基于超低频电磁波的穿墙生命探测技术

2
) . cos (φ - ω0τ
( 5)
同理
U2 = A rAL
3 生命信号的识别 2
) . sin (φ - ω0τ
2 U1
( 6) ,即 ( 7)
生命体识别最为重要的是从信号数据中提取信号特 征 , 一个识别系统的识别能力与特征量的提取与选择有着
因此 , U =
AL =
+
2 U2
=
A rAL
2 个时域信号的相似性 , 由于确定性信号的不同时刻的取
值之间一般都具有比较强的相关性 , 而随机干扰噪声的随 机性较强 , 不同时刻的取值之间的相关性一般较差 , 利用这 一差别可以将确定性信号和干扰信号区别开来 , 而双通道
图 1 探测器的工作原理
F ig 1 W ork in g p in c iple of detector
Technology of through2the2wa ll surve illance ba sed on super2low2frequency electromagnetic wave
YOU L in 2ru,WU Q ing2jia,W EN Xiao 2qin
Technology, Guangzhou 510641, Ch i na) Abstract: Due to the strong2 penetrability and low 2attenuation rate characteristics of super low frequency ( SLF) electromagnetic wave, a novel T W S detector scheme based on SLF electromagnetic wave is p roposed. The p rincip le of detector is demonstrated in details, including how to gain the target signal based on the method of double 2 channel correlation inspection and how to identify the target signal due to the characteristics of the human life signal . A si m ulation experi m ent is established to validate it . The sim ulation results show that the target behind barriers can be detected by the detector based on SLF electromagnetic wave. Key words: through 2the 2 wall2surveillance ( T W S) ; double 2channel correlation inspection; detector 0 引 言 ( College of Automa tion Sc ience and Eng i n eer in g, South Ch ina Un iversity of
吸速率 来 探 测 位 于 墙 壁 、 树 丛 后 的 人 员 。英 国 的 BAE
(B ritish Aerospace)已研制出的单基地雷达穿墙探测传感
收稿日期 : 2007 - 12 - 21
第 6 期 游林儒 ,等 : 基于超低频电磁波的穿墙生命探测技术 25 该探测器的工作原理如图 1 所示 [ 1, 7, 8 ] 。呼吸 、 心跳是 检测生命参数的重要指标 ,但由于超低频信号在传输中被 强烈的背景噪声所淹没 ,因此 ,为了检测被背景噪声覆盖的 微弱信号 ,首先 ,利用双通道相关检测方法来抑制或去除由 于障碍物产生的强杂波干扰 ,提高信噪比 ,检测信号 ; 然后 , 利用人体区别于动物与环境的这些生命信号参数特征来确 定障碍物后人体是否存在 ; 最后 ,再进行障碍物后目标位置 的提取 。 被强信号所抑制 , 表现出来的只是强信号的一些特性 [ 9 ] 。 因此 , 在进行信号检测分析时 , 可以将接收天线的输入信号 认为
1 探测器的工作原理
穿墙生命探测技术 ( through 2the 2 wall surveillance, T W S) 是研究障碍物 (一般指墙面或废墟 ) 后有无生命现象的一 种探测技术 。它主要根据人区别于动物或环境的某些特征 来判断障碍物后有无活着的人员 。这种技术在军事战争
(特别是在有“ 绞肉机 ” 之称的巷战中 ) 、 消防 、 公安以及自
摘 要 : 基于超低频电磁波的强穿透性 、 低衰减率的特点 ,提出了基于超低频电磁波的穿墙生命探测器设 计方法 ,并对其工作原理进行详细的论证 ,包括利用双通道相关检测方法来得到目标信号和利用人体生命 信号的特征来对目标信号进行识别 ,并通过仿真对其进行验证 。仿真结果表明 : 这种基于超低频电磁波的 探测器可以实现对障碍物后目标对象的探测 。 关键词 : 穿墙生命探测 ; 双通道相关检测 ; 探测器 中图分类号 : TP73 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 9787 (2wk.baidu.com08) 06 - 0024 - 03
Institute)研制出了雷达手电筒 , 它通过遥测人的心跳和呼
根据 Ferris D D 在文献 [ 5 ]中绘制的不同频率穿透一 定厚度的各种材料的衰减曲线 ,曲线图表明 : 在穿透相同材 料时 ,低频电磁波的衰减要比高频电磁波的衰减要小得多 , 随着频率的增高 ,衰减急剧增加 。而超低频电磁波是指频 率在 30 Hz～3 kHz之间的电磁波 (按前苏联划分 ) , 不仅在 穿透障碍物时衰减极小 ,且其穿透性强 ,在用于潜艇与地面 的信号传输时甚至可穿越冰川 [ 6 ] 。
2
直接的关系 。 T W S探测器主要是通过探测人体生理活动 所引起的各种微动信号 , 从而判断有无生命现象 。该微动 信号主要由人体自身的活动引起 , 这些活动主要包括人体 自身不能克服的生理运动 , 如 , 呼吸运动 、 心脏跳动 、 肠胃蠕 动、 动脉搏动等 。其中 , 由呼吸运动在体表产生的微动信号 最强 , 其次是心脏跳动 。观察人体心跳与呼吸信号的时域 波形可以发现 , 虽然它们并不是严格平稳的 , 也表现出非平 稳随机信号的特点 , 但信号在整体上具有一定的周期性和 平衡性 , 每个心跳信号与呼吸信号周期内的波形大致相似 。
表 1 相关检测的结果
Tab 1 Exper i m en t results
噪声方差
0. 50 1. 00 2. 00 5. 00 10. 00
传感器与微系统 ( Transducer and M icrosystem Technologies) 2008 年 第 27 卷 第 6 期 24
基于超低频电磁波的穿墙生命探测技术
游林儒 , 吴庆家 , 文小琴
(华南理工大学 自动化科学与工程学院 ,广东 广州 510641 )
相关检测利用 2 个正交的参考信号 , 不仅达到去噪的目的 , 还可以避免信号相位偏移对测量准确度的影响 。
2 信号检测原理
设接收天线接收到的信号为
x ( t) = ) ] + n ( t) + A i cos (ωt +ν ) , 0 ≤ t≤T , AL cos [ω0 ( t +τ ( 1)
[ 10, 11 ]
, 从而可将输入强信号抵
传 感 器 与 微 系 统 第 27 卷 26 因此 , 可以用心跳信号与呼吸信号作为人体生命参数 的特征 , 再利用频域积累方法进行特征提取 。在时间允许 条件下 , 信号通过一定的补偿后 (如 , 延时 、 包络移动等 ) , 进行信号积累处理 , 可在一定程度上提高信噪比 。频域积 累是指利用变换域的方法将需要处理的时域信号变换到频 域中 , 在频域中进行信号积累 , 通过频域积累可以增强运动 目标的谱线 , 从而可以在较低信噪比下检测到目标
器 ,俄罗斯 Remote Sensing Lab 设计的“RASCAN ” , 都是类 似的系统 [ 2～4 ] 。 国内对 T W S的研究也取得了一定的研究成果 ,第四军 医大学通过生命雷达和特殊的生命医学信号处理技术来实 现隔墙探测 ; 南京理工大学根据 T W S的特点 , 提出了基于 正弦调制 ,扩频连续波体制的 T W S探测器的设计方案 , 完 成了该探测器的实验系统 , 并进行了相关实验研究 [ 1 ] 。本 文讨论研究了基于超低频电磁波的穿墙探测技术 ,获得了 满意的结果 。
2U
Ar
.
其中 , U 可以测量 , A r 为已知常量 。当 U 1 为最大值时
(利用移相器可以实现 ) ,φ - ω0τ = 0, 即 , τ =φ ω0 , 其中 , φ
可以测量 ,ω0 为已知常量 。 由此可见 , 相关检测不仅可以消除噪声 , 还能够求出输 入信号的幅度值和相位值 消 , 剩下目标信号 。
) ] + n ( t) , 0 ≤ t≤T . x ( t) = AL cos [ω0 ( t +τ ( 2)
参考信号是一对正交信号 , 分别为
r ( t) = A r cos (ω0 t +φ) , p ( t) = A r sin (ω0 t +φ) . ( 3) ( 4)
式中 A r 为参考信号幅值 ; ω0 为参考信号角频率 ; φ为参 考信号的相位偏移 。 图 2 为双通道相关检波的结构图 。相关检测是测量
然灾害的人员救护等领域中有重大的应用前景
[ 1, 2 ]
。目
前 ,已经利用人体静电场 、 雷达生命特征信号监测 、 超宽带 雷达原理等开发了多种穿墙探测技术 。 近年来 ,包括美国 、 俄罗斯 、 英国 、 加拿大在内的多个国 家政府和国防研究机构大力开展这一方面的研究 ,其中 ,美 军将隔墙探测技术作为新《联合城区作战条令 》 重点研究 的三大关键技术之一 。美国的 GTR I( Georgia Tech Research
r L 0 0 0
T T
r L
0
0
0
T →∞
0
r
0
1
T
T →∞
0
∫2
T
A rAL
cos (φ - ω0τ) d t + lim
1
T
T →∞
0
∫2
T
A rAL
ω0 t +ω0τ +φ) d t + lim cos ( 2
1
T
T →∞
0
A n ( t) cos (ω t +φ) d t ∫
r 0
T
A rAL
由于 A i ν AL , 即两信号的相对振幅远小于 1 , 则其弱信号 U 1 = lim
= lim = lim = 1
T
T T →∞
当 T →∞ 时 , 图 2 中的 U 1 为
0
1
T
T →∞
0
) + n ( t) ] cos (ω t +φ) d t A [A cos (ω t +ω τ ∫ 1 ) cos (ω t +φ) d t + lim A A cos (ω t +ω τ A n ( t) cos (ω t +φ) d t ∫ T ∫
[ 12 ]
计算式 ( 11 ) 和式 ( 12 ) , 可得到被测信号的幅值与相位
AL = 2 R1 + R 2 , R1 R2 ) .
2 2
( 13 ) ( 14 )
θ = tg - 1 (
利用 M atlab进行仿真计算的结果如表 1 所示 , 可以看 出 : 双通道相关检测的理论检测效果很好 ,误差较小 。
式中 AL 为被测量的强信号 (被固体反射回来的电磁波 ) 的幅度 ; n ( t) 为白噪声 ; ω0 为被测信号的角频率 ; τ为延迟
) 为目标信号 ; T 为信号接收的时间长度 。 时间 ; A i cos (ωt +ν
图 2 双通道相关检波结构图
F ig 2 Structure d ia gram of double2channel correla tion in spection