穿墙生命探测雷达信号处理算法研究

论文摘要

穿墙生命探测雷达（Through-the-wall Detection Radar, TWDR）是灾后搜寻幸存者的重要工具,它发射电磁波穿过墙壁,碰到人体返回,通过对回波进行处理,就可以获取目标的呼吸、心跳等生命信号。生命信号识别是穿墙生命探测雷达研究的核心问题。生命信号是一种受强噪声干扰的微弱信号,信号随机性强,具有非平稳特性,给呼吸心跳信号的分离、多目标的识别带来很大困难。本文在研究连续波穿墙生命探测雷达（Continuous Wave TWDR,CW-TWDR）和脉冲超宽带穿墙生命探测雷达（Ultra-Wideband TWDR,UWB-TWDR）原理的基础上,将高分辨率谱估计、自适应信号处理、盲源分离算法、模式识别等现代信号处理技术运用于生命信号的识别。先进的信号处理技术不仅提高了生命探测雷达生命信号的识别精度,而且能够完成多人识别以及人和动物区分。本文开展了如下三方面的工作：（1）针对冲激超宽带生命探测雷达中,传统的平均相消法不能有效去除直达波,从而影响目标回波信号的提取这一问题,采用宽带互相关法对回波时延进行估计,然后提取各个回波时延序列的均值与方差作为特征量,运用C-均值聚类算法对回波进行分类,实现直达波与目标回波的分离；（2）针对穿墙生命探测雷达系统中传统的基于数字滤波和谱估计的生命信号提取方法不能有效处理非平稳信号、易受呼吸谐波干扰的问题,提出了一种基于经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）的生命信号提取的新方法,实验结果表明,新提出的方法能避免呼吸信号谐波对心跳信号的干扰,因而能更加精确的提取呼吸和心跳参数；（3）最后基于Labview构建了雷达硬件系统测试平台,结合仿真和实测两个方面加以验证,逐步完善整套信号处理算法,为实现更经济实用的雷达生命探测仪,提供了理论支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 穿墙生命探测雷达研究的意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 采取的研究方案与技术路线
• 1.4 本文主要研究内容和工作
• 第二章 CW-TWDR系统组成与工作原理
• 2.1 CW-TWDR系统组成
• 2.1.1 射频收发单元
• 2.1.2 信号处理单元
• 2.2 生命信号建模
• 2.3 CW-TWDR检测原理
• 2.4 穿墙信道模型
• 2.5 杂波分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 UWB-TWDR系统组成与工作原理
• 3.1 UWB-TWDR系统组成
• 3.1.1 脉冲生成及发射单元
• 3.1.2 接收及控制单元
• 3.1.3 信号处理单元
• 3.2 UWB-TWDR检测原理
• 3.3 基于聚类分析的UWB-TWDR直达波去除
• 3.3.1 杂波与干扰去除
• 3.3.2 直达波与目标回波幅度与时延估计
• 3.3.3 直达波与目标回波分类识别
• 3.3.4 仿真结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 穿墙生命探测雷达信号处理算法
• 4.1 基于数字滤波器的生命信号提取
• 4.1.1 FIR滤波器设计
• 4.1.2 IIR滤波器设计
• 4.2 基于高分辨率谱估计的生命信号提取
• 4.2.1 MUSIC频谱估计方法
• 4.2.2 超分辨率Relax谱估计方法
• 4.2.3 谱估计实验结果与分析
• 4.3 自适应信号处理在TWDR中应用
• 4.3.1 呼吸信号谐波自适应对消
• 4.3.2 环境干扰自适应对消
• 4.4 基于经验模态分解的生命信号提取算法
• 4.4.1 经验模态分解算法
• 4.4.2 生命信号提取算法
• 4.4.3 实验结果与分析
• 4.5 基于解析恒模算法的多目标识别
• 4.5.1 多目标模型
• 4.5.2 解析恒模算法
• 4.5.3 仿真结果与分析
• 4.6 人与动物的识别
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于Labview的穿墙生命探测雷达系统设计
• 5.1 硬件系统结构
• 5.1.1 IPS-154雷达模块
• 5.1.2 NI USB-6210数据采集卡
• 5.1.3 雷达收发模块与数据采集卡的连接
• 5.2 基于Labview软件系统设计
• 5.2.1 实时数据采集子模块
• 5.2.2 数字滤波子模块
• 5.2.3 呼吸率、心率计算子模块
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件