基于雷达微多普勒特征的人体微动研究

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1、1引言1.1课题背景和意义技术时代的更新，雷达渐渐步入成熟，它通过电磁波承载所需的信息，因此没有任何时间限制，也不受气候等客观因素的影响，在警戒，引导，武器控制，侦查，航行保障，气象观察，敌我识别等方面得到了广泛应用。对人体的步态识别更是当下诸多学者持续研究的经典课题。人类的行走步态是一个包含了身体各部分不同运动组成的复杂运动。行进中的人体同时存在心跳、呼吸以及四肢摆动、躯干摆动等运动形式，但由于心跳及呼吸引起的胸腔微动产生的多普勒信号(这个主要用于医学上的非接触测试)较四肢摆动而言可以忽略不记，所以在进行实际人体行进特征分析时，可以把躯干部

2、分视为刚体运动，人体在行进或者跑步过程中四肢的摆动即可视为微动。由于人体行进时人的手和腿的摆动会给雷达回波带来多普勒调制信息，利用现代数字信号处理技术对采集到的回波信号进行时频变换，结合人体结构模型和多普勒回波时频图，估计和提取人体微动特征参数，以到达人体微动识别的目的[1]。而雷达具有在任何天气条件下完成远距离侦测和识别人体的优势。目前雷达步态识别越来越受到国内外学者的关注,研究也日趋深入。它是运动学与雷达信号处理的交叉结合,技术涉及运动建模、时频分析、变采样滤波、雷达成像理论和技术等。当目标或目标上的某些部分存在相对于目标主运动方向的机械

3、振动或旋转,则回波信号的频率将被调制,体现在频谱图上则是频移旁瓣的出现。这种现象就称为微多普勒效应。微多普勒是从频率上描述了目标微动的雷达特征,反映的是多普勒频移的瞬时特性,表征了目标微动的瞬时径向速度[2]。29这是一种非接触的生物特征识别技术，可以远距离进行，是其他任何生物特性无法比拟的，不容伪装，因此在警察侦破一些特殊案件时会起到至关重要的作用，在一个犯罪过程中，可能由于各种客观原因无法识别其脸型，但走路的样子是无法规避的，通过将犯罪分子的步态进行搜索与比对，确认其本人，甚至犯罪前通过步态的提取与识别，再结合心理可以提前发现一些不良势头

4、，在军事，反恐与安全系统等许多领域有着广泛的应用前景和重要的研究意义。1.2国内外的研究状况和发展趋势国外方面：基于雷达微多普勒特征的人体微动研究开始于上世纪90年代末，之后发展迅速[3][4]。英国泰利斯传感器有限公司(ThalesSensorsLimited)和泰利斯研究有限公司(ThalesResearchLimited)的研究人员利用基于微多普勒特征的单兵便携式监测跟踪雷达(ManPortableSurceinanceandTrackingRadarMSATR)，对行人，轮式车和履带车的进行分类。荷兰海牙TNO物理与电子实验室研制了一

5、种手持式穿墙雷达，应用于城市作战和反恐特种作战。美国佐治亚技术研究所研制出了一种因外形类似手电筒而得名“手电筒式雷达"，可探测到人体由于心跳或呼吸导致的人胸部的微小运动(测量精度可达毫米量级)，并具有自动识别人体功能。该系统可探测到位于水泥墙、木墙、钢门以及树丛等障碍后面的人员，有效探测距离30-50米，穿透2-3米实体砖墙后探测距离仍有10米，该装置目前只能固定使用，研究人员希望在以后的研究中对其进行完善和便携式设计[5]。国内方面：随着技术的不断更新，关于微动目标特征的识别与提取的研究也是在逐步的深入，西安电子科技大学，国防科学科技大学，

6、电子科技大学等重点科研单位的研究人员尝试各种途径，将此应用更加完善并合理的运用到各项技术领域中，在一定程度上已经取得了相当的突破。29发展趋势：步态特征是一个复杂的研究课题，大范围涉及到医学、计算机视觉、图像处理等多个领域的知识，小范围与雷达工作原理、微多普勒效应等有着密不可分的联系，而随着时代慢慢融入了数字化，步态特征的识别技术愈加凸显其价值，因此，对它的研究，包括复杂背景干扰、识别算法[6]等的要求也是更为严苛，如何进行适当的处理变得尤为重要，其中微动产生的微多普勒效应作为目标的独有特性将变得关键。2雷达中的微多普勒效应2.1雷达简单介绍

7、雷达，是英文Radar的音译，源于radiodetectionandranging的缩写，意思为“无线电探测和测距”，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达所起的作用与眼睛和耳朵相类似，不过它是人类智慧的杰作，它的信息载体是无线电波，因此其基本的形式是由发射机，发射天线，接收机，接收天线，处理部分及显示器，电源等几个主要部分构成。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离，距离变化率（径向速度），方位，高度的信息。事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东

8、西，那就是电磁波，传播的速度都是光速c，而雷达的差别在于它们各自占据的频率和波长不同。2.2雷达工作的基本原理简单概括的分析，雷达工作的基本原理是这样的：雷达设备中