（生物医学工程专业论文）非接触生命探测系统中干扰抑制技术的研究.pdf

第四军医大学硕士学位论文 缩略语表 缩略语英文全称中文全称 a 巾a n a l o gd i g i t a lc o n v e r t 模拟数字转换 d a d i g i t a la n a l o gc o n v e n 数字模拟转换 s a r s p e c i f i ca b s o r p t i o nr a t e 比吸收率 f m f r e q u 即c ym o d u l a i i o n 调频 c wc o n t i n u o u sw 打e连续波 f f tf a s tf o 埘e rt r a n s f o 肌a l g o r i t l l l快速傅立叶变换 e c g e l e c t r o c a r d i o g m p h 心电图 l m sk 船tm e 孔s q u a r e 最小均方法 f s s l m sf i x e ds t e p s i z el e a s tm e a ns q u a r e 固定步长最小均方法 v s s l m sv 盯i a b l es 自e p - s i z el e a s tm e a i ls q u a r e 可变步长最小均方法 r l sr 船u r s i v cl e a s ts q u a r e 最小二乘法 r l s l r e c u r s i v el e a s ts q u a r e 啪i c e最小二乘格型算法 q r d - l sq rd e c o m p o s i t i o n - l e 挝s q u a r e q r 分解最小二乘法 u s bu i l i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线 f i rf i n i t eh n p l l l r e s p o n s e 有限脉冲响应 i i ri 曲血t ei i n p u l s er e s p o n s e无限脉冲响应 s n r s i g i l a l n o i s e r 撕。信噪比 第l 页 第四军医火学硕士学位论文 非接触生命探测系统中干扰抑制技术的研究 硕士研究生：张杨 导师：王健琪教授 第四军医大学生物医学工程系电子学教研室，西安7 1 0 0 3 2 中文摘要 雷达式生命探测仪是采用雷达技术和生物医学工程技术非接触、 远距离穿透障碍物和掩体探测人体的呼吸、体动等生命信息，并判断 是否有生命存在的一种仪器，该仪器对被测量对象无约束，无需任何 接触性电极、传感器、电缆等的连接。其工作原理是：微波束穿透障 碍物直接照射到一定距离外的人体，其回波信号被人体生命活动引起 的体表微动所调制，从人体表面反射的载有人体动信息的回波被探测 仪接收后，再通过信号预处理器，提取出生命参数，并加以显示、分 析。在军事上，生命探测仪能够完成城市作战、敌后侦察、伏击捕俘、 反恐怖行动等作战侦察任务。还可用于公安、武警的反恐斗争，安全 保卫和监控，它能有效隔墙探测罪犯的呼吸、体动，并确定罪犯的位 置，以有效地实施打击。在民用方面，生命探测仪可用于地震、塌方 等灾害情况下被掩埋幸存者的寻找。该技术可方便地用于家庭监护、 心理测评。可对恶性传染病人进行非接触式监护( 如s a r s 病人等) ， 用于传染病房，减少交叉传染。 第2 页 第四军医大学硕士学位论文 本研究来源于军队“十五”指令课题( 0 1 l 0 7 4 ) ，课题组现已研制 出s t - 2 0 0 0 型伤员探测仪( 军用) 、警视一i 型探人雷达( 警用) 等生 命探测系统。前期研究表明有效地抑制周围动目标的干扰是非常关键 的研究工作。由于实际探测中检测到的信号成分十分复杂，不仅包括 人体的生命参数( 呼吸、体动) 信号，而且还含有各种干扰：墙面的 强反射干扰信号、操作人员的呼吸干扰信号、周围环境中动目标的干 扰信号、系统自身的噪声干扰、云台转动引入的干扰信号，这些干扰 造成了对探测结果的影响甚至造成智能判别结果的错误。因此，本研 究的主要任务是：对生命探测中各种干扰信号的抑制进行研究，提高 生命探测仪探测的判断准确性。 基于以上问题，本研究进行了以下几方面的工作：1 针对不同干 扰建立了不同的双天线生命探测系统实验平台；2 设计了双天线生命 探测系统的软件，并采集了大量的实验数据；3 完成了基于双天线的 操作人员呼吸信号干扰抑制技术的算法研究；4 完成了基于双天线的 环境动目标干扰抑制技术的算法研究；5 完成了云台转动引入干扰的 抑制的初步研究。 在研究期间，选用穿透能力强的c 波段连续波雷达和x 波段连续 波雷达作为主探测雷达，选用不具穿透能力的k a 波段毫米波雷达作为 辅助探测雷达，两路信号经信号预处理器进行放大、滤波等调理后， 再经a d 转换送至计算机。将采集到的两路生命参数信号，进行时、 频域的特征分析及相关性分析，根据分析结果选取有效的信号处理方 法，最终形成基于双天线的针对各种干扰的抑制算法。 取得的主要研究结果有：1 、完成了基于双点频、双天线生命探测 系统实验平台的搭建，完成实验设计并进行大量实验数据的采集；2 、 第3 页 第四军医大学硕士学位论文 提出了时域线性累加的干扰抑制算法和基于自适应干扰抵消技术的干 扰抑制算法；3 、采用互相关技术进行了环境动目标干扰信号的抑制研 究；4 、进行了云台转动引入干扰抑制的初步研究。 本课题具有以下创新点：1 、建立了双点频、双天线系统来进行生 命探测中各种干扰抑制。2 、提出了基于双点频、双天线系统的时域线 性累加的干扰抑制算法和基于自适应干扰抵消技术的干扰抑制算法。 关键词：双点频；双天线；相关系数；互相关：线性累加；自适应干 扰抵消 第4 页 第四军医大学硕士学位论文 r e s e a r c hf o rc o n t r o l l i n gm e t h o d so fi t e r f b 代n c eo n n o n - c o n t a c t l i f ep a r a m e t e rd e t e c t i n gs y s t e m c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：z h a n gy 弛 s u p e r v i s o r ：w a n gj i a l l q i j i n gx d i n g d 印a n m e n to f e l e c 们n i c s ，f a c u h yo f b i o m e d i c a le n g i n e e r i n f o u m l m i l “a r ym e d i c a lu n i v e r s i 协x i a 1 17 1 0 0 3 2 ，c l l i n a a b s t r a c t t h er a d 廿t y p e1 i f ed e t e c t i o ni n s t r i l m e n ti sb a s e do nm ei n t e g r a t i o no f 也e o r yo fr a d a ra n db i o - m e d i c a le n g 恤耐n gt e c h n o l o g y ，w h i c hc a n b eu s e d t od e t e c t 廿1 el i f ep a r 啪e t e r s ( r e s p i r a t i o n ，m o v e m c n t ，e t c ) a n df i r l do u t w h e t l l e rt h c r ci sa n yp e r s o na l i v eu n d e rt l l eb a r r i e r si nf 打t h e rd i s t a n c e ， 晰t h o u ta n yl e 嬲h ，e l e c t r o d e ，s e n s o r 肌dc a b l eo nd e t e c t i n go b j e c t t h e d e t e c t i o np m c e s si s ：m i c m w a v eb e 锄sp e n e 仃a t eb a r r i e r s 枷v et os l 埘k e o fp e r s o n sb o d y t h er e n e c t e d 、a v ei sm o d u la t l mb yj i g g l ec a u s e db y p h y s i c a la c t i v i t yo ft h ep e r s o n a f i e rt l l el i f ed e t e c t i o ni n s 仉m l e n tr e c e i v e 廿l er e n e c t e dw a v e ，t l l es i g i l a lp r e p r o c e s s 协gu n i tp r e p r o c e s st l l em i c m w a v e ， e x t r a c tl i f ep a r a m e t e r st od i s p l a y 锄da i l a l y z e t l l i si n s t r u i n tc a nb eu s e d m c i t yb a t t l e ，s c o u t ，c a p t l l r e 鲫da n t i 咖r i s mi nm i l i t a r yf i e l d i ti sc 柚a l s o b eu s e di ns e c 嘶t y m o n i t 0 血g 趾da i l t i t e r m r i s mb yp o l i c e i tc a i lp o s i t i o n t 1 1 ec r i m i n a lb yd e t e c t i n gt h er e s p i r a t i o na n dm o v 锄e ms i 印a l0 fc r i i l l i n a l t h i d 咄b a r r i e r st om a k ce 脑c t i v eh i tt om e m i nc i v i lf i e l d ，t h e l i f e 第5 页 第四军医大学硕士学位论文 d e t e c t i o ni n s t m m e n tc a i lb eu s e dt os e a r c hf o rh m a l ls u 巧e c t sl l f l d e r e a r n l q u a k er 曲b l eo r b e h i n db 枷e l1 1 1 i st e c l l l l o l o g yc a nb eu s e di n i l y w a r da i i dp s y c h o l o g i c a lt e s tc o n v e n i e n t l 弘i tc a l lb eu s e di ni n f e c t i o n 啪r d t 0n o n 。c o n t a c “n o l l i t o rl i f ep a r 锄e t e r so fi n 诧c t i o u sp a t i e n t ( s u c ha ss a r s p a t i e n t ) t h es t u d yo ft h j s p a p e rc o m e s 氚 mm et e n t hf i v ey e a r s m i l i t a r y a p p o i n t e dp r o j e c t ( 0 1 l 0 7 4 ) t h cl a b o 嘣o r i a le q u i p m e n ts t 一2 0 0 0 ，p o l i c e s i o n ih a sb e e nd e v e l o p e db yt h er e s e a r c hg r o u p d u r i i l gt l l er e s e a r c h w o r k sa n d p r e e x p e r i m e n t ，w ef i n di ti st l l ek e yt oc o i l t r o lt l l ei n t c d e r e n c e c a u s e db ys l l r r o l l | l d i n gm o v e m e n t t h es i g l l a l sd e t e c t e db yi n s t n l m e n ti n a c t u a ld e t e c t i o ni s c o m p l i c a t e d i t n o to i l l y 洫c l u d el i f e p 黜珊e t e r s ( r e s p i r a d o n ，m o v e m e n t ) ，b u ta i s oa n y 虹n d so fi n t e r f b r e n c e s ：c i u t t e rw a v e i n t e r f b r e n c ef 幻mw a l l ，r e s p i r a t i o ni n t e 疵r e n c ef o mo p e r a t o r i n o v e i n c m i n t e m r e n c e 舶mo b j e c t si ns u 啪u l l d i n g s ，n o i s ei n t e 疵r e n c e 舶ms y s t e m ， d i m e r i n gi n t e r f b r e n c ec a u s e db yp a nd l t st 哪i n g t h e s ei n t e r f e r e r l c e i n f l u e n c em es i 印“sd e t e c t e db yl i f ed e t e c t i n gi n s 慨ma n dp m b a b l y m a k ew r o n gr c s u ht ol i f e - f 0 肌i d e m i f i c a t i o n s ot h em a i nw o r ko ft h i s p a p e ri s ： r e s e a r c ht h e c o n t r o l l i n go fi n t c 疵r e n c e s o nl i f e p a r a i n e t e r d e t e c t i n gs y s t e m ，i m p r o v et 1 1 ev e r a c i 坶o fl i f e f o r mi d e n t i f i c a t i o n a c c o 蹦n gt ot i l e s ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，f o l l o 、v i n gs t u d ya n d e x p e r i m e n t sh a v eb e e np 刊融啪e di nt l l i sp a p e r ：1 h a v i n ge s t a b l i s h e d d i 虢r e n tk i n d so ft 谢n - a i l t e n n al i f e d e t e c t i n ge x p e 血n e n t a ls y s t e m sf o r d i 虢r e mi n t e r f c r c l l c e 2 h a v i n gd e s i g n e ds o f t w a r eo ft 耐n _ a l l t e n n al i f e d e t c c t i n gs y s t e m s 趾ds a m p l e dl a 唱en 嘶b e r so fd a t a 3 h a v i n gc o m p l e t e d 第6 页 箜婴垩堕查堂堡主堂焦逭塞 r e s e a r c hf o rc o n t r o l l i n gm e m o d so fi n t e r f b r e n c ec a u s e db yo p e r a t o r s r e s p i r a t i o n 4 h a v i n gc o m p l e t e dr e s e a r c h f o rc o 劬l l i n gm e t h o d so f i n t e r 觚n c ec a u s e dm o v eo b j e c ti ns u 玎o u n d i n g s 5 h a v i n gc o m p l e t c d p r e l i m i n a r yr e s e a r c hf o rc o n t r o l l i n go fi m e r f b r e n c ec a u s e db yp a nt i l t s 慨i n g d u r i i 唱t h er e s e a r c h 、o r k ，、v es e l e c t e dt 1 1 ec o rxb a n dc o 瓶n u o u s w a v er a d a rt l l a tc 姐p e n e t 哟b a 峨e ra sm 如d e t e c t i o nr a d 鸥a n ds e l e c t e d t h ek ab a i l dr a d a rn l a tc a l l tp e n e 仃；毗et h eb 训e ra sa c c e s s o r i a ld e t e c t i o n r a d 盯t 、os i g n a l ss 啪p l e db yt w or a d a r sw e r e 锄a i y z e di nt i m e d o m a i n ， 丘_ e q u e n c y - d o m a i na 1 1 dr e l a t i v i t y a c c o r d i i l g t ot h ea i l a i y t i c a lf e s m t ，w e s e l e c t e de a e c t i v em e m o d so fs i 盟a lp r o c e s sa 1 1 df o 衄e dc o n n d l l i l l g m e 廿l o d so fi m e m ；r e i l c eb 硒e d 帆t w i n - a n t e n n as y s t e m t h em a i nr e s l l l t sm a th a v cb e e na c c o m p l i s h c di nt h i sp a p e ra r el i s t e d b e l o w ：1 h a v i n ge s 饪l b l i s h e dl i f cd e t c c t i n ge x p e r i m e m a ls y s t e m sb a s e do n t 、i n - a i l t e n n aa 1 1 dt w i n - f e q u e n c y h a v i n gc o m p l e t e de x p c r i m e md e s i g na n d s 锄p l i n go fl a 唱e n u “l b e r so fd a 诅2 h a v i n gm e 埘o n e dc o n 仃d l l 访g m “h o do f r e s p i r a t i o n i n 士e 疵r e n c ec r e a t e db yo p e r a t o rb a s e do n t i m e d o m a i n1 i n e a ra d d i t i o na 1 9 0 r i t 盟a n da d a p t i v ei r 鹏r f b r e n c ec a n c e l a l g o r i t l l m 3 h a v 访gc o r n p l e t e d r e s e 鲫c hf o rc o n 扫0 1 1 i i 培m e t h o d so f i n t e r f e r e n c ec r c a t e db ym o v eo b j e c t si ns u r r o 衄d i n g sb a s e do nc m s s c o t e l a t i o na i g o r i t 岫4 h a v i n gc o m p l e t e dp r e l i m i n a r yr e s e a r c hf o r c o n n d l l i n go f i n t e d b r e n c ec a u s e db yp a n t i l t st l l m i n g i 蛐o v a t i o n si nm ep 印e ra r el i s t e db e l o w ：1 h a v i n ge 咖b l i s h e d1 i f e d e t e c t i n ge x p e r i m e n 协ls y s t 啪sb 髂e do nt 诵n - a n t e n n aa n dt w i n - f f e q u e n c y 第7 页 第四军医大学硕士学位论文 t oc o n t r o lt 1 1 ed i f r e r e n ti n t e r f h e n c e 2 h a v i n gr n e n t i o n e dt i m e - d o m a i n l i n e a ra d d i t i o nc o n t r o l l i n gm e m o do fi n t e r f b r e n c e 趾da d a p t i v ei n t e r f b r e n c e c a n c e l c o n t r o l l i n gm e t l l o do fi n t e r f b r e n c eb a s e do nt w i n - a n t e i l l l aa 1 1 d t 、v i n f k q u e i l c ys y s 把m k 唧o r d s ：佃v i n 一矗e q u e n c y 铆i n - a n t e n n a ，c o r r e l a t i o nc o e m e i e n ，c r o s s c o r r e l a t i o n ，l i n e a ra d d i t i o l l a d a 州v ei n t e r f 的1 c ec a n c e l 第8 页 第四军医大学硕士学位论文 前言和文献回顾 1 课题背景 1 ，1 文献回顾 非接触生命参数检测技术是伴随着雷达技术、生物医学工程技术、 微电子技术、计算机技术等的发展以及军事、医学等领域的需要而产 生的。目前国外该技术的研究主要集中在美国、日本、德国、希腊等 国家，其中美国起步最早“2 1 。2 0 世纪8 0 年代初期，美国d k m i s r a 等科研工作者将人体简化为复合介电常数的球体和圆柱体模型。1 ，在平 面极化、垂直极化、圆极化的情况下，分别研究了电磁波照射人体的 散射特性，指出了人体微动与回波幅度、相位等之间的相关性。d u r n e y ， h u n 和l l l i s l o z a l l o 等人在多年的剂量计算经验基础上为了得到目标的 整体平均比吸收率s a r 而提出了经验公式“1 。根据经验公式，当入射 电磁波的电场分量e 平行于目标的长轴的时候目标生物体的吸收剂量 最大，反射量相对较小。由此推测，当人体站立时，天线采用水平极 化方式，人体的吸收剂量最小，反射剂量最大，此时，检测效果应该 最好。本文对1 0 名站立受试对象分别采用水平和垂直两种极化方式采 集呼吸信号，比较两种信号的幅值：并对两种极化方式下的呼吸信号 做功率谱估计，结果发现水平极化方式下测得的呼吸波信号幅值大于 垂直极化方式下测得的呼吸波信号幅值，水平极化与垂直极化测得的 呼吸信号能量有统计学意义( p o 0 1 ) 。从而得出结论：水平极化方式 下的呼吸信号能量明显大于垂直极化方式。所以，当被测对象站立时， 天线水平极化方式的检测效果好于垂直极化方式4 1 。 8 0 年代中期，美国开始研究探测人的生命特征的雷达技术删，针 第9 页 蔓凹垩堕盔堂堡主堂垡鲨塞 对生命探测系统的各种干扰抑制技术的研究也同时展开。y o s h i o y a m a g u c h i 等人”8 1 用l 频段的调频连续波( f m c w ) 信号，对埋藏于 雪地的生命体进行了识别探测研究；并针对临床监护和战场伤员生命 探测两个领域，分别采用s 、x 、k a 波段的微波进行研究，采用了雷 达双通道微波鉴相技术，信号处理上主要采用滤波和f f t 技术，由于 外围目标干扰的影响，其检测效果受到了很大影响。美国的h u e y r u c h u a n g 教授。1 针对l 波段和x 波段的生命探测系统进行了基于微处理 器控制的杂波自动对消子系统的研究，利用本振信号( 进行幅度和相 位调整) 对回波信号的对消，有效地抑制了墙面反射回来的强杂波信 号。 k m c h e n 教授。“3 领导的美国密歇根州立大学研究小组采用两个 l 波段的连续波天线( 同一套雷达系统) 同时进行检测，对检测到的两 路信号进行互相关处理后，有效地降低了噪声的水平和环境干扰水平， 使信号的信噪比得以增强。在模拟地震后建筑物坍塌的废墟中，成功 地抑制了环境和噪声干扰检测出了模拟的心跳信号。因此，利用双天 线的检测方法，通过信号的互相关处理技术，可以穿透建筑物废墟检 测到比较规律的心跳信号。该系统的缺陷是：操作者的走动信号( 无 规律) 可以通过双天线互相关处理技术来抑制，但对操作者的呼吸信 号( 规律) 运用互相关技术则抑制效果不佳。 1 9 7 5 年w i d r o w 教授“2 1 首先提出用自适应噪声抵消的方法从孕妇 心电中提取胎儿心电信号，他采用孕妇腹部导联信号幽作为主输入， 它包括了胎儿心电 和母亲心电狮，即卉鼍疗+ m r ；采用胸部导联信 号x r 作为参考输入，参考输入只含有母亲的e c g 信号肌r ，即x r = 聊， 如图1 所示“，从包括胎儿和母体e c g 的腹部导联信号卉中抵消掉 第1 0 页 蓥四垩堕盔堂堡堂垡堡塞 母体的e c g 信号x r ( 参考输入) 就得到胎儿的e c g 信号办，其处理 结果如图2 所示。1 9 8 5 年z h o u 等人“”又改进了这种算法，提出采用 窗口激光质谱仪程序去检测胎儿微弱的心电信号，取得了更好的效果。 图1 从孕妇e c g 中提取胎儿e c g 电极位置示意图 处理黼 叫k _ 州p p 坼卅由叫k 如一 处理后 图2 从孕妇e c g 中提取胎儿e c g 结果图 在国内，北京航空航天大学和西安电子科技大学“5 。”3 等正在进行 生命探测仪方面的研究，但起步比本课题组晚。本课题组是国内最早 开展自动杂波对消技术研究和基于双天线的干扰抑制技术研究的小 组，经文献检索，该方面报道主要集中在本课题组。 1 2 主要技术 非接触生命参数检测技术“_ ”借助微波，可在一定距离范围内、隔 一定介质( 如衣服、纱布、砖墙、废墟等) 、不接触人体的条件下检测 人体生命参数信号，是一种新型的检测技术。相关研究表明“”，微波 照射人体，其反射波中必然加载有人体的生理信息，人体微动与回波 幅度、相位等之间具有相关性，这就为非接触检测呼吸、体动信号提 供了可能。另外，微波还具有很好的空间传播特性“1 ，并具有穿透非会 属介质的能力“，所以现阶段国内外研究人员多采用微波进行非接触 第l l 页 箜四至匡盔堂亟主堂垡堡塞 生命参数检测的研究。该研究涉及的主要技术有雷达技术、生物医学 工程技术和信号处理技术。 1 2 1 雷达技术 非接触生命参数检测技术主要运用了以下几种雷达技术： ( 1 ) 高稳信号的产生技术 采用非恒温晶体振荡器，用频率合成( 直接倍频) 的方式来提高 输出信号频率。同时选用频率稳定度高、相位噪声低、抗振动性能好 的s c 切割晶体谐振器作为晶体振荡器的关键元件，采用超低噪声的皮 尔斯振荡电路，利用低噪声偏置方式，来最大限度地提高信号源的频 率稳定度，同时改善其相位噪声，尤其是源的近载频相位噪声。 ( 2 ) 超低频信号的相干检测技术 采用的平衡相干检波器具有抑制干扰能力强，无杂波动态范围大 等特点，其输出具有良好的超低频特性，对参考信号的平衡作用要求 较高，同时还具有很高的三阶互调截点，采用平衡巴仑和高灵敏的肖 特基二极管堆等组成相干检波器，以获得最大的处理增益，提高接收 灵敏度。 ( 3 ) 环境干扰抑制技术 系统采用窄波束、低旁瓣的天线，来降低环境对系统的干扰。 ( 4 ) 扫描探测技术 本课题组采用云台加载雷达的方法“盯来实时控制雷达的探测方向 和角度，并提出了非接触生命参数检测系统扫描探测的概念，即通过 云台的旋转来改变雷达的探测方向，探测位于不同方向和位置的生命 体目标，从而实现探测目标方向的确定，并扩大了探测范围。 1 2 2 生物医学工程技术 笫1 2 酉 蔓四芏匡盔堂堡主堂壁笙塞 在生物医学工程技术应用方面，非接触生命参数检测技术主要是 对雷达前端所提供的低频信号首先进行高共模抑制比的信号( 生物医 学信号) 预处理，将雷达输出的零中频信号分成呼吸和体动两路信号， 同时滤除各种干扰信号“。 1 2 3 信号处理技术 非接触生命参数检测技术还运用了以下的信号处理技术： ( 1 ) 强杂波信号抑制技术 较厚建筑物对发射信号的强直接反射( 强杂波信号) ，可造成接收 机的饱和，使探测仪的接收机无法正常工作。为获得较高的信号检测 灵敏度，雷达强杂波信号需要在其进入接收机的混频器之前去除，因 此，人们采用各类杂波对消技术是有效的技术手段，如h u e y r uc h l l a n g 等人在接收电路之前增加了一级杂波自动对消子系统瞳“。采用单片机 搜寻最佳对消点，确定衰减器和延迟器的衰减和时延值，产生一个对 消信号来抵消强杂波信号的影响，达到抵消杂波成分的目的。 ( 2 ) 雷达天线自抖动干扰抑制技术 由于外围环境的干扰( 风吹、移动、振动等) 可以导致检测系统 产生抖动，会给系统带来严重干扰。这种抖动信号的幅度如果大于人 体的表面的微动信号幅度，则导致检测系统无法检测出入体的生命参 数。本课题组在前面的研究中利用加速度传感器提取出天线的自抖动 信号，并且建立了加速度传感器与非接触生命参数检测系统自抖动之 间的数学模型2 “，比较了f s s l m s 和v s s l m s 两类l m s 自适应算法 “。实验结果表明：自适应信号处理对于非接触生命参数检测系统 自抖动干扰的抑制作用是明显的，可以降低干扰水平，提高检测系统 的信噪比。 第1 3 页 蔓婴垩匡盔堂堡主堂焦堡塞 ( 3 ) 信号互相关处理技术 实际的生命探测中，生命信号中包含有不规则的背景噪声与操作 人员的走动干扰信号。针对该问题，密歇根州立大学的k u n m uc h e n 、 y o n gh u a n g 等研究人员提出一种基于双天线的生命探测系统“，该系 统有一套雷达系统和两个发射天线，两个天线均为穿透力较强的l 波 段天线，其频率为1 1 5 0 m h z 。双天线同时进行检测，将两个天线各自 通道下检测到的信号进行互相关处理，便可在频域增强相关性较强的 心跳信号，同时减弱相关性较小的操作人员走动干扰信号与部分背景 噪声信号。 ( 4 ) f f t 频域积累技术 基于雷达方式的非接触生命参数信号检测过程中，强噪声背景中 微弱生命参数信号的检测这个难点本课题组提出了可变点数f f t 积累 与固定点数f f t 积累两种频域积累方法凹“，并做了分析比较，得出如 下结论：基于f f t 频域积累的方法，适用于信号噪声背景强，待测信号 相对稳定且不易采用时域积累的场合。该方法实现简易，增加信噪比效 果比较明显，通过信噪比的改善，有利于非接触生命参数检测系统生命 信号的检测。 ( 5 ) 动静目标识别技术 为了提高系统智能程度，课题组提出了动静目标识别技术呦1 。通 过提取系统检测到的呼吸路信号和体动路信号，选取最优的数据长度 分别进行快速傅里叶变换( f f t ) ，对变换后两路信号的频域能量分析 比较，参照设定的阈值进行识别。通过2 0 c m 厚和3 0 c m 厚穿墙探人实 验表明：目标的运动静止状态与呼吸路信号和体动路信号的频域能量 比有着良好的相关性，该识别技术适用于不同探测环境中的非接触生 第1 4 页 塑凹至堕盔堂堡主堂焦堡塞 命参数检测系统，能够迅速对目标的运动静止状态进行识别，增强 了系统的探测功能，识别准确率较高。 1 3 应用前景 在军用方面：为我军医疗机构、搜救部队和抢险救灾机构在平战 时提供了一种新型伤员探测装备，提高我军伤员搜寻能力，填补了我 军伤员寻找装备的一项空白。 该技术可用于大面积战创伤、烧伤等不宜采用与皮肤接触传感器 或电极的伤员监护，在核生化战争条件下，对不宜暴露皮肤进行接触 式检测的伤员及需隔衣服、纱布等进行检测的场合，该技术是有效的 方法。 在民用方面：该技术可用于地震、塌方等灾害情况下被掩埋幸存 者的寻找、搜索。 该技术可方便地用于家庭监护、心理测评。可对恶性传染病人进 行非接触式监护( 如非典病人等) ，用于传染病房，减少交叉传染。 该技术还可用于公安、反恐部门抓捕逃犯以及边防部门的反偷渡 检查。 2 课题面临的主要问题 雷达式非接触生命参数检测系统检测的是人体微弱的呼吸、体动 等体表微动信号。在穿透砖墙或废墟的探测中，回波信号两次穿透障 碍物，接收电路所检测到的生命参数信号十分微弱，很容易被各种干 扰信号所淹没。这些干扰信号主要包括：由天线旁瓣及后瓣引入的探 测仪操作人员呼吸信号的干扰，此干扰为规则的低频信号；探测环境 中的各种动目标干扰( 风吹草动、操作人员的走动、晃动等) ，这种干 扰是不规则的，频率高于呼吸频率的信号；扫描探测中云台转动引入 第1 5 页 箜四星堕盔堂堡主堂垡鲨壅 的干扰，这种干扰为不规则干扰。这些干扰对有用信号的影响很大， 大大降低了检测信号的信噪比，对信号检测十分不利，寻求有效的方 法很好地抑制这几种干扰就成为一件非常重要的工作。 3 论文的主要工作 本论文研究的目标是：针对探测仪操作人员呼吸信号的干扰、环 境中各种动目标干扰、扫描探测中云台转动引入的干扰，采用双天线、 双点频实验系统进行几种干扰信号抑制算法的研究，从而有效地抑制 这几种干扰信号，提高系统的信噪比。为此，论文进行了以下几方面 的研究工作： ( 1 ) 完成基于双天线、双点频生命探测系统实验平台的搭建，完成 实验设计并进行大量实验数据的采集；( 2 ) 针对操作人员呼吸干扰信号， 提出了时域线性累加的干扰抑制算法和自适应干扰抵消的干扰抑制算 法；( 3 ) 采用互相关技术进行了动目标干扰信号的抑制研究；( 4 ) 进行了 云台转动引入干扰抑制的初步研究。 对于非接触检测系统来说，呼吸信号波形规则频率单一，是判断 有无人体目标的一个最主要的判据：而体动信号频率相对丰富且没有 规律，一般仅作为是否有动目标的判据，所以本文的研究对象均为呼 吸通路的信号。 第1 6 页 第四军医大学硕士学位论文 正文 非接触生命探测系统在探测过程中的干扰可以分为三部分：( 1 ) 操 作人员呼吸的干扰；( 2 ) 环境中各种动目标的干扰；( 3 ) 云台转动中天线 抖动引入的干扰。其中双天线采集的环境动目标干扰信号不具有相关 性，而双天线采集的操作人员的干扰信号( 主要为呼吸信号) 具有相 关性。针对这三种干扰，本文主要做了以下几方面的工作。 ( 1 ) 建立了双天线、双点频的非接触探测实验平台，采集了大量的数据。 ( 2 ) 采用互相关技术提取两路相关的呼吸信号的时延，去时延后采用时 域线性累加的方法：以及直接采用自适应滤波方法去除操作人员的 呼吸信号干扰。 ( 3 ) 采用互相关技术抑制不相关的环境动目标成分的干扰，提高被探测 目标呼吸信号的信噪比。 ( 4 ) 进行了云台转动中的天线抖动干扰抑制的初探。 1 操作人员呼吸干扰抑制技术 雷达式非接触生命参数检测系统在实际检测中，由于操作人员自 身的呼吸运动对检测系统造成的干扰，致使系统引入一定的干扰，造 成探测仪探测准确性的降低。为了解决这个问题，本实验使用辅助天 线( 不具有穿透能力) 来减小操作人员的呼吸信号对主天线( 具有穿 透能力) 的影响。 第1 7 页 第四军医大学硕士学位论文 1 1 设计思路 采用双天线、双点频的实验平台，主天线为c 波段连续波雷达， 其功率为6 0 m w ，由于分米波穿透能力强，所以主天线具有良好的穿 透能力，可穿透砖混结构的砖墙检测到墙后人体的呼吸、体动信号，但 其信号中包含了砖墙天线一侧的操作人员的呼吸干扰信号，不利于有 用信号的提取、显示和分析：辅助天线为k 丑波段毫米波雷达，其功率 为2 m w ，由于毫米波穿透能力弱，加上辅助天线功率很小，无法穿透砖 墙，所以此辅助天线主要用于检测操作人员的呼吸干扰信号。两个天 线采集的环境噪声干扰不具有相关性，而它们采集的操作人员的呼吸 干扰信号具有相关性。主天线和辅助天线的接收信号经过信号预处理 器后通过同一块a ，d 转换器进入计算机进行处理，通过一定的方法利 用辅助天线探测到的操作人员呼吸干扰信号将主天线接收信号中的干 扰信号部分消去，仅剩下穿透砖墙后探测到的被探测目标的人体生命 参数信号，从而解决天线周围的操作人员的呼吸信号干扰问题。 1 2 操作人员呼吸千扰抑制技术 本文分别采用了时域线性累加法和自适应干扰抵消法两种技术尝 试对操作人员的呼吸信号干扰进行抑制，现分别论述如下： 1 2 1 时域线性累加法的干扰抑制实验 1 2 1 1 双天线硬件实验平台的构建 本实验主天线及辅助天线均使用连续波雷达体制，其天线均为收 发一体天线，其中主天线为c 波段雷达天线，频率为5 7 5 g h z ，采用 平板天线，天线增益3 0 d b ，发射功率8 m n w ，直流+ 1 2 v 供电；辅助 天线为k a 波段雷达天线，频率为3 5 g h z ，采用微带天线，天线增益为 第1 8 页 第四军医大学硕士学位论文 8 0 d b ，发射功率2 0 n i w ，波束宽度为5 。，直流+ 5 v 供电。从两个天 线出来的信号均为零中频信号，必须通过信号预处理器进行信号预处 理才能进入采集卡进行a d 转换。本实验主、辅天线各使用一块预处 理器，预处理器为直流5 v 供电。a d 转换器为u s b 模入数据采集卡， 由计算机通过u s b 数据线为其供电，不用单独的电源供电。本系统通 过两台j w y - 3 0 c 直流稳压电源实现整个系统供电，其中一台提供直流 + 1 2 v 一路，另一台提供直流5 v 两路和直流+ 5 v 一路。本系统a d 转换采用采集卡中的1 6 路单端输入方式，由于预处理器的输出动态范 围为：一5 v + 5 v ，所以采集卡量程选择为5 v 。系统组成框图如图 1 1 所示。 图i 1 系统组成框图 将硬件各部分按系统组成框图连接：将主辅天线分别与各自的预 处理器连接。预处理器连入采集卡的一共有四路信号，分别为主天线 呼吸信号、主天线体动信号、辅天线呼吸信号、辅天线体动信号。为 减少通道间信号串扰现象，将预处理器输出的四路信号分别接入采集 卡通道1 、5 、9 、1 3 ，并将通道2 、6 、1 0 、1 4 就近与模拟地短接。 硬件平台实景照片如图1 - 2 所示： 第1 9 页 第四军医大学硕士学位论文 图1 2 操作人员呼吸干扰抑制的双天线实验平台 1 2 1 2 软件平台的设计 程序运行后，首先进行采集卡的初始化，并运行打开采集卡指令， 如果采集卡及其驱动程序安装正确，则打开成功，采集卡进入采集数 据状态；否则显示“打开失败”对话框，此时须检查采集卡是否正确 连接以及驱动程序安装是否正确。正确打开采集卡后，采集卡开始采 集数据，每一个通道的采样频率为设为4 0 h z ，并将通道1 、5 、9 、1 3 采集到的数据分别送到“微带呼吸”、“微带体动”、“平板呼吸”、“平 板体动”的面板里进行实时显示，以便观察各路信号之间的相关性， 并预留了一路专门用于显示干扰抑制处理后信号( 针对呼吸信号通路 的干扰抑制处理) 的通道。采集的同时对前四路信号进行存储，其中 第2 0 页 箜婴呈匿丕堂堡主堂垡丝塞 两路呼吸信号对齐存储为文件1 ，两路体动信号对齐存储为文件2 。软 件流程如图1 _ 3 所示。 图1 3 软件流程图 1 2 1 3 实验原理 本实验的实验原理为：期望信号为主天线采集的有用信号与干扰 信号( 操作人员呼吸干扰) 的混合信号，而参考信号为辅助天线采集得到 的干扰信号，且它与期望信号中的干扰相关。通过采用一定的信号处 理方法，将期望信号中的干扰信号与参考信号进行最大限度抵消，从 而提高信噪比。实际程序中采用的算法如下：。7 1 x ( n ) = j ( ”一) 一口v ( 胛) 疗= l ，2 ，一， 式中，s 是包含干扰的期望信号，v 是参考信号，口为加权系数，x 为 干扰抑制后的信号，h 为数据序号，疗，为期望信