FMCW生物雷达信号处理研究文献综述

文 献 综 述

1. 雷达生命探测技术
   1. 生命探测雷达简介

雷达生命探测技术就是利用生命探测雷达发射电磁波穿过墙壁等遮挡介质,探测墙壁外面或其它非金属覆盖物下面人的生命信息。利用雷达进行生命探测的优势在于生命探测雷达的穿透屏蔽物能力和可采用数字信号处理滤除环境杂乱信号以及可以进行非接触生命探测的性能。由于电磁波传播过程中在两种不同介质的表面都会产生反射电磁波,可以根据遮挡物和生命体信号特征的不同进行信号处理,从杂波中提取有用信号,从而达到生命探测的目的。实际上,生命探测雷达就是通过检测人体生命活动所引起的各种微动,从这些微动中得到人的移动、体动、呼吸、心跳等生命信号,从而辩识障碍物后有无生命体[1]。

1.2 生命探测雷达的研究现状和处理算法

近年来，科研工作者开展了大量的雷达呼吸检测的工作。例如，Sachs等人[2]通过实验展示了使用雷达追踪人员、探测呼吸运动以及重构房间轮廓，是在高信杂比条件下进行。然而在现实应用环境中，比如灾后现场搜救废墟中的幸存者，信杂比会非常低[3]，因为人体表面皮肤对雷达信号的低反射率、人体胸腔起伏幅度小、周围的强杂波、穿透障碍物的衰减、发射功率不高、硬件系统的幅值不稳定等原因。考虑到上述情况，在低信杂比条件下进行呼吸检测是一项具有挑战性的课题：如何将微弱的信号在众多干扰中提取出来得到正确的目标信息。

随着技术的发展，科研人员设计了不同的生命探测技术，比如光学、红外、声波。但是以上几种探测仪都有各自的局限性，不能良好的运用到实际情况中，所以电磁波探测仪开始发挥作用。在[4-7]中都验证了连续电磁波雷达在检测人体生命信号有高精度与准确性的性能。

但是人体生命信号幅度小，回波较杂波相比十分微弱，为了将体征信号提取出来，需要根据雷达系统做出相应的信号处理，设计相应的算法与流程。其中，根据每个算法各自不同的特性，在检测生命信号中大家都设计了不同的处理算法。[1]分别在二维处理、单通道等效正交通道、窗函数选取、动目标显示和动目标检测、生命信号检测与识别技术等方面进行了研究讨论,并以此为基础构建了生命探测雷达信号处理的框架。还对生命探测雷达系统的调频带宽、调频周期、采样速率和二级FFT的点数等参数的选定进行了研究讨论,同时结合生命探测的实际应用,建立了一个实用的生命探测雷达系统。[8]提出了一种针对超宽带生命探测雷达回波信号的处理算法，即衍生的短时傅里叶变换，它克服了由于超宽带频谱分散引起的信息损耗，增大了在整个测试过程中一直存在的人体生命信号的频谱分量，同时抑制了短时存在的千扰噪声，成功地提取出了呼吸和心跳倍号。[9]通过慢时间域带通滤波抑制干扰和噪声，并且利用新型基于信号谐波图的呼吸信号门限判决，增加了2db的信杂比增益。[10]提出了基于回波信号等幅度追踪法检测生命信号的方法。采用自主研发的雷达系统进行检测后结果表明该文提出的检测方法有效。该方法不但能准确判定生命体的有无，而且能够同时提供呼吸信号幅度、频率特征及生命体的位置信息。[11]描述一种周期抽样叠加法，避免了由超宽带频谱分散造成的信息损耗,有效增大了人体生命信息的频率分量,从另一个角度提出了一种检测周期性多普勒效应的方法。同时可以调整延时和脉冲重复频率,对超宽带系统中的多普勒时移效应进行补偿,使得用于相关的参考脉冲信号和回波脉冲信号能够有效地进行相干和积分。这种方法通过不断闭环调整延时和脉冲重复频率,进行同步测距和速度跟踪这两个步骤,从而实现多普勒效应检测和跟踪，由多普勒信息中提取出生命体征信息。上面提到的各种算法经验证后都有良好的测试性能，他们从各个不同的角度以及流程中，有效的抑制了干扰，增强目标信息，探测到生命体征信号。

1. FMCW生命探测雷达基本工作原理

雷达按照辐射电磁波能量的特点，分为脉冲(Pulse)体制雷达和连续波(Continuous Wave，CW)体制雷达两类[12].FMCW 雷达是在连续波雷达基础上发展起来的，它既具有连续波雷达发射功率小的特点，又具有脉冲雷达测量目标距离的能力，同时还有一些连续波雷达和脉冲雷达所不具备的优点[13,14]。

线性调频连续波生命探测雷达的基本工作原理^[1]是：雷达产生调频连续波形,经上变频和功率调制,通过发射天线发射出去,在遇到生命体目标后返回。在接收端将接收到的回波信号与发射耦合信号（或频综产生的另一路调频连续波形）进行去斜率混频,然后对零中频信号（差拍中频信号）进行信号处理,得到探测目标特性,然后利用生命恒定准则,判定生命体的有无。

图2.1 线性调频连续波雷达工作原理