UWB生物雷達(dá)應(yīng)用中環(huán)境干擾抑制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、生物雷達(dá)以雷達(dá)發(fā)射的電磁波為探測媒介，能穿透衣物、墻壁、廢墟等非金屬介質(zhì)形成的遮擋或障礙，非接觸地獲取和感知人體目標(biāo)的信息。與紅外、光學(xué)等非接觸技術(shù)相比，生物雷達(dá)技術(shù)具有不受光線和探測角度影響、能全天候穿透探測的優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、公共安全、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。該技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了窄帶和超寬帶（UWB）兩個階段，其中 UWB生物雷達(dá)具有高距離分辨率、強(qiáng)穿透能力、良好的近場和系統(tǒng)兼容性能等優(yōu)點(diǎn)，是目前生物雷達(dá)技術(shù)的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段，

2、UWB生物雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了人體目標(biāo)的探測、識別和定位，但基于該技術(shù)研制的實(shí)用化儀器僅為專門用于地震、塌方等災(zāi)難發(fā)生后搜尋廢墟下壓埋幸存人員的搜救生物雷達(dá)。因此現(xiàn)有的UWB生物雷達(dá)技術(shù)主要圍繞搜救中人體目標(biāo)的定位、多目標(biāo)的識別、行為動作探測等關(guān)鍵科學(xué)問題的研究上，而對這種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可能碰到的問題考慮較少。以本課題組研制的“SJ-3000”UWB搜救雷達(dá)為例，該儀器在汶川、玉樹、魯?shù)榈榷啻蔚卣鹁仍惺褂貌⑶野l(fā)揮了重要作用。但我們

3、在長期應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場探測環(huán)境中存在各類干擾會對該儀器的實(shí)際應(yīng)用效果產(chǎn)生影響。因此，環(huán)境干擾問題是UWB生物雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用中必須考慮和解決的一個重要問題。
　　國內(nèi)外研究表明，UWB生物雷達(dá)應(yīng)用中的環(huán)境干擾主要來自兩方面：一是周圍環(huán)境中的動目標(biāo)干擾，如風(fēng)吹草動、操作人員的運(yùn)動等；二是各種窄帶射頻干擾（RFI），如 GPS、手機(jī)、無線電信號等。本課題組在長期從事 UWB生物雷達(dá)技術(shù)研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，操作人員運(yùn)動引入的干

4、擾可以通過對其進(jìn)行培訓(xùn)和限定加以排除，因而環(huán)境中風(fēng)吹草動是動目標(biāo)干擾的主要來源。此外，目前UWB生物雷達(dá)應(yīng)用主要以應(yīng)急救援中的搜救為主，因而大都采用較低的中心頻率（<500MHz）以保證其穿透性能，常規(guī)的GPS、手機(jī)等信號與這些 UWB生物雷達(dá)頻帶不重疊，因此窄帶RFI的主要來源為現(xiàn)場救援人員使用的無線對講機(jī)。
　　基于上述分析，本文主要針對對講機(jī)引入的窄帶 RFI和風(fēng)吹草動兩種干擾，對UWB生物雷達(dá)應(yīng)用中的環(huán)境干擾問題及其抑制技

5、術(shù)開展了系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究，主要完成了以下幾個方面的工作：
　　1、進(jìn)行了UWB生物雷達(dá)環(huán)境干擾的定量探測實(shí)驗(yàn)，探明了窄帶RFI和風(fēng)吹草動干擾對UWB生物雷達(dá)人體呼吸檢測性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）窄帶RFI和風(fēng)吹草動均與干擾距離高度相關(guān)，干擾效應(yīng)隨距離增大而減??；2）窄帶RFI作用范圍較大且不受雷達(dá)時(shí)窗設(shè)置的影響，干擾效應(yīng)隨距離增大時(shí)衰減速度較慢，而風(fēng)吹草動干擾作用范圍小，干擾源處于雷達(dá)時(shí)窗外則基本不會影響探測效果；3）窄帶射頻

6、干擾與干擾角度無關(guān)，而風(fēng)吹草動干擾與角度有關(guān)，離雷達(dá)天線主瓣越遠(yuǎn)則干擾越小。
　　2、進(jìn)行了UWB生物雷達(dá)環(huán)境干擾的回波處理實(shí)驗(yàn)，提出了針對窄帶RFI和風(fēng)吹草動的干擾抑制新算法。首先，利用UWB生物雷達(dá)人體呼吸響應(yīng)的距離相關(guān)特性，通過對UWB生物雷達(dá)回波在距離上進(jìn)行滑動平均處理，建立了基于RMA處理的窄帶 RFI干擾抑制算法。針對風(fēng)吹草動干擾的抑制，在人體呼吸響應(yīng)距離相關(guān)的基礎(chǔ)上同時(shí)利用人體呼吸的周期特性，建立了基于自適應(yīng)MSSA

7、處理的UWB生物雷達(dá)回波處理算法。
　　3、進(jìn)行了UWB生物雷達(dá)環(huán)境干擾的模擬探測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了定量探測實(shí)驗(yàn)結(jié)論和回波處理算法的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：RMA算法具有實(shí)現(xiàn)簡單和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能基本排除窄帶RFI干擾對UWB生物雷達(dá)探測性能的影響；自適應(yīng)MSSA算法不需要手動設(shè)置閾值進(jìn)行信號重構(gòu)，能有效抑制極端情況（干擾源緊靠天線）之外的動目標(biāo)干擾。
　　4、在上述研究的基礎(chǔ)上提出了UWB生物雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對環(huán)境干擾的策略：1

8、）對于窄帶RFI，在UWB生物雷達(dá)回波處理中采用RMA算法可使這種類型的干擾對UWB生物雷達(dá)的探測性能不產(chǎn)生影響，在條件許可的情況下應(yīng)盡量避免干擾源距天線0m處（如操作人員使用對講機(jī)）等極端情況；2）對于風(fēng)吹草動干擾，在UWB生物雷達(dá)回波處理中可采用自適應(yīng)MSSA算法，同時(shí)必須避免干擾源距離天線過近（如0m）等極端情況發(fā)生，在條件允許的情況下可通過雷達(dá)時(shí)窗設(shè)置將動目標(biāo)干擾完全排除在有效探測范圍之外。
　　本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)包括：