基于微多普勒效應(yīng)的昆蟲運(yùn)動(dòng)雷達(dá)回波特性研究.pdf

1、昆蟲運(yùn)動(dòng)機(jī)理仿生研究有望為微型仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供新的思路和理論指導(dǎo)，因而自然生活條件下昆蟲運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的測(cè)量對(duì)該項(xiàng)研究有著至關(guān)重要的意義。在昆蟲運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量研究中，昆蟲的實(shí)際生活環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室搭建的探測(cè)環(huán)境之間的差異成為該領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。提出一種新的昆蟲運(yùn)動(dòng)特性獲取方法是解決這一瓶頸的根本之策。本論文提出了基于微多普勒效應(yīng)的昆蟲運(yùn)動(dòng)特性獲取系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)不但可以對(duì)自然生活條件下的昆蟲運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行探測(cè)，還能對(duì)昆蟲軀體各個(gè)組成部分的

2、運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行細(xì)致描繪。
　　本文首先從昆蟲運(yùn)動(dòng)學(xué)信息的獲取方法闡述了在昆蟲運(yùn)動(dòng)學(xué)信息獲取方面存在的問題。然后結(jié)合雷達(dá)在昆蟲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，以及微動(dòng)多普勒雷達(dá)在空間、地面、生物體運(yùn)動(dòng)特征以及人體生命特征中的發(fā)展現(xiàn)狀，提出從昆蟲運(yùn)動(dòng)雷達(dá)多普勒回波中，獲取其運(yùn)動(dòng)特性所需要研究的問題。并對(duì)點(diǎn)目標(biāo)模型微多普勒回波方程以及時(shí)頻分析和特征提取方法、線形昆蟲軀體運(yùn)動(dòng)對(duì)雷達(dá)回波的調(diào)制作用。昆蟲微多普勒特征分析和運(yùn)動(dòng)模式的識(shí)別等問題進(jìn)行探索性的研究。針

3、對(duì)點(diǎn)目標(biāo)模型微多普勒回波方程以及時(shí)頻分析和特征提取方法問題。首先在基于電磁波回波理論和目標(biāo)散射特性的基礎(chǔ)上，利用正交檢波器和帶通濾波器獲取雷達(dá)回波中的微多普勒信號(hào)。然后利用點(diǎn)目標(biāo)微動(dòng)多普勒回波一般形式，推衍出點(diǎn)目標(biāo)間歇振動(dòng)的雷達(dá)回波解析表達(dá)式，并通過一階貝塞爾函數(shù)對(duì)其回波形式進(jìn)行分析。隨后利用STFT、WVD、SPWVD、RSPWVD時(shí)頻分析方法，對(duì)多個(gè)模型點(diǎn)回波仿真信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析。通過時(shí)頻譜圖的比較體現(xiàn)本文選用的RSPWV分析方法的

4、優(yōu)越性。對(duì)時(shí)頻譜圖的特征提取進(jìn)行了闡述。隨后將經(jīng)過RSPWV變換后的多個(gè)散射點(diǎn)回波時(shí)頻譜圖，分別用一階時(shí)間條件矩、峰值檢測(cè)、基于Lablacian圖像脊線法對(duì)其特征進(jìn)行提取和比對(duì)。驗(yàn)證基于Lablacian圖像脊線法對(duì)包含噪聲的多探測(cè)目標(biāo)點(diǎn)回波時(shí)頻譜圖進(jìn)行特征提取的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)線形昆蟲在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)電磁波的調(diào)制作用問題。首先在基于類蛇形機(jī)器人“鉸鏈”結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)所采用的雷達(dá)工作方式的基礎(chǔ)上，提出了適用于線形昆蟲雷達(dá)特征研究的結(jié)構(gòu)模型。并將以

5、黃粉蟲為代表的線形昆蟲軀體結(jié)構(gòu)分為頭部、腹部、尾部三個(gè)部分。通過分析獲取黃粉蟲軀體不同部位的運(yùn)動(dòng)形式，結(jié)合點(diǎn)目標(biāo)雷達(dá)回波方程推衍出線形昆蟲軀體不同部位運(yùn)動(dòng)的雷達(dá)回波解析表達(dá)式。然后運(yùn)用時(shí)頻分析工具和特征提取方法，獲取黃粉蟲不同部位雷達(dá)回波中的微多普勒特征，進(jìn)而對(duì)黃粉蟲各個(gè)軀體部分時(shí)頻分量進(jìn)行研究。
　　本研究設(shè)計(jì)并完成了工作在K波段的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)體微多普勒雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。首先對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)體微多普勒雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的需求進(jìn)行了剖析，提出了雷達(dá)系

6、統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。隨后完成了雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，著重對(duì)微多普勒雷達(dá)射頻前端（微帶天線仿真和設(shè)計(jì)、系統(tǒng)接收和發(fā)射端的增益控制以及多普勒回波信號(hào)的提取和進(jìn)一步處理）的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。然后在獲取到雷達(dá)多普勒回波信號(hào)后，由基于STM32的中央處理單元實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、儲(chǔ)存和與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。最后在上位機(jī)端利用MATLAB中的時(shí)頻分析工具箱實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的時(shí)頻分析。針對(duì)黃粉蟲微多普勒特征分析和運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別的問題，本文利用搭建的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)體微多

7、普勒雷達(dá)探測(cè)平臺(tái)，對(duì)不同運(yùn)動(dòng)形態(tài)下的黃粉蟲進(jìn)行微多普勒信號(hào)回波采集。為達(dá)到良好的電磁屏蔽效果，本文利用吸波材料搭建的微波暗室進(jìn)行回波信號(hào)的屏蔽。然后利用多普勒雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)單個(gè)黃粉蟲頭部擺動(dòng)、尾部擺動(dòng)、緩慢爬行等運(yùn)動(dòng)形式和兩個(gè)、多個(gè)黃粉蟲運(yùn)動(dòng)多普勒回波進(jìn)行探測(cè)。并完成回波信號(hào)的時(shí)頻分析和特征提取，從中獲取包含黃粉蟲軀體各運(yùn)動(dòng)部分的回波特征，支持本課題的研究。最后對(duì)該雷達(dá)探測(cè)平臺(tái)在探測(cè)過程中暴露的一些問題進(jìn)行分析，并提出了下一步的改進(jìn)方案

8、。最后，對(duì)該課題主要研究的工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)該課題研究?jī)?nèi)容的發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，指出需要進(jìn)一步研究和解決的問題。本文主要工作目的是提出一種新型的昆蟲運(yùn)動(dòng)學(xué)信息獲取新方法，并討論了利用該種方法進(jìn)行昆蟲運(yùn)動(dòng)學(xué)信息獲取的可行性。由于該方法涉及的領(lǐng)域比較廣，且都為高頻電磁波前言技術(shù)，因此本文工作只是探索性的，在一定程度上只能算是初步的階段性工作。今后在對(duì)不同類型昆蟲運(yùn)動(dòng)學(xué)信息獲取系統(tǒng)時(shí)，還有不少的問題有待于進(jìn)行進(jìn)一步解決和更深入的研究