一種基于分布式生命探測目標定位和判定方法

陳超，吳世有

（1.中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京，100041；2.中國科學院電子學研究所，北京，100190）

0 引言

本文介紹了一種基于分布式生命探測目標定位和判定方法。將一臺PDA與多臺生命探測雷達組建成一個無線局域網實現分布式生命探測。PDA作為主機，雷達作為客戶機。主機實時接收各個客戶機上傳的回波數據，并從回波數據中提取出各個客戶機檢測到的人體呼吸頻率信息和目標距離向位置信息。該方法利用各個客戶機檢測到的人體目標距離向位置信息進行處理以獲得人體目標三維位置信息，實現對目標定位。

1 分布式生命探測雷達目標定位原理

生命體三維位置信息提取方法分為相干和非相干兩種。相干方法基于相干成像原理對三維空間中生命體進行成像，獲取目標位置信息。非相干方法基于空間幾何原理對生命體進行三球面定位，即假定每臺雷達收發天線對中心為空間球體球心，對應探測距離為空間球體半徑，求解至少三個球面方程組獲得生命體在空間中三維位置信息。

相干成像需對三維空間劃分網格，探測空間越大以及網格劃分越小，需要運算時間越長，相干成像效率越低，不能滿足實際中快速有效探測要求。相比于相干成像，非相干方法求解速度快，可快速給出生命體三維位置信息。假定有三臺及以上生命探測雷達，則球面方程組可表示為：

式中(xn, yn, zn)為第n臺雷達收發天線對中心位置，Rn為其對應探測距離。對于三元二次方程組，三個方程即可實現方程組求解，結果即為三維空間中人體目標的位置信息，其余 3n? 個球面方程可用于驗證方程組求解是否正確。

2 分布式生命探測信息判定

本部分給出了一種分布式生命探測信息判定方法，用于獲得目標可能存在區域S，流程如圖1所示。

設使用n臺生命探測雷達進行分布式生命探測，第i臺雷達坐標為(xi, yi, zi)，第i臺雷達探測到目標距離為 ri，第i臺雷達到目標實際距離為 di，其中 i = 1 ,2,...,n。若第i臺雷達探測到目標，則有 ri＞ 0 ；若第i臺雷達未探測到目標，則默認ri=∞。給定一個較小的距離誤差ε，當|ri?di|＜ε時，認為第i臺雷達探測距離有效 ；當 ε ≤| ri? di|＜ ∞ 時，認為第i臺雷達探測距離無效。假設目標坐標為(xt, yt, zt)，當不存在目標時，則默認

首先，根據雷達探測到目標距離 ri，確定這n臺生命探測雷達中探測到目標雷達個數N。若 N = 0 ，則所有雷達都沒有發現目標，認為目標不存在，目標可能存在區域S為?；若0＜N≤2，則有一臺或兩臺雷達發現目標，無法對目標進行定位，根據 rm=min{r1,r2, ...,rn}，認為目標位于距其較近的第m臺雷達正下方圓形區域S，S ={(x,y,z) |((x ? x )2+ ( y ? y )2) ≤ Δ R2,z = ? r }；當 N≥3 m m m時，則至少有三臺雷達發現目標，從這N個距離探測結果中任意取出3個用于計算目標坐標(ak, bk, ck)，k = 1 ,2,...,M 。可知M最大為 CN= N × ( N ? 1 )× ( N ? 2 )/6，M最小為0。3若 M ＞ 0 ，先求出包含所有(ak, bk, ck)最小圓形區域 S1，設S1={(x,y,z) |((x ? a )2+(y ? b )2) ≤ R2,z = ∑ ck/ M }， 其 中(a,b,∑ ck/ M )為S1圓心，R為S1半徑，認為目標位于以(a,b,∑ ck/ M )為圓心，R+ΔR為半徑圓形區域S內，即S ={(x,y,z) |((x ? a )2+(y ? b )2) ≤ ( R + Δ R )2,z = ∑ ck/ M }；若 M = 0 ，即用這N個距離探測結果無法對目標進行定位，根據 rm=min{r1,r2, ...,rn}，認為目標位于第m臺雷達正下方圓形區域 S ={(x,y,z) | ((x ? xm)2+ ( y ? ym)2)≤ ΔR2,z = ? rm}。

設用本文給出的分布式生命探測信息定位和判定方法得到目標可能存在區域S。若S為?，則認為目標不存在；當S非?且(xt, yt, zt)∈S時，認為分布式生命探測定位正確；當S非?且(xt, yt, zt)?S時，認為分布式生命探測定位錯誤。

3 實驗結果與分析

為驗證提出的分布式生命探測目標定位和判定方法的有效性，進行了多組實驗。如圖2所示，四臺生命探測雷達在混凝土樓板表面呈矩形分布，下方平躺一名被測人員。

圖2 實驗場景

建立兩個坐標系，一個記為實驗坐標系 O -XYZ，另一個記為處理坐標系。實驗坐標系到處理坐標系變換如下：

在實驗坐標系下，四臺雷達位置坐標分別為A(-1.0,1.985,0)，B(1.5,1.985,0)，C(-1.0,0.515,0) 和D(1.5,0.515,0) 。

在處理坐標系下，四臺雷達位置坐標分別為A’(-1.25,0.735,0)，B’ (1.25,0.735,0)，C’ (-1.25,-0.735,0)和 D’ (1.25,-0.735,0)。

實驗一：目標在實驗坐標系下坐標為 (-1,1,-3)，在處理坐標系下坐標為(-1.25,-0.25,-3)，四臺雷達距離探測結果為3.2m(3.157m),3.9m(4.027m),2.9m(3.039m),4.0m(3.935m)。

實驗二：目標在實驗坐標系下坐標為(-1,1,-3)，在處理坐標系下坐標為(-1.25,-0.25,-3)，四臺雷達距離探測結果為3.2m(3.157m),4.6m(4.027m),2.9m(3.039m),4.0m(3.935m)。

實驗三：目標在實驗坐標系下坐標為(1.5,1,-3)，在處理坐標系下坐標為(1.25,-0.25,-3)，四臺雷達距離探測結果為4.6m(4.027m),3.5m(3.158m),3.9m(3.935m),3.0m(3.039m)。

實驗四：目標在實驗坐標系下坐標為 (-3,1,-3)，在處理坐標(-3.25,-0.25,-3)，四臺雷達距離探測結果為3.7m(3.738m),∞ (5.497m),3.6m(3.638m),3.1m(5.430m)。

圖3 實驗結果1

圖4 實驗結果2

圖5 實驗結果3

圖6 實驗結果4

為方便對比，括號內給出了目標實際距離值。如圖3至圖6所示，其中四個黑色星形標志為四臺雷達位置，綠色正方形標志為利用三臺雷達探測結果解出的目標一個可能位置，紅色十字形標志為目標真實位置。實線圓所圍區域為S。實驗一和實驗二中，至少三個結果有效，能夠對目標正確定位；在實驗三和實驗四中，至多兩個結果有效，無法對目標正確定位；由上述實驗結果可知，當n臺分布式生命探測雷達至少有三臺雷達的距離探測結果有效時，可以正確對目標進行定位。

4 結論

本文介紹了一種基于分布式生命探測目標定位和判定方法，根據空間幾何原理，利用雷達距離探測結果求解目標可能的坐標位置，基于目標可能的坐標位置，該方法給出了目標可能存在的區域，提高了人體目標定位成功率。實驗結果表明，至少三臺生命探測雷達有效探測到人體目標時，該方法能正確對生命體進行定位。