基于UWB雷達的人體目標及周圍廢墟結(jié)構(gòu)探測方法研究.pdf

1、基于雷達的生命探測技術(shù)以雷達技術(shù)為基礎(chǔ)，同時綜合運用電子、生物醫(yī)學(xué)工程、信號處理等技術(shù)，主要用于人體目標的識別、定位或成像。雷達發(fā)射的脈沖電磁波能穿透非金屬的介質(zhì)(磚墻、冰層、廢墟等)，可以在不接觸人體的情況下檢測到人體的生命信號(呼吸、心跳、體動等)，從而判斷是否有人體目標存在，進而對人體目標進行定位或跟蹤。與光學(xué)、聲學(xué)、紅外等其他生命探測技術(shù)相比，基于雷達的生命探測技術(shù)具有非接觸、距離遠、穿透性等特點，可廣泛用于醫(yī)學(xué)監(jiān)護、災(zāi)后搜救、

2、穿墻探測、反恐斗爭等場合。特別是在穿墻探測和災(zāi)后搜救等涉及國家核心利益的領(lǐng)域具有重大的實用價值。例如在反恐行動中，通過對建筑物內(nèi)恐怖分子和人質(zhì)人數(shù)目及位置以及室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)的探測，可以在最大程度地保障人質(zhì)安全的情況下采取解救行動；在各類災(zāi)難發(fā)生后，對壓埋在廢墟中的幸存者進行探測搜尋，可以實現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)存活者，為救援行動爭取時間，對保障人民群眾的生命安全具有重要的意義。因此，研究和發(fā)展基于雷達的生命探測技術(shù)的研究已經(jīng)得到世界各國的普遍重視，而

3、其核心技術(shù)則受到各國的控制。
　　基于雷達的生命探測技術(shù)一般采用窄帶和寬帶雷達系統(tǒng)，與傳統(tǒng)窄帶雷達相比，超寬帶（UWB）雷達系統(tǒng)具有精確的距離測量能力和穿透障礙物后物體高分辨率成像能力等優(yōu)勢。UWB雷達發(fā)射的頻譜很寬的電磁脈沖，可以滿足穿透能力的要求；更重要的是UWB雷達所具有的距離分辨能力，使得對人體目標進行精確定位成為可能。因此，基于UWB雷達的生命探測技術(shù)已成為雷達式生命探測技術(shù)的研究熱點。
　　但是目前的大部分研究主

4、要集中在提高探測人體目標探測及定位的準確度方面，而對于受困人體目標周圍環(huán)境（即廢墟）進行結(jié)構(gòu)探測的研究尚未見報道。在災(zāi)后搜救中，如果可以在探測人體目標的同時，探測出人體目標周圍廢墟的結(jié)構(gòu)，便可以根據(jù)廢墟的結(jié)構(gòu)制定出最優(yōu)的救援計劃，避免在救援過程中由于不合理或者進展緩慢的救援計劃而導(dǎo)致對壓埋者的二次傷害，從而在最短時間內(nèi)，更有效地、更安全地對幸存者進行救援。具有很大的現(xiàn)實意義。但生命體目標和周圍環(huán)境結(jié)構(gòu)兼容探測具有相當?shù)碾y度，有許多科學(xué)問

5、題需要解決，首先：生命體探測是微動目標探測，而廢墟結(jié)構(gòu)探測是靜目標探測，所以必須解決動、靜兼容探測問題；其次與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)探測（如探地雷達）的情況不同，在災(zāi)后搜救情況下，由于現(xiàn)場的特殊條件限制，無法得到廢墟的B型掃描雷達數(shù)據(jù)，只能在有限的幾個點進行A型掃描，并且由于廢墟結(jié)構(gòu)復(fù)雜，先驗數(shù)據(jù)缺乏，很大程度上增加了雷達數(shù)據(jù)解釋的難度。
　　課題組前期已建立了中心頻率為500MHz的UWB雷達硬件實驗平臺，以及基于時域處理的人體呼吸運動信號提

6、取算法和目標識別算法，基本實現(xiàn)了正常人體目標的探測和識別。但是，由于UWB雷達回波信號的較低的SCR（SNR這個關(guān)鍵因素，導(dǎo)致對人體目標探測和識別的準確率還不理想，因此進一步還需研究提高回波信號SCR（SNR）的新方法。在提高UWB雷達對人體目標的探測和識別能力的基礎(chǔ)上，同時獲取人體周圍結(jié)構(gòu)信息，并且對受困人體目標周圍環(huán)境（即廢墟）的結(jié)構(gòu)探測進行探索性的研究。基于課題組現(xiàn)有的硬件實驗平臺，本文的工作主要分為以下兩部分：
　?。?）

7、針對強背景雜波、噪聲情況下的雷達回波數(shù)據(jù)，進一步研究UWB雷達人體呼吸運動回波信號及雜波、噪聲的特點，研究UWB雷達回波數(shù)據(jù)的處理算法。通過信號處理的方法，提高人體呼吸運動信號的SCR（SNR），并進行利用基于人體目標呼吸運動特征的識別算法，在實驗室條件下進行有效性驗證。
　?。?）研究分析人體目標壓埋的廢墟的結(jié)構(gòu)特點，分析廢墟的結(jié)構(gòu)在雷達A型掃描回波信號中對應(yīng)的特點，利用有限的先驗知識，研究有效的信號處理步驟及相應(yīng)的方法，以實現(xiàn)

8、對廢墟結(jié)構(gòu)信息的準確探測，并且在實驗室條件下利用搭建的模擬廢墟環(huán)境進行了有效性驗證。
　　本文的主要結(jié)果和結(jié)論有：
　?。?）在背景雜波消除過程中，針對普遍存在的線性趨勢，線性趨勢消除法可以有效地消除背景雜波，同時也更好地保持了人體呼吸信號的幅值和波形。
　?。?）通過背景雜波消除、提升SCR（SNR）等處理可以有效地提取出人體呼吸運動信號。
　?。?）廢墟孔洞上界面在雷達回波A型掃描數(shù)據(jù)中的波形表現(xiàn)為與雷達發(fā)射

9、脈沖相似，并且極性相反。這些特點可以被用來進行廢墟孔洞上界面的識別。
　　（4）探測定位得到的人體目標位置，可以作為廢墟結(jié)構(gòu)探測中的先驗知識，用來計算出合適的增益，對雷達回波數(shù)據(jù)的進行衰減補償，有效地對雷達遠端回波數(shù)據(jù)進行適當放大，便可以識別出位于雷達遠端的廢墟結(jié)構(gòu)在雷達回波中的體現(xiàn)。
　?。?）通對衰減補償后的雷達回波A型掃描數(shù)據(jù)進行稀疏脈沖反演，可以得到直觀的廢墟分層結(jié)構(gòu)的界面信息。
　?。?）在救援現(xiàn)場利用現(xiàn)有的

10、UWB雷達，可以對空氣由于濕度而改變的介電進行校正，進而更準確地估計出廢墟結(jié)構(gòu)信息。
　?。?）基于現(xiàn)有的UWB雷達硬件實驗平臺，采用本文提出的在人體目標探測的同時進行廢墟結(jié)構(gòu)探測的方法，可以穿透厚度為1m磚混結(jié)構(gòu)的廢墟，實現(xiàn)廢墟下高為0.8m的孔洞內(nèi)平躺著正常呼吸的人體目標的探測，識別出廢墟孔洞上界面，并最終估計出人體目標與孔洞上界面之間的距離。
　　本文的主要創(chuàng)新點有：
　?。?）提出了一種人體呼吸運動信號提取新算

11、法，該算法通過線性趨勢進行背景雜波消除，并在延遲時間方向及掃描時間方向進行雙向濾波，從而有效地增強了UWB雷達回波信號中人體目標呼吸運動信號，達了人體呼吸運動信號提取的目的，有利于受困人體目標的識別。
　?。?）首次提出了一種雷達回波衰減補償算法，該算法在廢墟結(jié)構(gòu)探測過程中，利用人體目標位置作為先驗知識，計算指數(shù)增益曲線，對雷達回波數(shù)據(jù)進行補償，有效地實現(xiàn)了雷達遠端回波數(shù)據(jù)的適當放大，使對位于雷達遠端的廢墟結(jié)構(gòu)進行探測成為可能。<