超寬帶生物雷達(dá)斷層探測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于生命探測(cè)領(lǐng)域，融合醫(yī)學(xué)、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微弱信號(hào)檢測(cè)和現(xiàn)代信號(hào)處理等技術(shù)，形成了雷達(dá)式生命探測(cè)技術(shù)。它以人體目標(biāo)作為檢測(cè)對(duì)象，利用雷達(dá)發(fā)射出的電磁波可穿透一定厚度非金屬介質(zhì)（木門、磚墻、廢墟等）的特性非接觸地發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和定位生命體。我們將用于生命探測(cè)領(lǐng)域的雷達(dá)統(tǒng)稱為生物雷達(dá)。生物雷達(dá)作用于人體目標(biāo)，通過檢測(cè)人體的呼吸、心跳等生命體征引起的胸壁節(jié)律性振動(dòng)以及目標(biāo)的體動(dòng)來探測(cè)生命體，根據(jù)雷達(dá)體制可分為窄帶生物雷達(dá)和超寬帶

2、生物雷達(dá)。其中，超寬帶生物雷達(dá)因其具有穿透能力強(qiáng)、可超近程探測(cè)、距離分辨力高等優(yōu)勢(shì)，在地震、塌方等災(zāi)后搜救行動(dòng)和穿墻監(jiān)視等反恐行動(dòng)中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。
　　目前，超寬帶生命探測(cè)研究主要集中在生命體的探測(cè)和識(shí)別上。由于人體的生命回波信號(hào)十分微弱，為了提高檢測(cè)靈敏度，大多數(shù)研究都采用了較高中心頻率的超寬帶雷達(dá)。但是由于穿透能力的限制，這些研究?jī)H限于穿透簡(jiǎn)單障礙物（木板或磚墻）探測(cè)人體目標(biāo)，無法應(yīng)用于地震、塌方等災(zāi)害造成的復(fù)雜廢墟場(chǎng)景

3、。因此，為了增強(qiáng)穿透能力，很多研究采用降低雷達(dá)中心頻率的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是，當(dāng)中心頻率降低以后，雷達(dá)探測(cè)靈敏度也隨之降低。另一方面，廢墟下壓埋的幸存人員處于受困狀態(tài)，由于呼吸活動(dòng)的減弱和姿勢(shì)的變化，使得超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比急劇下降。這兩方面的因素共同作用，增大了穿透廢墟障礙物探測(cè)搜救幸存人員的難度，使超寬帶生物雷達(dá)的應(yīng)用受到一定限制。
　　針對(duì)超寬帶生物雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中存在的以上問題，許多研究者從信號(hào)處理的角度出發(fā)，開發(fā)出各

4、種信號(hào)處理的方法改進(jìn)探測(cè)性能，雖然具有一定效果,但是其挖掘潛力局限性較大，因此，需要另辟蹊徑，尋求新方法。我們研究知道超寬帶生物雷達(dá)具有二維回波，除用于時(shí)域積累和處理的慢時(shí)間域信號(hào)外，還有包含豐富距離信息的距離向信號(hào)，但它并未得到充分開發(fā)利用。
　　距離向積累和斷層處理是常見的兩種距離向信息處理方法，課題組前期研究表明回波距離向積累的方法,由于距離向回波的非線性,對(duì)雷達(dá)探測(cè)能力的提升有限。而斷層處理作為一種常用的線性簡(jiǎn)化方法不僅可

5、以改善段間干擾問題，而且能有效地提升段內(nèi)對(duì)比度和特異性。本論文的研究目的是將斷層處理技術(shù)應(yīng)用于超寬帶生命探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行斷層探測(cè)，提升超寬帶生物雷達(dá)的探測(cè)能力。
　　斷層處理的基本思路是將探測(cè)區(qū)域進(jìn)行分段，在不同的斷層內(nèi)根據(jù)實(shí)際情況采用特殊的信號(hào)處理方法達(dá)到增強(qiáng)段內(nèi)信噪比、提高目標(biāo)識(shí)別率的目的,其基本思想是將一個(gè)復(fù)雜的非線性問題分解為若干個(gè)近似線性問題來處理。超寬帶生物雷達(dá)中，時(shí)窗決定了距離向上雷達(dá)的探測(cè)范圍，故斷層探測(cè)的核心在于時(shí)窗

6、劃分。本論文基于課題組現(xiàn)有的400MHz低中心頻率超寬帶生物雷達(dá)展開研究，首先建立了斷層探測(cè)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，接著實(shí)驗(yàn)分析斷層探測(cè)對(duì)超寬帶生物雷達(dá)探測(cè)能力的影響，并從理論上去探究其原因，其次還編寫了斷層探測(cè)控制軟件，最后通過不同場(chǎng)景下對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證超寬帶生物雷達(dá)斷層探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力。主要完成以下五部分的工作：
　?。?）搭建了基于精密線性模組的人體表面微動(dòng)模擬系統(tǒng)，為雷達(dá)式生命探測(cè)研究提供標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)信標(biāo)。
　?。?）改進(jìn)雷達(dá)硬

7、件電路，實(shí)現(xiàn)了超寬帶生物雷達(dá)斷層探測(cè)功能，將整個(gè)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行分段，獲取不同斷層內(nèi)回波信息，為下一步信號(hào)處理和目標(biāo)識(shí)別提供基礎(chǔ)。
　　（3）研究比較并分析了超寬帶生物雷達(dá)斷層探測(cè)硬件平臺(tái)與課題組原有探測(cè)平臺(tái)在目標(biāo)探測(cè)能力上的區(qū)別。
　?。?）提出了一種基于小波能譜和小波信息熵聯(lián)合的信號(hào)處理算法，并在模擬廢墟場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，評(píng)估算法的探測(cè)性能。
　?。?）開發(fā)了一套基于斷層探測(cè)的超寬帶生物雷達(dá)控制軟件，與雷達(dá)硬件平臺(tái)共同組成

8、超寬帶生物雷達(dá)斷層探測(cè)系統(tǒng)，在不同場(chǎng)景下進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。
　　本論文的主要結(jié)果和結(jié)論有：
　?。?）構(gòu)建的人體表面微動(dòng)模擬系統(tǒng)，幅度和頻率精確可控，輸出參數(shù)同一性高，可實(shí)現(xiàn)頻率為0.1Hz，位移為1mm的周期性運(yùn)動(dòng)，滿足人體呼吸和心跳引起的體表微動(dòng)的頻率和幅值模擬要求。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn),確定了跟人體目標(biāo)有相似散射特性的散射體材料及其尺寸，將其作為模擬系統(tǒng)搭載的標(biāo)準(zhǔn)散射體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可有效的避免以人體目標(biāo)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象

9、時(shí)，由于個(gè)體差異等諸多原因造成的結(jié)果誤差。
　?。?）研制了基于斷層探測(cè)的超寬帶生物雷達(dá)硬件平臺(tái)，通過合理地設(shè)置決定探測(cè)范圍的時(shí)窗參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)探測(cè)區(qū)域的分段細(xì)化探測(cè)。
　?。?）以對(duì)人體表面微動(dòng)模擬系統(tǒng)的雷達(dá)回波強(qiáng)度和可分辨的最小位移作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將超寬帶生物雷達(dá)斷層探測(cè)硬件平臺(tái)與原有探測(cè)平臺(tái)進(jìn)行探測(cè)能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著模擬系統(tǒng)位置向探測(cè)區(qū)域遠(yuǎn)端移動(dòng)，斷層探測(cè)平臺(tái)的探測(cè)能力降低；模擬系統(tǒng)位于同一位置時(shí)，斷層探測(cè)

10、平臺(tái)的探測(cè)能力優(yōu)于原探測(cè)平臺(tái)。研究分析表明距離衰減和等效采樣精度是造成探測(cè)能力差異的主要原因。
　?。?）針對(duì)超寬帶生物雷達(dá)回波信號(hào)非高斯、非平穩(wěn)和非線性的特點(diǎn)，提出基于小波能譜和小波信息熵聯(lián)合的信號(hào)處理方法，模擬廢墟場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究表明該方法可以提高復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別準(zhǔn)確度。
　?。?）基于Delphi平臺(tái)開發(fā)了超寬帶生物雷達(dá)斷層探測(cè)控制軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)范圍內(nèi)任一斷層探測(cè)范圍自由選擇探測(cè)，并能夠從近及遠(yuǎn)連續(xù)斷層探測(cè)，穿單

11、磚墻探測(cè)實(shí)驗(yàn)和模擬廢墟場(chǎng)實(shí)驗(yàn)均表明該系統(tǒng)在探測(cè)準(zhǔn)確性、探測(cè)區(qū)域選擇靈活性等方面優(yōu)于原有探測(cè)系統(tǒng)。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：
　?。?）基于精確控制技術(shù)和仿真構(gòu)建的人體表面微動(dòng)模擬系統(tǒng)，能夠從呼吸引起的體表微動(dòng)幅度、頻率和人體目標(biāo)散射雷達(dá)回波能量大小三個(gè)層次全面模擬真實(shí)人體，作為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)信標(biāo)可用于雷達(dá)式生命探測(cè)技術(shù)各個(gè)層次的研究。
　?。?）從超寬帶二維回波距離向信息入手,提出了基于分段近似線性探測(cè)的新方法，以解決復(fù)