（固体地球物理学专业论文）超宽带雷达回波信号微动特征识别研究.pdf

摘 要 i 超宽带雷达回波信号微动特征识别研究 作者简介：何永波，男，1979年11月出生，2006年9年师从于成都理工大学王绪 本教授，于2009年06月毕业于成都理工大学固体地球物理学专业，获理学硕士学 位。 摘摘 要要 中国是世界上大陆地震最活跃、地震灾害最严重的国家之一。如何最大限 度地减轻地震及各类灾害损失，抢救被压、埋人员，有效地减少人员伤亡，是 减轻灾害损失的首要任务，也是最能体现出减灾实效和社会显示度的关键环节 之一。国内外多次大震后抢救生命的事实证明:对压埋人员抢救愈及时、快速， 救生、救活的可能性愈大。因此，为确保在紧急救援中用最短的时间找到被困 人员，开展先进的生命救助探测与定位方法研究具有十分重要的意义。 从原理上讲，电磁雷达探测方法应该是弥补人工搜索、光学设备观察、红 外/热成像、声波、振动探测设备、搜索犬等的有效方法。超宽带雷达探生技术 (uwb-radar for lifes detection)是近几十年发展起来的一种探测特定目标 的有效探测手段。超宽带雷达生命探测技术就是利用生命探测雷达发射电磁波 穿过墙壁等遮挡介质，探测墙壁外面或其它非金属覆盖物下面人的生命信息利 用雷达进行生命探测。实际上，生命探测雷达就是通过检测人体生命活动所引 起的各种微动，从这些微动中得到人的移动、体动、呼吸、心跳等生命信号， 从而辩识障碍物后有无生命体。近年来随着超宽带雷达技术的发展，超宽带雷 达探测仪与其他探生仪器相比，有着许多方法无法比拟的优势，比如分辨率高、 探测条件简单、操作便捷、经济快速等优点，得到了广泛的研究和应用。因此， 开展超宽带雷达探测技术的研究对灾害搜救、反恐战争、伤员探测、经济发展 等都有十分重要的意义。 本文完成的主要工作可归纳为如下几个方面： 第一部分：主要介绍了基于电磁波探测原理的雷达探生仪及其他类型的探 生仪，阐述了各自的工作原理，比较了各自的优缺点并突出了超宽带雷达探测 的优点。 第二部分：主要设计了超宽带雷达人体探测物理实验方案，并对实验雷达 回波信号数据进行必要的预处理及处理。同时，利用能量积分算法原理，编制 滑动时窗函数，提取出含有人的生命微动特征信号，并利用小波变换和时频分 析方法，对其信号进行去噪和频谱分析，提取出代表人体生命特征的频谱。同 时，利用最佳时窗的起始值进行有效的人体定位。 成都理工大学硕士学位论文 ii 第三部分：主要利用 music 算法，借助呼吸心跳谐波公式，建立呼吸信号 模型，并对含有多目标信息的雷达回波信号进行识别提取，达到在复杂环境下 多个目标体信号识别的仿真目的。 关键字：超宽带雷达，物理实验，特征识别，能量积分，多目标识别 abstract iii research for uwb-radarecho signal and recognition methods about lifes microwaving characteristic introduction of the author:heyongbo, male, was born in november 1979, whose tutor was professor wangxuben . he graduated from chengdu university of technology in solid geophysics major and was granted the master degree in june, 2009. abstract in china, the earthquake is very active, the earthquake disaster is serious. how to greatly decrease these disaster lose, rescue the pressed and the buries, reduce the personnel casualty effectively, is the most important task, also is the key link of which can mostly manifest the disaster reduction actual effect and the society reveals the indication. the fact about rescue the lives in big quakes of the domestic and the foreign countries proved that, more promptly to rescue the buries, more lives may be saved. therefore, for find the stranded people within the shortest time in the urgent rescue, it has extremely vital significance to carry out the advanced life rescue and location research. by theory says, the electromagnetic detection method should be a complement of the manual search, the optical device observation, the infrared/thermal imagery, the sound wave, the vibration sensor, the search dog and so on effective method, the ultra-wide band radar（uwb-radar）sounding technology is an effective survey method for probe some specific goal which develops just in the nearly several dozens years. in recent years, along with the ultra-wide band technology development, the ultra-wide band radar obtained the extensive research and the application. uwb-radar technology of detect life is to detect the launch of life through the walls by using radar, such as electromagnetic shielding medium, detection of the outside walls or other non-metallic cover of lives following the radar information of detecting life.in fact, lifes radar detectiong is through the detection of human life caused by a variety of fretting, such as mobile, physical activities, respiration and heart rate signals, and so on,then,to identified any obstacles life. therefore, develops the research of the ultra-wide band radar has extremely vital significance both for the disaster search and rescue and the economical development. 成都理工大学硕士学位论文 iv this articles prime task may induce into the following several aspects: the first part: mainly introduced the exploration of health- meters which based on the electromagnetic wave principle and other microwave human being-detection systems , elaborated their work principle, compared with their good and bad point s. the second part: mainly has designed the testing plan about human body probe with the ultra-wide band radar, and has carried on some pretreatment and processing to the empirical datum. it has used the energy integral principle and the design of glide window box number to withdraw the humans life characteristic signal, and to take denoising and spectrum analysis from signal by using wavelet transform and time-frequency analysis method, in order to extract the representative features of the spectrum of human life. and it has carried on the effective localization. the third part: mainly has established the breath signal model with the music algorithm and the aid of the breath palpitation overtone formula, also it has carried on the recognition of the multi-objective signal, achieved the multi-objective recognitions simulation goal. keywords:uwb-radars echo signal,physical-experiment, signal recognition,energy integration，music 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 成都理工大学 或其他教 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。 学位论文作者导师签名： 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 成都理工大学 有关保留、 使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和 借阅。本人授权 成都理工大学 可以将学位论文的全部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。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 年 月 日 第 1 章 引 言 1 第第 1 1 章章 引引 言言 1.1 研究背景及意义 人的生命是宝贵的， 然而人在工作和生活中又不可避免地受到自然灾害 （如 地震、滑坡、塌陷）和人为的灾害（战争、恐怖活动）以及各类突发事件的危 害。中国是世界上大陆地震最活跃、地震灾害最严重的国家之一。由王绍玉著 作 16统计，20 世纪，中国共发生 6 级以上地震 650 多次，其中七级及以上地 震 98 次，约占世界的 1/10，而 8 级以上的地震则达到 9 次；20 世纪，中国地 震灾害死亡人数达到 61 万多人，约占世界地震死亡人数的 36%，居世界之首。 截止目前，中国共发生 8 级以上地震五次，其中四次在中国分别是 1920 年 宁夏海原 8.5 级地震，1950 年西藏察隅墨脱 8.6 级地震，1976 年河北唐山大地 震和四川汶川 8.0 级地震 1。发生的这些大地震，造成的死亡人数在人类地震 灾害发展史是屈指可数的，对我国社会经济造成严重的破坏，在国内外也引起 了极大的震惊。 我国近年来，随着城市化进程的加快，城市的高层建筑日趋增多，钢筋混 凝土结构占主导地位，各种管道、线路纵横交错的密度加大，以及城市人口密 集等问题，使自然或人为灾害等各类突发事件的潜在危险与日俱增，一旦发生， 将会造成人民生命财产的巨大损失。如何最大限度地减轻各类灾害损失，抢救 被压、埋人员，有效地减少人员伤亡，是减轻灾害损失的首要任务，也是最能 体现出减灾实效和社会显示度的关键环节。当灾害等突发事件来临时，能否及 时救助和保护人类生命安全是关系到国计民生的大事。国内外多次大震后抢救 生命的事实证明:对压埋人员抢救愈及时、快速，救生、救活的可能性愈大 6。 根据有关专家调查统计，唐山地震后，震后的第一天内将被压埋的人员救 出来的救活率约为 82%；第二天内，被救出的救活率约为 53%；第三天内救出的 救活率约为 37%；第四天内被救出的救活率约为 19%；第五天内被救出的救活率 7%；因此，从以上专家分析来看，震后的三天时间内为救助的最佳时间 1035。 从去年发生的四川省“5.12 汶川大地震”来看，灾后的灾区被埋人员的搜救， 基本依赖于搜救犬及人力挖掘， 从而大大延迟了震后 72 小时内救助被困人员的 关键时期。同样，类似“9.11”事件的恐怖灾害复杂情况实时救助问题，以及 对劫持人质隐蔽位置的确定等问题，都对当今生命搜索与定位技术提出了更高 的要求。因此，为确保在紧急救援中用最短的时间找到被困人员，开展先进的 生命救助探测与定位方法研究具有十分重要的意义 6。 目前常用的用于灾害搜救、反恐战争的搜救定位仪器主要有：光学探生仪、 成都理工大学硕士学位论文 2 声波/振动探生仪、红外热像仪及电磁雷达探生仪等。与光学探生仪、声波振动 探测仪及红外热像仪等相比，电磁波雷达探生仪存在探测环境影响小、探测时 间快速、探测深度较深、探测操作方便快捷等优点。因此，从原理上讲，电磁 雷达探生仪应该是弥补人工搜索、光学设备观察、红外/热成像、声波、振动探 测设备、搜索犬等的有效方法。 超宽带雷达(uwb)探测仪是一种利用宽带电磁波进行有效探测的技术。超 宽带雷达电磁波具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活、 探测费用低、探测范围广等技术优越性。尤其随着近几年的发展,超宽带技术的 日益完善，得到了世界各国的重视。超宽带(uwb)雷达技术在伤员搜救、反恐 战争、灾害救助、人员定位等领域发挥出了很好的作用。因此，开展超宽带雷 达在探测人体时的回波信号处理与识别、提取和仿真等研究具有十分重要的意 义 644。 1.2 超宽带及国内外超宽带雷达探测技术研究进展 1.2.1 超宽带及定义 据 41143等文献可知：超宽带技术的起源可以追溯到 1887 年，在这一年， 赫兹实验验证了电磁波的存在。20 世纪 50 年代后期美国林肯实验室等机构在 开发相控阵雷达时，研究了 4 端口共轭微波网络的时域脉冲响应特性，并用雪 崩三极管产生了超短脉冲，开辟了时域电磁学这一新的技术领域。到 20 世纪 70 年代初，脉冲序列发生器、脉冲序列调制器、检测接收机、宽带天线等超宽 带雷达系统的主要模块已经基本成熟，相关研究创新来自对特定系统实现模块 的改进。 1989 年，美国国防部高级计划署开始采用超宽带一词，此前，uwb 技术 一直被称为基带、无载波或脉冲无线电。考虑到当时超宽带技术主要面向雷达 等军事领域应用的特点和要求，超宽带有如下方法的定义 445： 把绝对带宽 hl fff 与中心频率的比值称为百分（相对）带宽或者称为 带宽指数： 0 f f = 2 hl hl ff ff （1-1） 任何一种雷达信号，不论其中心频率或时带积如何，只要其百分带宽大于 或等于 25%，就称这种雷达系统为超宽带雷达。 第 1 章 引 言 3 图图 1 1- -1 1 超宽带定义示意图 通常把1%定义为窄带，把 1%25%定义为宽带，而把25%定义 为超宽带（uwb） 。一般由参量谱分布数值下降 3db 来确定频率范围的上限频 率fh和下限频率fl， 也有用下降 50%来确定的。 或者是把参量谱分布数值占总 参量谱的 95%的范围确定为上下限。如图 1-1 所示，为典型的相同中心频率时， 窄带、宽带、超宽带的示意图 5。 信号的带宽指数也可以采用比值 hl f dff ，也有人称此为带比，如果用对 数量度则为 10lg() h f l f d f 。 对于超宽带，国外还有一种定义超宽带雷达的方法是 43：从冷战结束后的 20 世纪 90 年代开始，很多军事技术转入民用，渐成潮流。美国 fcc 于 2002 年 2 月 14 日给出了超宽带无线电的定义， 规定百分带宽大于等于 20%或者绝对 带宽大于 500mhz 即为超宽带，由功率谱衰减-10db 确定，并且规定了最大能 量辐射标准 444。 从超宽带的发展历程来看，越来越多的信号种类被纳入了超宽带的范畴。 另外，早期的超宽带技术主要应用在军事领域，自从 2002 年 2 月美国 fcc 批 准超宽带技术用于民用产品以来，其应用越来越广泛,如勘测成像领域、搜救探 生、反恐战争、汽车电子等领域。在通信领域，以 intel 为首的多频带 ofdm 方案和以 motorola 等公司提出的方案一直在争论，至今未达成统一 112345。 1.2.2 超宽带雷达生命探测技术研究进展 超宽带雷达生命探测技术就是利用生命探测雷达发射电磁波穿过墙壁等遮 挡介质， 探测墙壁外面或其它非金属覆盖物下面人的生命信息利用雷达进行生命 成都理工大学硕士学位论文 4 探测。 它的优势在于生命探测雷达的穿透屏蔽物能力和可采用数字信号处理滤除 环境杂乱信号以及可以进行非接触生命探测的性能。 由于电磁波传播过程中在两 种不同介质的表面都会产生反射电磁波， 可以根据遮挡物和生命体信号特征的不 同进行信号处理，从杂波中提取有用信号，从而达到生命探测的目的。实际上， 生命探测雷达就是通过检测人体生命活动所引起的各种微动， 从这些微动中得到 人的移动、体动、呼吸、心跳等生命信号，从而辩识障碍物后有无生命体。 据文献 411475859等： 20世纪80年代初， 来自美国密西根州立大学的d.misra 和k.m.chen等科技工作者将人体简化为复合介电常数的球体和圆柱体模型， 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。随后，k.m.chen教授领导的 密歇根州立大学与国家海军医学中心进行合作， 主要从事x波段10ghz， l波段2ghz 和l.15ghz，uhf波段45omhz生命探测系统的研究，取得一些有价值的实验结果和 研究成果。x波段10ghz检测系统，在自由空间内可以检测到距离30.48m处于睡姿 人体的呼吸、心跳信号(发射功率为4.5mw)，并可以穿透15.24cm厚的水泥砖墙检 测到距墙3m处于坐姿人体的呼吸、心跳信号(发射功率为2omw)；研制了自动杂波 对消子系统(主要由可编程的微波衰减器和数字移相器组成)。 将该子系统应用于 l波段2ghz生命探测系统，增加了探测系统的穿透力(10ghz最大可穿透45.72cm 厚的砖墙； 2ghz最大可穿透91.44cm厚的砖墙)。 另外， 研制了l波段1.15ghz， uhf 波段450mhz检测系统(包括自动杂波对消子系统和双天线子系统)， 该系统不但能 增加系统的穿透力(可穿透3.048m厚的地震、倒塌建筑物的废墟)，而且利用天线 子系统和互相关信号处理可以有效地对消动目标反射杂波， 提高检测信号的信噪 比。而且，通过穿透模拟废墟的实验发现，提高微波发射的功率，可以有效地提 高检测生命参数信号的最大距离值，也可以提高穿透障碍物的厚度。同时，该系 统的缺陷是环境以及操作者所带来的背景噪声对检测效果具有较强的影响。 美国的佐治亚技术研究所从上世纪50年代开始进行雷达生命探测技术的研 究，雷达生命信号监测(rvsm：radar vital signal monitoring)的概念就是他 们首先提出的。 该研究所先后研制了军用调频雷达和抛物面天线结构的雷达生命 特征监视仪器，前者在1992年就已经作为rvsm装备在战场上使用，用于判定一个 受伤军人在陆军医护兵冒生命危险抢救之前是否还是活着的，而后者则在1996 年亚特兰大奥运会上被用于研究射击和射箭运动员的呼吸与心跳对射击准确度 的影响，这也是rvsm首次引起公众注意。随后，在全球范围内掀起了rvsm技术研 究和开发的热潮。在雷达生命探测技术领域取得比较大的成果的有美国、希腊、 英国、 土耳其、 日本和俄罗斯的科学家们。 他们分别在生命探测雷达的理论基础、 体制选择、工作频率选择、天线形式选择和设计、信号处理各个方面进行了深入 的研究，做了大量的试验，并且有相应的产品推向市场 94758。 第 1 章 引 言 5 目前，雷达式的生命探测技术研究主要集中在美、中、俄、德等国家。起 步约在 80 年代中后期；当时，美国以战场伤员生命探测为应用背景进行了大量 的研究，随后逐步扩展到伤员搜寻、反恐、医学诊断和监护等应用领域。前期 研究主要以线性连续波（lcw）雷达作为平台，但由于其缺少目标距离信息， 使其应用面受限。随着技术的发展，特别是功率脉冲器件的突破，国际上近期 的研究主要以超宽谱（uwb）雷达作为平台，其强的穿透能力和高的距离分辨 率，使这种技术更适合于应急搜救 16565863。 同时，利用超宽带技术，国外率先研究开发出超宽带雷达并将其运用到很 多领域。 目前超宽带技术开始应用于许多方面， 如伤员搜救、 军事(超宽带雷达)、 无线通讯、反恐战争、地球物理、考古探测等等方面。 在国外，已有将超宽带技术成功应用于生命救助探测与定位的实例 4556： 美国费尔法救援队使用超宽带技术研制的生命搜索与定位设备发现了埋压在 3-5 米深废墟下的幸存者， 该方法用于反恐探测也显示一定效果。 国外已有公司 开发出设备能够让警察在外面发现屋内的运动物体， 这样就可以在破门而入时， 预先知道里面是否有人。另一家超宽带设备公司 zircon，在制造一种便携设备， 能在家庭装修时，探测到墙另一面是否有重要的物品，以决定能否用电钻。 我国在超宽带雷达生命探测方面的研究起步比较晚。目前主要有电子科技 大学、西安电子科技大学、国防科技大学、第四军医大学、西安交通大学、中 国电子科技集团第二十二研究所、五十所、成都理工大学等单位从事超宽带雷 达技术的相关研究。据文献资料等可知，2004 年 2 月，第四军医大学成功研制 出我国首部单频非接触雷达式穿墙生命探测仪。国内在生命探测雷达方面有研 究的还有西安电子科技大学和武警工程学院，他们均在理论研究和具体实现方 面进行了有益的实践。西安必肯科技发展有限公司、青岛瑞普电气相继开发生 产了单频连续波和 mir 体制的生命探测雷达， 填补了我国生命探测装备的空白。 成都理工大学和四川省地震局联合研究的国家科技支撑计划课题“现场灾情监 控与救援装备研究” （2006bac13b04） ，子专题“电磁波生命探测技术研究” ，主 要研究不同体制电磁波生命探测方法，并实现城市灾害救助与生命搜索定位的 技术要求。 1.3 本论文的课题研究来源及论文内容 1.3.1 课题研究来源 本文的研究是国家科技支撑计划项目专题“电磁波生命微弱信号检测技术 研究” （no.2006bac13b04-0302）项目的一部分工作。该项目是由四川省地震 局和成都理工大学地球探测与信息技术重点实验室联合进行的科学研究。 成都理工大学硕士学位论文 6 1.3.2 论文主要内容 本文主要任务是进行超宽带雷达回波信号中的人体微动特征识别的研究。 在超宽带雷达的实际探测中，回波信号的成分是十分复杂的，除了含有人体的 生命特征信号外，还包含有各种干扰信号，如风、操作人员的干扰、设备抖动、 墙体等介面的直达波等，使得有效信号完全淹没在噪声中。因此，需要对回波 信号进行必要的处理后，达到人体微动特征的识别目的。 本论文主要研究了三部分的内容： 第一部分：主要介绍了基于电磁波探测原理的雷达探生仪及其他类型的探 生仪，并从主动和被动式两种模式阐述了各自的工作原理，比较了各自的优缺 点并突出了超宽带雷达探测的优点。 第二部分：主要设计了超宽带雷达人体探测物理实验方案，并对实验雷达 回波信号数据进行必要的预处理及处理。同时，利用能量积分算法原理，设计 滑动时窗函数，提取出含有人的生命微动特征信号，并利用小波变换和时频分 析方法，对其信号进行去噪和频谱分析，提取出代表人体生命特征的频谱。同 时，利用最佳时窗的起始值进行有效的人体定位。 第三部分：主要利用 music 算法，借助呼吸心跳谐波公式，建立呼吸信号 模型，并对含有多目标信息的雷达回波信号进行识别提取，达到在复杂环境下 多个目标体信号识别的仿真目的。 第 2 章 常见超宽带雷达探测仪及其工作原理 7 第 2 章 常见超宽带雷达探测仪及其工作原理 2.1 常见的探测仪器 基于电磁波原理的探测生命仪器有很多种，国内外研发的常见超宽带雷达 电磁波生命探测仪的有连续波，冲激脉冲，步进频率等体制。这些仪器均是基 于电磁波主动探测原理的生命搜索、定位仪器。另外，还有被动式电磁波探测 原理的仪器，比如美国等西方国家研制出来的基于低频电磁波原理的搜救仪 （dkl） 。除了以上常见探测仪器之外，还有光学探生仪、声波振动探生仪、红 外探生仪等等仪器。 下面从主动、被动式两种电磁波探测机理分别介绍雷达探测仪的不同体制 雷达。同时，介绍除电磁波原理探测雷达仪之外的其他探测仪器。 图图 2 2- -1 1 常见生命探测仪 常见生命探测仪 基于其 他原理 的生命 探测仪 基于电 磁波原 理的探 测仪 主动式 超宽带 雷达探 测仪 脉冲 式体 制超 宽带 雷达 连续 波体 制超 宽带 雷达 步进 频率 体制 超宽 带雷 被动式 电磁波 生命探 测仪 低频 电磁 雷达 探测 仪器 光学 生命 探测 仪器 仪达 热红 外线 生命 探测 仪器 声波 振动 生命 探测 仪器 成都理工大学硕士学位论文 8 2.2 主动式超宽带雷达探测仪 超宽带雷达被广泛应用于无线通信，地球勘探，工程装饰，反恐战争，伤 员搜救等领域。针对不同的 uwb 雷达应用，每一种调制技术都有它相应的价 值。不同的应用领域都要求发射波形能实现对感兴趣目标的最适当的测量。当 设计 uwb 雷达时，波形的选择必须考虑对具体的应用该波形的优势和不利的 一面，考虑实现该波形的代价和复杂度。根据探测原理及探测天线来分，目前 主要有以下脉冲体制、连续波体制、步进频率体制等三种超宽带雷达探测仪 5。 本文主要研究超宽带雷达在生命探测与搜救方面的原理及应用。如未做说明， 下面所阐述超宽带雷达均是在人体生命探测与搜救、定位等方面的情况。 图图 2 2- -2 2 国外研制的不同体制的超宽带雷达探测仪 图图 2 2- -3 3 国外研制的不同体制的超宽带雷达探测仪 第 2 章 常见超宽带雷达探测仪及其工作原理 9 图图 2 2- -4 4 国外研制的不同体制的超宽带雷达探测仪 2.2.1 调频连续波体制超宽带雷达 调频连续波雷达的基本原理是：雷达天线向目标发射频率变化（可以连续或 步进、线性或非线性变化）的电磁波，被探测到的目标的某些信息便包含在反射 波中，接收反射波，并对发射波和反射波进行匹配处理，从只提取出所需要的有 用信息，达到探测的目的。如图 2-3 所示，为调频连续波超宽带雷达基本框图。 即 fmcw 超宽带雷达发射一个载波， 该载波在时间 s t 内从低频 0 f 到高频 1 f 扫描。 在时间 r t 后扫描重复进行。 国内科研单位中，电子科技大学对线性调频连续波雷达的模糊函数、接收机 性能、 等效正交双通道等理论问题以及高线性度大时宽带积线性调频连续波信号 产生技术、距离分段处理技术、线性度测试等关键技术做了深入研究 151749。 图图 2 2- -5 5 调频连续波探地雷达基本结构图 调频连续波超宽带雷达工作原理:人体微动特征信号的探测实际上就是低速 成都理工大学硕士学位论文 10 运动目标检测， 调频连续波超宽带雷达运动目标检测主要用是利用多普勒效应原 理 6112351： 雷达发射信号为: )2cos()( 000 tfatst (2-1) 雷达电磁波照射到人体目标时， 主要的反射回波集中在 “空气一皮肤” 区域。 这个区域的人体皮肤的振动限定在一个范围内，围绕平均距离 0 r上下变动 7。雷 达与皮肤的瞬时距离可以写成下面的形式: )()( 0 trrtr (2-2) )(tr代表皮肤的波动幅度，由心跳和呼吸的谐振引起: )sin()sin()( 22211 tttr (2-3) 21212211 ,2,2ffff是呼吸和心跳的频率和幅度， 2 是一个常数相位。 经过“空气一皮肤”区域反射回雷达的有用信号，相位上会有偏移: tftrr tr t d 2)(2 2 2 2)(2 2)( 00 （2-4) 因此调频连续波超宽带雷达信号可以表示为 7: )(2cos()( 0 tffats dr (2-5) 其中， 000, aka r 频域的表达式为: )222()222()( 00 j d j dr efffefffajfs (2-6) 调频连续波超宽带雷达信号经过相干检波后得到零中频信号，此时，信号中 只含有运动目标的多普勒频率成分，所以其时域表达式为: )2cos()(tfats dr (2-7) 频域表达式为: )22()22()( j d j dr effeffajfs (2-8) 调频连续波体制的超宽带雷达发展比较早，经过几十年来的技术发展，如今 已经被广泛应用到雷达探测等领域。 我国在调频连续波雷达方面的研究也有一定 的进展，目前第四军医大学、电子科技大学等单位已开发出相应的仪器。但是， 该仪器也存在探测信息不足、分辨率低等缺点。 2.2.2 步进频率体制超宽带雷达 第 2 章 常见超宽带雷达探测仪及其工作原理 11 步进频率体制雷达，主要是在频率域实现超宽带雷达的发射和接收，通过 傅立叶变换，获得介质的电磁波时间域响应。采用步进频率信号并应用于雷达 的思想和方法的提出时间是很早的，但因为受到电子技术、处理方法等技术的 影响，其核心技术是在 20 世纪 90 年代才发展起来，并逐渐形成了仪器设备、 数据处理和一整套完整的解释方法。 如图 2-6 所示，为步进频率超宽带雷达的基本框图。 图图 2 2- -6 6 步进频率探地雷达的基本结构图 步进频率技术就是在一定时间内将所要求的频带分成许多的频率段，并以 这些窄频段形式进行发射和接收。步进频率雷达属于频率域的范畴，典型的步 进频率信号包含n个相参脉冲，其脉间频率通常以一个固定的频率增量 f 递 增，一个脉冲帧中第n个脉冲的信号频率可以表示为 0 (1) n ffnf ，其中 0 f 是射频，也是起始频率，脉冲宽度 1 b ，合成脉冲的脉冲重复间隔 1 prf f 。 测量采用一个步阶一个步阶进行， 而每一个频率步阶的信号发射和接收结束后， 才开始下一个步阶的发射和接收。当所有的频率步阶测量完成以后，通过离散 傅立叶变换重构时间域的数据和波形 2318232749。 最初研制的步进频率雷达系统造价昂贵、体积大、耗电大，限制了这种体 制的雷达系统现场使用和推广化。也正是因为这一原因，步进频率探地雷达作 为商用系统没有进一步的发展。近十年来，射频器件（高速开关、压控振荡器、 其他射频模块）的价格大幅下降，使得开发步进频率雷达系统成为可能。 2.2.3 冲击脉冲体制超宽带雷达 冲激体制的超宽带雷达现今是相对普及的体制技术之一。它的优点是不必 经过过多的信号处理，就可以进行实时显示观察，结构相对简单，成本低，这 成都理工大学硕士学位论文 12 也促使其得到了较早、较快的发展；目前最大的问题是要有效的发射、接收超 宽带脉冲，天线设计制作是相对困难的，这也将是今后研究的热点问题之一。 冲击脉冲体制超宽带雷达的探测原理将在第三章节中详细介绍，这里不再 烦述。另外，如无特别说明，本文所研究的超宽带雷达数据及方法均属于冲激 脉冲体制的范畴，得到的结论也适用于其他体制。 除了以上三种不同体制的超宽带雷达之外，国内外还在开展噪声体制的 uwb 雷达研究，目前该技术仍在实验室研究阶段，这里不做过多讨论。 2.2.4 不同体制的超宽带雷达的优缺点 超宽带雷达中的三种不同体制雷达：冲击脉冲体制、连续波体制、步进频 率体制，因为探测技术原理不同，各自存在不同的特点 31119。 （1） 冲激体制的超宽带雷达优点是不必经过过多的信号处理即可进行实时 显示观察，结构相对简单，成本低，这也促使其得到了较早、较快的发展；目 前最大的问题是要有效的发射、接收超宽带脉冲，天线设计制作是相对困难的， 这也将是今后研究的热点问题之一。 （2）连续波体制的超宽带雷达，是国外最早研究成功并将其应用到人体生 命特征信号探测识别领域的探测仪。连续波探测雷达具有运算速度快，探测效 率高的特点。但是也存在一些不足，比如探测信息不丰富，定位不准，无法实 现成像等。 （3）步进频率超宽带雷达研究较晚，最初开发的步进频率雷达系统存在造 价昂贵、体积大、耗电大等缺点。因此，这些缺点限制了这种体制的超宽带雷 达系统的进一步开发和研制。也正是因为这些原因的存在，步进频率超宽带雷 达没有作为商用系统得到进一步的发展。 近十多年来，顺着电子技术的飞速发展，步进频率体制的超宽带雷达的零 部件：射频器件（高速开关、压控振荡器、其他射频模块）的价格大幅下降， 步进频率雷达系统的开发也逐渐热起来。相信，顺着时间的推进和电子技术的 更一步发展，步进频率体制超宽带雷达将成为技术主流，得到进一步的发展和 重视。 2.3 被动式电磁波探测仪 低频电磁人体生命探测技术（dkl） ，是属于非接触式体系的生命参数检测 技术领域。该技术起源于美国等西方发达国家，是利用生物医学技术通过人体 心跳等产生的低频电磁波和人体生物电场来探测人体存在与否和定位的仪器。 被动式电磁波探测仪具有探测距离远、准确性高、适用性好、便携性强等优点， 第 2 章 常见超宽带雷达探测仪及其工作原理 13 被广泛应用于军事搜索、反恐斗争和地震、消防等紧急救援领域，如下图 2-7 为被动式低频电磁探测仪的组成结构图。 （1.伸缩天线 2.天线底部 3.镭射开关 4.侦测杆总成 5.本体 6.保留功能按钮 7.选择按钮 8.电脑开关 9.电脑灯 10.电瓶充电口 11.镭射 12.扳机按钮） 图图 2 2- -7 7 dkl 生命探测仪基本结构图 2.3.1 被动式电磁波探测仪的发展史 20 世纪 80 年代，美苏军备竞赛，苏联海军占优势，核潜艇常常从黑海、 波罗的海下潜后二三个月不上浮，美海军难以确定潜艇所在方位，给美海军带 来威胁。 美海军为确定苏联核潜艇的所在方位， 发明了 dkl 人体生命探测器 （dkl life guard） ，它能探测到 10 海里（18.52 公里）以外的人体，这一发明使得 美军的抵御能力大大的提高。90 年代，美国人把 dkl 稍做改装用于陆军装备仪 器应用于美国与伊拉克的战争，它能准确的探测到 2 公里以外的人体，使得美 军不仅减少了死伤事件的发生，而且在作战中取得了绝对的优势 665。 低频电磁人体生命探测仪是美国 dkl 公司结合世界上最先进的生化、介电 质、超低频传导及 dna 技术研发而成的。该仪器体积轻巧，重仅约 1 公斤，手 持式设计，携带方便，操作简单，性能优越于其他任何高科技的搜救产品，目 前已广泛为世界上先进国家的军事、海关、海巡、消防、安全、救援、航天等 政府部门使用 665。 2.3.2 国内研究现状 目前，该技术在国际上是一种非常先进的生命探测技术，但我国还无人问 津，因此尽快开展这方面的研究能够拓宽高新技术在灾害应急救援中的应用， 提升灾害现场应急救援能力，也能增强我国在生命探测领域同国外发达国家的 成都理工大学硕士学位论文 14 竞争力。同时，这是一项填补国内低频电磁生命探测研究领域空白的重大课题， 其研究成果对国家的经济建设具有重大意义，关系到人民的生活切实利益。 近几年，受国际反恐等影响，各个国家逐步对低频电磁人体生命探测技术 重视起来。二十世纪末期，我国公安部首次引进世界上当时最为先进的 dkl 生 命探测器，该仪器能够适应复杂的外部环境，以最短的时间，在灾害现场倒塌 的楼房中搜救生命体，还能帮助警方人员侦测到歹徒与人质的位置等。然而， 因为受西方国家尖端技术的封锁，我国尚无研究单位在低频电磁人体生命探测 仪领域取得突破性研究进展。目前，成都理工大学地球探测与信息技术重点实 验室已经开展低频电磁探测机理及仪器等方面的研究。 2.4 其他类型的生命探测仪 除了常用的超宽带雷达探测仪之外，国内外研究出了光学生命探测仪、热 红外生命探测仪及声波振动探测仪等各种类型的探测仪 3566。 2.4.1 光学生命探测仪 “蛇眼”就是一种搜索仪器，它的学名叫“光学生命探测仪”，是利用光 反射进行生命探测的。在地震等灾害搜救中，幸存者埋在瓦砾堆里，用手去一 点点地挖开瓦砾显然太慢，用重型机械去移动又有可能伤着人。利用“蛇眼” 可以有效的解决以上问题。光学生命探测仪主要解决在能见度不良，具有一定 间隙的条件下，遇难者的搜寻问题。这类仪器是把物体发射或反射的光辐射转 换成电信号，经信号处理，再现物体的图像，达到搜救的目的 63965。 仪器的主体非常柔韧，像通下水道用的蛇皮管，能在瓦砾堆中自由扭动。 仪器前面有细小的探头，可深入极微小的缝隙探测，类似摄像仪器，将信息传 送回来，救援队员利用观察器就可以把瓦砾深处的情况看得清清楚楚。目前， 很多博物馆和超市用的防盗装置就属于这种光学探头加观测器的仪器。该仪器 属于光学反射的探测，对于障碍物后的生命探测存在一定的探测深度等不足。 2.4.2 热红外生命探测仪 热红外生命探测仪的原理是通过感知温度差异来判断不同的目标.热红外 生命探测仪利用红外原理具有夜视功能，它可以在黑暗中照常工作。这种仪器 有点像现在商场门口测体温的仪器，只是个头比那个大多了，而且带有图像显 示器。该仪器的缺点是对工作的环境温度有一定要求。 目前，该技术被广泛应用到军事战争、反恐、野外探险等领域。 2.4.3 声波振动生命探测仪 第 2 章 常见超宽带雷达探测仪及其工作原理 15 声波振动生命探测仪是基于声波的振动传播原理。该仪器依靠被困者发出 的声音的来识别其位置。人类有两个耳朵，这种仪器却有 3-6 个耳朵，它的耳 朵叫做“拾振器”，也叫振动传感器，它能根据各个耳朵听到声音先后的微小 差异来判断幸存者的具体位置。被埋者说话的声音对它来说最容易识别。该仪 器的芯片中嵌入了人的发声频率和各种声音频率。如果幸存者已经不能说话， 只要用手指轻轻敲击，发出微小的声响，也能够被它听到 103566。 该声波振动生命探测仪的主要不足是对抗环境噪声的干扰不强，搜救中需 要环境无噪声干扰，环境等噪声不能太大。 成都理工大学地球探测与信息技术重点实验室根据以上探测原理，开发出 了声波/振动生命探测仪，经过试验和现场验证，达到了国内领先。 另外，还有其他类型的生命探测仪，比如说芯片跟踪（rfid）原理的搜救 系统、小球定位（移动通讯技术）系统等等。这里不在一一进行介绍。 2.5 本章小结 本章中，主要讨论了国内外研制的各种体制的探测仪。文章从主动式和被 动式两种不同的探测模式，分别介绍了几种不同体制的超宽带探测雷达，重点 阐述了连续波体制、超宽带体制和步进频率体制三种雷达，并比较其优缺点。 同时讲解了被动式电磁波探测仪（dkl）的发展历程、工作原理，同时介绍了其 他几种类型的探测仪器，对生命探测仪器有了全面的了解。 成都理工大学硕士学位论文 16 第 3 章 人体微动特征信号及超宽带雷达物理实验 人体的的微动特征信号主要是指人体中的心脏、胸腔振动、四肢和其他内 部器官的周期性压缩以及在心跳和呼吸的过程中皮肤的波动所产生的近似周期 信号。在超宽带雷达人体生命搜救中，可以利用识别算法，将雷达回波中的人 体微动特征信