基于生命探測飛行器的超寬帶雷達(dá)多點(diǎn)分布式目標(biāo)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生命探測飛行器和雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于生命探測雷達(dá)多點(diǎn)分布式的目標(biāo)搜索與定位技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)如今抗震救災(zāi)越來越成為人們所關(guān)注的重點(diǎn)，而國內(nèi)外抗震救災(zāi)的手段局限性和缺點(diǎn)比較明顯，所以我設(shè)計發(fā)明了應(yīng)用于飛行器上的雷達(dá)技術(shù)，并對此技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，使用創(chuàng)新出來的超寬帶多點(diǎn)分布式探測技術(shù)使得飛行器準(zhǔn)確對目標(biāo)進(jìn)行定位。
[0003]應(yīng)用四旋翼飛行器、基于超寬帶窄脈沖雷達(dá)發(fā)射器的搜救機(jī)器人，具有四旋翼飛行器的高機(jī)動性和穩(wěn)定性，又具備超寬帶雷達(dá)的強(qiáng)大穿透能力，可以迅速并準(zhǔn)確地感知到目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，國內(nèi)外現(xiàn)有的生命救援雷達(dá)產(chǎn)品均采用發(fā)射與接收一體化設(shè)計，發(fā)射天線和接收天線的距離很近，難以檢測不同姿態(tài)的生命體，漏警率高，而且每次探測的區(qū)域有限。目前生命救援雷達(dá)只能提供被掩埋生命體的距離信息，無法確切定位，這就增加了救援的工作量，延誤救援進(jìn)度。
[0004]本課題研制的分布式雷達(dá)波生命探測器將發(fā)射天線和接收天線分離，采用分布式多點(diǎn)接收的方法，提高被掩埋生命體的檢測概率，增大探測區(qū)域，并提供生命體的確切位置信息，以便能夠及時有效地解救被困人員，并且能夠大大地減小救援的工作量，加快救援進(jìn)度。
[0005]多點(diǎn)分布式雷達(dá)波生命探測器能夠快速實(shí)現(xiàn)幸存者的搜索與定位，該技術(shù)在國內(nèi)尚屬空白。
[0006]超寬帶生命探測雷達(dá)系統(tǒng)基于一發(fā)一收天線對發(fā)射超寬帶短脈沖，接收來自生命體的微動信息，從而實(shí)現(xiàn)生命體定位的目的。國內(nèi)外現(xiàn)有的生命救援雷達(dá)產(chǎn)品均采用單發(fā)單收和或分布式設(shè)計。由于單發(fā)單收生命救援雷達(dá)只能提供被掩埋生命體的距離信息，無法確切定位，這就增加了救援的工作量，延誤救援進(jìn)度。而分布式生命救援雷達(dá)對硬件需求量較大，成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。因此需要設(shè)計發(fā)射天線和接收天線分離的雷達(dá)，采用多探測點(diǎn)搜索的方法，提高被掩埋生命體的檢測概率，增大探測區(qū)域，并提供生命體的確切位置信息，以便能夠及時有效地解救被困人員。
[0007]分布式多目標(biāo)探測可得到生命體的距離向、方位向信息，有利于目標(biāo)準(zhǔn)確定位，是超寬帶生命探測雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)，而現(xiàn)有技術(shù)中缺乏一種專門針對生命救援雷達(dá)的多探測點(diǎn)目標(biāo)搜索與定位技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于生命探測雷達(dá)多探測點(diǎn)的目標(biāo)搜索與定位方法。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于生命探測雷達(dá)多探測點(diǎn)的目標(biāo)搜索與定位方法，包括以下步驟:
[0010]步驟A:針對全部N個探測點(diǎn)0N，分別對第η個探測點(diǎn)0η處的生命探測雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行呼吸信號檢測處理，獲得該生命體與雷達(dá)之間的距離值&，其中，η = 1，2，3，……Ν ;
[0011]步驟Β，選擇 4 個探測點(diǎn)(^、02、03、04，將其位置(Xp Yi, z)、(x2，y2，z2)、(x3，y3,z3)、(x4，y4，z4)及對應(yīng)的距離檢測值&、“1?4，分別構(gòu)建生命探測雷達(dá)位置矩陣3 0^^，zn)和檢測值向量“私，1?4)模型；對上述檢測值向量模型進(jìn)行有效值情況判斷及分類，將有效值情況分為5類情況:4、3、2、1、0個探測點(diǎn)存在有效值的情況，根據(jù)多探測點(diǎn)判別準(zhǔn)貝1J，對檢測值向量模型分別應(yīng)用三球面定位法或三角形法則進(jìn)行求解；最終得到生命體空間位置A1;
[0012]當(dāng)有效值情況為4個探測點(diǎn)存在有效值時，每次從檢測值向量模型中選取3個探測點(diǎn)的檢測值數(shù)據(jù)，應(yīng)用三球面定位法進(jìn)行求解，若解存在，計算每個解的概率Pq，其中q < 4且q e N+，并取概率較大的解作為對應(yīng)這4個探測點(diǎn)的生命體空間位置A1;若解不存在，則通過三角形法則找出錯誤數(shù)據(jù)，將該錯誤數(shù)據(jù)在檢測值向量模型中置0，重新進(jìn)行有效值情況判斷；
[0013]當(dāng)有效值情況為3個探測點(diǎn)存在有效值時，若解存在，則解唯一，即對應(yīng)這4個探測點(diǎn)的生命體空間位置A1;若解不存在，則通過三角形法則找出錯誤數(shù)據(jù)，將該錯誤數(shù)據(jù)在檢測值向量模型中置0，重新進(jìn)行有效值情況判斷；
[0014]當(dāng)有效值情況為2個探測點(diǎn)存在有效值時，并不能得出生命體空間位置，根據(jù)三角形法則和最鄰近原則輸出檢測值向量模型，此時的檢測值向量為(Rs，Rt，0，0)或(Rs，0，0，0)，其中s，t = 1,2,3,4 ;再選擇出其他不同的兩個或3個探測點(diǎn)，重新構(gòu)建生命探測雷達(dá)位置矩陣S(xn，yn，zn)和檢測值向量(RpRpRpRf)模型，并對重新建立的檢測值向量模型進(jìn)行有效值情況判斷及分類；
[0015]當(dāng)有效值情況為1個探測點(diǎn)存在有效值時，輸出檢測值向量模型(Rs，0，0，0)，其中s= 1,2,3,4 ;再選擇出其他不同的3個探測點(diǎn)，重新構(gòu)建生命探測雷達(dá)位置矩陣S(xn，yn，zn)和檢測值向量(RpRpRpRf)模型，并對重新建立的檢測值向量模型進(jìn)行有效值情況判斷及分類，對檢測值向量模型分別應(yīng)用三球面定位法或三角形法則進(jìn)行求解；
[0016]當(dāng)有效值情況為0個探測點(diǎn)存在有效值時，重新選取其他不同的四個探測點(diǎn)，分別構(gòu)建生命探測雷達(dá)位置矩陣S(xn，yn，zn)和檢測值向量(&，R2，R3，R4)模型，并對上述檢測值向量模型進(jìn)行有效值情況判斷及分類，對檢測值向量模型分別應(yīng)用三球面定位法或三角形法則進(jìn)行求解；
[0017]通過步驟B最終得到生命體空間位置A1;
[0018]步驟C:根據(jù)步驟B中所得生命體空間位置仏，將仏作為新的探測點(diǎn)，依據(jù)最鄰近原則再選擇其他不同的3個探測點(diǎn)并結(jié)合所得&，重復(fù)進(jìn)行步驟B，得到生命體空間位置A2;
[0019]步驟D，重復(fù)步驟C，最終得到ApA2.。。。。Am，直到最終4個探測點(diǎn)都能夠定位并包圍當(dāng)次生命體空間位置AM，且距離當(dāng)次生命體空間位置AM最近，所得當(dāng)次生命體空間位置AM即為最終生命體空間位置。
[0020]所述步驟C具體方法:
[0021]步驟C1:根據(jù)步驟B中所得生命體空間位置仏，固定距離&并將Ai作為有效值的探測點(diǎn)Op，其中ρ = 1，2，3，4，保留其距離檢測值^，另外依據(jù)最鄰近原則選取3個探測點(diǎn)
O1、Oj、0k，其中i，j，k = 5,6,7,…N，i乒j乒k乒p，重復(fù)步驟B，獲得新的生命體空間位置A2;
[0022]或步驟C2:重復(fù)步驟C1，使用最鄰近原則搜索探測點(diǎn)并定位生命體目標(biāo)，獲得新的生命體空間位置A3、A4、k5-..Am，當(dāng)檢測值向量模型況，R2，R3，R4)無值情況為0時，且0P、Op Op 0k是離A M最近的4個有效探測點(diǎn)，且包圍A M，得到最終的生命體空間位置Am。
[0023]所述最鄰近原則指在選取探測點(diǎn)時，Op 0P 0k在以0 p和前一次定位所得生命體空間位置A?為對角線的矩形區(qū)域內(nèi)，且為距離0 p最近的探測點(diǎn)。
[0024]所述技術(shù)針對單目標(biāo)搜索與定位。基于搜救飛行器的強(qiáng)大機(jī)動性能，在飛行器上安置超寬帶生命探測雷達(dá)，利用多點(diǎn)分布式目標(biāo)定位方法，實(shí)現(xiàn)生命體的快速準(zhǔn)確定位。實(shí)驗(yàn)中將雷達(dá)置于飛行器云臺上，利用飛行器控制雷達(dá)在高空移動，根據(jù)多點(diǎn)分布式目標(biāo)判別準(zhǔn)則，應(yīng)用三球面法求解目標(biāo)位置信息。原先的一發(fā)一收模式下的距離探測結(jié)果將用于求解三元二次非齊次方程組，根據(jù)方程組所得結(jié)果選出最優(yōu)解，即得出生命體在三維空間中的位置信息。通過應(yīng)用相鄰判別法搜索探測點(diǎn)，使得雷達(dá)距離目標(biāo)位置最近且包圍目標(biāo)，提升生命體目標(biāo)定位的有效性和可靠性。
[0025]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明基于生命探測雷達(dá)多探測點(diǎn)的目標(biāo)搜索與定位技術(shù)具有以下有益效果:
[0026](1)在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中，考慮到成本問題，本發(fā)明從多個探測點(diǎn)中每次選取4個探測點(diǎn)放置雷達(dá)，并構(gòu)建生命探測雷達(dá)位置矩陣和檢測值向量模型；
[0027](2)由于收發(fā)一體的生命救援雷達(dá)漏警率高，本發(fā)明通過多探測點(diǎn)判別準(zhǔn)則對生命體位置進(jìn)行求解，并根據(jù)解的概率對生命體進(jìn)行初步定位；
[0028](3)由于生命救援雷達(dá)系統(tǒng)定位準(zhǔn)確性低，本發(fā)明通過最鄰近原則多次重新搜索探測點(diǎn)，提尚目標(biāo)最終定位的可靠性。
【附圖說明】
[0029]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于多探測點(diǎn)判別法則的流程圖。
[0030]圖2為本實(shí)施例中選定的4個探測點(diǎn)位置和生命體真實(shí)位置坐標(biāo)，黑點(diǎn)為生命體真實(shí)位置坐標(biāo)；
[0031 ] 圖3為本實(shí)施例中當(dāng)有效值情況為4時的探測結(jié)果；
[0032]圖4為本實(shí)施例中當(dāng)有效值情況為3時，若解存在，所得到的唯一解；
[0033]圖5為本實(shí)施例中應(yīng)用最鄰近原則不斷搜索出來的理想結(jié)果；
[0034]圖6為本實(shí)施例中應(yīng)用最鄰近原則的遞進(jìn)搜索過程第一步結(jié)果；
[0035]圖7為本實(shí)施例中應(yīng)用最鄰近原則的遞進(jìn)搜索過程第二步結(jié)果；
[0036]圖8為本實(shí)施例中應(yīng)用最鄰近原則的遞進(jìn)搜索過程第三步結(jié)果；
[0037]圖9為本實(shí)施例中應(yīng)用最鄰近原則的遞進(jìn)搜索過程第四步結(jié)果；
【具體實(shí)施方式】
[0038]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0039]本發(fā)明根據(jù)分布式判別準(zhǔn)則，應(yīng)用三球面法求解目標(biāo)位置信息。原先的一發(fā)一收模式下的距離探測結(jié)果將用于求解三元二次非齊次方程組，根據(jù)方程組所得結(jié)果選出最優(yōu)解，即得出生命體在三維空間中的位置信息。通過應(yīng)用最鄰近原則搜索探測點(diǎn)，使得雷達(dá)距離目標(biāo)位置最近且包圍目標(biāo)，提升生命體目標(biāo)定位的有效性和可靠性。
[0040]在本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例中，提供了一種基于生命探測雷達(dá)多探測點(diǎn)的目標(biāo)搜索與定位技術(shù)。圖1為根據(jù)本