生命信號探測的研究

摘要：隨著我國的快速發展，人口密集、資源依賴、社會安全等問題也日漸凸顯。自然或人為災害導致的人員傷亡事故與日俱增。礦難、地震等事故后搶救的事實證明：開展快速有效的生命探測定位的研究具有十分重要的意義。本文利用多普勒原理，對生命信號特征、連續波雷達信號的檢測做以介紹，并提出基于小波的處理改進算法，通過兩種算法的仿真對比，得出小波算法在人員定位領域具有其他算法不具備的優勢，為今后國內人員定位系統領域的研究提供借鑒。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com. cn/article/256095.htm

關鍵字：生命信號；連續波雷達；多普勒；小波改進算法

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.011

生命探測的實質是探測生命，所以在整個生命探測命題中找到人體生命的信號特征是選擇并改進生命探測系統的前提條件。能夠了解人體信號特征便能通過人體特征制定出相應有效的生命探測手段。

1 生命信號特征

由于人體心跳與呼吸可以影響胸腔起伏運動，通過這個特點，研究表明人體的生命信號特征主要有如下幾條。

（1）生命信號具有非正弦性。

（2）生命信號具有平穩特征。心跳和呼吸頻率呈周期性的變化。

（3）采用不同的頻率發射雷達時，所得到生命信號的頻率變化范圍不同。對于最佳探測頻率，人的生命信號頻率變化范圍為0.1-3Hz。

（4）人體生命信號的探測就是低速運動目標的檢測。

（5）生命信號的徑向運動方向是周期往復變化的，這樣使目標與雷達造成的平均距離近似恒值。

（6）生命信號的多普勒頻率接近零，同時外界物體所產生的多普勒頻率與其接近。

2 生命雷達探測原理

根據生命信號的特征，我們可以利用雷達波生命探測技術。要想弄清生命雷達探測原理，首先要對多普勒原理進行簡要概述：當聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有所不同[3]。我們研究的雷達波生命探測技術就是基于多普勒原理的。

當雷達波穿透障礙遇到人體時，反射的回波信號被人體生命活動引起的微動所調制，使得回波信號的一些參數發生改變。人體回波信號的探測正是提取它們頻譜中的多普勒信息，進而對人體進行探測和特征提取。

2.1 連續波生命雷達系統原理

根據以上基本特征與原理的介紹，本文重點提出介紹一種關于連續波生命雷達探測系統技術。它一般由天線、發射機、接收機、信號處理機、計算機、電源等組成。當發射電磁波穿過墻體照射到人體目標后，通過對回波信號進行混頻解調，便可得到包含生命信息的信號。對其進行處理，就可由顯示器顯示出探測結果和定位參數。

連續波雷達分為非調制單頻、非調制多頻和調頻。單頻能對目標測速，但不能測距。多頻能測距，并能分辨固定和活動的目標。調頻能測量目標距離和速度，但只適用單一目標。

在介紹了連續波雷達探測系統技術后，我們便要著重探討一種可行的算法來進行信號的處理，最終實現人體生命探測的任務。

在諸多算法中，許多算法不能反映信號的局部變化特征，運算量和存儲量需求高，實時性差，也不利于硬件實現，如FIR 濾波、自適應濾波、卡爾曼濾波等。小波變換作為一種多分辨率分析的信號處理方法，它可根據需要自動改變時寬和頻寬的大小，具有很好的時頻聯合分析特性，以及分辨率分析特性，在非平穩信號去噪、提取方面比傳統濾波有更好的效果。

3.2 小波變換的改進算法

雖然傳統的小波變換具有很多優點，但是一般的小波變換，都涉及到積分、卷積、大量的浮點運算等復雜的處理過程，在硬件實現方面會消耗很多資源和時間。

本文采用提升型小波算法[1]。它是一種快速的小波變換方法，不依賴于傅里葉變換，直接在時域完成小波變換。利用預測算子P和更新算子U，在時域中完成信號的分解和重構，其中分解步驟為分割、預測、修正。因檢測提取的生命信號位于頻域的0.1Hz到3Hz，本文采取d4小波。

2. 處理兩個初始信號時，FIR濾波信號頻域分析相差不大，目標信號識別性不強。小波算法處理信號的差別性很大，肉眼可判。

3. FIR濾波的卷積計算中噪聲能量積累明顯，有噪聲能量混雜，易誤檢。小波算法處理的信號干凈，噪聲被有效消除，得到更高的信噪比。

3.4 改進型小波變換特點

（1）簡單的加減運算特點，可減少運算量開支，減少存儲量。

（2）分解和重構變換互為逆變換，計算復雜度一樣，減少編程量。

（3）無論對預測或修正步驟，系統操作都是多讀單寫，利于硬件實現。

4 小結

本文通過對生命信號特征的分析開始入手，根據多普勒的原理，著重講述了連續波生命雷達探測技術的原理與優勢，以及改進型D4小波算法在生命特殊探測信號處理方面的基本原理，并與一般算法進行比較，得出結論：本算法可有效檢測和提取生命信號，并具有其他算法不具備的優勢和特點，為將來的進一步實現化研究起到理論支撐作用。

參考文獻：

[1]趙偉.雷達波生命探測技術研究[D].國防科技技術大學，2009.4

[2]牛犇.生命探測雷達信號識別方法研究[D].西安電子科技大學，2006.1

[3]顧昌展.基于微波多普勒方法的非接觸生命信號探測[D].浙江大學，2008.6

[4]顏松.基于雷達回波的人體探測算法研究[D].西安電子科技大學.2012.5

[5]李剛.LFMCW生命探測雷達信號處理技術研究[D].西北工業大學[6]賴敏.超寬帶搜救雷達的編碼信號研究[D].成都理工大學，2008.4[7]陳延年.基于非接觸式雷達的生命信號檢測與處理[D].電子科技大學，2012.4