一種多通道uwb生命探測(cè)雷達(dá)倒形天線陣列的設(shè)計(jì)與仿真

一種多通道uwb生命探測(cè)雷達(dá)倒形天線陣列的設(shè)計(jì)與仿真

1基于多通道超寬譜的生命探測(cè)雷達(dá)仿真生命勘探雷達(dá)是一種特殊的雷達(dá)，可以通過非介質(zhì)檢測(cè)人體生理指標(biāo)（呼吸、體動(dòng)等）。其對(duì)被測(cè)量對(duì)象無任何約束,不需連接接觸性電極、傳感器等,可隔一定的距離、穿透一定的介質(zhì)對(duì)人體進(jìn)行探測(cè),所以在民用、軍事等領(lǐng)域中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。目前的多通道超寬譜生命探測(cè)雷達(dá)只能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體目標(biāo)的距離、方位二維定位,而不能滿足當(dāng)下的應(yīng)用需求?；诙嗤ǖ莱瑢捵V雷達(dá)平臺(tái)對(duì)多目標(biāo)三維定位的仿真研究,將有助于擴(kuò)大生命探測(cè)雷達(dá)的探測(cè)范圍,提高探測(cè)效率,使得生命探測(cè)雷達(dá)更具有實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用潛力。本文提出了一種可對(duì)多人體目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和三維定位的天線陣列結(jié)構(gòu)—倒“T”形天線陣列,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,通過計(jì)算機(jī)仿真,驗(yàn)證了該天線陣列的生命探測(cè)雷達(dá)對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行三維定位的可行性和數(shù)學(xué)模型的正確性,并得出了相關(guān)結(jié)論。2天線陣列的三維定位原理根據(jù)文獻(xiàn),我們知道要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維定位,則天線陣列必須為平面陣或空間陣,考慮空間天線陣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和探測(cè)時(shí)的不便利性,我們采用平面陣列來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維定位。最簡(jiǎn)單的平面天線陣列為“L”形天線陣列,如圖1所示,為1個(gè)發(fā)射、3個(gè)接收天線組成的3通道天線陣列?！癓”形天線陣列只能實(shí)現(xiàn)單目標(biāo)的探測(cè)和三維定位,其對(duì)單目標(biāo)的三維定位原理如下:我們知道,對(duì)于某一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)來說,收發(fā)分離的2組天線(2個(gè)通道)確定2個(gè)橢球方程。而收發(fā)一體的天線確定1個(gè)球方程,聯(lián)立3個(gè)方程,得方程組(1):式中,;τ1為雷達(dá)波從發(fā)射天線一目標(biāo)一接收天線1所經(jīng)歷的時(shí)間;a2、b2同樣可以求得;R=為雷達(dá)波從發(fā)射天線一目標(biāo)一接收天線3所經(jīng)歷的時(shí)間;c為雷達(dá)波在均勻介質(zhì)中的傳播速度;D為從發(fā)射天線到接收天線的距離。解上述方程組便可以解得此目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。假定該天線陣列對(duì)于雙目標(biāo)(2個(gè)目標(biāo)分別用p和q表示)的探測(cè)仍然適用,如圖1所示,那么根據(jù)超寬譜雷達(dá)對(duì)探測(cè)目標(biāo)定位的橢球(球)面相交原理,每個(gè)通道的探測(cè)結(jié)果將會(huì)有這2個(gè)目標(biāo)各自的距離信息,因而每個(gè)通道可以列2個(gè)方程,那么3個(gè)通道相組合一共有2×2×2=8個(gè)三元二次方程。依次解上述方程得到的實(shí)數(shù)解便為目標(biāo)位置。2.2天線間距及以指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的偽影產(chǎn)生通過對(duì)大量的雙目標(biāo)數(shù)據(jù)采用“L”形天線陣列模型仿真我們發(fā)現(xiàn):除了能得到實(shí)際被探測(cè)的2個(gè)目標(biāo)點(diǎn)之外,還會(huì)得到其他多余的點(diǎn),我們將這些得到的多余的點(diǎn)稱作“偽影”(虛假目標(biāo)點(diǎn));并且偽影的產(chǎn)生與天線間距有關(guān),見表1。我們發(fā)現(xiàn):天線的間距決定橢球的長(zhǎng)短軸的大小,因而影響橢球的形狀,進(jìn)而決定橢球的相交時(shí)偽影的產(chǎn)生與否。總體來說,天線間距越大,越容易產(chǎn)生偽影。仔細(xì)研究空間橢球(球)面相交得到的投影我們不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)橢球之間的大小和距離合適時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖2所示的投影。假設(shè)圖中的黑點(diǎn)表示待探測(cè)的2個(gè)目標(biāo)。對(duì)于一個(gè)目標(biāo),通道1、2所確定的橢球相交會(huì)確定一條曲線。那么,2個(gè)目標(biāo)確定的2條曲線和通道3所確定的2個(gè)球相交便得到8個(gè)交點(diǎn),取天線陣列一側(cè)(另一側(cè)為天線陣后方)得到4個(gè)交點(diǎn),其中2個(gè)為目標(biāo)點(diǎn),另外2個(gè)為偽影。2.3倒“t”形天線陣列對(duì)個(gè)別目標(biāo)點(diǎn)的三維定位由于三通道“L”形天線陣列在進(jìn)行雙目標(biāo)的三維定位時(shí)會(huì)產(chǎn)生偽影,所以我們?cè)黾?個(gè)接收天線來區(qū)分目標(biāo)點(diǎn)和偽影,達(dá)到校驗(yàn)的目的。具體投影如圖3所示,增加一個(gè)通道后,偽影得到了消除,2個(gè)真實(shí)目標(biāo)被提取出來。增加1個(gè)通道后得到如圖4所示的四通道倒“T”形的天線陣列。這種天線陣列由1個(gè)發(fā)射天線和4個(gè)接收天線組成(發(fā)射天線用“0”標(biāo)注,接收天線分別用數(shù)字“1、2、3、4”來區(qū)分),發(fā)射天線和每個(gè)接收天線組成1個(gè)通道,共4個(gè)通道。將天線陣列放在空間直角坐標(biāo)系中,發(fā)射天線位于空間坐標(biāo)系的原點(diǎn),“1、2、3”等3個(gè)接收天線位于坐標(biāo)軸上且與坐標(biāo)系原點(diǎn)距離相等。發(fā)射天線和“4”號(hào)接收天線組成的收發(fā)一體天線距離較近,可以近似認(rèn)為同處于原點(diǎn)位置。由于是對(duì)2個(gè)目標(biāo)定位,所以將通道1、2、3所確定的橢球(球)方程組成2×2×2=8個(gè)三元二次方程組,將上述方程組得到的實(shí)數(shù)解代入通道4所確定的2個(gè)球面方程,滿足球面方程的實(shí)數(shù)解則為被探測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo),不滿足的則為偽影。由此,三維空間中任意位置的雙目標(biāo)三維定位便可以實(shí)現(xiàn)。倒“T”形天線陣列對(duì)某個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的三維定位是通過下列聯(lián)立方程組(2)求解完成的:由于a1、b1、a2、b2、a3、b3以及D都可以確定為雷達(dá)波從發(fā)射天線一目標(biāo)一接收天線4所經(jīng)歷的時(shí)間,解上述方程組便可以解得目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。我們采用四通道倒“T”形天線陣列對(duì)大量的雙目標(biāo)(目標(biāo)位置隨機(jī))數(shù)據(jù)進(jìn)行了定位仿真實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在一定探測(cè)范圍內(nèi),該天線陣列結(jié)構(gòu)對(duì)雙目標(biāo)定位的正確率可以達(dá)到95%。圖5為倒“T”形天線陣列對(duì)一組雙目標(biāo)數(shù)據(jù)的定位結(jié)果,共4組實(shí)數(shù)解,其中(6,-12,-6)和(5,-12,-5)2解為天線面陣后方的目標(biāo)點(diǎn)(即天線面陣后方的點(diǎn)),予以舍去。通過對(duì)大量數(shù)據(jù)的仿真,我們發(fā)現(xiàn)四通道倒“T”形天線陣列能夠消除“L”形天線陣列對(duì)雙目標(biāo)定位時(shí)產(chǎn)生的偽影,從而實(shí)現(xiàn)雙目標(biāo)的準(zhǔn)確三維定位。3正確探測(cè)和定位三目標(biāo)三維定位也采用四通道倒“T”形天線陣列,每個(gè)通道的探測(cè)結(jié)果都分別含有3個(gè)目標(biāo)的距離信息,因而每個(gè)通道能夠列寫3個(gè)方程,那么由通道1、2、3可確定3×3×3=27個(gè)三元二次方程。依次解上述方程,將所有實(shí)數(shù)解代入通道4所確定的3個(gè)球面方程,滿足球面方程的實(shí)數(shù)解即為被探測(cè)目標(biāo)位置,不滿足的則為偽影,由此實(shí)現(xiàn)三目標(biāo)的正確探測(cè)和三維定位。在對(duì)大樣本量的多目標(biāo)(雙目標(biāo)和三目標(biāo))的三維定位仿真實(shí)驗(yàn)中,我們發(fā)現(xiàn):目標(biāo)正確探測(cè)范圍與天線間距及運(yùn)算中采用的有效數(shù)據(jù)位數(shù)這2個(gè)因素有關(guān)。這里目標(biāo)正確探測(cè)范圍定義為:假設(shè)這個(gè)范圍為nm,則表示對(duì)于目標(biāo)數(shù)小于等于3,且處于x軸的(-n,n)m,y軸的(0,n)m,z軸的(-n,n)m空間范圍內(nèi)的多目標(biāo),該天線陣列及相關(guān)方法均能正確探測(cè)并給出各目標(biāo)的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。通過大量的數(shù)據(jù)仿真,得出了表2所示的正確探測(cè)范圍與天線間距、數(shù)據(jù)有效位數(shù)之間的關(guān)系。從表2我們可以看出:當(dāng)天線間距選擇1.0m(倒“T”形天線陣展開則有2m寬,1m高),數(shù)據(jù)有效位數(shù)選擇5位(選擇6為有效位數(shù)時(shí),現(xiàn)有計(jì)算機(jī)所需運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng))時(shí),四通道倒“T”形天線陣列可以對(duì)單、雙、三目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確三維定位,正確探測(cè)范圍為17m,滿足現(xiàn)有的探測(cè)需求,其能力也超過了目前生命探測(cè)雷達(dá)前端硬件所能達(dá)到的探測(cè)能力。4線陣列的發(fā)展對(duì)于多目標(biāo)三維定位的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義通過仿真大量數(shù)據(jù),我們得出以下結(jié)論:三通道“L”形天線陣列可以對(duì)單目標(biāo)進(jìn)行三維定位,對(duì)雙目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)會(huì)出現(xiàn)偽影;四通道倒“T”形天線陣列能夠?qū)崿F(xiàn)雙目標(biāo)和三目標(biāo)的三維定位并且不會(huì)出現(xiàn)偽影。目前,我們?cè)诶走_(dá)式生命探測(cè)領(lǐng)域還未見對(duì)于多目標(biāo)三維定位的相關(guān)報(bào)道,本