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超宽带穿墙雷达人体目标定位及微动特征提取技术

邱磊  
【摘要】:通过发射特定频段的电磁波,穿墙雷达能穿透墙壁等非金属障碍物,并接收隐蔽人员的回波,实现对隐蔽目标的探测、定位和跟踪。穿墙雷达广泛应用于城市巷战、反恐维稳、灾害救援和生命特征监测等军用和民用领域。人体的低反射率和障碍物强穿透衰减,使得人体目标回波的信杂噪比(SCNR)极低,处于微动状态的人体目标尤其难以检测。本课题针对墙后微动人体目标定位及特征提取展开研究,内容覆盖了超宽带穿墙雷达微动人体目标定位的若干关键技术问题,包括基于通道检测的微动目标定位、基于成像的微动目标定位、室内多径环境下的目标定位以及微动特征提取等。本文的主要工作及创新点如下:首先,在分析人体微动特征、超宽带信号体制和电磁波穿墙传输路径的基础上,建立了基于空间-时间-频率多维联合处理的微动目标定位框架。空域是指收发天线单元在空间的分布;时域是不同数据帧;频域是指雷达波形所携带的频率信息。该框架包括基于通道检测的微动目标定位和基于成像的微动目标定位,充分利用雷达系统和目标的空间、时间和频率信息,实现微动目标的检测成像与定位。其次,当雷达系统只有有限个数据通道时,可基于通道检测结果定位微动目标。在检测阶段,提出了基于低秩和稀疏矩阵分解(SLRMD)的非平稳杂波抑制方法,在距离-慢时间维静止杂波抑制后,人体目标回波是低秩的,而非平稳杂波是稀疏的。与现有的杂波抑制方法相比,SLRMD方法能有效抑制环境中的非平稳杂波,提高目标的SCNR。在定位阶段,针对多目标定位中可能出现的虚假目标问题,利用同一个目标在不同通道回波的相似性和不同目标回波特性的差异,提出了基于回波相关矩阵的多微动目标关联方法,仿真和实测结果表明,该方法只需短时观测数据即可实现目标的准确关联。继而提出了基于约束优化的墙后目标定位算法,将目标定位和墙体参数估计转化为非线性方程组的求解问题。该方法利用墙体材料的先验知识,而不需要精确获取墙体参数,增加了墙后定位方法的实用性。仿真和实验结果表明,该方法能够实现墙后目标的精确定位。接着,当雷达具有成像功能时,可基于成像定位微动目标。分别提出了基于高阶累积量处理和基于多普勒切片的的微动目标成像和定位方法。首先根据实高斯过程的高阶累积量为零的性质,证明了复高斯噪声的高阶累积量也为零,再由BP成像的线性性,成像后每个像素点沿慢时间维也是高斯分布的。通过高阶累积量处理,有效抑制高斯杂波,显著提升了目标的SCNR,实现了目标的精确定位。为了区分不同微动频率的目标,在空间-多普勒-距离域,先根据目标频率,选取多普勒切片,然后再结合空域进行成像,得到不同多普勒频率下动目标的成像结果。同时,针对室内多径环境下微动目标的检测与定位问题,研究了前墙振铃多径和室内传播多径,分别建立了电磁波多径传播模型,实现了多径虚像和真实目标的关联,并根据此关联抑制虚像和增强真实目标,改善了真实目标的信杂比,提高了目标定位性能。最后对人体目标的微动特征进行提取,提出了基于等相位线的微动信号提取方法。将人体微动分解为趋势项和周期项,其中趋势项对应于人体目标的随机运动,而周期项表示了人体生命特征。从等相位线中提取人体微动特征,可采用EEMD方法分解趋势项和周期项。为提高低信噪比下微动特征检测能力,采用多个距离单元的回波,提出了基于多道奇异谱分析(MSSA)的生命信号提取方法,准确提取了人体目标的呼吸频率。最后,对全文进行总结,并指出人体目标定位及微动特征提取中需进一步研究的问题。


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