（信息与通信工程专业论文）基于微多普勒特征的人体微动识别系统设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕：f ：学位论文 a bs t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o m o t i o np r o d u c e db yt h eg r o u n dm i c r o - m o t i o nt a r g e t ， s u c ha sv e h i c l e s ，h u m a na n da n i m a l s ，p r o v i d ean e ww a yf o rt a r g e td e t e c t i o na n d r e c o g n i t i o n i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h er a d a rs y s t e mf o rh u m a nm i c r o - m o t i o n m e a s u r e m e n t ，t h em i c r o m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw a l k i n gh u m a nh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d f i r s t l y , t h ef u l ld e s i g np r o c e d u r eo ft h er a d a rs a m p l i n gs y s t e mc o n s i s t so f b l u ep r i n td e s i g n ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t a n db a s e do nt h ed a t ap r o d u c e d b yt h er a d a rs y s t e m , t h er e s e a r c hf o rm i c r o m o t i o nf e a t u r e se x t r a c t i o nh a sb e e n i n v e s t i g a t e d t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t so ft h eh u m a nm i c r o - m o t i o na n dt h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d , t h e nt h er e s e a r c hs t a t eo fh u m a nm i c r o - m o t i o ni nt l l ed o m e s t i c a n da b r o a dh a sb e e na n a l y z e d i nc h a p t e rl i ，t h ea u t h o rf i r s t l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h er a d a r s y s t e m ，c o n s i d e r i n gt h et a r g e tb a c k s c a r e r i sas i g n a l sw i t hm u l t i c o m p o n e n ta n d h i 曲- a m p l i t u d ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h es i g n a lp r e - p r o c e s s i n gm o d u l ea n dd a t aa c q u i s i t i o n m e d u l eh a sb e e nd e s i g n e di no r d e rt or e m o v et l l ei n t e r f e r e n c es i g n a la n da d j u s tt h e s i g n a la m p l i t u d es ot h a tt h er e a l t i m es a m p l i n gw i l lb em u c he a s i e r ；t a k i n g t h e t r a n s m i s s i o nf o rd a t aw i t h o u td i s t o r t i o n ，r e a l - t i m ea n ds t a b i l i t yi n t oc o n s i d e r a t i o n s ，t h e u s bi n t e r f a c ea n de t h e m e ti n t e r f a c ea r es e l e c t e da st r a n s m i s s i o ni n t e r f a c e s f i n a l l y a n a l y s er e a s o n a l i t yo fs y s t e m sd e s i g n t h en l i r dc h a p t e rd e s c r i b e st h r e ec i r c u i td e s i g no ft h ep r e - p r o c e s so ft h er a d a re c h o ， s u c ha st h el e v e lg a i nc o n t r o l l i n g ，t h es i g n a lb u f f e r i n ga n dt h es i g n a lf i l t e r i n g ；f o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo u t p u to ft h es i g n a lp r e p r o c e s s i n gm o d u l e ，t h ed a t ac o l l e c t i o na n d b u f f e rs u b m o d u l eh a sb e e nd e s i g n e d ；a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h eo u t p u td a t a s t r e a m ，a n dt a k i n gt h es y s t e mp o r t a b l ec h a r a c t e r i s t i ca n dd e v e l o p m e n tc o m p l e x i t yi n t o c o n s i d e r a t i o n ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft w o w a yt r a n s m i s s i o ns y s t e m c o m p o s i n g o fu s bi n t e r f a c ea n de t h e m e ti n t e r f a c eh a sb e e na c c o m p l i s h e d i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h em o d eo fh u m a nb e d y ss t r u c t u r ea n di t sm o v e m e n ti s e s t a b l i s h e d ，a n dt h em i c r o m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r t m ka n dl i m b so fh u m a nb o d y h a v eb e e ns t u d i e d ，t h e nw ed e r i v e dt h ef o r m u l a so ft h er a d a rs i g n a lr e t u r n e df o rw a l k i n g h u m a n 。a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t 1 1 h er a d a re c h o e so fw a l k i n g h u m a nh a v eb e e nc o l l e c t e da n da n a l y z e d t h e nt h ew a l k i n gc y c l ea n ds p e e da r e e s t i m a t e dt h r o u g ht h o s ed a t a t h er e s o l v i n gm e t h o df o ro n eo rm u l t i p l et a r g e t si sa l s o i n t e r p r e t e di nt h ee n d s u m m a r i e sa n df u t u r er e s e a r c ha r eg i v e na tt h ee n do ft h i sp 印既 k e yw o r d s ：r a d a rf e a t u r eo fh u m a nm i c r o m o t i o n ，t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ， m i c r o - d o p p l e r , t i m e f r e q u e n c yp r o f i l e ，d a t as a m p l i n g ，u s b2 0 ，e t h e r n e t 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1i d t 7 2 v 2 9 5 空满标志位输出特性1 9 表3 2m a x 3 0 0 0i o 口特性2 l 表4 1 人体运动目标回波测量方案4 8 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 人的微多普勒特征3 图1 2 狗的微多普勒特征3 图1 3 山羊的微多普勒特征4 图1 4 鹿的微多普勒特征4 图1 5 雷达系统结构图。4 图i 6 三元接收阵列4 图1 7 四川汶川地震中使用的生命探测仪4 图i 8 雷达及其对地面目标的识别率5 图1 9 系统设备连接图7 图2 1 雷达系统结构和原理9 图2 2 采集系统设计方案图1 3 图2 3 采集板系统总结构图。1 4 图3 1 增益控制电路图1 6 图3 2 缓冲器的实现框图1 7 图3 3 低通滤波器的实现框图1 7 图3 4a d 采样外围电路图1 8 图3 5c y 7 c 6 8 0 1 3 a 结构框图2 0 图3 6 数据传输示意图2 1 图3 7u s b 接口传输系统示意图2 2 图3 8c y t c 6 8 0 1 3 a 与u s b 接口原理图2 2 图3 9k e i lc 51 编译界面2 3 图3 1 0 文件管理窗口2 3 图3 1 l 固件主程序流程图2 4 图3 1 2u s b 设备打开失败提示窗口。2 7 图3 1 3u s b 接口应用程序流程图2 9 图3 1 4 以太网接口传输系统示意图3 0 图3 1 5d m 9 0 0 0 a 与以太网接口原理图3 1 图3 1 6 网络接口的接地设计3 l 图3 1 7i p 数据报和u d p 数据报关系3 2 图3 18d s p 控制程序流程图3 4 图3 1 9 套接字编程原理。3 5 图3 2 0 数据报套接字编程模型3 5 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 2 l 以太网接口应用程序流程图3 6 图4 1 人体行走结构模型3 8 图4 2 人体上肢运动示意图4 0 图4 3 上肢摆动仿真微多普勒4 2 图4 4 上肢摆动实测微多普勒4 2 图4 5 人体上肢运动示意图4 3 图4 6l u n d & b r o w d e r 人体表面积比例图4 5 图4 7 人体躯干时频分析4 6 图4 8 人体大臂时频分析4 6 图4 9 人体小臂时频分析? 4 7 图4 1 0 人体大腿时频分析4 7 图4 儿人体小腿时频分析4 7 图4 1 2 数据采集示意图4 8 图4 1 3 雷达试验现场4 8 图4 1 4 雷达回波原始信号4 8 图4 1 5 原地不动双臂摆动5 0 图4 1 6 人体行走双臂不动5 0 图4 1 7 单人行走5 0 图4 1 8 单人跑动5 0 图4 1 9 单人行走加减速5 l 图4 2 0 单人u 字型行走5 l 图4 2 1 单人从静止开始行走到快跑5 2 图4 2 2 二人行走5 3 图4 2 3 多人行走5 3 图4 2 4 人体行走时频分析图5 4 图4 2 5 自相关周期估计结果5 4 图4 2 6 人体行走时频图中时间一能量切片5 4 图4 2 7 时频图经过分析后的结果一5 4 图4 2 8 单人行进多普勒回波时频处理图5 5 图4 2 9 单人行走频率一能量切片图5 5 图4 3 0 多人行进多普勒回波时频处理图5 5 图4 3 1 多人行进频率一能量切片图5 5 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 基王邀垒莲勤盘筵鲍厶佳邀塾迟型丕统遮盐复塞趣 学位论文作者签名：二叠堑虹 日期：加穸年厂月多g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 鸾望虬日期：多岬年，月争日 作者指导教师签名：二菱玉址 日期：二矽7 年，月日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及其意义 随着雷达技术的发展，雷达的任务不再单纯是测量目标的距离、方位和仰角， 还包括目标的速度、形状以及其它更多目标信息i l 】。通过提取目标或目标部件的振 动、转动和翻滚等微动t 2 缶】特性及其激励的微多普勒特征，将为地面行进车辆，人 员和动物，以及海面舰艇等目标的探测与识别提供新的途径。随着雷达各项技术 的发展，目前对x 波段连续波雷达，其径向速度分辨力可达到5 m m s 量级t 7 l 。这 样，利用雷达多普勒特征提取实现人体运动特征的测量已成为可能。为此，针对x 波段连续波雷达回波的特点和人体微动测量的要求，设计了一套回波信号的实时 数据采集系统，采集到的数据将用做人体微动探测和识别研究的实测数据来源。 常见的人体探测和识别手段主要有光学、红外、声波【8 l 、人体生物电场感应和 电磁波【9 】【1 0 1 。雷达人体探测是使用小功率雷达信号发射器连续发射电磁信号照射人 体，其回波信号被人体运动所调制，使得回波信号包含了多普勒频率，检测到多 普勒频率就能从中提取出人体的生命参数】( 如呼吸或心跳) 和运动参数( 如人 的行走、跑步) ，而同时保证电磁波的照射不会对人体产生负面影响【1 2 1 。利用雷达 原理探测和识别是近年来兴起的一个重要的发展方向，电磁波具有很优秀的空间 的传播特性，它突破了传统探测法不能穿透较厚障碍物、受天气光线条件约束的 弊端，无论白天或者晚上、烟雾都不会带来不良影响，并且能够穿透一定厚度的 非金属物质，这对搜寻障碍物背后的物体、海面目标以及各种复杂环境下的目标 识别都有着显著的优势。可实际应用于海上、山区、空屋、等非法偷渡者可能藏 匿地方的搜索；地震、矿井、火灾现场等存活目标搜索及有无生存者的确认，也 可用于跟踪搜救人员的生命安全；警察、安全、军事危险区域及各种复杂障碍区 域的搜索和跟踪，可及早发现目标减少伤亡。 具体来说，雷达发射电磁波照射人体，其反射回波中必然加载有人体的生理 信息，人体各部位运动与回波幅度、相位等之间必然存在相关性。行进中的人体 同时存在心跳、呼吸以及四肢摆动、躯干摆动等运动形式，但由于心跳及呼吸引 起的胸腔微动产生的多普勒信号( 这个主要用于医学上的非接触测试) 较四肢摆 动而言可以忽略不记，所以在进行实际人体行进特征分析时，可以把躯干部分视 为刚体运动，人体在行进或者跑步过程中四肢的摆动即可视为微动。由于人体行 进时人的手和腿的摆动会给雷达回波带来多普勒调制信息，利用现代数字信号处 理技术对采集到的回波信号进行时频变换，结合人体结构模型和多普勒回波时频 图，估计和提取人体微动特征参数，以到达人体微动识别的目的。多普勒回波能 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕二e 学位论文 够去除复杂背景下的强地、树木等杂波信号，为信号处理节省了很多麻烦，为目 标识别提供了一条新的有效途径。 1 2 国内外研究现状 基于雷达微多普勒特征达的人体微动研究开始于上世纪9 0 年代末，之后发展 迅速 2 】 6 】【1 3 】【1 4 1 。基于目标多普勒特征的识别技术被首先应用于战场上各种目标之间 的分类，逐渐发展到对人体目标的探测与识别。2 0 0 9 1 0 1 9 央视新闻联播报道，基 于多普勒的汽车自动报警系统已大规模投入市场应用，说明基于微多普勒特征技 术的探测识别技术在一些领域已经达到成熟应用阶段；但是，由于不能有效的把 目标物体各部位运动的多普勒调制信号分离，人体微动识别的特征提取都是基于 人体各部位运动所产生调制信号的时频变换图来进行的，从时频图中分析和提取 特征，以达到识别的目的。因此，在人体微动研究领域，在对多目标识别、复杂 运动之间识别、分辨精度等方面的发展遇到了瓶颈，也必然成为研究之热点。 随着微多普勒特征研究的深入和现代雷达技术的发展，特别是日益复杂的战 场环境和应对多种突发事件的要求，人体微动雷达特征研究有着极大的应用需求 和发展空间，推动着人体微动特征的研究发展速度。由于人体的结构和材质特殊， 人体行进时各肢体段、各关节点的运动都非常复杂，因此对人体模型的微动雷达 特征的全面、系统研究比较困难，进展缓慢；在人体运动的建模方面，前人已经 做了大量有效的探索并取得了一定的成果【1 5 】【】。现有的资料表明国外在该项研究 领域主要是基于实测数据，研究平台是探测人体目标的小型雷达系统。利用现代 测量手段采集雷达回波数据，运用非平稳信号处理方法提取目标运动的微多普勒 调制特性，对人体微动参数进行估计，结合现代模式识别方法、计算机技术，从 而达到探测和识别目的。 b o u a l e mb o a s h a s h 1 7 】教授在其2 0 0 3 年最新著作时频信号分析和处理一综合 参考手册( t i m ef r e q u e n c ys i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ac o m p r e h e n s i v e r e f e r e n c e ) 中对时频分析理论、技术和应用进行了全面总结和改进，先进的时频 分析技术为微多普勒特征提取技术提供了理论和算法支持 1 8 - 2 0 】。r a ms s 和l i n g h a o z l 】较为精确地仿真了人体微动的微多普勒特征，并结合实测雷达数据结果作了 比较和分析。研究人员首先从实测的数据中选取人体各肢体的位置信息，由此得 到每一时刻各肢体的三维位置数据，而后将人体利用规则的球体和椭圆体进行建 模，将人体每一时刻的位置数据与人体模型相结合计算其r c s ，从中提取微多普 勒特征，这项研究为该领域的相关研究提供了理论基础。 伦敦大学学院电子与电机工程系( u n i v e r s i t yc o l l e g el o n d o n ，d e p a r t m e n to f e l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) 的s m i t hg e ，w o o d b r i d g ek 和b a k e rc j 瞄】 第2 页 囝防科学拄术大学研究生院硕士学位论文 为对礅多普勒概念进行推广，提出了人体的多元微多普勒特征( m u l f i s t a t i c m i c r o - d o p p l e rs i g n a t u r e ) 的概念。研究主要是基于多元阵列天线的雷达系统和收 发分置的雷达系统的微动特征。文章首先介绍了多元微多普勒特征的概念，通过 简单的人体运动模型来描述人体行走的运动规律和对雷达的调制作用，最后利用 雷达系统对人体的运动进行丁实际钡i 量，并比较了实测数据与仿真结果在接下 来的工作中研究人员希望将此技术应用于目标分类和识别。 陶森大学计算机与信息科学系( c o m p u t e ra n d i n f o r m a t i o ns c i e n c e s d e p a r t m e n t ， t o w s o n u n i v e r s i t y ) 的l e ij i a j i n 和l u c h a o 等人利用先进的时频分析方法分析了基 于微多普勒主成分分析( p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，p c a ) 的目标分类阱】和基于 微多普勒模式识别的研究。l e ij i a j i n 和l uc h a o 使用g a b o r 滤波抽取时频域中的 局部微多普勒特征，通过主成分分析方法降低g a b o r 特征的维数。研究人员仿真 了四类典型微动目标的时频徽多昔勒特征，结合b a y c s 线性分类器、k 近邻分类器 和支持向量机对仿真雷达数据进行处理，试验结果表明基于g a b o r 特征的分类方 法能稳健地分辨不同微动产生的微多普勒效果。 德克萨斯大学奥斯汀分枝应用研究实验室( a p p l i e dr e s e a r c hl a b o r a t o r i e s t h e u n i v e r s i t yo f t e x a sa t a u s t i l l ) 的a n d e r s o nmg 和r o g e r srl 1 2 4 j 使用一台低成本x 波段倍频连续波雷达( m f c w ) ，通过对非合作目标进行采集实测数据，包括人、 车辆和动物，实用时频变换对数据进行处理并提取微多普勒特征加以比较，如图 i1 图l6 。研究人员对各种动物进行实际测量，如鹿、狗和山羊，重点对各种 非合作目标在不同的雷达 射角、不同运动状态以及不同姿态下的微多普勒特征 进行分析。从图中我们可以看出不同目标不同姿态下的微多普勒均存在差异而 这种差异可用作对目标进行分类和识别，但具体的特征提取方法仍需要进一步探 讨，结合识别手段，研究人员希望在今后的研究中能开发出基于微多普勒特征的 自动目标探测与识别系统。 躐燃 _ w 。i r e s a ”l 图11 的微多普勒特征 圈1 2 狗的徽多普勒特征 第3 页 卜fe艟慨。 竺。1，“，。犷裂i叫飘书宁 m| 璧坚堑茎些奎奎茎坠垒兰璧堡圭茎篁耋圣 盈13 山羊的微多普勒特征图14 鹿的微多普勒特征 图l5 雷达系统结构圈 图1 6 三元接收阵列 随者基于微多普勒特征的人体微动识别算法的成熟和现代雷达技术以及电子 技术、计算机技术的发展，国外大部分研究人体微动的研究机构对已有的研究其 它目标微动的小型雷达进行了改进，对原本分离的雷达系统、数据采集系统、数 据处理系统进行整体上的规划设计，通过加强后端数据处理实时性、系统的稳定 性的提高以及系统便掳式应用设计，基于微多普勒特征的人体微动识别系统朝着 便捷、快速、易操作方向发展，并已经逐步投入实用。在2 0 0 8 年5 月1 2 日的四 川汶川大地震的搜救中，中国及世界各国的专家，利用生命探测仪进行探测( 图 17 ) ，搜救出数万名被困的遇难同胞：其中搜救出的掩埋时间最长的同胞为1 7 0 多 个小时。 图17 四川没川地震中使用的生命探测仪 雅典国立科技大学电子与计算机工程系的a g g e l o p o u l o se 和k a r a b e t s o se 第4 砥 国防科学技术太学研究生院硕士学位论文 等鉴于希腊经常遭受的地震灾害，研制了套微波生命探测系统，主要应用于对 地震后砖石、山体等障碍物掩埋下对受难人员呼吸和心跳的感知，为灾害救援提 供技术支持。在多次的实际救援中该系统表现良好，发挥了重要作用研究人员 试图进一步完善系统功效并将拓展其应用领域，例如医疗监护等。 生命侦测仪是美国超视安全系统公司于2 0 0 5 年新近推出的一种安全救生系 统。著名物理学家麻雀理工学院博士大卫席思( d a v i dc i s t ) 剖造性地将雷达超 宽频技术( u w b ) 应用于安全救生领域，从而为该领域带来一项革命性的新技术。 基于这种新技术的安全救生系统生命探测仪，成功地解决了多项困扰传统安 全救生系统的问题，使搜救工作比以往更迅速，更精确，也更安全是现在世界 上最先进的生命探测系统。该系统的天线是美国航空航天局( n a s a ) 指定的火星 探测器两种候选雷达天线之一，是世界上最先进的探地雷达天线，能够非常敏锐 地捕捉到非常微弱的运动。生命探测仪是借着感应人体所发出超低频电波产生之 电场( 由心脏产生) 来找到“活人”的位置。配备特殊电波过滤器可将其它动物 诸如狗、猫、牛、马、猪等不同于人类的频率加以过滤去除，使生命探测仪只会 感应到人类所发出的频率产生之电场。仪器配备两种不同侦测杆，短距离2 0 公尺 而长距离侦测杆侦测距离可达5 0 0 公尺。人体发出的超低频电场可穿过钢筋混凝 墙、钢板等障碍物。仪器在隔着障碍进行侦测时，侦测距离会减少，这时需要操 作者适当的靠近侦测目标区域，仍可精准地找到欲搜寻的人体目标。 由于战场环境的复杂和各种反识别手段的干扰，基于微多普勒特征的人体微 动识别系统在军事方面的应用面临着更太的技术难题，发展缓慢。 英国泰利斯传礴器有限公司( t h a l e s s e n s o r s l i m i t e d ) 口q 和泰利斯研究有限公 司( t h a l 髂r e s e a r c hl i m i t e d ) 的研究人员利用基于微多普勒特征的单兵便携式监 测跟踪雷达( m a np o r t a b l es u r c e i n a n c ea n dt r a c k i n gr a d a r , m s a t r ) ，对行人，辖 式车和履带车的进行分类。如图18 所示，m s t a r 是一个多功能，低功率地面监 测雷达，m s t a r 全天时、全天候监测覆盖区域可远距离为4 2 k r a ，其作战能力已 在海湾作战和维和任务、巴尔干半岛和阿富汗军事行动中得到证实。如图l8 所示， 研究人员以多普勒谱为特征向量和多级f i s h e r 线性分类器为分类方法，对三类目 标的实测数据进行分类，正确率超过了8 0 。 m ”m 能望” 图1 8 雷迭及其对地面目标的识别率 螫 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 荷兰海牙t n o 物理与电子实验室研制了一种手持式穿墙雷达，应用于城市作 战和反恐特种作战。该仪器由小型雷达收发系统、一个p d a 型显示和处理单元以 及电源部分连接而成。为了获得障碍物后面人的精确位置，它采用两个传感器( g p s 或者固定不变的双路连接) 同步操作，进行三角测量，并使用高分辨率雷达处理， 不仅可以观测到心跳和呼吸信号，还可以显示障碍物后面人的外貌细节。 美国佐治亚技术研究所研制出了一种因外形类似手电筒而得名“手电筒式雷 达 ，可探测到人体由于心跳或呼吸导致的人胸部的微小运动( 测量精度可达毫米 量级) ，并具有自动识别人体功能。该系统可探测到位于水泥墙、木墙、钢门以及 树丛等障碍后面的人员，有效探测距离3 0 一5 0 米，穿透2 3 米实体砖墙后探测 距离仍有l o 米，该装置目前只能固定使用，研究人员希望在以后的研究中对其进 行完善和便携式设计。 m i t r e 有限公司的o t e r om 2 7 1 实用一种低功耗、低成本的连续波体制的小型 雷达系统，对人体步态识别进行了研究。该系统体积非常小，造价便宜( 只有5 美元) ，这种产品可批量的、便携的应用于重点对象的安全保卫、门禁系统、边界 监控等领域。研究人员使用该系统测到的人体微多普勒频率，从中提取关键特征， 例如平均速度、步长、步幅和四肢与躯干的r c s 比值等，结合简单的b i n a r y 分类 器，用于判断是否有人侵入目标、单人行进或多人行进、单个行人的性别等多种 情景模式，分辨率高达9 5 。研究人员希望在下一步的研究中改进信号处理的手 段和特征提取技术，缩短处理时间并增高识别率，使用更加优秀的分类器用于从 多种目标中区分出人和动物，这项研究在边境监控领域有广泛的应用前景。 国内在人体目标的雷达特征的研究中主要针对医学中的非接触检测，用以监 测人的呼吸和心跳。一方面由于科研经费的原因，另一方面医学上对雷达分辨率、 信噪比、距离及障碍物的干扰都没有军用方面要求这么苛刻；将基于微多普勒特 征的目标识别应用于军事领域还处于起步阶段。 西安电子科技大学电子工程学院的史林等人研究了基于谐波模型的生命探测 雷达人体状态识别方法【2 引，对无人状态和有人无体动时的呼吸状态进行识别。研 究人员首先对雷达回波信号先进行滤波预处理，然后作快速傅里叶变换( f f t ) ， 根据频谱图判断体动状态。如果其频谱幅度较大，频带较宽，并且存在明显较高 的频率分量( 1 h z ) ，则可判定为体动状态。识别体动时可通过实时检测环境噪 声设置合适的门限值自动完成识别。如果无以上信号特征或特征不明显，再使用 基于高阶累积量的方法对回波信号作谐波频率估计，如果此时得到的谐波频率都 不在呼吸的多普勒频率范围之内，则可判断为无人状态，否则是有人静止不动呼 吸状态。以上步骤均可由软件自动完成，从而实现了生命探测雷达的目标状态自 动识别；该方法对合作目标的实测数据进行分类，正确识别率大于9 0 。 华东电子工程研究所的闰冯军和朱家兵在理论上研究了基于宽带调频的非接 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 触式探人雷达信号检测技术 2 引，研究表明，基于距离维和多普勒维两维f f t 滤波， 与常规的单一载频连续波体制相比具有更好的检测、定位和识别能力。 第四军医大学生物医学工程系的路国华、邱立军等研究人员【3 0 3 2 】通过电磁波 探测人体呼吸和心率，通过对非接触检测呼吸和心跳所引起的人体微动多普勒回 波进行数据处理和特征分析，进而提取所需人体微动参数。研究人员自行开发出 一套具有高微动检测灵敏度的雷达系统用作试验平台。当该系统发射功率l 所形时， 在5 0 m 距离的实验室自由空间( 雷达与人体间无任何障碍物) 可检测到人体生命 特征：当发射功率为7 r o w 时，可穿透2 4 c m 厚的模拟砖墙检测到人体生命特征。 在后续的研究中，研究人员针对不同环境下各种电磁干扰及噪声影响时域波形的 显示，提出了检测系统中噪声的非线性压缩技术，有效解决了在时域图形显示时 噪声水平因为a d 数据采集卡的增益及软件显示而导致噪声增加的问题，实现了 呼吸和心跳信号低噪声水平显示。非接触生命体征检测在医学上有重要的实际意 义，特别适用于一些特殊应用场合，如对大面积创伤、烧伤、恶性传染病患者等 不宜采用与皮肤接触的传感器或电极的患者进行监护，在家庭监护中摆脱电极、 电缆等的束缚等，在军事医学上有特殊意义。针对该系统在实际应用中因为强杂 波导致后续放大电路饱和而使探测仪无法正常工作的问题，研究人员又进行了强 杂波对消技术的仿真研究，为将来的实际应用提供了理论依据和方法。 本实验室微动研究小组在微多普勒研究方面积累了大量的先进研究成果和宝 贵经验，陈行勇对微动的概念做了全面总结和有效推广【7 】，对多普勒时频分析、多 普勒参数提取和多普勒成像都取得了大量具有突破性的进展；张翼重点对人体步 态识别的建模、时频分析、参数特征提取做了系统的研究【3 3 1 ，在国内外处于领先 地位。目前实验室对微动的研究也正在从各个方面展开，利用实验室已有研究成 果和设备条件，开展基于为人体多普勒特征的小型雷达探测识别系统的设计，是 我实验室在已有研究成果和设备条件基础上的进一步探索。 1 3 论文主要工作及结构安排 论文介绍了一套基于微多普勒特征的人体微动识别系统的设计与实现，包括 单频连续波收发雷达系统介绍、多普勒回波数据采集板设计、后端数据处理以及 人体微动识别研究。系统整的结构如图1 9 所示。 人体微动测量 卜 人体微动多普 勒回波 4卜人体微动实测 雷达系统 数据采集板 数据研究 图1 9 系统设备连接图 针对所做工作的重点，论文的章节安排如下： 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 本文首先引入人体微动的基本概念，阐述了本文的研究背景，分析了国内外 关于人体微动研究现状，并介绍了本文的工作和结构安排。 第二章对采集系统做了整体规划。介绍了测量雷达系统结构和原理，结合雷 达回波具有多成分和高幅值的特性，为去除回波中的干扰信号和调整信号幅值并 进行实时采样，设置了信号预处理模块和数据采集模块；基于数据传输的不失真、 实时性和稳定性考虑，选取了u s b 接口和以太网接口作为传输接；并分析了系统 设计的合理性。 第三章详细介绍了采集系统各个子模块的设计实现过程。首先介绍了雷达回 波预处理过程中的电平增益控制、信号缓冲、信号滤波三级电路的设计；然后针 对预处理模块输出信号特点，设计了数据采集和缓冲子模块；结合采集输出数据 流特点，综合便携式和开发难度的考虑，最后阐述了u s b 接口和以太网接口两路 传输系统设计从芯片选型、外围硬件电路设计到软件实现的过程。 第四章为基于实测数据的人体微动识别研究。在已有人体结构模型和运动模 型的基础上，研究了人体躯干和四肢的微动规律，推导了人体微动雷达回波解析 式并进行了仿真实验。设计了人体行进时雷达回波数据采集实验，对回波数据进 行了分析，提取了行进周期和行进速率，并对单人或多人场景进行了分辨。 最后对所做工作进行了总结，并提出了下一步研究方案和改进措施。 第8 页 垦望墼茎彗奎奎茎堑塞圭墼霎圭茎堡篓耋 第二章人体微动测量雷达回波分析与数据采集系统方案 人体行进时由于人体各部位运动引起的雷达回波多普勒频移，通过对回波进 行频谱分析，提取有效特征对人体行进参数进行估计。测量系统要隶不失真地捕 获到回波中人体运动的信息，将数据实时快速上传到上位机。在进行采集系统设 计之前，必须对测量雷达系统的结构和原理、雷达回波的特性以及人体微动研究 需要做正确分析，并根据人体微动识别研究对宴测数据的需要，在整体上给出采 集系统的设计方案和可行性分析。 2 11 雷选系统结构和原理 2 1 雷达系统介绍 单额连续波雷达是一种应用较广的目标测量设备。在目标速度相同的条件下 雷达波长越短产生的多普勒频移越犬，越利于提取目标速度变化的细微特性，因 此高的波段( k a 、k u 波段) 更利于人体运动特性测量。综合考虑雷达体积、成本 和实现难度等多种因素，人体微动测量系统的雷达设备波段选取在x 波段，雷达 系统结构和原理如图21 所示。 ( 对雷选系统实物图( b ) i 量雷达原理 图2 1 雷达系统结构和原理 雷达包括1 个发射天线和豫个接收天线。收发天线均采用平面微带天线。实 物图外观如图21 ( a ) 所示。为使样机雷达的结构紧凑、体积小，天线设计为平 面微带天线阵，它具有重量轻，体积小成本低以及结构相对简单易于制作等特 点。发射机采用全固态主振功放链电路主振级为介质谐振器，功放链采用甲类 场效应管功率放大器，在主振级与功放链之间、功放链与发射天线间均加有隔离 器。接收机采用以低噪声场效应管放大器为前端的零中频方案，全部电路为固态 电路结构，接收天线阵接收到的回波信号分别经过低噪声放大后，由混频器变为 零中频的多普勒回波信号，再经零中频放大嚣放大形成差分输出，送到终端处理。 电源模块内含1 25 v 大电流开关电源、_ + 1 2 v 线性一体化电源、加高压的控制电路， 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 提供天线头分系统所需的各种电源。 基本技术指标如下： 工作频率：x 波段 极化形式：水平极化 天线3 d b 波束宽度：5 0 ( 方位) x5 0 ( 俯仰) 天线增益：2 7 d b 发射功率：5 0 0 m v 接收机通道数：1 路 噪声系数：5 d b 中频带宽：1 4 k h z 1 0 5 k h z 零中频放大增益：6 0 d b 动态范围： 7 0 d b 终端通道数：l 路 前放增益：一1 2 d b - + 1 2 d b 2 1 2 人体微动测量对雷达的要求 1 ) 电磁辐射危害对雷达的要求 由于本雷达是对人体微动研究提供的实验系统，在进行多次反复的实验中对 人体的照射时间比较长，由于电磁波对人体健康构成威胁以及实验场地的限制等 因素，因此雷达的发生功率不宜过大。在进行实验中人距离雷达大概在2 0 米至8 0 米之间，此外考虑实验场地的大小、周围环境的影响因素，依据1 9 8 8 年试行的中 华人民共和国国家标准u d c6 1 4 8 9 8 5g b 9 1 7 5 8 8 环境电波卫生标准 3 4 1 和i e e e c 9 5 ，1 1 9 9 9 电气和电子工程师协会射频电磁场( 3 k h z 一3 0 0 g h z ) 人体暴露安全标 准 3 4 1 中的有关规定，结合实际的测量条件，通过计算得到结果：本实验中雷达发 射功率在不超过1 w 时对参与实验人员无害；而本实验测量所用雷达发射功率为 5 0 0 m w ，满足不对人体产生负面影响的测量要求。 2 ) 人体微动的测量对雷达体制的要求 由于微多普勒提取是通过跨周期利用多个回波信息获取的，所以对雷达脉冲 重复频率有一定的要求。脉冲重复频率决定了雷达测速的不模糊范围，若设置不 当，则会导致模糊。严格不模糊的