的橫向距離，見圖5。其中，圖5a表示自由空間實驗中的位置劃分，受場地限制右側的5、10、15、20、25等5個點的橫坐標為x=1.7，其余各點的坐標均為整數值。即該區域是一個以(-2,0)、(1.7,0)、(-2,-6)和(1.7,-6)共4個點為頂點的矩形區域，對于圖中所標定的25個點則很容易描述各自的位置。例如2點的坐標為(-1,0)，3點的坐標為(0,-2)。另外，在進行穿墻探測實驗時調換了實驗儀器擺放的方向，如圖5b所示，同樣由于實驗場地限制，左側的1、6、11、16、21等5個點的橫坐標為x=-1.7。實驗時，被探測目標分別站在上述25個不同的位置點進行定位探測，對比探測結果與目標實際位置坐標以評價本文算法的目標定位能力。

圖5 兩種實驗目標位置劃分

2.1.2 自由空間和穿墻實驗

本文計劃從自由空間和穿墻兩種不同的實驗場景來檢驗定位方法的效能，先進行自由空間實驗進行原理驗證，再進行穿墻探測實驗，從而逐步驗證定位方法的合理性、正確性。兩種實驗場景，見圖6。

圖6 兩種實驗場景

2.2 信號處理方法

2.2.1 雷達回波預處理

在對目標進行定位之前，需要對原始雷達回波進行預處理。雷達各通道的回波以脈沖形式采集，各個波形的采樣點數均為2048點。為減少運算量提高運算效率首先對波形進行距離抽取，再進行低通濾波濾除高頻噪聲，最后通過滑動減平均、能量累積等處理方法以增強信噪比[14]，為下一步的定位算法打下基礎。雷達回波預處理的算法流程，見圖7。

圖7 雷達回波預處理流程

2.2.2 基于雙曲線模型的定位方法

三通道生物雷達對人體目標進行探測定位的方式，見圖8，其中緊挨主機的1號接收天線R1與發射天線T近似重合為一點，0號接收天線R0和2號接收天線R2與發射天線T之間的距離都為1.08 m且分別位于主機的左右兩側。雷達波從發射機發出后到達目標P所用的時間為τp，雷達回波經過目標P反射后回到3個不同通道接收機R0、R1和R2所用的時間分別為τ0、τ1和τ2，則有 ：

圖8 定位示意圖

其中，c表示電磁波在介質中的傳播速度。

若雷達波從發射機發出并經過目標P反射后回到3個不同通道接收天線R0、R1和R2的距離分別為L0、L1、L2。那么，|L0-L2|可以通過公式(5)獲得。

其中，ch表示雙曲線的半焦距，a表示雙曲線的實半軸長，則雙曲線的虛半軸長為根據實驗中某一組數據所繪制的雙曲線，見圖9。目標實際坐標為(-1,-5)，圖5(a)中編號為17的點，實驗測得L0=5.40 m，L1=5.19 m，L2=5.18 m，根據生物雷達探測到的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焦點，目標P處在該雙曲線的一支上。若L0＞L2，則目標離R2更近，處在雙曲線的左支即直角坐標系的第三象限，同理若L0＜L2，則目標離R0更近，處在雙曲線的右支即直角坐標系的第四象限。而目標的具體坐標則需要結合1通道的探測結果計算來確定。

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主機發射天線靠得很近，工程上可以近似認為τp=τ1，即等效的近似有所以，目標P同時還處在一個由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，一般不直接取而認為根據圖9實驗中的同一組數據所繪制的圓弧，見圖10。目標實際坐標為(-1,-5)（圖5a中編號為17的點），為了與圖9的坐標范圍一致圖中只顯示了一部分有實際意義的圓弧。

圖10 由1通道所確定的圓弧

如果目標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即為目標P的實際位置。因此，定位方法，見圖11，在同一個直角坐標系中分別繪制出由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，找到兩個曲線的交點則很容易對目標P進行二維定位。對于本示例中的數據，由于L0＞L2，因此目標處在直角坐標系的第三象限，則追蹤第三象限中兩曲線的交點的坐標得(-1.056,-5.077)，從而實現了對目標P的二維定位，該定位結果與目標實際位置(-1,-5)相比誤差小，絕對誤差不超過8 cm。

圖11 基于雙曲線模型的定位方法

2.3 實驗結果

2.3.1 自由空間實驗

為了檢驗基于雙曲線模型的二維定位方法的效能，我們先進行了自由空間探測定位實驗（圖12）。目標按照圖5(a)所示的位置劃分分別站在25個不同的位置，用生物雷達進行探測，對采集到的數據進行上述雷達回波信號預處理，并按照本文提出的基于雙曲線模型的二維定位方法進行定位。根據前文的約定，雷達波從發射機出發再經由目標P反射后回到各個不同通道接收天線的距離分別為L0、L1、L2，重新定義將實驗結果整理，見表1，其中定位結果中的x和y分別表示根據基于雙曲線模型的二維定位方法探測識別后目標的橫坐標與縱坐標，|PP0|表示目標實際位置坐標與探測結果坐標之間的距離，即定位誤差。

圖12 自由空間實驗

2.3.2 穿墻實驗

災害發生后，被困的幸存者往往會被廢墟等障礙物壓埋，所以在實際的災后救援中通常需要穿透廢墟等介質來探測生命信號，因此我們還進行了穿墻探測實驗（圖13），進一步驗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。目標按照圖5b所示的位置劃分分別站在25個不同的位置，用上述相同的方法進行定位，將實驗結果整理，見表2。

表1 自由空間實驗結果（m）

表2 穿墻場景實驗結果（m）

圖13 穿墻實驗

3 結論

UWB生物雷達技術[15-16]是應用于災后搜救的重要生命探測手段，生命探測技術的研究主要包括目標識別、目標定位等方面。其中，目標識別是基礎，目標定位是重要的實戰需求，綜合二者才能為災后的救援工作提供具有實際意義的指導意見。本文提出了一種基于雙曲線模型的目標二維定位方法，綜合3個不同通道的信息估計出目標的二維坐標，并通過自由空間實驗和穿墻實驗驗證了該定位方法的有效性。綜合實驗結果，得出以下結論：

（1）從自由空間實驗結果來看，該方法在自由空間場景下能有效實現對目標的二維定位，與目標實際坐標相比該方法能較為準確地估計出目標的二維坐標。從25個不同位置的定位結果來看，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）在穿墻實驗中，該方法同樣能有效對目標進行二維定位并給出目標的二維坐標。從25個不同位置的定位結果來看，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。體現出了較好的性能。

（3）綜上所述，通過自由空間實驗和穿墻實驗驗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，在實際的救援應用中是可以接受的。

本文主要關注了單個目標的二維定位，通過實驗研究驗證了該方法實現目標二維定位的可行性，為后續更復雜情景下的定位研究打下基礎。下一階段，還將基于該方法開展多個目標的二維定位、目標的三維定位等研究，以期將該定位方法推廣到更加實際的應用中。

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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

國家自然科學基金（61327805）；第四軍醫大學人才資助項目（4139Z3B8DA）。

王健琪，教授，博士生導師，主要研究方向為非接觸生命信號檢測。

通訊作者郵箱：wangjq@fmmu.edu.cn

本文編輯 袁雋玲