微都卜勒生命探測方法研究

《微都卜勒生命探測方法研究》是依託北京航空航天大學，由張耀天擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微都卜勒生命探測方法研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：張耀天
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

生命探測對抗震救災、醫療看護、反恐等領域有著重要意義。本項目將研究微都卜勒生命探測方法。生命體目標的微動會對雷達回波信號產生微都卜勒頻率調製，通過提取雷達回波中包含的微都卜勒特徵對微動參數進行估計，可以反演生命體目標微動狀態，有望為生命探測提供更多信息，有利於提高探測效率。但是如何從雷達回波信號中提取微弱的目標信息、如何進行生命體狀態估計的方法尚待研究。本項目將採用理論分析、算法仿真和實驗室數據驗證的研究途徑，開展生命體典型微動建模、微都卜勒參數提取方法、生命體狀態估計方法、提取與估計方法性能評估等關鍵技術研究，以便闡明生命體典型微運動與雷達回波信號特徵之間的內在聯繫，從而得到高精度提取微都卜勒參數和估計生命體狀態方法。本項目的研究成果不僅可用於抗震救災、反恐等領域，而且可用於非損傷式生物狀態檢測等醫學研究領域。同時研究過程中將培養多名博士、碩士研究生，形成多篇高水平論文和專利。

結題摘要

雷達微都卜勒特徵是運動目標的獨特特徵，能夠為雷達目標探測、分類、識別提供信息，在災後搜救、安保監視、防空反導和反恐偵查等領域有潛在的套用價值和廣闊的套用前景。因此，微都卜勒效應一經引入雷達領域就得到了廣泛關注。本項目開展運動人體目標的雷達微都卜勒研究，以行人為主要研究對象，採用仿真手段，在雷達微都卜勒特徵分析，不同目標的特徵提取和識別，運動參數和物理參數估計方面進行探索。取得的成果對雷達微都卜勒研究和工程套用有重要的參考價值。 首先，以Thalmann行走模型為基礎，分析行走運動的特點，建立行走、跑步、爬行和半蹲走模型。將人體各部位簡化為橢球體，仿真人體各部位的RCS，建立運動人體的單頻連續波雷達回波模型。另外，還建立了呼吸、心跳的模型及其雷達回波模型。 其次，採用廣義S變換方法，對單行人和兩行人的雷達微都卜勒特徵進行分析。給出了人體各部位的微都卜勒譜，對行人速度和身高、雷達頻率和方位角對單行人微都卜勒特徵的影響以及對不同身高和不同速度的多種兩行人目標的微都卜勒特徵進行了分析，指出了單行人和兩行人目標識別的主要特徵。通過分析噪聲對行人微都卜勒特徵的影響，得出腳部微都卜勒抗噪聲能力差的結論。 第三，基於微都卜勒特徵，提出單行人目標運動參數和物理參數估計方法。首先分別利用最大能量法和微都卜勒線性和法提取軀幹分量時頻序列，然後據此估計出行走平動速度、步態周期、步長、腿長和身高5個參數。仿真驗證了參數估計方法的有效性和抗噪聲性能，對兩種估計方法的性能進行了對比，對估計誤差產生的原因進行了分析。 第四，基於微都卜勒特徵，提出了基於時頻直觀特徵和基於矩特徵的識別方法，對單行人和多行人目標進行識別。詳細闡述了時頻直觀特徵的提取流程，仿真驗證了該方法的有效性，分析了SNR、單一特徵、雷達觀測時長和行人參數對識別結果的影響。介紹了Hu不變矩和Zernike矩特徵算法，利用矩特徵對不同的運動形式以及單行人類目標和多行人類目標進行識別，分析了SNR和特徵數目對識別結果的影響。對基於時頻直觀特徵和基於矩特徵的識別進行了對比分析，論述了各自的優缺點。