UWB生物雷达应用中环境干扰抑制技术的实验研究

发布时间：2017-08-17 06:37

  本文关键词：UWB生物雷达应用中环境干扰抑制技术的实验研究

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【摘要】：生物雷达以雷达发射的电磁波为探测媒介,能穿透衣物、墙壁、废墟等非金属介质形成的遮挡或障碍,非接触地获取和感知人体目标的信息。与红外、光学等非接触技术相比,生物雷达技术具有不受光线和探测角度影响、能全天候穿透探测的优点,在生物医学、公共安全、军事等领域具有广泛的应用前景。该技术的发展经历了窄带和超宽带(UWB)两个阶段,其中UWB生物雷达具有高距离分辨率、强穿透能力、良好的近场和系统兼容性能等优点,是目前生物雷达技术的研究热点。现阶段,UWB生物雷达技术已经基本实现了人体目标的探测、识别和定位,但基于该技术研制的实用化仪器仅为专门用于地震、塌方等灾难发生后搜寻废墟下压埋幸存人员的搜救生物雷达。因此现有的UWB生物雷达技术主要围绕搜救中人体目标的定位、多目标的识别、行为动作探测等关键科学问题的研究上,而对这种技术在实际应用中可能碰到的问题考虑较少。以本课题组研制的“SJ-3000”UWB搜救雷达为例,该仪器在汶川、玉树、鲁甸等多次地震救援中使用并且发挥了重要作用。但我们在长期应用实践的基础上发现,现场探测环境中存在各类干扰会对该仪器的实际应用效果产生影响。因此,环境干扰问题是UWB生物雷达技术应用中必须考虑和解决的一个重要问题。国内外研究表明,UWB生物雷达应用中的环境干扰主要来自两方面:一是周围环境中的动目标干扰,如风吹草动、操作人员的运动等;二是各种窄带射频干扰(RFI),如GPS、手机、无线电信号等。本课题组在长期从事UWB生物雷达技术研究和实践的基础上发现,操作人员运动引入的干扰可以通过对其进行培训和限定加以排除,因而环境中风吹草动是动目标干扰的主要来源。此外,目前UWB生物雷达应用主要以应急救援中的搜救为主,因而大都采用较低的中心频率(500MHz)以保证其穿透性能,常规的GPS、手机等信号与这些UWB生物雷达频带不重叠,因此窄带RFI的主要来源为现场救援人员使用的无线对讲机。基于上述分析,本文主要针对对讲机引入的窄带RFI和风吹草动两种干扰,对UWB生物雷达应用中的环境干扰问题及其抑制技术开展了系统性的实验研究,主要完成了以下几个方面的工作:1、进行了UWB生物雷达环境干扰的定量探测实验,探明了窄带RFI和风吹草动干扰对UWB生物雷达人体呼吸检测性能的影响。实验结果表明:1)窄带RFI和风吹草动均与干扰距离高度相关,干扰效应随距离增大而减小;2)窄带RFI作用范围较大且不受雷达时窗设置的影响,干扰效应随距离增大时衰减速度较慢,而风吹草动干扰作用范围小,干扰源处于雷达时窗外则基本不会影响探测效果;3)窄带射频干扰与干扰角度无关,而风吹草动干扰与角度有关,离雷达天线主瓣越远则干扰越小。2、进行了UWB生物雷达环境干扰的回波处理实验,提出了针对窄带RFI和风吹草动的干扰抑制新算法。首先,利用UWB生物雷达人体呼吸响应的距离相关特性,通过对UWB生物雷达回波在距离上进行滑动平均处理,建立了基于RMA处理的窄带RFI干扰抑制算法。针对风吹草动干扰的抑制,在人体呼吸响应距离相关的基础上同时利用人体呼吸的周期特性,建立了基于自适应MSSA处理的UWB生物雷达回波处理算法。3、进行了UWB生物雷达环境干扰的模拟探测实验,验证了定量探测实验结论和回波处理算法的性能。实验结果表明:RMA算法具有实现简单和稳定性好的特点,能基本排除窄带RFI干扰对UWB生物雷达探测性能的影响;自适应MSSA算法不需要手动设置阈值进行信号重构,能有效抑制极端情况(干扰源紧靠天线)之外的动目标干扰。4、在上述研究的基础上提出了UWB生物雷达在实际应用中应对环境干扰的策略:1)对于窄带RFI,在UWB生物雷达回波处理中采用RMA算法可使这种类型的干扰对UWB生物雷达的探测性能不产生影响,在条件许可的情况下应尽量避免干扰源距天线0m处(如操作人员使用对讲机)等极端情况;2)对于风吹草动干扰,在UWB生物雷达回波处理中可采用自适应MSSA算法,同时必须避免干扰源距离天线过近(如0m)等极端情况发生,在条件允许的情况下可通过雷达时窗设置将动目标干扰完全排除在有效探测范围之外。本文的主要创新点包括:1、探明了窄带RFI和风吹草动干扰对UWB生物雷达人体呼吸检测性能的影响,在此基础上提出了UWB生物雷达环境干扰的应对策略,对UWB生物雷达的应用具有重要的指导意义。2、利用UWB生物雷达人体呼吸响应的特性,建立了窄带RFI和风吹草动干扰抑制的新算法,有望增强UWB生物雷达的抗干扰能力,从而进一步提高其实际应用效能。
【关键词】：生物雷达 超宽带 风吹草动干扰 窄带射频干扰 干扰抑制 实验研究
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN958
【目录】：

• 缩略语表5-6
• 中文摘要6-9
• ABSTRACT9-13
• 前言13-14
• 文献回顾14-23
• 第一章 UWB生物雷达环境干扰的定量探测实验23-42
• 1 实验条件与数据采集23-29
• 1.1 UWB生物雷达探测系统23-26
• 1.2 精密人体呼吸模拟装置26-27
• 1.3 干扰源27-28
• 1.4 数据采集28-29
• 2 数据处理和分析方法29-40
• 2.1 数据预处理30-31
• 2.2 UWB生物雷达信号特征分析31-33
• 2.3 窄带RFI实验结果33-36
• 2.4 风吹草动干扰实验结果36-40
• 3 小结40-42
• 第二章 UWB生物雷达环境干扰抑制算法的回波处理实验42-70
• 1 常用环境干扰抑制算法42-51
• 1.1 中值滤波实验结果及评价42-47
• 1.2 SVD实验结果及评价47-51
• 2 一种基于RMA的窄带RFI抑制算法51-59
• 2.1 UWB人体呼吸响应的距离相关特征51-52
• 2.2 RMA窄带射频干扰抑制算法52
• 2.3 实验结果52-59
• 2.4 算法性能评价59
• 3 一种基于自适应MSSA的动目标干扰抑制算法59-69
• 3.1 自适应MSSA算法60-63
• 3.2 实验结果63-68
• 3.3 算法性能评价68-69
• 4 小结69-70
• 第三章 UWB生物雷达环境干扰的模拟探测实验70-75
• 1 实验条件70-71
• 2 实验结果71-74
• 3 小结74-75
• 总结75-77
• 参考文献77-82
• 个人简历和研究成果82-83
• 致谢83

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本文编号：687607