基于生命探测飞行器的超宽带雷达多点分布式目标定位方法

摘要

基于生命探测飞行器的超宽带雷达多点分布式目标定位方法，涉及生命探测飞行器和雷达技术领域。基于搜救飞行器的强大机动性能，在飞行器上安置超宽带生命探测雷达，利用多点分布式目标定位方法，实现生命体的快速准确定位。实验中将雷达置于飞行器云台上，利用飞行器控制雷达在高空移动，根据多点分布式目标判别准则，应用三球面法求解目标位置信息。原先的一发一收模式下的距离探测结果将用于求解三元二次非齐次方程组，根据方程组所得结果选出最优解，即得出生命体在三维空间中的位置信息。通过应用相邻判别法搜索探测点，使得雷达距离目标位置最近且包围目标，提升生命体目标定位的有效性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及生命探测飞行器和雷达技术领域，尤其涉及一种基于 生命探测雷达多点分布式的目标搜索与定位技术。

背景技术

现如今抗震救灾越来越成为人们所关注的重点，而国内外抗震救 灾的手段局限性和缺点比较明显，所以我设计发明了应用于飞行器上 的雷达技术，并对此技术进行创新，使用创新出来的超宽带多点分布 式探测技术使得飞行器准确对目标进行定位。

应用四旋翼飞行器、基于超宽带窄脉冲雷达发射器的搜救机器 人，具有四旋翼飞行器的高机动性和稳定性，又具备超宽带雷达的强 大穿透能力，可以迅速并准确地感知到目标的三维坐标信息，国内外 现有的生命救援雷达产品均采用发射与接收一体化设计，发射天线和 接收天线的距离很近，难以检测不同姿态的生命体，漏警率高，而且 每次探测的区域有限。目前生命救援雷达只能提供被掩埋生命体的距 离信息，无法确切定位，这就增加了救援的工作量，延误救援进度。

本课题研制的分布式雷达波生命探测器将发射天线和接收天线 分离，采用分布式多点接收的方法，提高被掩埋生命体的检测概率， 增大探测区域，并提供生命体的确切位置信息，以便能够及时有效地 解救被困人员，并且能够大大地减小救援的工作量，加快救援进度。

多点分布式雷达波生命探测器能够快速实现幸存者的搜索与定 位，该技术在国内尚属空白。

超宽带生命探测雷达系统基于一发一收天线对发射超宽带短脉 冲，接收来自生命体的微动信息，从而实现生命体定位的目的。国内 外现有的生命救援雷达产品均采用单发单收和或分布式设计。由于单 发单收生命救援雷达只能提供被掩埋生命体的距离信息，无法确切定 位，这就增加了救援的工作量，延误救援进度。而分布式生命救援雷 达对硬件需求量较大，成本较高，在实际应用中难以实现。因此需要 设计发射天线和接收天线分离的雷达，采用多探测点搜索的方法，提 高被掩埋生命体的检测概率，增大探测区域，并提供生命体的确切位 置信息，以便能够及时有效地解救被困人员。

分布式多目标探测可得到生命体的距离向、方位向信息，有利于 目标准确定位，是超宽带生命探测雷达的关键技术，而现有技术中缺 乏一种专门针对生命救援雷达的多探测点目标搜索与定位技术。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于生命探测雷达多探测 点的目标搜索与定位方法。

为实现上述目的，本发明基于生命探测雷达多探测点的目标搜索 与定位方法，包括以下步骤：

步骤A：针对全部N个探测点O_N，分别对第n个探测点O_n处的 生命探测雷达回波数据进行呼吸信号检测处理，获得该生命体与雷达 之间的距离值R_n，其中，n＝1,2,3,……N；

步骤B，选择4个探测点O₁、O₂、O₃、O₄，将其位置(x₁，y₁， z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)及对应的距离检测值 R₁、R₂、R₃、R₄，分别构建生命探测雷达位置矩阵S(x_n，y_n，z_n) 和检测值向量(R₁，R₂，R₃，R₄)模型；对上述检测值向量模型进行 有效值情况判断及分类，将有效值情况分为5类情况：4、3、2、1、 0个探测点存在有效值的情况，根据多探测点判别准则，对检测值向 量模型分别应用三球面定位法或三角形法则进行求解；最终得到生命 体空间位置A₁；

当有效值情况为4个探测点存在有效值时，每次从检测值向量模 型中选取3个探测点的检测值数据，应用三球面定位法进行求解，若 解存在，计算每个解的概率P_q，其中q≤4且q∈N⁺，并取概率较大 的解作为对应这4个探测点的生命体空间位置A₁；若解不存在，则通 过三角形法则找出错误数据，将该错误数据在检测值向量模型中置0， 重新进行有效值情况判断；

当有效值情况为3个探测点存在有效值时，若解存在，则解唯一， 即对应这4个探测点的生命体空间位置A₁；若解不存在，则通过三角 形法则找出错误数据，将该错误数据在检测值向量模型中置0，重新 进行有效值情况判断；

当有效值情况为2个探测点存在有效值时，并不能得出生命体空 间位置，根据三角形法则和最邻近原则输出检测值向量模型，此时的 检测值向量为(R_s，R_t，0，0)或(R_s，0，0，0)，其中s，t＝1，2，3，4；再选择出 其他不同的两个或3个探测点，重新构建生命探测雷达位置矩阵S (x_n，y_n，z_n)和检测值向量(R_1’，R_2’，R_3’，R_4’)模型，并对重新 建立的检测值向量模型进行有效值情况判断及分类；

当有效值情况为1个探测点存在有效值时，输出检测值向量模型 (R_s,0,0,0)，其中s＝1,2,3,4；再选择出其他不同的3个探测点，重新 构建生命探测雷达位置矩阵S(x_n，y_n，z_n)和检测值向量(R_1’，R_2’， R_3’，R_4’)模型，并对重新建立的检测值向量模型进行有效值情况判 断及分类，对检测值向量模型分别应用三球面定位法或三角形法则进 行求解；

当有效值情况为0个探测点存在有效值时，重新选取其他不同的 四个探测点，分别构建生命探测雷达位置矩阵S(x_n，y_n，z_n)和检 测值向量(R₁，R₂，R₃，R₄)模型，并对上述检测值向量模型进行有 效值情况判断及分类，对检测值向量模型分别应用三球面定位法或三 角形法则进行求解；

通过步骤B最终得到生命体空间位置A₁；

步骤C：根据步骤B中所得生命体空间位置A₁，将A₁作为新的 探测点，依据最邻近原则再选择其他不同的3个探测点并结合所得 A₁，重复进行步骤B，得到生命体空间位置A₂；

步骤D，重复步骤C，最终得到A₁、A₂.。。。。A_M，直到最终4 个探测点都能够定位并包围当次生命体空间位置A_M，且距离当次生 命体空间位置A_M最近，所得当次生命体空间位置A_M即为最终生命 体空间位置。

所述步骤C具体方法：

步骤C1：根据步骤B中所得生命体空间位置A₁，固定距离A₁并将 A₁作为有效值的探测点O_p，其中p＝1,2,3,4，保留其距离检测值R_m， 另外依据最邻近原则选取3个探测点O_i、O_j、O_k，其中 i，j，k＝5，6，7，…N，i≠j≠k≠p，重复步骤B，获得新的生命体空 间位置A₂；

或步骤C2：重复步骤C1，使用最邻近原则搜索探测点并定位生命体 目标，获得新的生命体空间位置A₃、A₄、A₅…..A_M，当检测值向量 模型(R₁，R₂，R₃，R₄)无值情况为0时，且O_p、O_i、O_j、O_k是离 A_M最近的4个有效探测点，且包围A_M，得到最终的生命体空间位 置A_M。

所述最邻近原则指在选取探测点时，O_i、O_j、O_k在以O_p和前一次 定位所得生命体空间位置A_m为对角线的矩形区域内，且为距离O_p 最近的探测点。

所述技术针对单目标搜索与定位。基于搜救飞行器的强大机动性 能，在飞行器上安置超宽带生命探测雷达，利用多点分布式目标定位 方法，实现生命体的快速准确定位。实验中将雷达置于飞行器云台上， 利用飞行器控制雷达在高空移动，根据多点分布式目标判别准则，应 用三球面法求解目标位置信息。原先的一发一收模式下的距离探测结 果将用于求解三元二次非齐次方程组，根据方程组所得结果选出最优 解，即得出生命体在三维空间中的位置信息。通过应用相邻判别法搜 索探测点，使得雷达距离目标位置最近且包围目标，提升生命体目标 定位的有效性和可靠性。

从上述技术方案可以看出，本发明基于生命探测雷达多探测点的 目标搜索与定位技术具有以下有益效果：

(1)在实际雷达系统中，考虑到成本问题，本发明从多个探测 点中每次选取4个探测点放置雷达，并构建生命探测雷达位置矩阵和 检测值向量模型；

(2)由于收发一体的生命救援雷达漏警率高，本发明通过多探 测点判别准则对生命体位置进行求解，并根据解的概率对生命体进行 初步定位；

(3)由于生命救援雷达系统定位准确性低，本发明通过最邻近 原则多次重新搜索探测点，提高目标最终定位的可靠性。

附图说明

图1为根据本发明实施例用于多探测点判别法则的流程图。

图2为本实施例中选定的4个探测点位置和生命体真实位置坐 标，黑点为生命体真实位置坐标；

图3为本实施例中当有效值情况为4时的探测结果；

图4为本实施例中当有效值情况为3时，若解存在，所得到的唯 一解；

图5为本实施例中应用最邻近原则不断搜索出来的理想结果；

图6为本实施例中应用最邻近原则的递进搜索过程第一步结果；

图7为本实施例中应用最邻近原则的递进搜索过程第二步结果；

图8为本实施例中应用最邻近原则的递进搜索过程第三步结果；

图9为本实施例中应用最邻近原则的递进搜索过程第四步结果；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具 体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是， 在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图 中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的 形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解， 参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束 内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、 “前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的 方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明根据分布式判别准则，应用三球面法求解目标位置信息。 原先的一发一收模式下的距离探测结果将用于求解三元二次非齐次 方程组，根据方程组所得结果选出最优解，即得出生命体在三维空间 中的位置信息。通过应用最邻近原则搜索探测点，使得雷达距离目标 位置最近且包围目标，提升生命体目标定位的有效性和可靠性。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于生命探测雷达 多探测点的目标搜索与定位技术。图1为根据本发明实施例用于生命 探测雷达的微弱呼吸信号增强方法的流程图。请参照图1，本实施例 用于生命探测雷达的微弱呼吸信号增强方法包括：

步骤A：针对全部N个探测点O_N，分别对第n个探测点O_n处的生命探 测雷达回波数据进行呼吸信号检测处理，获得该生命体与雷达之间的 距离值R_n，其中，n＝1，2，3，...，N，选择4个探测点O₁、O₂、O₃、O₄， 将其位置(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄) 及对应的距离检测值R₁、R₂、R₃、R₄，分别构建生命探测雷达位置 矩阵S(x_n，y_n，z_n)和检测值向量(R₁，R₂，R₃，R₄)模型；

本实施例中，为了进行实验验证，事先选定4个已知探测点位置， 即为放置在飞行器上的雷达位置，并设计生命体真实位置坐标如图2 所示。

步骤B，对步骤A中的检测值向量模型进行有效值情况判断及分类， 将有效值情况分为4、3、2、1、0个探测点存在有效值等5类情况， 根据多点分布式判别准则，对检测值向量模型分别应用三球面定位法 或三角形法则进行求解，计算解的概率P_q，其中q＝1,2,3,4，概率最 大的解对应首次选择的4个探测点所确定的生命体空间位置A₁；

该步骤B中，通过多探测点判别法则对生命体位置进行求解具 体包括：

子步骤B1，当有效值情况为4时，每次从检测值向量模型中选取3 个探测点的检测值数据，应用三球面定位法进行求解，若解存在，计 算每个解的概率P_q，其中q≤4且q∈N⁺，并取概率较大的解作为对 应这4个探测点的生命体空间位置A₁，若解不存在，则通过三角形 法则找出错误检测值数据，将该数据在检测值向量模型中置0，重新 进行有效值情况判断；

本实施例中，当有效值情况为4时，应用三球面定位法进行求解所得 生命体空间位置A₁如图3所示。

子步骤B2，当有效值情况为3时，若解存在，则解唯一，即对应这 4个探测点的生命体空间位置A₁，若解不存在，则通过三角形法则找 出错误检测值数据，将该数据在检测值向量模型中置0，重新进行有 效值情况判断；

本实施例中，当有效值情况为3时，应用三球面定位法进行求解，若 解存在，则所得生命体空间位置唯一解A₁如图4所示。

步骤C，根据步骤B中所得生命体空间位置A₁，依据最邻近原则重 新搜索探测点O_n，直到4个探测点都可以定位并包围目标，且距离 目标最近，得到最终生命体空间位置A_M；

该步骤C具体包括：

步骤C1：根据步骤B中所得生命体空间位置A₁，固定距离A₁最 近且存在有效值的探测点O_p，其中p＝1，2，3，4，保留其距离检测值R_m， 另外依据最邻近原则选取3个探测点O_i，O_j，O_k，其中 i，j，k＝5，6，7，…N，i≠j≠k≠p，重复步骤A和B，获得新的生命 体空间位置A₂；

步骤C2：重复步骤C1，使用最邻近原则搜索探测点并定位生命 体目标，获得新的生命体空间位置A₃，A₄，A₅，…，A_M，当检测值向量模 型(R₁，R₂，R₃，R₄)无值情况为0时，且O_p、O_i、O_j、O_k是离A_M最近的 4个有效探测点，且包围A_M，得到最终的生命体空间位置A_M。

本实施例中，依据最邻近原则重新搜索探测点O_n，直到4个探测 点都可以定位并包围目标，且距离目标最近，得到最终生命体空间位 置A_M，理想情况下，最终生命体空间位置A_M与事先给定目标值重合， 如图5所示。

本实施例中，根据步骤A、B、C递进式搜索的过程如图6、7、 8、9所示，图中以4个探测点的中心位置为坐标原点，可以看出生 命体目标与4个探测点之间的距离在逐渐缩短，即随着搜索的深入， 探测结果离实际值越来越近。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述， 本领域技术人员应当对本发明基于生命探测雷达多点分布式的目标 搜索与定位技术有了清楚的认识。

综上所述，本发明克服了传统搜救体系的缺点，快速地对目标进 行搜索，并解决了收发一体的生命救援雷达无法准确定位的缺点，实 现了生命体空间位置的分布式多点探测，满足了灾害救援等场合下掩 埋人员确切位置信息检测的需要。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果 进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体 实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。