一种面向UWB生命体征雷达的舱内安装规划方法及系统与流程

本发明涉及传感器部署，尤其涉及一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法及系统。

背景技术：

1、超宽带生命体征雷达凭借其非接触、强穿透及高距离分辨率的特性，被广泛应用于车舱、机舱等封闭舱体场景中的乘员在位检测与生命体征监测。在此类场景下，雷达需在有限空间内对目标区域实现可靠覆盖，其安装位置、天线指向及多雷达协同布局对最终探测性能具有决定性影响。

2、现有技术中，舱内雷达安装规划主要依赖工程经验调试与少量实车试验，缺乏将天线方向图特性、舱内多径传播特性与乘员动态行为分布系统性融合的量化规划方法，导致在安装阶段无法预测盲区分布、无法评估多雷达协同覆盖效益，安装偏差发生后也难以定位误差来源并给出可执行的修正依据，使得安装规划过程高度依赖个人经验且结果难以复用。

技术实现思路

1、本发明提供一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法及系统，用以解决现有技术的缺陷。

2、本发明提供一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法，包括：

3、s1、根据舱体结构参数与乘员行为数据对舱内多个离散空间采样点进行概率加权处理，得到全舱探测需求权重场；

4、s2、基于所述全舱探测需求权重场，对多个候选安装点至多个高权重采样点的候选链路进行多径传播计算，得到时变遮挡图谱；

5、s3、基于所述时变遮挡图谱与uwb雷达物理参数，对多个候选链路进行理论检测极限计算，由crlb筛选判据筛选获得有效链路集合；

6、s4、根据所述有效链路集合与所述时变遮挡图谱，对候选安装拓扑进行联合覆盖优化计算，得到最优安装方案集合；

7、s5、通过最优安装方案集合完成初步安装后，对参考目标实测数据与预测值进行残差辨识，得到安装修正指令集。

8、根据本发明提供的一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法，步骤s1进一步包括：

9、s11、采集舱体三维结构参数、乘员行为样本数据及人机工程约束参数，并对乘员在多个空间采样点处的姿态分布进行统计建模，得到乘员姿态概率分布函数；

10、s12、根据所述乘员姿态概率分布函数，计算乘员胸腔表面法向量与多个候选观测方向的夹角余弦最大值并对夹角余弦最大值进行概率加权积分，得到多个空间采样点的动态探测权重系数；

11、s13、以乘员姿态概率分布函数为权重，对多个空间采样点处的呼吸与心跳位移幅值进行加权统计，得到多个空间采样点的胸腔微动幅值期望；

12、s14、将所述动态探测权重系数与所述胸腔微动幅值期望以三维体素网格格式组织存储，得到全舱探测需求权重场。

13、根据本发明提供的一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法，步骤s2进一步包括：

14、s21、对舱体三维结构模型中多个材料节点赋予uwb工作频段内的等效衰减系数，根据等效衰减系数对多个候选安装点至多个高权重采样点的传播路径进行穿透损耗累加计算，得到静态结构遮挡损耗矩阵；

15、s22、根据乘员姿态概率分布函数，将多种典型姿态下乘员等效散射体对多个候选链路的遮挡附加损耗进行概率加权求和，得到动态遮挡期望损耗；

16、s23、对多个候选安装点至高权重采样点的一次反射路径进行路径追踪，记录多条反射路径的路径增益与附加相位；对候选安装点对中两点相对于同一采样点同时存在有效传播路径的情况，记录两路径间的相对传播时延差与相对相位差，标记为相干合成候选链路对集合；

17、s24、将所述静态结构遮挡损耗矩阵、所述动态遮挡期望损耗、所述路径增益、所述附加相位、所述相对传播时延差与所述相对相位差以稀疏张量格式组织存储，得到时变遮挡图谱。

18、根据本发明提供的一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法，步骤s3进一步包括：

19、s31、根据所述时变遮挡图谱中静态结构遮挡损耗矩阵与动态遮挡期望损耗的累加值，结合uwb雷达的发射功率、天线方向图增益及噪声系数，对多条候选链路进行链路预算计算，得到多条候选链路的预估信噪比；

20、s32、将所述预估信噪比、uwb中心频率及脉冲积累数代入克拉美-罗下界公式，计算多条候选链路对应采样点的理论最小可分辨位移量；

21、s33、将理论最小可分辨位移量与全舱探测需求权重场中对应采样点的胸腔微动幅值期望进行比较，保留理论最小可分辨位移量小于胸腔微动幅值期望预设数值的链路，对不满足条件的链路将对应单雷达可探测性度量强制置零，筛选获得有效链路集合。

22、根据本发明提供的一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法，步骤s4进一步包括：

23、s41、对所述有效链路集合中的多条有效链路，根据天线方向图增益、所述时变遮挡图谱对应的遮挡修正项及胸腔微动相位变化灵敏度，计算多条有效链路的单雷达可探测性度量；

24、s42、对于相干合成候选链路对集合中多个链路对相对于同一采样点，依次验证crlb筛选条件、相对传播时延差与uwb距离分辨率的匹配约束以及等效基线方向角的有效孔径范围条件，对同时满足条件的链路对，通过最大比合并对各单雷达信噪比进行相干合成，得到相干合成信噪比及虚拟孔径扩展增益；

25、s43、以最小化激活雷达总数、最大化高权重区域联合覆盖度及最大化虚拟孔径扩展增益为多目标优化函数，以机械安装可行域、覆盖率下限及非相干覆盖重叠比例上限为约束，通过遗传算法对候选安装点集合进行离散拓扑搜索，再对多个确定安装点的俯仰角与方位角通过梯度下降进行持续寻优，直至收敛，得到最优安装方案集合。

26、根据本发明提供的一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法，步骤s42中，所述相干合成信噪比的表达式为：

27、

28、其中，为安装点与对采样点的相干合成信噪比，为安装点对采样点的单雷达信噪比，为安装点对采样点的单雷达信噪比；

29、所述虚拟孔径扩展增益的表达式为：

30、

31、其中，为虚拟孔径扩展增益，为激活雷达总数，为采样点处的动态探测权重系数，为采样点处的相干合成信噪比。

32、根据本发明提供的一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法，步骤s43中，所述遗传算法的适应度函数的表达式为：

33、

34、其中，为适应度函数值，、、分别为覆盖完整度、虚拟孔径扩展增益及雷达数量惩罚项的权衡系数，为采样点处的动态探测权重系数，为采样点处的联合可探测性度量，为覆盖判定阈值，为虚拟孔径扩展增益，为第个候选安装点的激活状态，为采样点索引值，为候选安装点索引值。

35、根据本发明提供的一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法，步骤s5进一步包括：

36、s51、将振动频率与位移幅值预设的标准参考目标依次置于多个高权重采样点处，对所述最优安装方案集合中被标注为相参合成激活的采样点，通过正交码分波形同步发射与匹配滤波分离对回波信号进行相干合成，采集实测相干合成信噪比；对其余采样点采集实测信噪比；

37、s52、将实测信噪比与预估信噪比作差，得到覆盖残差；将实测相干合成信噪比与虚拟孔径扩展增益预测值作差，得到相参增益残差；

38、s53、对覆盖残差与相参增益残差的空间分布特征分别进行相关性分析，判定误差来源类型，得到误差成因分类结果；

39、s54、根据误差成因分类结果，对安装高度偏差或增益标定偏差直接输出对应补偿量，得到安装修正指令集。

40、根据本发明提供的一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法，步骤s53的误差来源类型的判定规则为：

41、覆盖残差呈全局同号偏移，判定为安装高度偏差或增益标定偏差；

42、覆盖残差呈单侧梯度分布，判定为天线姿态角偏差；

43、覆盖残差集中于局部区域且对应相位残差放大，判定为局部多径相消；

44、相参增益残差大于收敛阈值，判定为相位同步时延偏差。

45、本发明还提供一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划系统，用于执行如以上所述的一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法，包括：

46、加权模块：用于根据舱体结构参数与乘员行为数据对舱内多个离散空间采样点进行概率加权处理，得到全舱探测需求权重场；

47、传播模块：用于基于所述全舱探测需求权重场，对多个候选安装点至多个高权重采样点的候选链路进行多径传播计算，得到时变遮挡图谱；

48、计算模块：用于基于所述时变遮挡图谱与uwb雷达物理参数，对多个候选链路进行理论检测极限计算，由crlb筛选判据筛选获得有效链路集合；

49、优化模块：用于根据所述有效链路集合与所述时变遮挡图谱，对候选安装拓扑进行联合覆盖优化计算，得到最优安装方案集合；

50、输出模块：用于通过最优安装方案集合完成初步安装后，对参考目标实测数据与预测值进行残差辨识，得到安装修正指令集。

51、本发明一种面向uwb生命体征雷达的舱内安装规划方法及系统，通过将乘员姿态概率分布函数与胸腔微动幅值期望引入探测需求建模，使后续所有规划计算均以乘员真实行为场景下的高概率生命体征出现位置为驱动基准，而非以均匀物理空间为覆盖对象，从而使动态探测权重系数能够准确反映不同空间位置在全驾驶工况下的综合探测价值，显著降低了对低概率区域的无效规划投入；其次，本发明通过对舱内结构材料等效衰减系数的逐路径穿透损耗累加计算与乘员动态遮挡期望损耗的概率加权融合，所得时变遮挡图谱同时包含了静态结构遮挡与乘员姿态变化引起的动态遮挡两类信息，避免了现有技术中仅依赖静态查找表导致遮挡估计失真的问题，并通过相干合成候选链路对集合的标记为后续相参合成计算预埋了完整的传播参数；再其次，本发明在多雷达拓扑优化之前引入基于克拉美-罗下界的理论检测极限筛选，将理论最小可分辨位移量与胸腔微动幅值期望值进行比较，在信息论层面对各候选链路的物理可行性作出判断，使进入优化阶段的链路集合已经过电磁传播可行性与理论检测可行性的双重筛选，既收窄了遗传算法的搜索空间，又避免了因使用工程经验阈值而产生的过于乐观估计；在联合覆盖优化阶段，本发明通过虚拟孔径扩展增益项的引入使遗传算法在搜索安装拓扑时自发倾向于选择间距合理、可构成有效虚拟孔径的安装位置组合，将多雷达安装选址与分布式相参雷达阵型设计联合求解，在不增加硬件成本的前提下获得相干合成带来的额外信噪比收益，对于不满足相参合成条件的区域则自动退化为非相干独立覆盖模式，保证了系统的鲁棒性；在安装完成后的残差辨识阶段，覆盖残差与相参增益残差的分离分析机制使安装高度偏差、天线姿态角偏差、局部多径相消及相位同步时延偏差四类误差来源得以独立定位，针对天线姿态角偏差通过雅可比矩阵伪逆直接求解俯仰角与方位角修正量，针对局部多径相消触发时变遮挡图谱的局部更新并重新执行理论筛选与拓扑优化，形成覆盖规划、理论筛选与安装验证三个层次的完整闭环，最终输出的安装验收报告包含全舱联合可探测性度量分布图与盲区分类，为安装质量提供可归档的量化证明。