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超宽带生物雷达成像及生命信号检测关键问题研究

作　者: 李邦宇
导　师: 许会
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 生物雷达超宽带步进变频连续波近场成像直达波抑制微多普勒信息检测
分类号: TN957.51
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

生物雷达是用来探测未知区域中生命体地理信息和生命信息的一种仪器，其应用领域包括灾害救援、医疗监护、城市安保与反恐等。生命体的地理信息是指生命体在未知区域中的空间位置；生命体的生命信息是指呼吸、心跳等生命信息。生物雷达通过计算机层析技术获得未知区域的水平断层图像，在图像中可以确定生命体的地理信息，应用时往往需要穿透障碍物，障碍物在雷达回波信号中表现为很强的直达波，影响图像中对目标的分辨。采用雷达检测人体的呼吸、心跳等微动信息，常利用微多普勒效应，其难点在于在强噪声中对微弱信号的检测。已有的研究成果不能完全解决直达波去除和呼吸、心跳信息检测问题，应用具有一定局限性。因此，在生物雷达回波信号的处理和系统参数方面做深入的研究，对提高其性能具有重要意义。本文针对以上问题开展研究，主要内容如下：（1）超宽带步进变频连续波雷达近场成像算法研究。首先介绍了近场成像的概念，针对超宽带步进变频连续波生物雷达，建立了其正问题数学模型。然后对生物雷达成像中的合成孔径技术进行了介绍，并研究一种应用于超宽带步进变频连续波雷达的频率-波数域成像算法原理，通过仿真分析了该算法的成像性能。（2）生物雷达直达波抑制方法研究。首先理论分析了直达波对于生物雷达成像的影响，并通过仿真进行了验证。针对传统去除直达波信号方法的不足或者局限性，本文提出了基于奇异值分解和复数FastICA两种去除直达波的方法。奇异值分解方法利用回波数据中直达波分量占主要成分的特性，在一定程度上克服了传统对消法在去除直达波的同时也削弱了目标信号幅度的缺点，提高了处理后的信噪比，并且算法快速；复数FastICA方法是从回波信号的数据结构入手，利用了直达波信号与目标信号的高阶统计量信息，把信号分解为多个相互独立的信号分量，使各个分量之间非高斯性最强，此方法运算量较大，但是直达波抑制效果较好。最后，通过实验对这两种方法进行了验证，并提出了目标信号/噪声能量比的定义，通过目标信号/噪声能量比和信干比两项指标将对消法、奇异值分解方法和复数FastICA方法进行了对比。（3）生命体微多普勒信息检测方法研究。针对传统采用单频连续波发射信号检测生命体微多普勒信息方法抑制噪声能力较弱，不能检测多个目标的微多普勒信息，以及不能在检测的同时对目标定位的不足，本文提出了采用超宽带步进变频连续波信号的生物雷达，并提出了一种距离域滤波的方法检测生命体为多普勒信息。首先针对超宽带步进变频连续波生物雷达检测生命体呼吸信号进行了数学建模，并针对不同呼吸频率时目标距离域一维成像进行仿真，通过对仿真结果的分析，得到在呼吸频率为1Hz以下，呼吸信号几乎附着在目标距离域一维像当中，并且做了距离域一维像截取的仿真实验，得到在距离域一维像两边一定范围内做截取不会丢失呼吸信号的结论。根据以上结论，本文提出了通过距离域滤波方法来消除噪声和干扰，实现检测生命体呼吸频率的目的。通过实验对上述方法进行了验证。单人试验中，呼吸频率能很好的被检测出来；双人实验中，由于多径干扰的存在，使得检测误差增大，甚至会检测不到呼吸频率。针对背景噪声较强，影响对目标距离域一维像的判断这种情况，本文采用距离域峰值跟踪方法，在强背景噪声的情况下对生命体在距离向进行定位并检测出其呼吸频率。（4）测量系统参数与呼吸频率检测中采样时间累计长度的研究。在测量系统中，天线参数各频点的不一致性、发射信号的步进频率间隔以及接收端中频滤波器带宽的设置对于测量的影响较大，本文通过对测量环境的分析以及理论推导，提出了相量差法去除天线的不一致性，以及步进频率间隔和中频滤波器带宽的合理设置。之后本文分析了采样时间累积长度对呼吸频率检测的影响，结合前面的实验结果，提出了合理的采样时间累积长度。在测量系统参数和采样时间累积长度确定后，本文对基于距离域滤波方法检测呼吸频率的误差和分辨力进行了分析。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第一章绪论  14-25
  1.1 生物雷达研究背景及意义  14-16
  1.2 生物雷达国内外发展现状  16-20
    1.2.1 国外生物雷达发展现状  16-19
    1.2.2 国内生物雷达发展现状  19-20
  1.3 生物雷达研究现状分析  20-23
    1.3.1 存在的关键性问题  21
    1.3.2 直达波抑制研究现状分析  21-22
    1.3.3 生命体微多普勒信息检测研究现状分析  22-23
  1.4 本论文的主要研究内容  23-25
第二章生物雷达近场快速成像算法研究  25-41
  2.1 引言  25-27
    2.1.1 近场成像概念  25-26
    2.1.2 生物雷达工作方式  26-27
  2.2 超宽带步进变频生物雷达成像算法研究  27-33
    2.2.1 合成孔径原理  27-29
    2.2.2 超宽带步进变频连续波近场成像雷达的正问题  29-30
    2.2.3 角谱理论及其在成像中的应用  30-31
    2.2.4 基于频率-波数域的成像算法  31-33
  2.3 仿真及分析  33-40
    2.3.1 HFSS仿真建模  34-35
    2.3.2 HFSS仿真数据后处理  35-36
    2.3.3 基于VBS技术的数据采集  36-39
    2.3.4 仿真结果分析  39-40
  2.4 本章小结  40-41
第三章生物雷达直达波抑制方法研究  41-69
  3.1 引言  41-47
    3.1.1 直达波对成像的影响仿真及理论分析  41-42
    3.1.2 直达波抑制难点分析  42-44
    3.1.3 前人研究的成果及分析  44-47
  3.2 基于奇异值分解去除直达波方法研究  47-50
    3.2.1 奇异值分解基础理论  47-48
    3.2.2 奇异值分解去直达波方法  48
    3.2.3 仿真数据分析  48-50
  3.3 基于复数FastICA去除直达波方法研究  50-61
    3.3.1 盲信号处理技术  50-52
    3.3.2 复数FastICA算法介绍及其应用  52-55
    3.3.3 ICA算法对于目标信号幅度敏感度分析  55-60
    3.3.4 观测矩阵的获得  60-61
    3.3.5 基于复数FastICA去除直达波方法  61
  3.4 实验分析  61-68
    3.4.1 实验系统  61-63
    3.4.2 实验设计  63-64
    3.4.3 算法去直达波效果比较  64-65
    3.4.4 评价指标  65-68
  3.5 本章小结  68-69
第四章生命体微多普勒信息检测方法研究  69-89
  4.1 引言  69-72
    4.1.1 生命体微多普勒概念及检测原理  69
    4.1.2 微多普勒信息检测的难点分析  69-70
    4.1.3 前人研究的成果及分析  70-72
  4.2 雷达检测呼吸信号的建模与仿真  72-78
    4.2.1 雷达检测呼吸信号的建模  72-74
    4.2.2 生命体距离域一维成像仿真与分析  74-75
    4.2.3 距离域一维像截取仿真  75-78
    4.2.4 距离域滤波基本思想及实现步骤  78
  4.3 实验分析  78-88
    4.3.1 实验设计  78-80
    4.3.2 针对单人的呼吸检测实验  80-81
    4.3.3 针对双人的呼吸检测实验  81-85
    4.3.4 未知场景中人体目标辨别及呼吸频率检测  85-88
  4.4 本章小结  88-89
第五章生物雷达天线和呼吸检测参数研究  89-101
  5.1 引言  89
  5.2 生物雷达天线对测量的影响分析  89-94
    5.2.1 超宽带步进变频生物雷达天线的选择  89-90
    5.2.2 相量差法校准天线  90-92
    5.2.3 天线功率泄露的影响与处理  92-94
  5.3 超宽带步进变频生物雷达系统参数分析  94-96
    5.3.1 步频间隔对测量的影响及设置  94-95
    5.3.2 IFBW对测量的影响及设置  95-96
  5.4 呼吸频率检测中采样时间累计长度的研究  96-99
    5.4.1 采样时间累计长度对呼吸频率检测的影响  96-97
    5.4.2 合理的采样累计时间设置  97-99
    5.4.3 呼吸频率检测误差及分析  99
  5.5 本章小结  99-101
第六章结论与展望  101-105
  6.1 结论  101-103
  6.2 下一步工作展望  103-105
参考文献  105-112
在学研究成果  112-114
致谢  114

超宽带生物雷达成像及生命信号检测关键问题研究

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