雷达生命特征信号的IIR数字滤波器设计开题报告

1、.毕业设计（论文）开题报告题 目雷达生命特征信号的IIR数字滤波器设计器设计专 业光信息科学与技术班 级光信102学 号3100242031学 生指导教师杨秀芳副教授二一四 年;一 毕业设计课题来源、类型本设计在MATLAB软件开发环境下，用IIR滤波器提取淹没在干扰信号中的生命雷达信号，并对呼吸信号和心跳信号实现分离。课题来源：自选课题。课题类型：信息提取及处理。二 生命探测技术研究的背景和意义 2008年5月12日14时27分59.5秒，北纬31.01°，东经 103.42°，震源深度为14km，震级8.0级，矩震级7.9级，震中烈度最大11度。四川省阿坝藏族羌族自治州

2、汶川县发生里氏8.0级地震，地震造成69227人遇难，374643人受伤，17923人失踪。是中华人民共和国成立以来破坏力最大的地震，也是唐山大地震后伤亡最惨重的一次。这场地震发生的毫无征兆，它是我国建国以来，影响最大的一次。直接受灾地区达10万平方公里。地震几乎将汶川夷为平地，到处是残墙断瓦，大部分人在地震中来不急逃生被压在废墟之下。2014年3月8日凌晨2点40分，马来西亚航空公司称与一架载有239人的波音777-200飞机与管制中心失去联系的，该飞机航班号为MH370，原定由吉隆坡飞往北京。该飞机本应于北京时间2014年3月8日6:30抵达北京，马来西亚当地时间2014年3月8日凌晨2点

3、40分与管制中心失去联系。马航已经启动救援和联络机制寻找该飞机。 失去联络的客机上载有227名乘客。如何快速的营救救援人员看不到的伤员，成为救灾的重点和难点。灾难发生以后，国家采取了积极的措施，营救人员广泛使用一种高科技救生仪，专用于搜救灾难中被困人员的“生命探测仪。通过这种探测仪，可以探测人力无法到达的区域是否还有人员被困，从而实施援救。在分秒必争的营救工作中，生命侦测仪可以帮助搜救人员迅速准确安全地发现仍然存活的遇险者，从而为营救工作争取到宝贵的时间。雷达波生命探测技术是近些年来随着军事、医学工程、社会发展需要而发展的一项新技术，它突破现行的检测方法和技术，在不接触目标生命体的情况下，利用

4、人体生命参数如呼吸、心跳，对生命体进行探寻。三 本课题在国内外的研究状况和发展趋势目前，雷达式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。我国针对雷达波生命探测技术的研究起步较晚，1998年，第四军医大学生物医学工程

5、系研究小组开始对这一个课题进行研究。于2004年研制出我国首台LCW “雷达式生命探测仪”，通过了军队科技成果鉴定；该仪器在自由空间的探测距离达50米，可穿透2.3米厚度的砖墙探测到人的呼吸。2005年研制出我国首台警用“隔墙探人雷达”，通过了公安部科技成果鉴定；2006年研制成功用于搜救的UWB“雷达式生命探测仪”，该仪器在2008汶川大地震伤员搜寻中，我国自主研发的必肯科技SJ3000雷达生命探测仪，由第四军医大学和西安必肯科技合作研制，其性能已达国际领先水平。该探测仪利用超宽带雷达技术和生物医学工程技术研制。目前使用较多的美国产品为莱福雷达生命探测仪。莱福探测仪可帮助消防抢险救援人员30

6、秒发现目标，2分钟确认被困人员。整套装置由雷达信号发射器和电脑组成。雷达发射器利用超宽带传输技术发射雷达波，并将信号处理后以无线方式发射给电脑。电脑内嵌入数百种人呼吸时胸部动态数据信号，将收到的进行信号杂波处理、波形比对后，直接给出有无生命迹象的标志。该探测仪特点：无探针、无线缆、体积小、重量轻、现场安装方便、操作简单、定位精确、坚固耐用、具有防水功能，可在雨天操作。雷达式生命探测仪是一种利用非接触生命参数检测技术的仪器。所谓非接触检测技术是相对于接触式检测而言的。临床上常用的检测方法包括心电、心音、光电式脉搏心率测量法，速度式呼吸测量法、触诊式心率测量法等都是接触式检测生命参数的。这些方法主

7、要依靠依附于人体的接触式传感器、电极等来获取信息，由于其对检测对象的束缚和各种条件的限制，因而制约了其应用范围。因此我们现在常使用的是非接触式生命参数检测技术。非接触生命参数检测是近期随着医学、军事、社会的需要而新兴发展的一项新技术。在国外一些发达国家，例如美国的一些研究所，已经和军方合作研究非接触生命参数检测技术。 常用的对信号进行处理的方法有：1. 采用信号抽取的方法，减少采样率来去掉多余的数据来实现信号的处理，即将原始信号每隔M个点抽取一个信号，组成新的离散数列。2. 采用信号插值的方法，增大采样来增加数据的过程。3. 通过数学变换将一个域内的信号变换映射到另一个域内的的方法，例如：傅立

8、叶变换、离散余弦变换、Z变换、Chirp z变换、Hilbert变换。4. 利用数字滤波器对信号进行处理是信号处理的一种基本而重要的技术，利用滤波器可从复杂的信号中提取所需要的信号，一直不需要的部分。根据不同的需要可设计出低通、带通、高通滤波器。数字滤波器常用的分为IIR和FIR滤波器。 目前技术存在的难点:1. 需要检测的生命信号比较微弱,且信号频率也较低。2. 生命信号是非平稳的、窄带、准周期的信号。3. 障碍物对生命信号造成的衰减大。4.才多个目标较难识别和分离。 以上几个方面的问题是非接触式生命信号检测中需要解决的问题。对于实际的某个研究,侧重点会不同,因此涉及的难点可能会是上面四点中

9、的某几点。四 本课题主要研究内容1. 学习科学计算软件MATLAB，熟悉MATLAB环境，学习在MATLAB环境编程，为课题的完成储备必要的知识。2. 首先查阅资料，了解IIR滤波器的各种设计办法。3. 安装Matlab开发工具软件，熟悉Matlab/Simulink基本使用方法。4. 学习IIR滤波器的原理和设计方法。5. 设计基于Matlab开发环境下的两种IIR滤波器的设计方案。 方案一：用脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器，给出该滤波器的幅频相应图和相频相应图。方法二：用双线性变换法设计IIR数字滤波器，给出该滤波器的幅频相应图和相频相应图。 6. 用MATLAB函数直接设计IIR数字

10、滤波器，给出该滤波器的幅频相应图和相频相应图。7. 给出雷达生命特征信号经过所设计滤波器后的时域信号和频域信号，并对处理后的信号进行分析。8. 用MATLAB仿真工具箱SIMULINK对系统进行仿真。9完成文献综述，外文资料翻译。五 完成论文的条件和采用的研究手段 1.雷达测量系统的原理：生命探测仪是利用现代超宽谱雷达技术和生物医学工程技术研制的雷达设备，根据电磁波、声波、光波等物理学原理，通过专用的传感器将物理信号转换电信号，再经过过滤放大后，输出可视或可听信号，组成的能搜索、探测、寻找生命的仪器设备。可以穿透遮挡介质，如钢筋混凝土砖混结构废墟等，探测到压埋在倒塌建筑物下存活的生命信息，通过

11、检测人体生命体征，如：呼吸、心跳等信息，从而辩识有无生命体，达到寻找存活者的目的。 雷达测量系统原理图 微波信号发生器一般由压控振荡器构成，产生微波信号通过定向耦合器将微波信号分为两路：一路经过微波功率放大器提高微波的发射功率，用于向外发射，另一路作为参考信号输入混频器；环形器用于微波的发射和接收过程中起保护作用；射频放大器主要用于接收信号的放大，提高其信号功率，满足信号处理的工作电压；混频器的作用是将其探测器接受的高频信号与参考信号进行混频，输出低频信号。 输出的低频信号经过信号预处理，A/D模数转换后再送入计算机进行信号分析和处理，从中分离出人体的呼吸和心跳信号，即实现对人的生命参数的检测

12、。 设该电磁波信号为： 式中为发射角频率，A为振幅，该信号经定向偶合器，一路通过环行器由天线发射出去，另一路去混频器。当发射信号碰到人体等目标，将产生散射，天线接受到散射信号，并通过环行器送入混频器。从人体散射的回波信号频率已被人体表面的微动所频移，设目标散射的回波信号为：式中K为系数，为多普勒频移。 根据多普勒效应，为目标的相对径向运动速度，C为光速，为相对于发射信号的初相。，二路信号经混频解调后产生低频信号： 式中第一项为固定目标的杂波成分（直流分量），第二项为与呼吸、心跳直接相关的多普勒频移成分，是检测所需的有用信息，该信号经放大、预处理，通过滤波器在频域上将呼吸、心跳信号分开，然后经A

13、/D转换，送到PC机进行处理、显示。2. IIR滤波器的原理IIR滤波器即为非递归滤波器，也就是FIR滤波器没有引入反馈。这种滤波器的脉冲响应是有限的。相反，递归滤波器，也就是IIR滤波器，具有反馈，一般认为具有无限的脉冲响应。3.基于matlab软件开发环境下使用两种方法设计IIR滤波器提取淹没在干扰信号中的生命雷达信号，并对呼吸信号和心跳信号实现分离。要设计一个数字滤波器去仿真一个模拟滤波器有脉冲响应不变法和双线性变换法。其设计过程都是由给定的模拟滤波器的系统函数Ha(s)去变换出相应的数字滤波器的系统函数H(z)。用脉冲响应不用脉冲响应不变法来设计数字滤波器，只需将给出的模拟滤波器的系统

14、函数Ha(s)化为部分分式之和的形式，找出极点和系数 ，带入数字滤波器传函当中即可。 由上述Ha(s) 和H(z)的表达式可看出：是模拟滤波器的一个极点，则相应的就是数字滤波器里的一个极点。推而广之，则可得到脉冲响应不变法下的s平面和z平面的映射关系： 令，可得z平面的模、幅角和s平面的实部、虚部之间对应的关系：s平面z平面ImRe 用双线性变换法来设计数字滤波器，只需将给出的模拟滤波器的系统函数Ha(s)当中的s替换为一个关于z成双线性关系的网络即可。0s平面Im(z)Re(z)z平面 4.对两种方案进行调试仿真，得到仿真波形。 5.利用matlab编程软件进行该系统的仿真，该程序的核心为（1）.利用y=filter（a，b，x），计算输入信号x的滤波输出，求出滤波器的分子系数向量b和分母系数向量a。（2） .利用FFT将时域信号变为频域信号。（3） .利用abs函数和Angle函数从幅频域响应数据中提取幅值信息和相位信息。滤波器的滤波效果四 本阶段进度安排、各阶段预期达到的目标第一周到第四周：了解IIR滤波器的基本机构和特点，熟悉MATLAB软件。第五周：撰写开题报告，拟定在两种设计方案。第六周：撰写文献综述。第七周到第八周：