CN202221814U - 多目标三维定位的倒“t”形天线阵列及多通道uwb生命探测雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了多目标三维定位的倒“T”形天线阵列及多通道UWB生命探测雷达，所述倒“T”形天线阵列包括五个天线，其中包括一个发射天线和四个接收天线，所述五个天线处于空间内同一平面上，发射天线和其中一个接收天线紧密排列置于中央形成中央单元，另外三个接收天线分别置于所述中央单元左方、右方和上方，形成近似倒“T”形的天线阵列。倒“T”形天线阵列结构。以该结构方式进行探测，可使探测***以最少的天线，最简单、便携的***结构，实现多目标的探测和三维定位。

Description

多目标三维定位的倒“T”形天线阵列及多通道UWB生命探测雷达

技术领域

本实用新型涉及一种多目标三维定位的倒“T”形天线阵列及多通道UWB生命探测雷达，属于生命探测雷达探测技术领域。

背景技术

生命探测雷达是一种融合雷达技术和生物医学工程技术可穿透非金属介质(砖墙、废墟等)非接触、远距离地探测人类生命体(呼吸、心跳、体动等)的一种新兴特殊雷达。而生命探测雷达技术则是以生命体为探测目标的一项新兴技术，是国际科技界公认的一个非常重要的前沿技术领域。由于该技术对被测量对象无任何约束，无需接触性电极、传感器、电缆等的连接，而且可以隔一定的距离、穿透一定的介质(如衣服、纱布、砖墙、废墟等)对人体进行识别探测，所以可广泛用于灾害被埋人员搜救、反恐斗争中隔墙监控及战场侦察等领域。

目前，灾害救援、国家安全等一些重要领域对生命探测雷达提出了新的更高的要求。但是单通道超宽谱生命探测雷达仅能够获得目标的一维距离信息，而现有的多通道超宽谱生命探测雷达也只是能够实现对目标距离、方位的二维定位。如果能够实现对多个目标的探测和三维定位，将为搜救人员提供更为丰富和准确(三维)的定位信息，有利于精确施救；另外，三维定位的实现，使探测搜救人员一次扫描探测区域由平面变为更大的立体空间，有助于提高生命探测雷达的探测范围和探测效率。现有的天线阵列多为点阵(收发天线近似处于一个点上)和线阵(各天线分布于一个二维平面上)的形式，他们只能探测目标的一维距离或者实现目标的二维定位，如长哑铃型结构的天线阵列，这种天线阵列为1发3收线阵天线形式，其中1收1发天线紧密排列至于中央，而另外两个接收天线置于两边(与中央一对收发天线在同一条直线上)的形似长哑铃的结构形式，由于它是一种线阵的结构形式，所以长哑铃形结构的天线阵列只能解决多目标的探测和二维定位问题，而不能实现多目标的三维定位；另外对于多个目标的三维定位，接收天线个数少于4个时将会出现伪影的情况。

实用新型内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种多通道可实现多目标探测和三维定位的倒“T”形天线阵列(面阵)UWB生命探测雷达，解决多个人体目标的探测和三维定位问题。

本发明采用如下技术方案：

一种多目标三维定位的倒“T”形天线阵列，所述倒“T”形天线阵列包括五个天线，其中包括一个发射天线和四个接收天线，所述五个天线处于空间内同一平面上，发射天线和其中一个接收天线紧密排列置于中央形成中央单元，另外三个接收天线分别置于所述中央单元左方、右方和上方，形成近似倒“T”形的天线阵列。

应用所述多通道倒“T”形天线阵列的多通道UWB生命探测雷达，包括UWB雷达前端和处理单元，所述UWB雷达前端包括多通道倒“T”形天线阵列、脉冲振荡器、电磁脉冲产生器、取样积分器，所述发射天线与每一个所述接收天线组成一个通道，共组成四个通道；所述脉冲振荡器产生脉冲信号，该信号触发电磁脉冲发生器产生窄脉冲，并通过所述发射天线辐射出去；反射信号经过每个所述接收天线送到取样积分器，由脉冲振荡器产生的脉冲信号同时经过延时电路和距离门产生器产生距离门，对接收信号进行选择，信号通过取样积分电路，经过积累后微弱信号被检测出来，并经由放大器和滤波器进行放大、滤波得到四路雷达回波信号，所述四路雷达回波信号经高速A/D采集卡采样后送入处理单元，由处理单元对采集到的四路雷达回波信号进行分析处理和计算，最终得到多个人体目标空间三维位置信息。

所述的多通道UWB生命探测雷达，所述处理单元包括信号积分模块、信号分解重构模块、数字滤波模块和数字微分模块、空间频率分析模块和目标三维位置计算模块，所述信号积分模块在距离上分别对四路雷达回波信号进行积分，所述信号分解重构模块将经过积分后的四路雷达回波信号分别进行分解、重构，合成四路目标回波信号和四路距离信号，所述数字滤波和数字微分模块对四路目标回波信号分别进行数字滤波和数字微分，所述空间频率分析模块用于根据数字滤波和数字微分后的四路目标回波信号以及四路距离信号进行空间频率分析，得到目标的四个一维距离信息；所述目标三维位置计算模块用于根据所述的四个一维距离信息计算确定目标的三维位置信息从而实现对多个目标的三维定位。

提出了实现多目标三维定位的最佳天线阵列结构方式：倒“T”形天线阵列结构。以该结构方式进行探测，可使探测***以最少的天线，最简单、便携的***结构，实现多目标的探测和三维定位。

附图说明

图1多通道倒“T”形天线阵列UWB生命探测雷达***原理框图；

图2为多通道倒“T”形天线阵列结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

实施例1

本实施例首先提供一种多目标三维定位的倒“T”形天线阵列，所述倒“T”形天线阵列，包括五个天线，其中包括一个发射天线和四个接收天线，所述五个天线处于空间内同一平面上，发射天线和其中一个接收天线紧密排列置于中央形成中央单元，另外三个接收天线分别置于中央单元左方、右方和上方，形成近似倒“T”形的天线阵列。

如图2所示，倒“T”形天线阵列是以天线阵列的空间形状来命名的。天线阵列由一个发射天线和四个接收天线组成，发射天线用数字“0”来编号，四个接收天线分别以数字“1，2，3，4”来编号，每一对发射、接收天线组成一个通道，共四个通道，四个通道同时探测实现多目标的三维定位。

将天线阵列放在空间直角坐标系的xoz坐标平面上，发射天线0位于空间坐标系的原点，接收天线4与发射天线0紧密排列在一起组成一个收发一体的通道，收发一体的天线由于距离较近可以近似认为处于空间坐标系的原点位置，其他三个接收天线分别位于x坐标正、负半轴和z坐标正半轴上且与坐标系原点的距离相等，该距离可根据需要的方位分辨率来调整。

由上述的四通道天线阵列可以对空间多个目标实现三维定位。

提出了实现多目标三维定位的最佳天线阵列结构方式：倒“T”形天线阵列结构。以该结构方式进行探测，可使探测***以最少的天线，最简单、便携的***结构，实现多目标的探测和三维定位。

实施例2

应用多通道倒“T”形天线阵列的UWB生命探测雷达***原理框图如图1所示。包括UWB雷达前端和处理单元，所述UWB雷达前端包括多通道倒“T”形天线阵列、脉冲振荡器、电磁脉冲产生器、取样积分器，所述发射天线与每一个所述接收天线组成一个通道，共组成四个通道；所述脉冲振荡器产生脉冲信号，该信号触发电磁脉冲发生器产生窄脉冲，并通过所述发射天线辐射出去；反射信号经过每个所述接收天线送到取样积分器，由脉冲振荡器产生的脉冲信号同时经过延时电路和距离门产生器产生距离门，对接收信号进行选择，信号通过取样积分电路，经过积累后微弱信号被检测出来，并经由放大器和滤波器进行放大、滤波得到四路雷达回波信号，所述四路雷达回波信号经高速A/D采集卡采样后送入处理单元，由处理单元对采集到的四路雷达回波信号进行分析处理和计算，最终得到多个人体目标空间三维位置信息。

所述处理单元包括信号积分模块、信号分解重构模块、数字滤波模块和数字微分模块、空间频率分析模块和目标三维位置计算模块，所述信号积分模块在距离上分别对四路雷达回波信号进行积分，所述信号分解重构模块将经过积分后的四路雷达回波信号分别进行分解、重构，合成四路目标回波信号和四路距离信号，所述数字滤波和数字微分模块对四路目标回波信号分别进行数字滤波和数字微分，所述空间频率分析模块用于根据数字滤波和数字微分后的四路目标回波信号以及四路距离信号进行空间频率分析，得到目标的四个一维距离信息；所述目标三维位置计算模块用于根据所述的四个一维距离信息计算确定目标的三维位置信息从而实现对多个目标的三维定位。

所述的多通道UWB生命探测雷达，所述定位结果显示方式为显示目标的三维坐标。

在二维平面内，目标的位置是对通过对电磁波行程进行计算来确定的，即：发射天线发出的电磁波到达目标，又被目标反射回来，再到达各接收天线所经过的行程。发射天线Tx到目标的距离为S₀(t)，目标到接收天线Rx1的距离为S₁(t)，到接收天线Rx2的距离为S₂(t)。电磁波从发射天线Tx发射出来到达目标，再从目标反射回来到达接收天线Rx1和Rx2所用的时间分别为τ₁＝(S₀(t)+S₁(t))/c，τ₂＝(S₀(t)+S₂(t))/c。由τ₁和τ₂可以确定两个椭圆，两个椭圆的交点即为目标的位置。

同理，对于空间内收发分离的一组天线，如果电磁波行程一定的话，则可以确定一个椭球，对于收发一体的天线则可以确定一个球，被探测目标则位于椭球或者球的表面上。两个通道所确定的两个椭球相交于一条曲线，该曲线穿过第三个通道所确定的椭球或者球面则可以得到关于天线阵列面对称的两点，联立三个通道所确定的椭球或者球面方程可以解得两组解。由于被探测的目标一定位于天线阵列面的一侧，由此可以排除其中一个解而得到一个目标的坐标。

将发射天线-目标点-接收天线1的距离所确定的椭圆旋转到ZOY面上得到椭圆方程：

$\frac{{(z-\frac{D}{2})}^2}{{a_1}^2}+\frac{y^2}{{b_1}^2}=1$

其中a₁＝τ₁*c/2，

τ₁为雷达波从发射天线-目标-接收天线1所经历的时间，c为雷达波在均匀介质中的传播速度，D为从发射天线到接收天线的距离。

将该椭圆绕Z轴旋转一周得到旋转椭球面方程：

$\frac{{(z-\frac{D}{2})}^2}{{a_1}^2}+\frac{{x^2+y}^2}{{b_1}^2}=1$

同理可以得到由发射天线和2号接收天线组成的通道可以确定第二个椭球方程：

$\frac{{(x-\frac{D}{2})}^2}{{a_2}^2}+\frac{y^2+z^2}{{b_2}^2}=1$

由发射天线和3号接收天线组成的通道可以确定第三个椭球方程：

$\frac{{(x+\frac{D}{2})}^2}{{a_3}^2}+\frac{y^2+z^2}{{b_3}^2}=1$

而发射天线与4号接收天线组成收发一体通道，确定一个球方程：

x²+y²+z²＝R²

联立四个方程，得到多目标三维定位的方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{(z-\frac{D}{2})}^2}{{a_1}^2}+\frac{x^2+y^2}{{b_1}^2}=1\\ \frac{{(x-\frac{D}{2})}^2}{{a_2}^2}+\frac{y^2+z^2}{{b_2}^2}=1\\ \frac{{(x+\frac{D}{2})}^2}{{a_3}^2}+\frac{y^2+z^2}{{b_3}^2}=1\\ x^2+y^2+z^2=R^2\end{array}\right.$

其中R＝τ₃×c/2 τ₃为雷达波从发射天线-目标-接收天线3所经历的时间，c为雷达波在均匀介质中的传播速度。解上述方程组便可以解得多个目标点的三维坐标。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种多目标三维定位的倒“T”形天线阵列，其特征在于，所述倒“T”形天线阵列包括五个天线，其中包括一个发射天线和四个接收天线，所述五个天线处于空间内同一平面上，发射天线和其中一个接收天线紧密排列置于中央形成中央单元，另外三个接收天线分别置于所述中央单元左方、右方和上方，形成近似倒“T”形的天线阵列。

2.应用权利要求1所述多通道倒“T”形天线阵列的多通道UWB生命探测雷达，其特征在于，包括UWB雷达前端和处理单元，所述UWB雷达前端包括多通道倒“T”形天线阵列、脉冲振荡器、电磁脉冲产生器、取样积分器，所述发射天线与每一个所述接收天线组成一个通道，共组成四个通道；所述脉冲振荡器产生脉冲信号，该信号触发电磁脉冲发生器产生窄脉冲，并通过所述发射天线辐射出去；反射信号经过每个所述接收天线送到取样积分器，由脉冲振荡器产生的脉冲信号同时经过延时电路和距离门产生器产生距离门，对接收信号进行选择，信号通过取样积分电路，经过积累后微弱信号被检测出来，并经由放大器和滤波器进行放大、滤波得到四路雷达回波信号，所述四路雷达回波信号经高速A/D采集卡采样后送入处理单元，由处理单元对采集到的四路雷达回波信号进行分析处理和计算，最终得到多个人体目标空间三维位置信息。

3.根据权利要求2所述的多通道UWB生命探测雷达，其特征在于，所述处理单元包括信号积分模块、信号分解重构模块、数字滤波模块和数字微分模块、空间频率分析模块和目标三维位置计算模块，所述信号积分模块在距离上分别对四路雷达回波信号进行积分，所述信号分解重构模块将经过积分后的四路雷达回波信号分别进行分解、重构，合成四路目标回波信号和四路距离信号，所述数字滤波和数字微分模块对四路目标回波信号分别进行数字滤波和数字微分，所述空间频率分析模块用于根据数字滤波和数字微分后的四路目标回波信号以及四路距离信号进行空间频率分析，得到目标的四个一维距离信息；所述目标三维位置计算模块用于根据所述的四个一维距离信息计算确定目标的三维位置信息从而实现对多个目标的三维定位。

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