基于UWB雷達(dá)的人體目標(biāo)及周圍廢墟結(jié)構(gòu)探測(cè)方法研究.pdf

1、基于雷達(dá)的生命探測(cè)技術(shù)以雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)綜合運(yùn)用電子、生物醫(yī)學(xué)工程、信號(hào)處理等技術(shù)，主要用于人體目標(biāo)的識(shí)別、定位或成像。雷達(dá)發(fā)射的脈沖電磁波能穿透非金屬的介質(zhì)(磚墻、冰層、廢墟等)，可以在不接觸人體的情況下檢測(cè)到人體的生命信號(hào)(呼吸、心跳、體動(dòng)等)，從而判斷是否有人體目標(biāo)存在，進(jìn)而對(duì)人體目標(biāo)進(jìn)行定位或跟蹤。與光學(xué)、聲學(xué)、紅外等其他生命探測(cè)技術(shù)相比，基于雷達(dá)的生命探測(cè)技術(shù)具有非接觸、距離遠(yuǎn)、穿透性等特點(diǎn)，可廣泛用于醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)、災(zāi)后搜救、

2、穿墻探測(cè)、反恐斗爭(zhēng)等場(chǎng)合。特別是在穿墻探測(cè)和災(zāi)后搜救等涉及國(guó)家核心利益的領(lǐng)域具有重大的實(shí)用價(jià)值。例如在反恐行動(dòng)中，通過對(duì)建筑物內(nèi)恐怖分子和人質(zhì)人數(shù)目及位置以及室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)的探測(cè)，可以在最大程度地保障人質(zhì)安全的情況下采取解救行動(dòng)；在各類災(zāi)難發(fā)生后，對(duì)壓埋在廢墟中的幸存者進(jìn)行探測(cè)搜尋，可以實(shí)現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)存活者，為救援行動(dòng)爭(zhēng)取時(shí)間，對(duì)保障人民群眾的生命安全具有重要的意義。因此，研究和發(fā)展基于雷達(dá)的生命探測(cè)技術(shù)的研究已經(jīng)得到世界各國(guó)的普遍重視，而

3、其核心技術(shù)則受到各國(guó)的控制。
　　基于雷達(dá)的生命探測(cè)技術(shù)一般采用窄帶和寬帶雷達(dá)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)窄帶雷達(dá)相比，超寬帶（UWB）雷達(dá)系統(tǒng)具有精確的距離測(cè)量能力和穿透障礙物后物體高分辨率成像能力等優(yōu)勢(shì)。UWB雷達(dá)發(fā)射的頻譜很寬的電磁脈沖，可以滿足穿透能力的要求；更重要的是UWB雷達(dá)所具有的距離分辨能力，使得對(duì)人體目標(biāo)進(jìn)行精確定位成為可能。因此，基于UWB雷達(dá)的生命探測(cè)技術(shù)已成為雷達(dá)式生命探測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。
　　但是目前的大部分研究主

4、要集中在提高探測(cè)人體目標(biāo)探測(cè)及定位的準(zhǔn)確度方面，而對(duì)于受困人體目標(biāo)周圍環(huán)境（即廢墟）進(jìn)行結(jié)構(gòu)探測(cè)的研究尚未見報(bào)道。在災(zāi)后搜救中，如果可以在探測(cè)人體目標(biāo)的同時(shí)，探測(cè)出人體目標(biāo)周圍廢墟的結(jié)構(gòu)，便可以根據(jù)廢墟的結(jié)構(gòu)制定出最優(yōu)的救援計(jì)劃，避免在救援過程中由于不合理或者進(jìn)展緩慢的救援計(jì)劃而導(dǎo)致對(duì)壓埋者的二次傷害，從而在最短時(shí)間內(nèi)，更有效地、更安全地對(duì)幸存者進(jìn)行救援。具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。但生命體目標(biāo)和周圍環(huán)境結(jié)構(gòu)兼容探測(cè)具有相當(dāng)?shù)碾y度，有許多科學(xué)問

5、題需要解決，首先：生命體探測(cè)是微動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，而廢墟結(jié)構(gòu)探測(cè)是靜目標(biāo)探測(cè)，所以必須解決動(dòng)、靜兼容探測(cè)問題；其次與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)探測(cè)（如探地雷達(dá)）的情況不同，在災(zāi)后搜救情況下，由于現(xiàn)場(chǎng)的特殊條件限制，無法得到廢墟的B型掃描雷達(dá)數(shù)據(jù)，只能在有限的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行A型掃描，并且由于廢墟結(jié)構(gòu)復(fù)雜，先驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏，很大程度上增加了雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋的難度。
　　課題組前期已建立了中心頻率為500MHz的UWB雷達(dá)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以及基于時(shí)域處理的人體呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)提

6、取算法和目標(biāo)識(shí)別算法，基本實(shí)現(xiàn)了正常人體目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別。但是，由于UWB雷達(dá)回波信號(hào)的較低的SCR（SNR這個(gè)關(guān)鍵因素，導(dǎo)致對(duì)人體目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別的準(zhǔn)確率還不理想，因此進(jìn)一步還需研究提高回波信號(hào)SCR（SNR）的新方法。在提高UWB雷達(dá)對(duì)人體目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別能力的基礎(chǔ)上，同時(shí)獲取人體周圍結(jié)構(gòu)信息，并且對(duì)受困人體目標(biāo)周圍環(huán)境（即廢墟）的結(jié)構(gòu)探測(cè)進(jìn)行探索性的研究。基于課題組現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文的工作主要分為以下兩部分：
　?。?）

7、針對(duì)強(qiáng)背景雜波、噪聲情況下的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究UWB雷達(dá)人體呼吸運(yùn)動(dòng)回波信號(hào)及雜波、噪聲的特點(diǎn)，研究UWB雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的處理算法。通過信號(hào)處理的方法，提高人體呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)的SCR（SNR），并進(jìn)行利用基于人體目標(biāo)呼吸運(yùn)動(dòng)特征的識(shí)別算法，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行有效性驗(yàn)證。
　?。?）研究分析人體目標(biāo)壓埋的廢墟的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析廢墟的結(jié)構(gòu)在雷達(dá)A型掃描回波信號(hào)中對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，利用有限的先驗(yàn)知識(shí)，研究有效的信號(hào)處理步驟及相應(yīng)的方法，以實(shí)現(xiàn)

8、對(duì)廢墟結(jié)構(gòu)信息的準(zhǔn)確探測(cè)，并且在實(shí)驗(yàn)室條件下利用搭建的模擬廢墟環(huán)境進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。
　　本文的主要結(jié)果和結(jié)論有：
　?。?）在背景雜波消除過程中，針對(duì)普遍存在的線性趨勢(shì)，線性趨勢(shì)消除法可以有效地消除背景雜波，同時(shí)也更好地保持了人體呼吸信號(hào)的幅值和波形。
　　（2）通過背景雜波消除、提升SCR（SNR）等處理可以有效地提取出人體呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)。
　　（3）廢墟孔洞上界面在雷達(dá)回波A型掃描數(shù)據(jù)中的波形表現(xiàn)為與雷達(dá)發(fā)射

9、脈沖相似，并且極性相反。這些特點(diǎn)可以被用來進(jìn)行廢墟孔洞上界面的識(shí)別。
　　（4）探測(cè)定位得到的人體目標(biāo)位置，可以作為廢墟結(jié)構(gòu)探測(cè)中的先驗(yàn)知識(shí)，用來計(jì)算出合適的增益，對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的進(jìn)行衰減補(bǔ)償，有效地對(duì)雷達(dá)遠(yuǎn)端回波數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)放大，便可以識(shí)別出位于雷達(dá)遠(yuǎn)端的廢墟結(jié)構(gòu)在雷達(dá)回波中的體現(xiàn)。
　　（5）通對(duì)衰減補(bǔ)償后的雷達(dá)回波A型掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏脈沖反演，可以得到直觀的廢墟分層結(jié)構(gòu)的界面信息。
　　（6）在救援現(xiàn)場(chǎng)利用現(xiàn)有的

10、UWB雷達(dá)，可以對(duì)空氣由于濕度而改變的介電進(jìn)行校正，進(jìn)而更準(zhǔn)確地估計(jì)出廢墟結(jié)構(gòu)信息。
　?。?）基于現(xiàn)有的UWB雷達(dá)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用本文提出的在人體目標(biāo)探測(cè)的同時(shí)進(jìn)行廢墟結(jié)構(gòu)探測(cè)的方法，可以穿透厚度為1m磚混結(jié)構(gòu)的廢墟，實(shí)現(xiàn)廢墟下高為0.8m的孔洞內(nèi)平躺著正常呼吸的人體目標(biāo)的探測(cè)，識(shí)別出廢墟孔洞上界面，并最終估計(jì)出人體目標(biāo)與孔洞上界面之間的距離。
　　本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：
　　（1）提出了一種人體呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)提取新算

11、法，該算法通過線性趨勢(shì)進(jìn)行背景雜波消除，并在延遲時(shí)間方向及掃描時(shí)間方向進(jìn)行雙向?yàn)V波，從而有效地增強(qiáng)了UWB雷達(dá)回波信號(hào)中人體目標(biāo)呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，達(dá)了人體呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)提取的目的，有利于受困人體目標(biāo)的識(shí)別。
　?。?）首次提出了一種雷達(dá)回波衰減補(bǔ)償算法，該算法在廢墟結(jié)構(gòu)探測(cè)過程中，利用人體目標(biāo)位置作為先驗(yàn)知識(shí)，計(jì)算指數(shù)增益曲線，對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，有效地實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)遠(yuǎn)端回波數(shù)據(jù)的適當(dāng)放大，使對(duì)位于雷達(dá)遠(yuǎn)端的廢墟結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)成為可能。<