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(biāo)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(jié)合另一個通道信息所確定的圓弧對目標(biāo)進(jìn)行二維定位。自由空間實驗和穿墻實驗結(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(jié)果可靠，可以為實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

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)可以快速實現(xiàn)探測區(qū)域內(nèi)生命體目標(biāo)有無的判別和定位，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)的探測結(jié)果一般包括目標(biāo)識別（目標(biāo)有無判別和目標(biāo)類型區(qū)分）和目標(biāo)定位兩個方面，其中目標(biāo)定位是搜救現(xiàn)場最迫切需要的關(guān)鍵技術(shù)，也是目前沒有很好解決的一個難點。如果能準(zhǔn)確地估計出被困目標(biāo)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(xiàn)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(dá)平臺，提出了一種基于雙曲線模型的定位方法，并進(jìn)行了單個目標(biāo)的定位方法實驗研究，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，再通過自由空間實驗、穿墻實驗逐步檢驗了其效能并對實驗結(jié)果進(jìn)行了討論。

1 多通道便攜式生物雷達(dá)探測系統(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

本實驗采用的是低中心頻率UWB脈沖體制生物雷達(dá)，其原理框圖，見圖1。系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，脈沖信號經(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，同時脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號被送入延時單元產(chǎn)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(jìn)行采樣，再經(jīng)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(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(jī)相連并通過該纜線將接收到的雷達(dá)回波傳回主機(jī)。為了方便描述，從正對天線發(fā)射面的角度看，我們按照逆時針的方向?qū)?個接收天線分別編號為0、1、2、3，其各自對應(yīng)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(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)雜的探測環(huán)境，本文設(shè)計了多自由度可折疊式天線支架將各個接收天線與主機(jī)進(jìn)行機(jī)械連接，同時將電纜線嵌入到折疊臂中實現(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)，見圖3。在實驗或?qū)嶋H探測中，可以根據(jù)需求自由調(diào)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(tài)

1.2 探測天線陣列

根據(jù)前面的研究成果[13]，要實現(xiàn)目標(biāo)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(xiàn)。因此，本文采用一發(fā)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(fā)射天線在主機(jī)內(nèi)，將1號天線緊挨主機(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(jī)之間的中心距離均為1.08 m。因此發(fā)射天線與3個接收天線近似呈現(xiàn)出直線型分布陣列，見圖4，此處用T表示發(fā)射天線，R表示接收天線，下標(biāo)編號分別與圖1相對應(yīng)。其中圖4b表示進(jìn)行自由空間實驗時雷達(dá)的架設(shè)方式，圖4c表示進(jìn)行穿墻實驗時雷達(dá)的架設(shè)方式。

圖4 直線型探測天線陣列

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)下開發(fā)的控制處理軟件相兼容，實驗還表明在與雷達(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。因此在實驗的過程中，生物雷達(dá)的操作人員可以保持與雷達(dá)探測區(qū)域較遠(yuǎn)的距離以減少操作人員對雷達(dá)的干擾。

2 基于雙曲線模型的目標(biāo)二維定位實驗

2.1 實驗設(shè)計

2.1.1 探測目標(biāo)的位置選取

為了更容易地描述目標(biāo)點的位置，我們實驗室地面上建立了直角坐標(biāo)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(dá)系統(tǒng)主機(jī)所在位置為坐標(biāo)原點建立笛卡兒直角坐標(biāo)系，以直線型探測天線陣列所在的直線為坐標(biāo)軸的橫軸，以垂直方向為坐標(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(cè)的5、10、15、20、25等5個點的橫坐標(biāo)為x=1.7，其余各點的坐標(biāo)均為整數(shù)值。即該區(qū)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(qū)域，對于圖中所標(biāo)定的25個點則很容易描述各自的位置。例如2點的坐標(biāo)為(-1,0)，3點的坐標(biāo)為(0,-2)。另外，在進(jìn)行穿墻探測實驗時調(diào)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(cè)的1、6、11、16、21等5個點的橫坐標(biāo)為x=-1.7。實驗時，被探測目標(biāo)分別站在上述25個不同的位置點進(jìn)行定位探測，對比探測結(jié)果與目標(biāo)實際位置坐標(biāo)以評價本文算法的目標(biāo)定位能力。

圖5 兩種實驗?zāi)繕?biāo)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(jìn)行自由空間實驗進(jìn)行原理驗證，再進(jìn)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(dá)回波預(yù)處理

在對目標(biāo)進(jìn)行定位之前，需要對原始雷達(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，各個波形的采樣點數(shù)均為2048點。為減少運算量提高運算效率首先對波形進(jìn)行距離抽取，再進(jìn)行低通濾波濾除高頻噪聲，最后通過滑動減平均、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)對人體目標(biāo)進(jìn)行探測定位的方式，見圖8，其中緊挨主機(jī)的1號接收天線R1與發(fā)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(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所用的時間為τp，雷達(dá)回波經(jīng)過目標(biāo)P反射后回到3個不同通道接收機(jī)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(zhì)中的傳播速度。

若雷達(dá)波從發(fā)射機(jī)發(fā)出并經(jīng)過目標(biāo)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(jù)實驗中某一組數(shù)據(jù)所繪制的雙曲線，見圖9。目標(biāo)實際坐標(biāo)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(jù)生物雷達(dá)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(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通道的探測結(jié)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(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(rèn)為根據(jù)圖9實驗中的同一組數(shù)據(jù)所繪制的圓弧，見圖10。目標(biāo)實際坐標(biāo)為(-1,-5)（圖5a中編號為17的點），為了與圖9的坐標(biāo)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(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即為目標(biāo)P的實際位置。因此，定位方法，見圖11，在同一個直角坐標(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，找到兩個曲線的交點則很容易對目標(biāo)P進(jìn)行二維定位。對于本示例中的數(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的坐標(biāo)得(-1.056,-5.077)，從而實現(xiàn)了對目標(biāo)P的二維定位，該定位結(jié)果與目標(biāo)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(jié)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(jìn)行了自由空間探測定位實驗（圖12）。目標(biāo)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(dá)進(jìn)行探測，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行上述雷達(dá)回波信號預(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(jié)果整理，見表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識別后目標(biāo)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)，|PP0|表示目標(biāo)實際位置坐標(biāo)與探測結(jié)果坐標(biāo)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(zāi)害發(fā)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(zāi)后救援中通常需要穿透廢墟等介質(zhì)來探測生命信號，因此我們還進(jìn)行了穿墻探測實驗（圖13），進(jìn)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(biāo)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(jìn)行定位，將實驗結(jié)果整理，見表2。

表1 自由空間實驗結(jié)果（m）

表2 穿墻場景實驗結(jié)果（m）

圖13 穿墻實驗

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手段，生命探測技術(shù)的研究主要包括目標(biāo)識別、目標(biāo)定位等方面。其中，目標(biāo)識別是基礎(chǔ)，目標(biāo)定位是重要的實戰(zhàn)需求，綜合二者才能為災(zāi)后的救援工作提供具有實際意義的指導(dǎo)意見。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個不同通道的信息估計出目標(biāo)的二維坐標(biāo)，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(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）從自由空間實驗結(jié)果來看，該方法在自由空間場景下能有效實現(xiàn)對目標(biāo)的二維定位，與目標(biāo)實際坐標(biāo)相比該方法能較為準(zhǔn)確地估計出目標(biāo)的二維坐標(biāo)。從25個不同位置的定位結(jié)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(biāo)進(jìn)行二維定位并給出目標(biāo)的二維坐標(biāo)。從25個不同位置的定位結(jié)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(xiàn)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(shù)在30 cm以上，因此這種誤差大小是與人體尺寸可比擬的，在實際的救援應(yīng)用中是可以接受的。

本文主要關(guān)注了單個目標(biāo)的二維定位，通過實驗研究驗證了該方法實現(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，還將基于該方法開展多個目標(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際的應(yīng)用中。

[1] Qi F,Liang F,Lv H,et al.Detection and classification of finer-grained human activities based on stepped-frequency continuous-wave through-wall radar[J].Sensors,2016,16(6):885.

[2] Lv H,Qi F,Zhang Y,et al.Improved detection of human respiration using data fusion basedon a multistatic UWBradar[J].Rem Sens,2016,8(9):773.

[3] Liang F,Qi F,An Q,et al.Detection of multiple stationary humans using UWB MIMO radar[J].Sensors,2016,16(11):1922.

[4] 張楊,雷濤,焦騰,等.倒“T”形天線陣列生命探測雷達(dá)多目標(biāo)三維定位仿真研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2012,33(3):6-8.

[5] Dusan K,Jana R,Daniel U.Mutual shadowing effect of people tracked by the short-range UWB radar[A].2011 34thInternational Conference on Telecommunications and Signal Processing[C].New York:IEEE,2011:302-306.

[6] 張自啟,呂昊,陳扶明,等.UWB生物雷達(dá)多靜止人體目標(biāo)呼吸檢測中“遮蔽效應(yīng)”的實驗研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2017,38(4):1-5.

[7] 李韋華,薛飛,馬錦垠.時延差雙曲面定位方法在魚雷入水點測量中的應(yīng)用[J].魚雷技術(shù),2015,(6):420-422.

[8] 朱祥娥,蔡艷輝,王權(quán).雙曲面模型海洋三維定位數(shù)據(jù)模擬及精度分析[J].海洋測繪,2008,28(6):6-9.

[9] 殷桂華,王小輝,雷毅談.基于TDOA的室內(nèi)運動目標(biāo)雙曲線RFID定位方法[J].計算機(jī)應(yīng)用,2014,34(S2):52-54.

[10] 劉翔,宋常建,胡磊,鐘子發(fā).一種非視距環(huán)境下的橢圓-雙曲線混合被動定位技術(shù)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報,2013,18(2):305-309.

[11] 熊清嵐.一種室內(nèi)多站時鐘同步和雙曲線TDOA定位方法[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016,23:52-53.

[12] Qi F,Liang F,Lv H,et al.Detection and classification of finer-grained human activities based on stepped-frequency continuous-wave through-wall radar[J].Sensors,2016,16(6):885.

[13] 張楊,呂昊,于霄,等.基于超寬譜雷達(dá)多目標(biāo)穿墻探測定位技術(shù)的研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2016,37(8):10-13.

[14] 張芫蓓,王帥杰,王昊,等.基于雙源IR-UWB生物雷達(dá)的強(qiáng)反射雜波抑制[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2016,31(11):28-32.

[15] 薛慧君,張楊,呂昊,等.基于信息熵估計的生物雷達(dá)弱周期信號識別技術(shù)研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2017,32(1):22-25.

[16] 劉淼,呂昊,李盛,等.基于參數(shù)化雙譜分析的超寬帶生物雷達(dá)人體目標(biāo)非接觸檢測[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2013,28(11):15-18.

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(xué)基金（61327805）；第四軍醫(yī)大學(xué)人才資助項目（4139Z3B8DA）。

王健琪，教授，博士生導(dǎo)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