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宽带/超宽带雷达运动人体目标检测与特征提取关键技术研究

作　者: 贺峰
导　师: 周智敏；黄晓涛
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 宽带/超宽带特征提取微动微多普勒时间-距离像时间-频率像穿墙雷达干扰抑制杂波抑制
分类号: TN957.52
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

人体目标探测在反恐、灾后搜救等场合具有重要应用,基于雷达的人体目标探测技术是近年来人体目标探测的研究热点和前沿课题。本文的研究围绕运动人体目标雷达探测理论与技术展开,重点研究运动人体目标雷达回波模型、宽带/超宽带雷达运动人体目标特征提取、超宽带穿墙雷达的干扰与杂波抑制、实测数据处理与分析等关键理论与技术。首先研究了运动人体目标雷达回波建模。将人体目标运动简化为典型运动形式的复合运动,基于线性刚体结构建立和完善了原地踏步状态和行进状态人体目标模型,上述模型具有与真实人体目标运动状态吻合度高、参数调整方便、思路简单等特点,可推广应用于多种雷达信号形式。基于连续波信号得到了运动人体目标雷达回波,从理论上分析了运动人体目标的瞬时频率特征和瞬时运动特征,利用仿真工具分析了不同探测条件下雷达回波特性,为分析运动人体目标特征提取奠定了理论基础。其次研究了宽带/超宽带雷达运动人体目标特征提取。以摆动目标为简化模型,研究了原地踏步目标特征提取。基于频率步进连续波信号得到摆动目标宽带/超宽带雷达回波,提出了利用脉冲对消、高通滤波或自适应时频表示技术进行微动信号分离的处理方法;根据摆动目标时间-距离像和时间-频率像变化规律,提出了两种基于时间-距离像的摆动目标特征提取改进算法,提高了摆动周期的估计精度,提出了基于幅度阈值检测从目标时间-频率像直接提取摆动特征的算法,并研究了时频变换方法对特征提取性能的影响;本文研究的摆动目标特征提取方法同样适用于旋转等周期性运动目标。以平动和摆动构成的复杂运动目标为简化模型,研究了行进运动目标特征提取。基于频率步进连续波信号得到复杂运动目标宽带/超宽带雷达回波,根据复杂运动目标时间-距离像和时间-频率像变化规律,提出了基于距离和差值序列的复杂运动目标特征提取新方法,该方法解决了不同摆动幅度的估计问题,算法实现简单、参数提取精度高;提出了基于运动补偿的复杂运动目标特征提取新方法,该方法解决了多散射点目标趋势项的估计与处理问题,算法实时性好、参数估计精度高;本文研究的复杂运动目标特征提取方法可推广应用于由一般平动和周期性运动构成的复杂运动目标。最后基于实测数据研究了超宽带穿墙雷达人体目标检测与特征提取等问题。研究了超宽带冲激信号雷达回波特性,介绍了所研制的超宽带穿墙雷达的结构和基本组成。干扰与杂波抑制是人体目标检测的关键,针对耦合的时变性,提出了一种基于频域幅度时延对齐的耦合抑制新算法,在一定程度上解决了时变耦合抑制问题;针对杂波的复杂性和目标运动状态的不规律性,提出了基于自适应背景相消的杂波抑制新算法,该算法对杂波环境和目标运动类型适应性强,从理论上将脉冲对消法、背景相消法等常规杂波抑制方法统一于自适应背景相消算法,完善了穿墙雷达杂波抑制理论和方法。开展了不同探测条件下多种运动类型的人体目标穿墙探测实验,利用实测数据处理结果验证了干扰与杂波抑制算法以及运动人体目标特征提取算法的有效性和超宽带穿墙雷达对人体目标的优良探测性能。指出了系统存在的主要问题,为系统的进一步改进提供了参考。论文提出的运动人体目标雷达回波模型、宽带/超宽带雷达运动人体目标特征提取方法和超宽带穿墙雷达系统中关键信号处理算法将丰富人体目标雷达探测理论与特征提取技术,对穿墙雷达的研制具有较强的理论意义与应用价值。

全文目录

摘要  12-14
Abstract  14-17
第一章绪论  17-31
  1.1 研究背景及意义  17-18
  1.2 国内外研究现状  18-27
    1.2.1 典型的人体目标探测雷达系统  19-21
    1.2.2 人体目标雷达回波建模研究现状  21-24
    1.2.3 人体目标微动特征研究现状  24-27
  1.3 人体目标雷达探测存在的问题  27-28
  1.4 论文主要工作及内容安排  28-31
第二章运动人体目标雷达回波建模  31-66
  2.1 引言  31
  2.2 原地踏步状态人体目标雷达回波建模  31-40
    2.2.1 腿部的雷达回波  32-37
    2.2.2 臂部的雷达回波  37-38
    2.2.3 躯干与头部的雷达回波  38-40
    2.2.4 原地踏步状态人体目标雷达回波  40
  2.3 行进状态人体目标雷达回波建模  40-52
    2.3.1 腿部的雷达回波  41-48
    2.3.2 臂部的雷达回波  48-50
    2.3.3 躯干与头部的雷达回波  50-51
    2.3.4 行进状态人体目标雷达回波  51-52
  2.4 运动人体目标瞬时特征分析  52-58
    2.4.1 瞬时多普勒特征  52-56
    2.4.2 瞬时运动特征  56
    2.4.3 瞬时特征的提取  56-58
  2.5 仿真实验与分析  58-65
    2.5.1 运动人体目标雷达回波模型验证  58-60
    2.5.2 运动人体目标瞬时特征仿真分析  60-64
    2.5.3 分析与讨论  64-65
  2.6 本章小结  65-66
第三章摆动目标特征提取  66-101
  3.1 引言  66-67
  3.2 频率步进信号处理分析  67-73
    3.2.1 SFCW 信号回波的一般表示  67-68
    3.2.2 一维距离成像分析  68-71
    3.2.3 频率特征分析  71-73
  3.3 摆动目标雷达回波建模与微动信号分离  73-80
    3.3.1 摆动目标雷达回波模型  74-76
    3.3.2 微动信号分离算法  76-80
  3.4 基于时间－距离像的摆动目标特征提取  80-90
    3.4.1 摆动目标的时间－距离像特性  80-82
    3.4.2 幅度峰值搜索法  82-85
    3.4.3 结合数据预处理的幅度峰值搜索法  85
    3.4.4 幅度阈值检测法  85-86
    3.4.5 仿真分析  86-90
  3.5 基于时间－频率像的摆动目标特征提取  90-98
    3.5.1 摆动目标的时间－频率像特性  91-92
    3.5.2 时间－频率像与时间－距离像的等效性  92
    3.5.3 基于幅度阈值检测的直接提取法  92-94
    3.5.4 仿真分析  94-98
  3.6 原地踏步目标特征提取仿真实验与分析  98-99
  3.7 本章小结  99-101
第四章复杂运动目标特征提取  101-127
  4.1 引言  101
  4.2 复杂运动目标雷达回波建模  101-105
  4.3 基于距离和差值序列的复杂运动目标特征提取  105-114
    4.3.1 复杂运动目标的时间－距离像特性  105-107
    4.3.2 距离和差值序列变化特性  107-108
    4.3.3 基于距离和差值序列的微动特征提取  108-110
    4.3.4 仿真分析  110-114
  4.4 基于运动补偿的复杂运动目标特征提取  114-124
    4.4.1 复杂运动目标的时间－频率像特性  114-116
    4.4.2 基于幅度阈值检测的单分量信号估计  116-117
    4.4.3 基于经验模式分解的趋势项处理  117-119
    4.4.4 基于时频像的微动特征提取  119
    4.4.5 仿真分析  119-124
  4.5 行进运动目标特征提取仿真实验与分析  124-125
  4.6 本章小结  125-127
第五章超宽带穿墙雷达关键信号处理技术  127-161
  5.1 引言  127-129
  5.2 超宽带穿墙雷达回波信号处理分析  129-137
    5.2.1 超宽带冲激雷达回波分析  129-134
    5.2.2 UWBTWRES 结构及组成  134-136
    5.2.3 UWBTWRES 信号处理流程  136-137
  5.3 基于频域幅度时延对齐的耦合抑制  137-139
    5.3.1 耦合时变性分析  137-138
    5.3.2 基于频域幅度时延对齐的耦合抑制算法  138-139
  5.4 基于自适应背景相消的杂波抑制  139-143
    5.4.1 脉冲对消法  140
    5.4.2 背景相消法  140-141
    5.4.3 自适应背景相消法  141-143
    5.4.4 干扰和杂波抑制性能指标  143
  5.5 基于时域幅度均衡的RFI 抑制  143-146
    5.5.1 时域幅度均衡方法  143-144
    5.5.2 RFI 抑制性能指标  144-145
    5.5.3 算法性能比较  145-146
  5.6 穿墙雷达实测数据处理  146-160
    5.6.1 实验条件  146
    5.6.2 原地踏步目标数据处理  146-151
    5.6.3 径向行进运动目标数据处理  151-157
    5.6.4 切向行进运动目标数据处理  157-158
    5.6.5 原地静止目标数据处理  158-160
  5.7 本章小结  160-161
第六章结束语  161-164
  6.1 本文工作总结  161-162
  6.2 未来研究展望  162-164
致谢  164-166
参考文献  166-177
作者在学期间取得的学术成果  177-179
附录A 缩略词表  179-182

宽带/超宽带雷达运动人体目标检测与特征提取关键技术研究

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