基于生命探测雷达多探测点的目标搜索与定位方法

摘要

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，在多个探测点上利用生命探测雷达进行探测，基于多探测点判别准则对生命体位置进行求解，并采用最邻近原则不断重复确定位置，提高了生命体空间位置的定位精度和检测概率、探测区域大，硬件成本较低，易于在实际应用中实现。

说明书

技术领域

本发明涉及生命探测雷达技术领域，尤其涉及一种基于生命探测雷达 多探测点的目标搜索与定位方法。

背景技术

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。

多探测点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方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决现有技术中存在的无法确切定位、成本较高、检测概率低、探 测区域小等技术问题，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。

(二)技术方案

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。该方法包括：步骤A：将全部N个探测点O₁，...，O_N设置成网格形状， 从全部N个探测点中选择构成最小网格的、相邻的4个探测点 O₁、O₂、O₃、O₄；步骤B：在4个探测点处放置生命探测雷达，并对生命 探测雷达探测到的回波数据进行呼吸信号检测处理，获取每个探测点的位 置(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)及其对应的距离检测值 R₁、R₂、R₃、R₄；步骤C：利用4个探测点构建生命探测雷达位置矩阵和 检测值向量(R₁，R₂，R₃，R₄)，位置矩阵中的元素为探测点的位置值，检测 值向量中每个元素对应4个探测点中每一个检测点的距离检测值；步骤D： 根据多探测点判别准则对检测值向量中的4个元素进行有效性判断，并根 据判断结果分别进行处理，若得到生命体空间位置解，则执行步骤E；若 检测值向量中的有效元素个数小于3，则重新选取4个探测点，返回步骤 B执行；步骤E：判断步骤D中所得的生命体空间位置A₁是否满足判别准 则，判别准则为，生命体空间位置对应的4个探测点的检测值向量的元素 全部有效，且该4个探测点离生命体空间位置最近，并且包围生命体空间 位置；若满足，将生命体空间位置A₁作为最终的生命体空间位置；若不满 足，保留距离生命体空间位置A₁最近、并且对应的距离探测值有效的探测 点，并依据最邻近原则选择另外3个探测点组成4个探测点，返回步骤B 执行，直到新的生命体空间位置满足判别准则，将该新的生命体空间位置 作为最终的生命体空间位置。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的基于生命探测雷达多探测点的目 标搜索与定位方法具有以下有益效果：

(1)采用多探测点生命探测方法，在多个探测点上利用生命探测雷 达进行探测，可以得到目标的确切位置，探测区域广；

(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， 提高了检测概率；

(3)采用最邻近原则不断重复确定位置，提高了生命体空间位置的 定位精度；

(4)相对于分布式生命救援雷达，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，硬件成 本较低，易于在实际应用中实现。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于生命探测雷达多探测点的目标搜索与 定位方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的用于步骤D的多探测点判别法则的流程图；

图3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；

图4为本实施例中当有效值情况为4时的探测结果；

图5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6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7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8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9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10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。

本发明的基于生命探测雷达多探测点的目标搜索与定位方法可以针对 单目标搜索与定位，根据多探测点判别准则，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，得到最终的生命体位置信息，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方法。图1为根据本发明实施例的基于生命探测雷 达多探测点的目标搜索与定位方法的流程图。请参照图1，本实施例的基 于生命探测雷达多探测点的目标搜索与定位方法包括：

步骤A：将全部N个探测点O₁，...，O_N设置成网格形状，从全部N个 探测点中选择构成最小网格的、相邻的4个探测点O₁、O₂、O₃、O₄；

步骤B：在4个探测点处放置生命探测雷达，并对回波数据进行呼吸 信号检测处理，获取每个探测点的位置 (x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)及其对应的距离检测值 R₁、R₂、R₃、R₄；

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，并 设计生命体真实位置坐标如图3所示。

步骤C：利用4个探测点构建生命探测雷达位置矩阵和检测值向量 (R₁，R₂，R₃，R₄)，位置矩阵中的元素为探测点的位置值，检测值向量中每个 元素对应4个探测点中每一个检测点的距离检测值；

步骤D，根据多探测点判别准则对检测值向量中的4个元素进行有效 性判断，并根据判断结果分别进行处理，若能够得到生命体空间位置解， 则执行步骤E；若检测值向量中的有效元素个数小于3，则重新选取4个 探测点，并返回步骤B执行；

本步骤中，当检测值向量中某个元素为0时，该元素无效，为非0时， 有效。在这种情况下，可参照图2，根据检测值向量中元素的有效性情况， 分别进行如下处理：

第一种情况：检测值向量中有4个元素值有效；

每次从检测值向量的4个元素选取3个探测点的距离检测值，应用三 球面定位法进行求解。对于从4个元素中取3个探测点的取法，一共有4 种，共组成4组探测点，针对其中的每一组探测点，应用三球面定位法进 行求解。

三球面定位法的已知数是取出的3个探测点的位置矩阵中的位置值和 距离探测值，每个探测点的位置值和距离探测值确定一个球面，共确定三 个球面，待求的是三个球面的交点，即生命体的空间位置。

依据上述方法，若4组探测点的位置解都存在，则计算每组位置解的 概率P_q，其中q≤4且q∈N⁺，并取概率较大的位置解作为对应这4个探 测点的生命体空间位置A₁，执行步骤E；

其中，计算解的概率和选取概率较大的解的方法为：4组探测点的解 对应的四个位置解可能有部分重合，若有两个、三个或四个位置解的值相 同，则该相同的位置解的概率分别为50％、75％和100％，该相同的位置 解即为概率较大的解，执行步骤E，否则，认为检测值向量中有效的元素 个数为0，并将该4个探测点对应的元素置0，并重新选取4个探测点， 返回步骤B执行。

上述重新选取4个探测点，具体包括：选择与检测值向量中的元素值 对应的4个探测点均不同的、可以构成最小网格的、相邻的4个探测点。

若至少一组探测点的解不存在，则对不存在解的每组探测点通过三角 形法则找出其中的错误探测点，将该错误探测点在检测值向量中对应的元 素置0，重新执行步骤D；

上述通过三角形法则找出其中的错误探测点，具体包括：对不存在解 的一组3个探测点，每次取出2个探测点，该取出的2个探测点之间的距 离值、该取出的2个探测点分别对应的距离探测值这三个值之间，是否满 足任意两者之和大于第三者，两者之差小于第三者，若满足，则不存在错 误探测点，否则，将该取出的2个探测点的每一个与剩余的另1个探测点 组成2组探测点，判断每组探测点的2个探测点之间的距离值、2个探测 点分别对应的距离探测值这三个值之间，是否满足任意两者之和大于第三 者，两者之差小于第三者，若满足，则不存在错误探测点，否则将该取出 的探测点作为错误探测点。

本实施例中，当向量中有4个元素值有效时，应用三球面定位法进行 求解所得生命体空间位置A₁如图4所示。

具体而言，在实际执行该第一种情况时，按照以下步骤来实现：

子分步骤D1a：每次从检测值向量的4个元素选取3个探测点作为一 组探测点，对该组探测点的距离检测值，应用三球面定位法计算位置解；

子分步骤D1b：判断每组探测点位置解的情况，若4组探测点的位置 解都存在，执行子分步骤D1c，若至少一组探测点的位置解不存在，执行 子分步骤D1d；

子分步骤D1c：计算每组探测点位置解的概率P_q，其中q≤4且q∈N⁺， 取概率较大的位置解作为对应这4个探测点的生命体空间位置A₁，执行步 骤E；

所述子分步骤D1c具体包括：

判断4组探测点的解对应的四个位置解是否重合；

若有两个、三个或四个位置解的值相同，则该相同的位置解的概率分 别为50％、75％和100％，该相同的位置解即为概率较大的解，将其作为 生命体空间位置A₁并执行步骤E；

否则，认为检测值向量中有效的元素个数为0，并将该4个探测点对 应的元素置0，并重新选取4个探测点，返回步骤B执行。

子分步骤D1d：对不存在位置解的每组探测点通过三角形法则找出其 中的错误探测点，将该错误探测点在检测值向量中对应的元素置0，重新 执行步骤D。

所述子分步骤D1d具体包括：

对不存在解的一组3个探测点，每次取出2个探测点，该取出的2个 探测点之间的距离值、该取出的2个探测点分别对应的距离探测值这三个 值之间，是否满足任意两者之和大于第三者，两者之差小于第三者；

若满足，则不存在错误探测点，

否则，将该取出的2个探测点的每一个与剩余的另1个探测点组成2 组探测点，判断每组探测点的2个探测点之间的距离值、2个探测点分别 对应的距离探测值这三个值之间，是否满足任意两者之和大于第三者，两 者之差小于第三者，若满足，则不存在错误探测点，否则将该取出的探测 点作为错误探测点。

第二种情况：向量中有3个元素值有效：

应用三球面定位法进行求解，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，执行步骤E；

若解不存在，通过三角形法则找出错误探测点，将该探测点在检测值 向量中对应的元素置0，重新执行步骤D；

与第一种情况类似，上述三球面定位法的已知数是有效的3个探测点 的位置值和距离探测值，每个探测点的位置值和距离探测值确定一个球面， 共确定三个球面，待求的是三个球面的交点，即生命体的空间位置。

上述通过三角形法则找出错误探测点，具体包括：对有效的3个探测 点，每次取出2个探测点，该取出的2个探测点之间的距离值、该取出的 2个探测点分别对应的距离探测值这三个值之间，是否满足任意两者之和 大于第三者，两者之差小于第三者，若满足，则不存在错误探测点，

否则，将该取出的2个探测点的每一个与剩余的另1个探测点组成2 组探测点，判断每组探测点的2个探测点之间的距离值、2个探测点分别 对应的距离探测值这三个值之间，是否满足任意两者之和大于第三者，两 者之差小于第三者，若满足，则不存在错误探测点，否则将该取出的探测 点作为错误探测点。

本实施例中，当向量中有3个元素值有效时，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5所示。

具体而言，在实际执行该第二种情况时，按照以下步骤来实现：

子分步骤D2a：对3个有效元素对应的探测点距离检测值，应用三球 面定位法计算位置解；

子分步骤D2b：判断位置解的情况，若解存在，执行子分步骤D2c， 若解不存在，执行子分步骤D2d；

子分步骤D2c：若解存在，则解唯一，该位置解即是这4个探测点对 应的生命体空间位置A₁，执行步骤E；

子分步骤D2d：通过三角形法则找出错误探测点，将该错误探测点在 检测值向量中对应的元素置0，重新执行步骤D；

所述子分步骤D2d具体包括：

对有效的3个探测点，每次取出2个探测点，该取出的2个探测点之 间的距离值、该取出的2个探测点分别对应的距离探测值这三个值之间， 是否满足任意两者之和大于第三者，两者之差小于第三者；

若满足，则不存在错误探测点，否则，将该取出的2个探测点的每一 个与剩余的另1个探测点组成2组探测点，判断每组探测点的2个探测点 之间的距离值、2个探测点分别对应的距离探测值这三个值之间，是否满 足任意两者之和大于第三者，两者之差小于第三者，若满足，则不存在错 误探测点，否则将该取出的探测点作为错误探测点。

第三种情况：向量中有2个元素值有效：

这种情况下并不能得出生命体空间位置，根据三角形法则和就近原则 输出有效元素对应的距离探测值R_s，其中s∈{1，2，3，4}，并重新选取探测点， 返回步骤B执行。

上述步骤具体包括：对有效2个探测点，该2个探测点之间的距离值、 该2个探测点分别对应的距离探测值这三个值之间，是否满足任意两者之 和大于第三者，两者之差小于第三者，若满足，则输出这两个距离探测值 中最小的值R_s，保留该距离探测值对应的探测点，并重新选取3个探测点 以组成4个检测点，返回步骤B执行，否则输出值较小的距离探测值为R_s， 选择该距离探测值对应的探测点，重新选取4个探测点，返回步骤B执行。

上述重新选取3个探测点以组成4个检测点，具体包括：与保留的1 个探测点相邻的、并与该保留的1个探测点组成任意另一个最小网格的探 测点作为重新选取的3个探测点。

上述重新选取4个探测点，具体包括：与选择的1个探测点相邻的其 他4个可以组成任意另一个最小网格的4个探测点作为重新选取的4个探 测点。

具体而言，在实际执行该第三种情况时，按照以下步骤来实现：

子分步骤D3a：根据三角形法则和就近原则输出有效元素对应的距离 探测值R_s，其中s∈{1，2，3，4}，并重新选取探测点以组成4个探测点，返回 步骤B执行；

所述子分步骤D3a具体包括：

对有效2个探测点，该2个有效探测点之间的距离值、该2个有效探 测点分别对应的距离探测值这三个值之间，是否满足任意两者之和大于第 三者，两者之差小于第三者；

若满足，则输出这两个距离探测值中最小的值R_s，保留该最小距离探 测值对应的探测点，重新选取3个探测点以组成4个检测点，返回步骤B 执行，否则输出值较小的距离探测值为R_s，选择该较小距离探测值对应的 探测点，重新选取4个探测点，返回步骤B执行。

第四种情况：向量中有1个元素值有效：

直接输出有效元素对应的距离探测值为R_s，其中s∈{1，2，3，4}；保留该 距离探测值对应的1个探测点，并重新选取3个探测点以组成4个检测点， 返回步骤B执行。

上述重新选取3个探测点以组成4个检测点，具体包括：与保留的1 个探测点相邻的、并与该保留的1个探测点组成任意另一个最小网格的探 测点作为重新选取的3个探测点。

具体而言，在实际执行该第四种情况时，按照以下步骤来实现：

子分步骤D4a：直接输出有效元素对应的距离探测值为R_s，其中 s∈{1，2，3，4}；保留该距离探测值对应的1个探测点，并重新选取3个探测 点以组成4个检测点，返回步骤B执行。

第五种情况：向量中有0个元素值有效：

重新选取4个探测点，返回步骤B执行。

上述重新选取4个探测点以组成4个检测点，具体包括：选择与向量 中的元素值对应的4个探测点均不同的、可以构成最小网格的、相邻的4 个探测点。

具体而言，在实际执行该种情况时，第五种情况按照以下步骤来实现：

子分步骤D5a：重新选取4个探测点，返回步骤B执行。

步骤E：

判断步骤D中所得的生命体空间位置A₁是否满足判别准则，判别准则 为，生命体空间位置对应的4个探测点的检测值向量的元素全部有效，且 该4个探测点离生命体空间位置最近，并且包围生命体空间位置；

若满足，则生命体空间位置A₁即是最终的生命体空间位置；

若不满足，则保留距离生命体空间位置A₁最近、并且对应的距离探测 值有效的探测点，并依据最邻近原则选择另外3个探测点，返回步骤B执 行，直到新的生命体空间位置满足判别准则为止，则该新的生命空间位置 即为最终的生命体空间位置。

该步骤E，具体包括：

子步骤E1：判断步骤D中所得的生命体空间位置A₁是否满足判别准 则，若满足，执行子步骤E2，若不满足，执行子步骤E3；

子步骤E2：将步骤D所得的生命体空间位置A₁作为最终的生命体空 间位置，方法结束；

子步骤E3：选择距离生命体空间位置A₁最近、并且对应的距离探测 值有效的探测点O_p，其中p∈{1，2，3，4}，保留其距离检测值R_p，并依据最 邻近原则选取另外3个探测点O_i、O_j、O_k，其中i，j，k∈{5，6，7，…N}， i≠j≠k≠p，组成4个探测点，返回步骤B执行，直到获得新的生命体 空间位置满足判别准则为止，将该新的生命空间位置作为最终的生命体空 间位置。

所述子步骤E1中，所述判别准则为：生命体空间位置对应的4个探 测点的检测值向量的元素全部有效，且该4个探测点离生命体空间位置最 近，并且包围生命体空间位置；

所述子步骤E3中，最邻近原则指在选取探测点时，O_i、O_j、O_k在O_p和 生命体空间位置A₁为斜边的矩形区域内连线方向上，距离O_p最近，且能与 O_p组成一个最小网格的探测点。

本实施例中，依据最邻近原则重新搜索探测点，直到4个探测点的检 测值向量的元素全部有效可并包围目标，且距离目标最近，得到最终生命 体空间位置，理想情况下，最终生命体空间位置与事先给定目标值重合， 如图6所示。

本实施例中，根据步骤A、B、C递进式搜索的过程如图7、8、9、10 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。图中“*”为探测点位置，“o”为生命体实际空间位置，“·” 为通过三球面定位探测所得生命体空间位置，较大的圆形和正方形表示误 差范围，当实际位置在探测位置的误差范围内时，认为结果是准确的。

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探测点的目标搜索与定 位方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式， 均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外， 上述对方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体方式，本领域普通 技术人员可对其进行简单地更改或替换，除非特别描述或必须依序发生的 步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或 重新安排；上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或 与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形 成更多的实施例。

综上所述，本发明克服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。