阅读说明：本技术 一种便携式单手持穿墙雷达目标检测装置及目标检测方法 (Portable single-hand-held through-wall radar target detection device and target detection method ) 是由 杨秀蔚 李向东 张琳 赵兴文 刘成业 葛兆斌 颜广 于 2020-03-17 设计创作，主要内容包括：本公开提出了一种便携式单手持穿墙雷达目标检测装置及目标检测方法,目标检测装置结构中设置基带板,集成数据的传输通路,大大减少了传输线的设置,同时,按照装置内部件的大小分别设置在TR组件的两侧,合理布设装置内的各个部件,实现减小体积的目的。同时基带板上集成发射通路和接收通路,可以实现提高目标信息的完整性。本公开的目标检测方法,通过结合距离向变换和多普勒向变化数据的处理,首先分析墙后是否存在人体目标,如果存在再判断目标处于运动状态或者静止状态,对于运动状态的目标,判断目标靠近雷达或者远离雷达,基于一发一收的穿墙雷达系统,对一维距离像上的不同目标均给出运动状态结果。(The utility model provides a portable one-hand wall radar target detection device and target detection method, set up the baseband board in the target detection device structure, the transmission path of integrated data has significantly reduced the setting of transmission line, simultaneously, sets up respectively in the both sides of TR subassembly according to the size of device inner part, rationally lays each part in the device, realizes the purpose that reduces the volume. Meanwhile, the transmitting access and the receiving access are integrated on the baseband board, so that the completeness of target information can be improved. According to the target detection method, by combining the distance direction transformation and the Doppler direction change data processing, whether a human body target exists behind a wall is analyzed, if the human body target exists, whether the target is in a moving state or a static state is judged, for the target in the moving state, whether the target is close to a radar or far away from the radar is judged, and based on a through-the-wall radar system with one transmitting and one receiving, moving state results are given to different targets on a one-dimensional distance image.)

一种便携式单手持穿墙雷达目标检测装置及目标检测方法

技术领域

本公开涉及穿墙雷达技术相关技术领域，具体的说，是涉及一种便携式单手持穿墙雷达目标检测装置及目标检测方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

基于微波技术的穿墙雷达具备实现复杂封闭建筑物环境下隐藏目标隔墙透视探测的能力，在军事巷战、丛林搜捕、公安反恐、人质解救和灾难搜救等军事及公共安全领域具有重要的应用价值。虽然现有的穿透定位技术很多，但是在周边复杂环境(如建筑物、建筑物掩体)情况下，穿墙雷达系统具有显著优势。与计算机视觉系统、红外热成像仪等穿透技术相比，穿墙雷达不受视觉条件、环境温度变化和天气变化等因素的影响，具有良好的穿透能力和目标分辨能力。

现有穿墙雷达的研究方向侧重于目标跟踪成像，尤其是高分辨成像领域，导致对系统硬件性能要求较高，系统复杂度增高，体积较大。针对穿墙雷达主要应用于突发情况的特点，具有小型化、便携式、快速响应的穿墙雷达系统也成为近年来的研究热点。

1996年穿墙雷达探测便在英国有开始研制，其中Cambridge Consultants公司就是其中的代表，它在手持式穿墙设备的研制中开始的较早，主要研究手持式设备在探测墙体后密闭房间中的运动目标的轨迹信息，该公司的经典产品是prism200。该产品可以很好地进行房间内的目标有无的识别，该产品中心频率是1.9GHz，带宽600MHz，距离分辨率较高，可以达到35cm，而且具有接近120°的探测角度，最远可以探测20m，对有无人估计准确，产品尺寸较大，重量较重，不利于便携式的灵活测量，并且测量结果单一，只有距离向的信息。小型化导致硬件系统简化，从而导致获取的目标信息不完整，因此在小型化需求的基础上增加目标运动信息量势在必行。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种便携式单手持穿墙雷达目标检测装置及目标检测方法，在小型化的基础上具备多目标识别，目标运动状态识别功能，具有更高的实用价值和参考价值。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种便携式单手持穿墙雷达目标检测装置，包括壳体和设置在壳体内的TR组件，设置在TR组件一侧的基带信号处理板、电池组和无线传输模块，以及设置在TR组件另一侧的壳体上的收发天线，所述基带信号处理板、TR组件以及收发天线依次连接，基带信号处理板连接无线传输模块；所述壳体外设置凹槽区，所述凹槽区内设置直线型把手，所述把手与壳体表面间隔设定的距离。

一个或多个实施例提供了一种便携式单手持穿墙雷达目标检测装置的目标检测方法，包括如下步骤：

获取回波数据：发射线性调频连续波信号，接收反射的回波信号；

对回波数据进行采样，对采样获得的数据进行距离向傅里叶变换和多普勒向傅里叶变换，并对变换后的数据进行预处理；

运动目标的判断：将对预处理后的数据进行距离向累加获得距离单元上的信号幅度，设定第二自适应阈值T2为所有距离单元上的信号幅度累加值的平均值，距离单元上的信号幅度有设定数量的连续数据点大于阈值T2，则存在运动人体目标，执行，下一步；否则不存在运动人体目标，输出检测结果；

运动目标的移动方向的判断：判断运动目标的位置，获得有运动目标的距离波门；提取存在运动目标的距离波门内距离向数据的最大值的位置，最大值的位置数据对应的多普勒向数据的频率为正，则判定目标正在远离雷达方向运动；否则，判定目标正在靠近雷达方向运动。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开的装置结构中设置基带板，集成数据的传输通路，大大减少了传输线的设置，同时，按照装置内部件的大小分别设置在TR组件的两侧，合理布设装置内的各个部件，实现减小体积的目的。同时基带板上集成发射通路和接收通路，可以实现提高目标信息的完整性。

(2)本公开的目标检测方法，涉及在有限距离下，超宽带穿墙雷达对墙后隐藏的目标进行检测。通过结合距离向变换和多普勒向变化数据的处理，首先分析墙后是否存在人体目标，如果存在再判断目标处于运动状态或者静止状态，对于运动状态的目标，判断目标靠近雷达或者远离雷达，对一维距离像上的不同目标均给出运动状态结果。基于一发一收的穿墙雷达系统，具有体积小、结构简单、执行效率高的特点，具有区分静止目标、运动目标，判断目标运动方向的功能。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是根据本公开实施例1的装置的结构框图；

图2是本公开实施例1的装置结构的正面视图；

图3是本公开实施例1的装置结构的背面视图；

图4是本公开实施例1的装置结构的侧视图；

图5是本公开实施例1的基带信号处理板的结构框图；

图6是本公开实施例1的T/R组件的结构框图；

图7是本公开实施例1的T/R组件的发射模块的结构框图；

图8是本公开实施例1的T/R组件的接收模块的结构框图；

图9是本公开实施例2的方法流程图；

图10是本公开实施例2的示例实测数据与阈值T1的比较结果；

图11是本公开实施例2的示例对预处理之后的数据进行波门划分的示意图；

图12是本公开实施例2的示例的第一识别结果图；

图13是本公开实施例2的示例的第二识别结果图；

其中：1、壳体，2、把手，3、竖向凹槽，4、电源开关，5、定位柱。

具体实施方式

：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1和2所示，一种便携式单手持穿墙雷达目标检测装置，包括壳体1和设置在壳体1内的TR组件，设置在TR组件一侧的基带信号处理板、电池组和无线传输模块，以及设置在TR组件另一侧的壳体1上的收发天线，所述基带信号处理板、TR组件以及收发天线依次连接，基带信号处理板连接无线传输模块；所述壳体1外设置凹槽区，所述凹槽区内设置直线型把手，所述把手与壳体1表面间隔设定的距离。

可选的，TR组件设置在壳体1内的中间位置，TR组件作为结构中比较大的部件，小部件设置在两侧填充，可以有效利用壳体1内的空间。

本实施例设置基带板，集成数据的传输通路，大大减少了传输线的设置，同时，按照装置内部件的大小分别设置在TR组件的两侧，合理布设装置内的各在个部件，实现减小体积的目的。

在一些实施例中，收发天线包括发射天线和接收天线。可以采用喇叭口天线或者套管天线等。

作为一种实现结构，如图5所示，基带信号处理板包括线路板以及设置在线路板上的依次连接的信号调理电路、A/D转换电路、FPGA器件以及控制器；所述信号调理电路连接TR组件接收数据，控制器通过FPGA器件连接TR组件发送发射信号的触发信号。

信号调理电路对输入信号的滤波、整形、降噪，使得处理后的信号满足ADC芯片对输入采样信号的要求，至少包括整形电路、放大电路和滤波电路，也可以选择模拟信号调理模块。

可选的，A/D转换电路将调理后的信号转换为离散的数字信号，用于数据处理，所述A/D转换电路，A/D转换电路的ADC芯片的型号为AD9260。

在一些实施例中，FPGA器件包括实现数字信号采样、并行传输及并行处理的门阵列，通过其内部设置的门阵列对数据进行并行处理实现数据的快速处理。

可选的，控制器ARM与无线传输模块连接，实现基带信号处理板设置的外设接口的控制，FPGA器件数据传输和处理方式的控制，以及实现结果显示；

进一步地，所述基带信号处理板上还设置有电源模块，所述电源模块与电池组连接，将电池组的电压转换为不同的电压大小的稳压电源，为装置供电。

T/R组件一端接天线，一端接基带信号处理板的信号处理模块构成一个无线收发系统。用于对信号进行放大、移相、衰减。

可实现的，T/R组件包括电源模块、发射模块、接收模块以及本振源模块。主要功能是产生S波段扫频信号并放大输出，同时对S波段的回波扫频信号进行混频、AGC处理。本振源模块产生线性扫频信号、时钟信号和触发信号，分别连接发射模块和接收模块，为发射模块提供信号源，接收模块用于接收回波信号，接收模块与基带信号处理板电连接。其信号的原理框图如图6所示。

本振源部分产生线性扫频信号、时钟信号和触发信号。电路包括依次连接的作为参考电路的晶振、第一锁相环(PLL1)、DDS电路、倍频锁相环(PLL2)电路和控制电路。

在一些实施例中，参考电路可以采用100MHZ温补晶振作为参考源，通过锁相环(PLL1)产生512MHz的参考信号作为DDS电路的参考信号，DDS电路输出50～100MHz的线性扫频信号，该信号通过锁相环(PLL2)倍频至4～8GHz，通过分频后得到2～4GHz的线性扫频信号。10MHz的时钟信号由内部参考分频得到，触发信号由FPGA电路产生。

可选的，如图7所示，发射模块包括依次连接的功率放大器、隔离器和滤波器，将扫频信号处理后输出，扫频信号先通过宽带中功率放大器件进行信号放大，再经宽带带线隔离器、介质滤波器输出。

可选的，如图8所示，接收模块包括依次连接的隔离器、低噪声放大器LNA、混频器、滤波器LPF和自动增益控制电路AGC。

将接收到的回波信号经低噪声放大器(LNA)放大，再通过混频器与本振信号(LO)进行混频并输出中频信号。中频信号通过滤波器滤波后，再经AGC放大输出。

电源模块连接电池组为TR组件的工作提供电源。

作为进一步的改进，还包括无线通信模块，所述无线通信模块与信号处理模块连接，无线传输模块可以为4G无线通信模块、ZigBee无线通信模块、LoRa无线通信模块、WiFi无线通信模块等。通过无线通信模块可以将采集到的数据传输至远端的上位机，实现对数据的实时处理。

作为一种可以实现的方式，如图2-4所示，设置收发天线的壳体1侧面为平面，该侧面的相对面的中间设置设定宽度的横向凹槽和竖向凹槽3，所述竖向凹槽内用于固定设置把手2，所述横向凹槽用于提供操作间隙，便于操作者实现手持。

可选的，所述把手2可以为橡胶把手。进一步地，所述橡胶把手两端可活动设置竖向凹槽内，在一些实施例中，所述橡胶把手两端设置卡扣，所述卡扣上设置滑块，所述竖向凹槽内上下两端分别设置滑轨，所述滑块与滑轨相匹配，在橡胶把手被拉动时，滑块在滑轨内移动。

在一些实施例中，所述设置把手的壳体1侧面设置电源开关4，所述电源开关4与电池组连接。

作为进一步的改进，所述设置收发天线的设置面上还设置有定位柱5，用于实现装置与墙体的间隔接触，保护壳体1表面以及设置的电线收到磕碰划伤。

使用时，雷达内部结构位于顶层的发射天线和接收天线靠近墙壁，中间是TR组件，底层分别分布基带信号处理板、电池组和无线传输模块。本实施例的手持穿墙雷达目标检测装置总体尺寸可以缩小至长26.5cm、宽12.5cm、厚度为15cm。

实施例2

本实施例提供一种基于实施例1所述的一种便携式单手持穿墙雷达目标检测装置的目标检测方法，如图9所示，包括如下步骤：

步骤1、获取回波数据：发射线性调频连续波信号，接收反射的回波信号；

步骤2、对回波数据进行采样，对采样获得的数据进行距离向傅里叶变换和多普勒向傅里叶变换，并对变换后的数据进行预处理；

步骤3、运动目标判断：将对预处理后的数据进行距离向累加获得距离单元上的信号幅度，设定第二自适应阈值T2为所有距离单元上的信号幅度累加值的平均值，距离单元上的信号幅度有设定数量的连续数据点大于阈值T2，则存在运动人体目标，执行，下一步；否则不存在运动人体目标，输出检测结果；

步骤4、运动目标的移动方向的判断：判断运动目标的位置，获得有运动目标的距离波门；提取存在运动目标的距离波门内距离向数据的最大值的位置，最大值的位置数据对应的多普勒向数据的频率为正，则判定目标正在远离雷达方向运动；否则，判定目标正在靠近雷达方向运动。

本实施例上述步骤中判断了是否存在运动目标，并对运动目标的运动方向进行了判断。

作为进一步的技术方案，还包括是否存在静止目标的判断的步骤，即步骤2之后无运动目标时，执行静止人体目标判断，包括如下步骤：

1)对预处理后的数据选取人体静止时的多普勒频率范围的多普勒向数据作为第一截取数据集；

2)将第一截取数据集在每个距离单元上进行距离向累加，获得每一距离单元上的信号幅度累加值；

3)设定第一自适应阈值T1为第一截取数据集所有距离单元上的信号幅度累加值的平均值，设定第一数量阈值X，有至少X个连续的距离单元上的信号幅度累加值大于阈值T1，则存在静止人体目标；否则，被测区域无静止目标存在。

本实施例中，步骤1中可以通过装置中发射线性调频连续波信号，接收天线接收回波信号发射天线。

步骤2中，对回波数据进行采样：射频模块对回波信号进行混频放大处理得到中频信号，采集卡每隔T秒采集一次中频信号，采样频率为fs，一次采集的数据点数可以通过公式1计算：

采集卡连续采集M次数据，M足够大，以保证足够的数据积累，采集卡采集的M组数据如公式(2)所述，对采集的数据进行距离向傅里叶变换和多普勒向傅里叶变换，并进行预处理。

其中，连续采集M次即为M组多普勒向数据，每次采集数据点数N个即为N个距离向数据，其中M是2的整数次幂。

根据距离向傅里叶变换获得的数据计算各个数据点对应的距离，根据多普勒向傅里叶变换获得的数据计算各个数据点对应的多普勒频率，具体的可以如下：

距离向傅里叶变换之后可以由公式(3)计算得到距离向上的第n个数据点所对应的距离Rn，多普勒向傅里叶变换之后由公式(4)计算得到多普勒向上的第m个数据点所对应的多普勒频率fvm，得到的结果如公式(5)所示。

其中，fs是采集模块的采样率，T为脉冲重复周期，B为脉冲带宽，c为光速。

采样频率如果运动人体目标位置位于(-1/2T，0)范围内，则代表目标正在靠近雷达方向运动；

如果运动人体目标位置位于(0，1/2T)范围内，则代表目标正在远离雷达方向运动。

预处理用于去除墙体影响、系统延迟等，处理方法为将数据点前移，去除或者减小墙体和系统的原因导致回波信号存在时间差。

(一)静止人体目标判断：

对预处理后的数据选取人体静止时的多普勒频率范围的多普勒向数据，将选取的数据进行距离单元进行距离向累加；其中人体静止时的多普勒频率范围为0.3～2Hz，采样间隔为Δt，0.3～2Hz的多普勒频率范围的区间为：[0.3/Δt，2/Δt]，对应Ai,j的下标j的范围，获得的数据如下：

其中，Nmin和Nmax分别是距离向的最小距离对应的数据点数和最大距离对应的数据点数，st是矩阵(2)数据中多普勒频率最接近的小于0.3Hz对应的数据组数，sp是矩阵(2)数据中多普勒频率最接近的大于2Hz对应的数据组数。

矩阵(6)每一行的数据为同一个距离单元上的数据。对矩阵(6)的距离向累加即矩阵(6)中每一行累加即得到每一距离单元上的信号幅度累加值，得到：

B_Nmin，B_Nmin+1，…，B_Nmax (7)

设定第一自适应阈值T1为所有距离单元上的信号幅度累加值的平均值，设定第一数量阈值X，有连续X个距离单元上的信号幅度大于阈值T1，则存在静止人体目标；否则，被测区域无静止目标存在。即为将矩阵4中的每一个数据与第一自适应阈值T1比较，如果所有距离单元上的信号幅度均小于阈值T1，则被测区域无静止目标存在，输出目标识别结果为无静止目标。

如图10所示，为本实施例的示例采用实施例1的装置采集数据后，实测数据与阈值T1的比较结果。判定为有静止目标的条件是有多个连续或者相邻的数据点的幅度大于阈值T1，而且相邻数据点的个数大于等于X个，则认为存在静止目标，否则认为不存在静止目标。例如，当将数据分别与阈值T1比较后，有个点大于阈值T1，但是这些点都是不相邻的，也不能判定为存在目标。

(二)运动目标的预判定：判定检测区域内是否存在运动目标。

步骤2采样后的M次采样数据获得M组数据，即从矩阵(2)中的数据截取第M-L+1组至M组，总共L组数据经过进行预处理后为：

式(8)中Nmin和Nmax分别是截取数据中距离向的最小距离对应的数据点数和最大距离对应的数据点数，同一距离单元上连续采集的L个数据，L是2的整数次幂，L＜M。

将截取L组数据在相同距离向位置即同一距离单元上的数据累加，获得每一距离单元上的信号幅度累加值，即矩阵(8)中的每一行累加得到式(9)：

C_Nmin，C_Nmin+1，…，C_Nmax (9)

设定第二自适应阈值T2为所有距离单元上的信号幅度累加值的平均值，阈值T2是在背景情况下对(9)式中的数据进行平均得到的，相邻数据点的信号幅度值均大于阈值T2，而且相邻数据点的个数大于等于Y个，则认为检测区域存在运动目标，确定运动目标的位置；否则，输出检测区域的目标识别结果为无运动目标。其中所述背景情况是指无任何目标时采集的数据。

(三)确定运动目标的位置：判断运动目标的位置，具体为：

41、将预处理之后的数据进行距离向等距离波门划分；

42、求取每个距离波门内的数据的距离向数据的平均值Di＇；

43、求取预处理之后的所有数据的距离向数据的总平均值A＇，根据总平均值A＇和波门的中心位置距离值，计算每个波门的阈值T2_Di；

44、如果距离波门内的距离向数据的平均值Di＇大于该距离波门的阈值T2_Di，则距离波门内有运动目标；否则，该距离波门内无运动目标；有运动目标的距离波门为运动目标的位置；

如图11所示，是对预处理之后的数据进行波门划分的示意图。阈值T2_Di是对整个数据A的距离向数据进行求平均值得到A＇，以经验值Δn等距离划分距离向波门[D1，D2...Di...]。

下面以第一个波门D1为例进行说明，确定第一个波门D1内是否有运动目标：

以第一个波门D1为例进行说明，如公式(10)所示，截取Δn个距离向数据，多普勒向的L次数据，求D1的平均值D1＇，波门D1中的距离向中心位置A_Nmin+Δn/2对应的距离值R_Nmin+Δn/2，加权因子由波门的中心位置距离值R_Nmin+Δn/2决定，波门D1的阈值计算公式如式(11)所示。

依照上述方法判断每一个距离波门内的数据，处理完所有距离波门的数据。获取运动目标的位置即位于哪一个距离波门内。

(四)确定运动目标的运动方向：提取存在运动目标的距离波门内距离向数据的最大值的位置，最大值的位置数据对应的多普勒向数据的频率为正，则判定目标正在远离雷达方向运动；否则，判定目标正在靠近雷达方向运动。

即如果最大值的位置位于(-fs/2，0)范围内，则代表目标正在靠近雷达方向运动；如果最大值的位置位于(0，fs/2)范围内，则代表目标正在远离雷达方向运动。

确定运动目标的运动方向，提取距离波门内距离向数据的最大值的位置，确定是在(-fs/2，0)范围内还是在(0，fs/2)范围内。如图12所示，圈起来标注位置是目标，在正值的多普勒频率范围内，所以此目标运动方向是远离雷达方向；如图13所示，圈起来的标注位置是目标，在负值的多普勒频率范围内，所以此目标运动方向是靠近雷达方向运动。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。