一種用于超寬譜探人雷達(dá)的人體識(shí)別新方法

一種用于超寬譜探人雷達(dá)的人體識(shí)別新方法

0超寬譜技術(shù)在探測(cè)、識(shí)別和定位的應(yīng)用雷達(dá)檢測(cè)過程經(jīng)歷了連續(xù)波雷達(dá)和超寬譜雷達(dá)的步驟。超寬譜探人雷達(dá)因其具有高距離分辨率和強(qiáng)目標(biāo)識(shí)別能力等特點(diǎn)而成為本研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。探人雷達(dá)最早采用點(diǎn)頻連續(xù)波體制,因其回波沒有距離和方位角信息,故其探測(cè)結(jié)果往往只能給出有人或無人,至于有幾個(gè)人、人的位置這些信息我們無法知道。20世紀(jì)90年代開始就有研究小組將超寬譜技術(shù)應(yīng)用于探人雷達(dá)領(lǐng)域,并在人體目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別和定位方面取得了一些成果。這些小組多采用FFT或時(shí)域信號(hào)處理方法來對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行信號(hào)處理,再根據(jù)處理結(jié)果來進(jìn)行簡(jiǎn)單人體識(shí)別或者直接顯示處理結(jié)果。為了有效識(shí)別人體,提高超寬譜探人雷達(dá)的探測(cè)準(zhǔn)確率,本文在原有時(shí)域信號(hào)處理的基礎(chǔ)上,提出了一種基于波形匹配思想的新判別方式,大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,該判別方式能有效地提高超寬譜探人雷達(dá)目標(biāo)有無的識(shí)別準(zhǔn)確率。1天線輻射0圖1為基于超寬譜雷達(dá)的非接觸生命探測(cè)系統(tǒng)原理圖。脈沖振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào),該信號(hào)觸發(fā)電磁脈沖發(fā)生器產(chǎn)生窄脈沖,并通過發(fā)射天線輻射出去。反射信號(hào)經(jīng)過接收天線送到取樣積分器,由脈沖振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過延時(shí)電路產(chǎn)生距離門,對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行選擇,信號(hào)通過積分電路,經(jīng)過脈沖積累后微弱信號(hào)被檢測(cè)出來,我們對(duì)檢測(cè)出來的微弱信號(hào)進(jìn)行放大濾波,并經(jīng)高速采集卡采樣后送入DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)進(jìn)行分析處理并識(shí)別,最后將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給計(jì)算機(jī)顯示。2信號(hào)和目標(biāo)識(shí)別算法2.1信號(hào)處理算法本文所采用的信號(hào)處理方法采用項(xiàng)目組現(xiàn)有的時(shí)域信號(hào)處理方法,其算法流程如圖2所示。2.1.1滑窗累積積分由于超寬譜探人雷達(dá)的高速采集卡采樣率高,采樣后信號(hào)數(shù)據(jù)量大,不利于實(shí)時(shí)運(yùn)算,所以在確保距離分辨率的情況下我們首先采用滑窗累積的方法對(duì)采樣后的距離信號(hào)進(jìn)行隔點(diǎn)積分,在不損失信號(hào)特征的情況下減少信號(hào)長(zhǎng)度,降低運(yùn)算量,加快運(yùn)算速度。積分后的信號(hào)長(zhǎng)度為200點(diǎn)。將積分后信號(hào)按時(shí)間和空間2個(gè)域進(jìn)行分解、重構(gòu),合成含有時(shí)間信息的目標(biāo)回波信號(hào)和含有空間信息的距離信號(hào),目標(biāo)回波信號(hào)反映的是對(duì)應(yīng)距離點(diǎn)上的信號(hào)幅值隨時(shí)間變化的情況,而距離信號(hào)則為同一時(shí)刻不同距離上的各點(diǎn)的幅值組成的序列。2.1.2保留文獻(xiàn)信號(hào)對(duì)于目標(biāo)回波信號(hào)采用參數(shù)合適的有限沖激響應(yīng)低通數(shù)字濾波器去除高頻干擾,保留正常人的呼吸等生理信號(hào);對(duì)于濾波后信號(hào),采用數(shù)字微分器去除直流漂移干擾,以增強(qiáng)微弱信號(hào)的生命特征部分,提高信噪比。2.1.3人體能量累積計(jì)算本文在能量累積中采用了對(duì)微弱生命特征信號(hào)敏感的過零點(diǎn)這一特征,即在距離信號(hào)上尋找過零點(diǎn),將過零點(diǎn)處的信號(hào)幅值在時(shí)間上累加,非過零點(diǎn)處的信號(hào)幅值置零,取50s時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)做能量累積得到處理結(jié)果,用于人體目標(biāo)的判別。2.2信號(hào)幅值和信號(hào)離散系數(shù)的判別方法本文在超寬譜雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn),包括自由空間、各種建筑墻體、廢墟實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的有人和無人探測(cè)實(shí)驗(yàn)。用前面所述的信號(hào)處理方法對(duì)各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行信號(hào)處理,對(duì)處理后的信號(hào)波形進(jìn)行直觀分析和相關(guān)的信號(hào)特征分析。最后發(fā)現(xiàn),探測(cè)區(qū)域無目標(biāo)時(shí),信號(hào)幅值的最大值較小,信號(hào)能量整體比較平均,無明顯異常值,即整個(gè)距離上能量的離散度較小如圖3所示;探測(cè)區(qū)域有目標(biāo)時(shí)信號(hào)幅值的最大值較大,信號(hào)能量整體不均衡,有明顯異常能量大值出現(xiàn),如圖4所示,或整段較大能量值出現(xiàn)如圖5所示,即整個(gè)距離上的能量的離散度較大。通過觀察尋找規(guī)律,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并基于波形匹配的思想,最后確定了信號(hào)幅值和信號(hào)離散系數(shù)相結(jié)合的判別方法。判別方法及規(guī)則如下。尋找處理后的能量信號(hào)(200點(diǎn))的最大值,記錄最大值的幅值,當(dāng)該幅值大于40時(shí),判別算法給出有探測(cè)區(qū)域內(nèi)有人體目標(biāo)的結(jié)果,小于10時(shí)給出探測(cè)區(qū)域內(nèi)無人的結(jié)果。至于有幾個(gè)人,人的位置等信息則由其他的判別算法給出。將能量信號(hào)分段,對(duì)每段內(nèi)所有點(diǎn)的幅值求和,形成各段的能量值,計(jì)算這幾個(gè)能量值的標(biāo)準(zhǔn)差和均值,用標(biāo)準(zhǔn)差除以均值作為離散系數(shù),用離散系數(shù)來判斷探測(cè)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)有無。當(dāng)能量信號(hào)的最大幅值處于大于等于10且小于等于40的區(qū)間時(shí),就需要靠離散系數(shù)來判別。此時(shí),離散系數(shù)大于0.5則認(rèn)為探測(cè)區(qū)域內(nèi)有人體目標(biāo),小于0.5則認(rèn)為無目標(biāo)。例如,圖3所示的能量信號(hào)的離散系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為0.16(無目標(biāo)),圖4所示信號(hào)的離散系數(shù)為0.99(單目標(biāo)),圖5所示信號(hào)的離散系數(shù)為0.76(多目標(biāo))。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理本文進(jìn)行了自由空間探測(cè)、穿透30cm磚墻探測(cè)、穿透兩堵30cm磚墻探測(cè)和廢墟實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)。其中廢墟探測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)為項(xiàng)目組自行設(shè)計(jì)建成,模擬地震等災(zāi)后的生命探測(cè)場(chǎng)景,其實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。每種探測(cè)實(shí)驗(yàn)都包括無目標(biāo)、單目標(biāo)、多目標(biāo)等幾種數(shù)據(jù),對(duì)所有數(shù)據(jù)采用本文所述的信號(hào)處理方法和目標(biāo)識(shí)別算法進(jìn)行處理和判別。各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的組數(shù)以及識(shí)別結(jié)果正確率情況如表1所示。由表1可以看出,在對(duì)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判別的結(jié)果中,自由空間和穿透兩堵磚墻數(shù)據(jù)的判別準(zhǔn)確率較高,均能達(dá)到90%以上;穿透30cm磚墻數(shù)據(jù)的判別準(zhǔn)確率達(dá)到88.9%,這些均較以前的判別方法有很大提高;廢墟實(shí)驗(yàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,因?yàn)閺U墟(實(shí)體磚墻加混凝土)厚度達(dá)到2m,探人雷達(dá)較難穿透,造成信號(hào)處理后的生命特征不明顯,所以導(dǎo)致目標(biāo)識(shí)別算法的識(shí)別準(zhǔn)確率較低,該識(shí)別方法基本不適合廢墟實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。4探測(cè)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)識(shí)別本文提出了一種應(yīng)用超寬譜探人雷達(dá)的人體識(shí)別新方法,該方法基于波形匹配的思想,采用信號(hào)幅值和離散系數(shù)2個(gè)參數(shù)相結(jié)合的方式,來對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)有無人體目標(biāo)的情況進(jìn)行判別。通過各種場(chǎng)景下共計(jì)197次探測(cè)實(shí)驗(yàn)證明,在超寬譜雷達(dá)穿透能力所能達(dá)到的探測(cè)范圍內(nèi),該判別算法適合對(duì)人體目標(biāo)的識(shí)別,其識(shí)別準(zhǔn)確率較高;而當(dāng)超寬譜探人雷達(dá)無法穿透障礙物時(shí),該識(shí)別算法無法準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)的有無。本文所述的識(shí)別方法僅對(duì)探測(cè)