非接觸式多目標生命體徵監測理論和關鍵技術的研究

《非接觸式多目標生命體徵監測理論和關鍵技術的研究》是依託南京理工大學，由洪弘擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：非接觸式多目標生命體徵監測理論和關鍵技術的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：洪弘
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

針對非接觸式生命體徵監測領域尚未有效解決多目標同時監測的關鍵問題，本項目提出將MIMO雷達理論引入到非接觸式生命體徵監測技術里，利用不同目標到達角（AOA）的差異完成多目標定位，進而實現多目標生命體徵同時監測。項目通過建立MIMO雷達的多目標近場模型，使得MIMO雷達理論適用於非接觸式生命體徵監測領域；開展基於方向圖擬合法的MIMO雷達布陣最佳化設計，重點解決目前方向圖最佳化僅考慮降低旁瓣而忽略主瓣寬度性能的問題；開展基於遺傳算法的MIMO雷達正交波形最佳化設計，重點解決參數變化導致遺傳算法效率低下的問題；開展基於傳播運算元的MIMO雷達的多目標定位研究，重點考慮基於獨立成分分析的多目標生命體徵參數聯合估計算法設計。本項研究有望突破目前非接觸式生命體徵監測技術僅能適用於單目標監測的技術局限，同時監測多目標的生命體徵，進而推動非接觸式生命體徵監測技術向臨床醫學監護方向發展。

結題摘要

本項目提出將MIMO雷達理論引入到非接觸式生命體徵監測技術里，利用利用不同目標到達角（AOA）的差異完成多目標定位，進而實現多目標生命體徵同時監測。本項研究有望突破目前非接觸式生命體徵監測技術僅能適用於單目標監測的技術局限，同時監測多目標的生命體徵，進而推動非接觸式生命體徵監測技術向臨床醫學監護方向發展。圍繞研究目標，本項目在多目標近場模型的建立、MIMO雷達的布陣最佳化設計、MIMO雷達的正交波形最佳化設計和MIMO雷達的多目標定位及生命體徵參數聯合估計等方面進行了廣泛而又深入的研究。主要成果如下： 1 建立了 MIMO 雷達的多目標近場模型。解決了MIMO 雷達理論不能直接適用於非接觸式生命體徵監測領域的問題。 2 MIMO 雷達的布陣最佳化設計。對MIMO雷達結合智慧型最佳化算法知識進行了一維陣列最佳化問題的建模，並運用MATLAB進行了多次仿真取平均值並進行了對比分析；對MIMO雷達結合智慧型最佳化算法知識進行了二維陣列最佳化問題的建模，對方陣、三角陣、圓陣、稀疏陣等四種二維陣列進行仿真，對最後的最佳化結果進行了不同陣型、不同算法、不同雷達的比較分析。 3 MIMO 雷達的正交波形最佳化設計。為了改善匹配照射下多輸入多輸出（MIMO）雷達在雜波及復高斯白噪聲中的目標檢測性能，進行了發射波形自適應最佳化設計研究。利用OFDM信號的頻率分集特性，依據匹配照射理論，給出了基於交替疊代算法聯合最佳化子載波調製係數向量和濾波器係數向量的方法。考慮到OFDM信號的高PAPR特性不利於實際工程套用，進一步提出了改進的交替疊代算法用於自適應最佳化設計隨機相位編碼發射波形。 4 MIMO 雷達的多目標定位及生命體徵參數聯合估計。以時間序列的頻譜估計為背景，針對MIM雷達體制下的非接觸式生命體徵探測問題，研究了一種基於稀疏重構的超分辨頻譜估計方法。該方法通過基於多測量矢量模型的數據重排與求解，加強了對心跳頻率的估計能力。從抑制呼吸諧波干擾的角度出發，進一步提出一種分段式原子範數最小化算法（Stepwise Atomic Norm Minimization，StANM），完成多目標背景下生命體徵參數聯合估計。