雷达穿墙探测对象的方法、雷达探测设备及电子装置

技术领域

本申请涉及雷达探测技术领域，特别是涉及一种雷达穿墙探测对象的方法、雷达探测设备、电子装置及计算机可读存储介质。

背景技术

室内救援是火灾救援中的一种场景，其通过防火、灭火等设备对被火灾围困在封闭空间内人员中展开营救。其救援的难点在于，消防官兵无法透过不透光墙体获取室内环境信息及被困人员信息；同时火场温度较高，消防官兵也无法长时间携带设备进行作业。

目前，人们研发出了采用穿墙雷达进行室内救援的方案。穿墙雷达是一种采用特定频率电磁波，对墙体、树木、草丛和烟雾等非透明介质障碍物进行穿透探测的搜救设备，可实现对障碍物后隐蔽人体的探测、定位、跟踪和识别。可穿透的墙体类型包括木板墙、石板墙、粘土砖墙、煤渣墙、混凝土墙、钢筋稀疏分布的混凝土墙等。

专利1提出了一种基于嵌入式架构的多通道高分辨穿墙雷达成像系统，其针对外场环境下多目标多通道信息采集的高分辨目标成像研究，通过多通道数据采集模块增加了预处理成像数据量并减小整体误差，再利用ARM架构下的Cortex-M4内核进行数据处理和高分辨目标成像。通过使用通用处理器STM32-F4内核作为运行载体，联合基于ARM架构的Cortex-M4内核进行数据处理，得到基于ARM硬件架构的信号处理系统，最终实现具有多通道、高分辨、高速数据处理传输和存储功能的穿墙雷达成像系统。

专利1存在的缺点为：多目标多通道信息采集需要通过多天线实现，会增加一些成本和设备体积；同时多通道高分辨穿墙雷达成像系统需消防官兵手持使用，难以在燃烧的火场周边长时间作业。

专利2提出了一种基于贝叶斯压缩感知的多径利用穿墙雷达成像方法，其采用单站单收发天线频率步进雷达系统在平行于墙面多个位置发射脉冲串并获取回波信号，通过随机测量矩阵对回波信号进行压缩采样获得相对少量的测量信号，然后联合依据墙体多径反射特性设计好的字典构建压缩感知模型，使用贝叶斯压缩感知方法将墙后场景信息从测量信号中重构出来，最后利用重构出的信息完成穿墙雷达成像。

专利2存在的缺点为：人为测定的多个收发测量点位容易产生相对位置的误差；同时多通道高分辨穿墙雷达成像系统需消防官兵手持使用，难以在燃烧的火场周边长时间作业。

专利3提出了一种基于窄带系统的自适应穿墙成像方法，其利用窄带系统沿多个角度扫描感兴趣的区域；然后用Radon逆变换快速重构图像；最后通过自适应图像优化算法对初始图像进行优化，得到二值化的区域重构图像。

专利3存在的缺点为：多角度扫描需要在房间的各个位置进行作业，在火场中有的墙壁位置无法到达，会对成像结果产生一定偏差。

目前，针对相关技术中采用雷达探测火场中被墙体阻隔的目标物时准确度低的问题，尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种雷达穿墙探测对象的方法、雷达探测设备、电子装置及计算机可读存储介质，以至少解决相关技术中采用雷达探测火场中被墙体阻隔的目标物时准确度低的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种雷达穿墙探测对象的方法，应用于具有移动性的雷达探测器，包括：

使用所述雷达探测器在墙体一侧的不同位置探测墙体另一侧的静止对象，获得与每个位置对应的探测结果；其中，与每个位置对应的探测结果均包括：所述雷达探测器发射的电磁波通过不同的传播路径探测所述静止对象的电磁波传输时间和接收电磁波强度；

建立在每个位置下用于表示不同的传播路径的长度、电磁波传播时间和电磁波传播速度之间的第一关系，以及建立用于表示在不同的传播路径上获得的接收电磁波强度、传播时间和传播速度之间的第二关系，其中，墙体中的电磁波传播速度与墙体的电解质系数相关，所述电磁波传播时间与电磁波在空气中的传播速度、电磁波在墙体中的传播速度、电磁波墙体厚度、电磁波在墙体中的绝对折射率、电磁波在空气中的绝对折射率以及电磁波的发射角度相关；

根据所述第一关系和所述第二关系，确定所述静止对象的位置。

在其中一些实施例中，所述不同的传播路径包括：

自所述雷达探测器的发射器开始，经墙体折射、静止对象反射和墙体折射后到达所述雷达探测器的接收器的第一传播路径；

自所述雷达探测器的发射器开始，经墙体折射、静止对象反射、墙体反射和墙体折射后到达所述雷达探测器的接收器的第二传播路径；

自所述雷达探测器的发射器开始，经墙体折射、墙体反射、静止对象反射和墙体折射后到达所述雷达探测器的接收器的第三传播路径；

自所述雷达探测器的发射器开始，经墙体折射、墙体反射、静止对象反射、墙体反射和墙体折射后到达所述雷达探测器的接收器的第四传播路径。

在其中一些实施例中，墙体一侧的所述不同位置之间的连线与所述墙体平行。

在其中一些实施例中，使用所述雷达探测器在墙体一侧的不同位置探测墙体另一侧的静止对象，获得与每个位置对应的探测结果包括：

使用所述雷达探测器在墙体一侧的不同位置探测墙体另一侧的静止对象，获得与每个位置对应的预选探测结果；

将所述预选探测结果按照电磁波强度由大到小排列后，选取排在第2至5位电磁波强度所对应的预选探测结果作为所述探测结果。

在其中一些实施例中，所述方法还包括：

根据所述第一关系和所述第二关系，确定墙体的厚度和/或墙体的电解质系数。

在其中一些实施例中，墙体的厚度根据下列公式确定：

其中，d

第二方面，本申请实施例提供了一种雷达探测设备，所述雷达探测设备包括：移动装置、雷达探测器和运算装置，其中，所述雷达探测器设置在所述移动装置上，所述运算装置分别与所述雷达探测器和所述移动装置通讯连接，所述运算装置用于执行上述第一方面所述的方法。

在其中一些实施例中，所述雷达探测器为单发单收雷达探测器。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述第一方面所述的方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述第一方面所述的方法。

相比于相关技术，本申请实施例提供的雷达穿墙探测对象的方法、雷达探测设备、电子装置及计算机可读存储介质，通过使用雷达探测器在墙体一侧的不同位置探测墙体另一侧的静止对象，获得与每个位置对应的探测结果；其中，与每个位置对应的探测结果均包括：雷达探测器发射的电磁波通过不同的传播路径探测静止对象的电磁波传输时间和接收电磁波强度；建立在每个位置下用于表示不同的传播路径的长度、电磁波传播时间和电磁波传播速度之间的第一关系，以及建立用于表示在不同的传播路径上获得的接收电磁波强度、传播时间和传播速度之间的第二关系，其中，墙体中的电磁波传播速度与墙体的电解质系数相关，电磁波传播时间与电磁波在空气中的传播速度、电磁波在墙体中的传播速度、电磁波墙体厚度、电磁波在墙体中的绝对折射率、电磁波在空气中的绝对折射率以及电磁波的发射角度相关；根据第一关系和第二关系，确定静止对象的位置，解决了相关技术中采用雷达探测火场中被墙体阻隔的目标物时准确度低的问题，提升了采用雷达探测火场中被墙体阻隔的目标物的准确度。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的雷达穿墙探测对象的方法的车载终端的硬件结构框图；

图2是根据本申请实施例的雷达穿墙探测对象的方法的流程图；

图3是根据本申请实施例的电磁波的传播路径原理图；

图4是根据本申请实施例的接收器所接收到的电磁波信号的示意图；

图5是根据本申请实施例的雷达穿墙探测对象的方法的原理图；

图6是根据本申请实施例的雷达探测设备的结构示意图；

图7是根据本申请实施例的雷达探测器的结构示意图。

附图标记说明：

301、墙体；302、静止对象；601、移动装置；602、雷达探测器；603、运算装置；604、双目摄像机；605、声光报警灯；606、无线通信模块；701、外壳；702、把手；703、显示屏；704、通信灯；705、故障灯；706、连接插孔；O1、第一椭圆曲线；O2、第二椭圆曲线；T、发射器；R、接收器；T1、在第一探测周期下在第一位置探测的发射器；R1、在第一探测周期下在第一位置探测的接收器；T2、在第二探测周期下在第二位置探测的发射器；R2、在第二探测周期下在第二位置探测的接收器。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本实施例提供的方法实施例可以在终端、计算机或者类似的电子装置中执行，尤其是运行在车载终端设备上。以运行在车载终端上为例，图1是根据本申请实施例的雷达穿墙探测对象的方法的车载终端的硬件结构框图。如图1所示，车载终端可以包括一个或多个(图1中仅示出一个)处理器102(处理器102可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置)和用于存储数据的存储器104。

可选地，上述车载终端还可以包括用于通信功能的传输设备106以及输入输出设备108。其中，输入输出设备108包括但不限于以下至少之一：用于采集点云的摄像头和/或激光雷达；用于显示火场信息的显示器；用于输入操作指令的键盘、触摸板和/或鼠标；用于发出声光报警的报警器等。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述车载终端的结构造成限定。例如，车载终端还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。

存储器104可用于存储计算机程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如本发明实施例中的车载终端的测试方法对应的计算机程序，处理器102通过运行存储在存储器104内的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至车载终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

传输设备106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括车载终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输设备106包括一个网络适配器(Network Interface Controller，简称为NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备106可以为射频(Radio Frequency，简称为RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

本实施例提供了一种雷达穿墙探测对象的方法，应用于具有移动性的雷达探测器。图2是根据本申请实施例的雷达穿墙探测对象的方法的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S201，使用雷达探测器在墙体一侧的不同位置探测墙体另一侧的静止对象，获得与每个位置对应的探测结果；其中，与每个位置对应的探测结果均包括：雷达探测器发射的电磁波通过不同的传播路径探测静止对象的电磁波传输时间和接收电磁波强度。

其中，本实施例采用同一个雷达探测器在多个探测周期内分别在墙体一侧的不同位置进行探测，得到对应于有每个位置的探测结果。例如，雷达探测器在第一探测周期内，以扫射的形式向墙体发射不同发射角度的电磁波，电磁波在遇到介质时会被折射或者反射，当电磁波遇到墙体、空气、静止对象的其中一种或者多种介质之后，会形成不同的传播路径，且会有部分电磁波返回至接收器中。当采用雷达探测器在墙体的其中一个侧位置进行探测时，通过获取发射器发射电磁波的时间和接收器接收电磁波的时间，可以得到电磁波通过不同的传播路径探测静止对象的电磁波传输时间，通过检测根据不同电磁波传输时间接收到的电磁波信号，可以得到对应于不同传播路径的电磁波强度。

步骤S202，建立在每个位置下用于表示不同的传播路径的长度、电磁波传播时间和电磁波传播速度之间的第一关系，以及建立用于表示在不同的传播路径上获得的接收电磁波强度、传播时间和传播速度之间的第二关系，其中，墙体中的电磁波传播速度与墙体的电解质系数相关，电磁波传播时间与电磁波在空气中的传播速度、电磁波在墙体中的传播速度、电磁波墙体厚度、电磁波在墙体中的绝对折射率、电磁波在空气中的绝对折射率以及电磁波的发射角度相关。

图3是根据本申请实施例的电磁波的传播路径原理图，如图3所示，火场中有一墙体301，墙体301所包围的空间中有空气和静止对象302，T为雷达探器的发射器，R为雷达探测器的接收器。雷达探测器的发射器T向墙体301以扫射形式发射电磁波，例如，电磁波的发射角度分别为θ

电磁波经墙体301和静止对象302的折射和/或反射的作用，将形成不同的传播路径。上述实施例描述了自雷达探测器的发射器T开始，经墙体301折射、静止对象302反射和墙体301折射后到达雷达探测器的接收器R的第一传播路径，例如，电磁波从发射器T发射出去之后，依次经过路径l

自雷达探测器的发射器T开始，经墙体301折射、静止对象302反射、墙体301反射和墙体301折射后到达雷达探测器的接收器R的第二传播路径，例如，电磁波从发射器T发射出去之后，依次经过路径l

自雷达探测器的发射器T开始，经墙体301折射、墙体301反射、静止对象302反射和墙体301折射后到达雷达探测器的接收器R的第三传播路径，例如，电磁波从发射器T发射出去之后，依次经过路径l

自雷达探测器的发射器T开始，经墙体301折射、墙体301反射、静止对象302反射、墙体301反射和墙体301折射后到达雷达探测器的接收器R的第四传播路径，例如，电磁波从发射器T发射出去之后，依次经过路径l

在步骤S201中，使用雷达探测器在墙体301一侧的不同位置探测墙体301另一侧的静止对象302，获得与每个位置对应的探测结果包括如下步骤：

使用雷达探测器在墙体301一侧的不同位置探测墙体301另一侧的静止对象302，获得与每个位置对应的预选探测结果；将预选探测结果按照电磁波强度由大到小排列后，选取排在第2至5位电磁波强度所对应的预选探测结果作为探测结果。

图4是根据本申请实施例的接收器所接收到的电磁波信号的示意图，如图4所示，其中，f

考虑到f

在对接收电磁波信号进行预处理后，建立如下所示的第一关系：

该第一关系即为电磁波的回波模型，其中，t

由于雷达探测器发射的电磁波在穿过墙体301时和在空气中传播的速度不同，因此可将第一关系转换成建立在每个电磁波传播路径的长度、电磁波在墙体301301中的传播速度v和电磁波在空气中的传播速度c之间的关系。示例性地，以下为对应于第一传播路径的第一关系的展开式：

为了更加直观分析和求解第一传播路径，将第一传播路径的第一关系按照如下公式展开：

其中，d

同理，对应于第二传播路径至第四传播路径的第一关系，均可按照和第一传播路径相近的原理进行展开。以下为第一传播路径至第四传播路径的第三关系的展开式：

其中，θ

电磁波在传播过程中所遇到的介质有墙体301和空气两种介质，在第三关系的展开式中，墙体301和空气之间的相对折射率根据如下公式确定：

n

其中，n

根据在不同的传播路径上获得的接收电磁波强度、传播时间和传播速度，建立如下所示的第二关系：

L

其中，L

步骤S203，根据第一关系和第二关系，确定静止对象302的位置。

在第一关系和第二关系中，d

在上述步骤中，由于电磁波在传播过程中所遇到的介质有墙体301和空气两种介质，如果不考虑回波模型中存在变介质特征，则会导致探测结果不准确，本实施例建立了基于目标回波和多径回波的电磁波穿墙回传模型，并考虑到回波模型中存在变介质特征，采用动态焦点椭圆方程来消除电磁波转换介质引入的系统误差，提高了定位精度和准确性。通过上述步骤S201至S203，解决了相关技术中采用雷达探测火场中被墙体301阻隔的目标物时准确度低的问题，提升了采用雷达探测火场中被墙体301阻隔的目标物的准确度。

在一些实施例中，墙体301一侧的不同位置之间的连线与墙体301平行。如此设置，以便于根据不同位置获取得到的探测结果得到动态焦点椭圆方程，来消除电磁波转换介质引入的系统误差的方法。

在一些实施例中，还可以根据第一关系和第二关系，确定墙体301的厚度和/或墙体301的电解质系数。

墙体301的厚度根据下列公式确定：

通过上述方法，可以利用多个探测周期采集的电磁波信号，测定电磁波穿透墙体301的厚度和/或电解质系数，为消防破拆救援指挥提供实时可靠的判断数据。

结合上述实施例的雷达穿墙探测对象的方法，本实施例还提供了一种雷达探测设备，图6是根据本申请实施例的雷达探测设备的结构示意图，如图6所示，该设备包括：移动装置601、雷达探测器602和运算装置603，其中，雷达探测器602设置在移动装置601上，运算装置603分别与雷达探测器602和移动装置601通讯连接，运算装置603用于执行上述实施例的雷达穿墙探测对象的方法。

本实施例针对火场中因火焰阻断房间通道，导致难以直接检测到房间内的人员信息的问题，提出了一种可穿墙侦测的雷达探测设备，实现了消防官兵安全距离下操控雷达探测设备对火灾中围困房间内的人员信息进行侦察定位，提高了侦察效率，降低了消防官兵救援风险；同时，利用运算装置603执行上述实施例的雷达穿墙探测对象的方法，建立了基于目标回波和多径回波的电磁波穿墙回传模型，提高了室内定位精度。

为了节省设备体积和降低设备成本，在一些实施例中，雷达探测器602为单发单收雷达探测器。

图7是根据本申请实施例的雷达探测器的结构示意图，如图7所示，雷达探测器602包括外壳701、把手702、显示屏703、通信灯704、故障灯705以及连接插孔706。其中，外壳701由耐高温塑料组成，用于保护元器件；把手702安装在外壳701的两侧，可用于手持，把手702可设置多个，本实施例优选为2个；显示屏703安装在外壳701上，例如安装外壳701的上半部，用于显示侦察图像；通信灯704安装在显示屏703的一侧，例如安装在左侧，用于显示通信状态；故障灯705安装在显示屏703的一侧，例如安装在左侧，用于显示有无故障；连接插孔706位于把手702上，例如设置在把手702下部，用于将雷达探测器602固定在移动装置601上，例如可将雷达探测器602固定在移动装置601俯仰机构末端。

在一些实施例中，雷达探测设备还包括双目摄像机604。

在一些实施例中，雷达探测设备还包括声光报警灯605。

在一些实施例中，雷达探测设备还包括无线通信模块606。

下面将通过优选实施例对本申请实施例进行描述和说明。

参考图6，在本优选实施例中，移动装置601设置成消防侦察机器人的形式，运算装置603安装在消防侦察机器人车体内部的电器仓内，用于处理和分析图像数据；声光报警灯605安装在消防侦察机器人车体尾部，用于在危机时发出报警声；双目摄像机604安装在消防侦察机器人车体中部的固定底座上方，用于观测和采集消防机器人车身前画面；雷达探测器602安装在消防机器人车体中部，具有旋转机构和俯仰机构，用于穿透墙体探测房间内的人员信息；无线通信模块606安装在消防机器人车体内部的电器仓内，用于接收和发射无线电数据。

另外，结合上述实施例中的雷达穿墙探测对象的方法，本申请实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种雷达穿墙探测对象的方法。

综上，本申请针对火场中因火焰阻断房间通道，导致难以直接检测到房间内的人员信息的问题，提出一种雷达穿墙探测对象的方法和雷达探测设备，通过将穿墙雷达安装到消防侦察机器人上，实现了消防官兵安全距离下操控消防侦察机器人对火灾中围困房间内的人员信息进行侦察定位，提高了侦察效率，降低了消防官兵救援风险；同时设计了定位误差校正方法，建立了基于目标回波和多径回波的电磁波穿墙回传模型，并针对回波模型中变介质特性，提出通过动态焦点椭圆方程，消除电磁波转换介质引入的系统误差，提高了室内定位精度；其次，还在电磁波穿墙回传模型的基础上，实现了被穿透墙体厚度的测量，为消防破拆救援指挥提供实时可靠的判断数据。

本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。