太赫兹雷达人体目标探测理论与方法研究

摘要

太赫兹雷达具有大带宽、高频率等技术特点，可以有效提高雷达系统对目标探测的精度。此外，与毫米波、红外线等相比，太赫兹波在散射、传播、吸收、反射和穿透性等方面都有显著的优势，并且其对待检测物质具有友好性，几乎不会对物质产生破坏性作用，所以可以广泛应用于雷达、遥感、国土安全、卫星通讯、环境监测、医疗诊断等各个领域。目前针对太赫兹技术的研究和发展引起了很多国家的高度重视。 人体目标探测技术主要包括对人体生理参数的检测与提取。人体参数包括呼吸、心跳等生理特征参数以及步频、步幅等运动特征参数。人体的呼吸和心跳等可视为微多普勒特征。然而通常情况下，雷达的应用环境复杂，微多普勒信号能量微弱，目标主体信号及噪声能量远远高于微多普勒信号的能量，而且微多普勒信号可能是复杂的多分量信号，所以需要从整体目标中分离出微多普勒信号的各个分量，以便于通过对微多普勒信号的分析得到人体生理参数特征。对人体目标的探测不仅在疗养院、医院等场所有广泛的应用需求，而且在安全防护、战场侦察等领域也有广阔的应用前景。太赫兹波的波长相对较短，目标的微多普勒特征更为明显，更有利用通过目标的微动特性实现对目标的分类和识别。基于此，本文结合太赫兹波特性以及太赫兹雷达技术，开展了人体目标探测研究，这些研究对太赫兹雷达技术进入实用阶段具有重要的推动作用。 本文针对太赫兹频段下人体微动参数的提取问题，结合太赫兹雷达回波信号特点，建立太赫兹雷达人体目标模型，分析人体参数提取方法以及微多普勒参数分离方法。具体来说，论文主要研究了以下几个方面的内容： 1. 讨论了使用时频变换方法开展信号时域和频域联合分析的必要性，介绍了S变换、Hilbert-Huang变换以及基于Radon变换的B分布，对比分析了不同时频变换方法的特点，着重分析了B分布在交叉项抑制和时频分辨率方面的优势。 2. 结合复合运动下的微多普勒效应原理分析了人体目标生理特征和运动特征，建立了适用于太赫兹频段的人体生理特征目标模型和运动特征目标模型。针对单散射点、多散射点和不同频段下的目标模型开展了微多普勒分析。 3. 根据人体模型的微动特征，分析了目标雷达回波的特点，给出了一种基于微多普勒效应的人体参数提取方法。针对时频谱曲线的提取，详细分析了脊线和质心曲线两种时频谱曲线提取方法，并提出了一种基于边缘检测的曲线提取算法，有效弥补了原有算法的不足。完成了人体参数提取算法的仿真。 4. 采用时频变换后，噪声能量趋于分布到整个时频域，而信号能量则集中在有限的时间和频率范围内，太赫兹频段下的微多普勒特征更加明显，有利于微多普勒信号在时频域中的分离和分析。选用时频滤波的方法分离微多普勒信号，讨论了基于 CFAR 检测的时频滤波和基于最小二乘法的时频滤波，但是它们不适合分离多分量信号。提出了一种改进的时频滤波方法，并且用其分离生命特征信号，验证了B分布算法与Viterbi算法相结合的时频滤波分离算法精确度比较高。并且用实际的单摆微动实验，验证了算法的有效性。 综上所述，本论文基于太赫兹频段人体微动特点，研究了人体目标探测理论与方法，并通过仿真和实验对方法进行了验证。

目录

第一个书签之前