超寬帶生物雷達(dá)斷層探測技術(shù)研究.pdf

1、雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于生命探測領(lǐng)域，融合醫(yī)學(xué)、電子工程、計算機(jī)科學(xué)、微弱信號檢測和現(xiàn)代信號處理等技術(shù)，形成了雷達(dá)式生命探測技術(shù)。它以人體目標(biāo)作為檢測對象，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)、識別和定位生命體。我們將用于生命探測領(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)，通過檢測人體的呼吸、心跳等生命體征引起的胸壁節(jié)律性振動以及目標(biāo)的體動來探測生命體，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、距離分辨力高等優(yōu)勢，在地震、塌方等災(zāi)后搜救行動和穿墻監(jiān)視等反恐行動中具有極高的應(yīng)用價值。
　　目前，超寬帶生命探測研究主要集中在生命體的探測和識別上。由于人體的生命回波信號十分微弱，為了提高檢測靈敏度，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，這些研究僅限于穿透簡單障礙物（木板或磚墻）探測人體目標(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)，由于呼吸活動的減弱和姿勢的變化，使得超寬帶雷達(dá)回波信號的信噪比急劇下降。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，許多研究者從信號處理的角度出發(fā)，開發(fā)出各

4、種信號處理的方法改進(jìn)探測性能，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，除用于時域積累和處理的慢時間域信號外，還有包含豐富距離信息的距離向信號，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,對雷達(dá)探測能力的提升有限。而斷層處理作為一種常用的線性簡化方法不僅可

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領(lǐng)域進(jìn)行斷層探測，提升超寬帶生物雷達(dá)的探測能力。
　　斷層處理的基本思路是將探測區(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處理方法達(dá)到增強(qiáng)段內(nèi)信噪比、提高目標(biāo)識別率的目的,其基本思想是將一個復(fù)雜的非線性問題分解為若干個近似線性問題來處理。超寬帶生物雷達(dá)中，時窗決定了距離向上雷達(dá)的探測范圍，故斷層探測的核心在于時窗

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硬件實(shí)驗(yàn)平臺，接著實(shí)驗(yàn)分析斷層探測對超寬帶生物雷達(dá)探測能力的影響，并從理論上去探究其原因，其次還編寫了斷層探測控制軟件，最后通過不同場景下對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證超寬帶生物雷達(dá)斷層探測系統(tǒng)的探測能力。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模擬系統(tǒng)，為雷達(dá)式生命探測研究提供標(biāo)準(zhǔn)的探測信標(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)斷層探測功能，將整個探測區(qū)域進(jìn)行分段，獲取不同斷層內(nèi)回波信息，為下一步信號處理和目標(biāo)識別提供基礎(chǔ)。
　?。?）研究比較并分析了超寬帶生物雷達(dá)斷層探測硬件平臺與課題組原有探測平臺在目標(biāo)探測能力上的區(qū)別。
　?。?）提出了一種基于小波能譜和小波信息熵聯(lián)合的信號處理算法，并在模擬廢墟場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，評估算法的探測性能。
　?。?）開發(fā)了一套基于斷層探測的超寬帶生物雷達(dá)控制軟件，與雷達(dá)硬件平臺共同組成

8、超寬帶生物雷達(dá)斷層探測系統(tǒng)，在不同場景下進(jìn)行探測實(shí)驗(yàn)，評價系統(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，滿足人體呼吸和心跳引起的體表微動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)對象

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

10、平臺的探測能力優(yōu)于原探測平臺。研究分析表明距離衰減和等效采樣精度是造成探測能力差異的主要原因。
　　（4）針對超寬帶生物雷達(dá)回波信號非高斯、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)合的信號處理方法，模擬廢墟場實(shí)驗(yàn)研究表明該方法可以提高復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)檢測和識別準(zhǔn)確度。
　?。?）基于Delphi平臺開發(fā)了超寬帶生物雷達(dá)斷層探測控制軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)探測范圍內(nèi)任一斷層探測范圍自由選擇探測，并能夠從近及遠(yuǎn)連續(xù)斷層探測，穿單

11、磚墻探測實(shí)驗(yàn)和模擬廢墟場實(shí)驗(yàn)均表明該系統(tǒng)在探測準(zhǔn)確性、探測區(qū)域選擇靈活性等方面優(yōu)于原有探測系統(tǒng)。
　　本論文的主要創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　（1）基于精確控制技術(shù)和仿真構(gòu)建的人體表面微動模擬系統(tǒng)，能夠從呼吸引起的體表微動幅度、頻率和人體目標(biāo)散射雷達(dá)回波能量大小三個層次全面模擬真實(shí)人體，作為標(biāo)準(zhǔn)探測信標(biāo)可用于雷達(dá)式生命探測技術(shù)各個層次的研究。
　?。?）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的新方法，以解決復(fù)