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UWB穿墙雷达原理

       雷达式穿墙生命探测技术融合了UWB雷达技术和生物医学工程技术,由穿墙生命探测雷达(Through-the-wall Detection Radar,TWDR)发射电磁波穿透墙壁等非金属遮挡物,再对接受到的反射回波进行信号处理,从而获得遮挡物后面生命体的运动、呼吸、心跳、个数、位置等信息。故穿墙雷达可以非接触、远距离地探测到生命信息,适用于军事侦察、反恐、特殊病人监护以及自然灾害的人员救援等广泛领域。
       目前国内外生物雷达从雷达的工作原理上主要分为超宽带脉冲雷达(Ultra-Wideband TWDR,UWB-TWDR)和连续波雷达(Continuous Wave TWDR,CW-TWDR,包括单频CW-TWDR、线性调频连续波TWDR及扩频连续波TWDR等)两类,UWB技术在军用雷达上的广泛应用,具有先天的测距和定位功能,因为UWB雷达逐渐成为主要的穿墙雷达发展方向。将UWB技术用于穿墙生命探测是非常有远大前景的新型学科。
       CW生物雷达技术的研究始于20世纪80年代初,也取得了一定的成功,有相应的产品,而UWB生物雷达的研究则始于最近十几年。近年来,CW雷达和UWB雷达同时快速发展。2000年K.M.Chen教授的双天线CW雷达成功检测出了呼吸和心跳信号,但背景噪声干扰较大。2005年美国超视安全系统公司推出的DKLLifeGuardTM型手持式UWB-TWDR在汶川地震搜救工作中表现出色但是价格昂贵,因此国内许多学者也在开始这方面的研究。国内TWDR的研究始于2003年目前在检测有无人、目标静止或运动方面已经有相对成熟的方案,但是在多目标检测、定位、呼吸/心跳信号分离提取方面研究还是不足;同时传统的TWDR还存在对穿墙探测距离短、多目标识别与定位能力差、抗干扰能力差等问题。TWDR的完整信号处理流程是成功测试单人呼吸、心跳信号检测的关键,为提高TWDR的探测距离,抗干扰能力,信息提取能力需要进一步优化和夯实理论基础,方便下一步高性能TWDR系统的设计。
        传统的CW-TWDR工作在L、S波段,发射单频连续波形,遇目标返回,由于多普勒效应,回波中包含了目标的运动信息。在接收端进行零差拍混频并进行FFT处理,再通过滤波和模式识别进行信号分拣就可以得到目标的运动速度信息及判定是否有生命体的存在。CW-TWDR探测距离远、穿透能力强、探测灵敏度高、技术成熟,但多目标检测能力差、无法定位且环境干扰大。
        而WB-TWDR雷达发射ns级窄脉冲信号,经人体反射后,由于多普勒效应,回波脉冲的周期和相位发生变化,从而携带目标信息。通过信号处理对回波脉冲进行解调、积分、放大、滤波,数据处理和分析,便可获得目标信息。UWB-TWDR频率丰富,可兼顾分辨率和穿透能力,同时可以定位及多目标探测;通过距离门技术可加强其抗干扰能力穿墙生命探测过程是将接收到的回波经过预处理和信号提取得到目标的呼吸、心跳信号,进而对放大、凸显出来的呼吸、心跳信号进行数据分析,从而得到呼吸、心跳参数;判断遮挡物后面有无生命体、生命体个数、位置、静止/运动状态等。
       TWDR雷达信号都是因为多普勒效应而携带生命体的信息,生命信号对雷达信号有调相位的作用,所以TWDR的人体回波模型是一致的,因为生命新型号的强度和频率直接引起了雷达信号周期和相位的变换。雷达信号的选择需要兼顾穿透性和高分辨率。休斯先进电磁技术研究中心的测量结果显示:在低频段,1-10GHz范围的电磁波在穿透普通混凝土墙壁时衰减很小,且随着频率的降低,衰减减少,其中在8GHz时衰减大约是10db,在2GHz时衰减到5db以下。因此低于10GHz的频率适合对砖混的墙壁进行探测,而在此范围内的频率越低穿透性越好。因此,CW-TWDR雷达的雷达波形一般选择L、S波段的单频连续波或者调频连续波,信息提取时对低杂波生命低频信号做数据分析,进行特征提取和特征选择这样能够达到最大效果。