夏正歡　張群英　葉盛波　吳世有　譚　愷　方廣有　陰和俊

①（中國科學(xué)院電磁輻射與探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京　100190）

②（中國科學(xué)院大學(xué)　北京　100049）

③（中國科學(xué)院　北京　100864）

一種便攜式偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)設(shè)計(jì)

夏正歡①②張群英*①葉盛波①吳世有①譚愷①②方廣有①陰和俊③

①（中國科學(xué)院電磁輻射與探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100190）

②（中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

③（中國科學(xué)院北京100864）

該文提出了一種便攜式偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)的設(shè)計(jì)方法。人體感知雷達(dá)主要包括對運(yùn)動人體目標(biāo)進(jìn)行跟蹤以及對靜止人體目標(biāo)的呼吸頻率進(jìn)行提取。為了獲得較強(qiáng)的穿透能力與較好的距離分辨率，采用了載波為800 MHz的m序列作為雷達(dá)發(fā)射信號。為了減小雷達(dá)系統(tǒng)尺寸，采用高速DAC與FPGA直接合成m序列調(diào)制信號，發(fā)射信號的平均功率為5 dBm。接收機(jī)具有兩個(gè)混合采樣接收通道，第1通道用于實(shí)時(shí)獲得參考碼，第2通道用于接收雷達(dá)回波。為了提高雷達(dá)系統(tǒng)掃描率，采用FPGA內(nèi)部的多個(gè)DSP內(nèi)核級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的并行計(jì)算。另外，動目標(biāo)跟蹤算法與生命探測算法在Intel處理器內(nèi)運(yùn)行，將探測結(jié)果傳給頭盔上的微型顯示器進(jìn)行顯示。最后，通過穿墻實(shí)驗(yàn)表明，該雷達(dá)能實(shí)時(shí)跟蹤墻后16 m內(nèi)的動目標(biāo)，同時(shí)能提取墻后14 m內(nèi)靜止人體的呼吸頻率。

超寬帶雷達(dá)；偽隨機(jī)編碼；穿墻雷達(dá)；生命探測雷達(dá)；現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）

1　引言

超寬帶雷達(dá)具有很高的分辨率，被廣泛應(yīng)用于穿墻動目標(biāo)跟蹤與生命探測［1-4］。目前，大多數(shù)穿墻雷達(dá)和生命探測雷達(dá)都是脈沖體制，脈沖體制的超寬帶雷達(dá)發(fā)射信號的平均功率較小，同時(shí)雷達(dá)回波的信噪比很低［5，6］。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對超寬帶穿墻雷達(dá)的跟蹤距離、距離分辨率及系統(tǒng)小型化等要求越來越高。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的動目標(biāo)跟蹤，就要求雷達(dá)發(fā)射的脈沖信號的能量大；要實(shí)現(xiàn)很高的距離分辨率，就要求雷達(dá)發(fā)射的脈沖寬度很窄；脈沖體制的超寬帶雷達(dá)很難實(shí)現(xiàn)脈沖寬度窄的同時(shí)信號能量大［7］。

偽隨機(jī)編碼信號具有自相關(guān)特性好、抗干擾能力強(qiáng)、時(shí)間帶寬積大等特點(diǎn)，可以同時(shí)達(dá)到大的發(fā)射功率與高的距離分辨率［8，9］。偽隨機(jī)編碼雷達(dá)發(fā)射偽隨機(jī)編碼信號，在接收機(jī)中對雷達(dá)回波進(jìn)行脈沖壓縮來獲得目標(biāo)的脈沖響應(yīng)函數(shù)。德國伊爾梅瑙科技大學(xué)研制了帶寬為4.5 GHz的超寬帶m序列編碼雷達(dá)對地下淺層目標(biāo)與墻后人體目標(biāo)進(jìn)行探測［10，11］，由于發(fā)射的m序列的頻帶寬且頻率高，理論上能達(dá)到非常高的距離分辨率，但地下介質(zhì)對信號呈現(xiàn)出低通濾波效應(yīng)，對高頻的編碼信號衰減非常嚴(yán)重，所以在穿墻跟蹤實(shí)驗(yàn)中沒有獲得很好的探測結(jié)果。日本群馬理工大學(xué)研制了載波為100 MHz的m序列對地下中淺層目標(biāo)進(jìn)行探測，在接收機(jī)中采用模擬電路對雷達(dá)回波進(jìn)行脈沖壓縮［12］，實(shí)驗(yàn)取得了很好的結(jié)果，但這種模擬域的脈沖壓縮方法的效率太低，難以滿足實(shí)際工程的需求。

本文提出一種新型手持式偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)的設(shè)計(jì)方法。該雷達(dá)主要是對墻后運(yùn)動的人體目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，以及對靜止人體的呼吸頻率進(jìn)行提取。由于人體目標(biāo)尺寸較大，當(dāng)距離分辨率在20 cm以下，即可滿足對人體目標(biāo)跟蹤與定位的需求。一般人行走的速度都小于3 m/s，為了實(shí)現(xiàn)10 cm的跟蹤分辨率，則要求雷達(dá)掃描率大于30道/s。另外，人體呼吸時(shí)胸腔運(yùn)動的幅度很小，一般在2 cm以下，在介質(zhì)中對應(yīng)的時(shí)間為tresp=2 cm/vr為介質(zhì)中電磁波的傳播速度。例如，在空氣中，2 cm的呼吸運(yùn)動對應(yīng)的時(shí)間為67 ps左右；在相對介電常數(shù)為9的廢墟中，2 cm的呼吸運(yùn)動對應(yīng)的時(shí)間為200 ps。所以，為了獲取這種小幅度的胸腔運(yùn)動信息，雷達(dá)接收機(jī)的采樣間隔應(yīng)小于67 ps。同時(shí)，人體呼吸的頻率一般為每分鐘10～40次，即0.167～0.667 Hz，則需要雷達(dá)的掃描率大于1.4道/s。為了獲得較強(qiáng)的穿透能力與較高的距離分辨率，采用載波為800 MHz的m序列作為雷達(dá)發(fā)射信號。為了減小雷達(dá)系統(tǒng)尺寸與提高時(shí)間效率，采用高速DAC與FPGA直接合成m序列調(diào)制信號。為了達(dá)到幾十皮秒的采樣間隔，接收機(jī)采用了混合采樣技術(shù)。同時(shí)，為了減小溫度變化對系統(tǒng)的影響，接收機(jī)設(shè)有兩個(gè)混合采樣接收通道，第1通道用于實(shí)時(shí)獲得參考碼，第2通道用于接收雷達(dá)回波。為了提高雷達(dá)系統(tǒng)掃描率，采用FPGA內(nèi)部的多個(gè)DSP內(nèi)核級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的快速計(jì)算。另外，動目標(biāo)跟蹤算法與生命探測算法在Intel處理器的嵌入式平臺上運(yùn)行后，將探測結(jié)果傳給頭盔上的微型顯示器進(jìn)行顯示。在穿墻實(shí)驗(yàn)室中，利用本文提出的偽隨機(jī)編碼雷達(dá)與傳統(tǒng)脈沖雷達(dá)分別對同一動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，對比實(shí)驗(yàn)說明本文提出的偽隨機(jī)編碼人體感知雷達(dá)具有一定的優(yōu)勢。同時(shí)，利用本文提出的偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)對墻后靜止人體的呼吸進(jìn)行探測。

2　偽隨機(jī)編碼雷達(dá)探測原理

2.1系統(tǒng)的沖激響應(yīng)

本文采用帶載波m序列作為雷達(dá)發(fā)射信號。假設(shè)發(fā)射信號為s（t），人體目標(biāo)的沖激響應(yīng)函數(shù)為h（t），該信號包含了發(fā)射天線與接收天線的響應(yīng)函數(shù)以及探測區(qū)域內(nèi)其他物體的響應(yīng)函數(shù)。雷達(dá)回波信號為，發(fā)射信號的自相關(guān)函數(shù)為：

雷達(dá)回波信號與發(fā)射信號的互相關(guān)函數(shù)為：

上式說明，當(dāng)m序列的碼元長度一定時(shí)，其自相關(guān)函數(shù)Rss（t）接近于沖激函數(shù)時(shí)，雷達(dá)回波信號與發(fā)射信號的互相關(guān)函數(shù)則可以近似等價(jià)于沖激響應(yīng)函數(shù)h（t）。所以，偽隨機(jī)編碼超寬帶雷達(dá)與脈沖雷達(dá)的探測原理相同。

2.2混合采樣接收

由于人體呼吸時(shí)胸腔運(yùn)動幅度很小，一般小于2 cm，在空氣中對應(yīng)的時(shí)間為67 ps左右，則接收機(jī)的采樣間隔應(yīng)小于67 ps。為了采集到呼吸時(shí)胸腔的小幅度運(yùn)動信息，設(shè)定采樣間隔為40 ps左右。如果采用高速ADC進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，則需要高速ADC的采樣率高于25 GHz，這是很難實(shí)現(xiàn)的。在超寬帶雷達(dá)中，通常采用等效采樣技術(shù)，而等效采樣技術(shù)的效率很低，一個(gè)脈沖重復(fù)周期（Pulse Repeated Period，PRP）內(nèi)獲得一道完整回波的一個(gè)采樣點(diǎn)。為了提高采樣效率，本文采用混合采樣技術(shù)來提高采樣效率?；旌喜蓸蛹夹g(shù)是結(jié)合高速ADC實(shí)時(shí)采樣與等效采樣的一種高效率采樣方法［13］。假設(shè)等效采樣的次數(shù)Neq，一道完整回波的采樣點(diǎn)數(shù)為Nto，則在混合采樣過程中，一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)可以獲得Nro=Nto/Neq個(gè)采樣點(diǎn)。在下一個(gè)脈沖重復(fù)周期中，可以獲得延時(shí)步進(jìn)Δτ后的下一組Nro采樣點(diǎn)。當(dāng)整個(gè)ADC的時(shí)鐘周期Tad被延時(shí)步進(jìn)單元Δτ遍歷完時(shí)，就得到了一道完整的采樣回波。在本文中，ADC的時(shí)鐘周期為5 ns，延時(shí)步進(jìn)單元為Δτ=40 ps（即采樣間隔為40 ps），混合采樣次數(shù)為Neq=125，即需要125個(gè)脈沖重復(fù)周期可以拼成一道完整的雷達(dá)回波，如圖1所示。

圖1　混合采樣時(shí)序圖Fig. 1　Timing diagram of mixed sampling

2.3雷達(dá)掃描率

在利用偽隨機(jī)編碼超寬帶雷達(dá)對人體進(jìn)行感知時(shí)，對動目標(biāo)的跟蹤相當(dāng)重要。雷達(dá)掃描率則反映了對目標(biāo)的跟蹤分辨率。如果掃描率過低，就難于跟蹤速度較快的運(yùn)動目標(biāo)。本文結(jié)合采用混合采樣技術(shù)與快速脈沖壓縮技術(shù)來提高雷達(dá)掃描率。假設(shè)運(yùn)動目標(biāo)的速度為vta，與雷達(dá)的徑向成角，如圖2所示。徑向的速度分量為v1=vtacos，橫向速度分量為v2=vtasin。當(dāng)徑向跟蹤分辨率為Δs1，則運(yùn)動的人體目標(biāo)經(jīng)過一個(gè)徑向跟蹤分辨率單元的時(shí)間為：

圖2　運(yùn)動人體目標(biāo)探測示意圖Fig. 2　Schematic diagram of moving human target detection

當(dāng)橫向跟蹤分辨率為Δs2，則運(yùn)動的人體目標(biāo)經(jīng)過一個(gè)橫向跟蹤分辨率單元的時(shí)間為：

為了對運(yùn)動的人體目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤，當(dāng)目標(biāo)經(jīng)過一個(gè)跟蹤分辨率單元時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)至少接收一道完整的回波，即雷達(dá)的掃描率rsc應(yīng)滿足：

例如，墻后的人以vta=3 m/s 的速度運(yùn)動，需要的徑向跟蹤分辨率與橫向跟蹤分辨率為Δs1=Δs2=10 cm，人體目標(biāo)與雷達(dá)徑向的夾角為，則要求雷達(dá)系統(tǒng)的掃描率至少為26道/s。

在超寬帶人體感知雷達(dá)中，為了提高信噪比，需要在接收機(jī)中對雷達(dá)回波信號做線性平均處理。假設(shè)線性平均次數(shù)為Nave，脈沖重復(fù)頻率（Pulse Repeated Frequency，PRF）為fPRF，得到一道完整回波信號需要的混合采樣次數(shù)為Neq，則系統(tǒng)的掃描率為：

相比于低信噪比的脈沖體制的超寬帶雷達(dá)，偽隨機(jī)編碼信號具有較好的抗噪聲特性，可以通過脈沖壓縮來提高信噪比，所以該雷達(dá)系統(tǒng)的線性平均次數(shù)為64次。根據(jù)2.2討論的混合采樣技術(shù)可知，采樣間隔為40 ps，高速ADC的時(shí)鐘周期為5 ns，則需要的混合采樣次數(shù)為125次。所以，該雷達(dá)系統(tǒng)的掃描率約為30 道/s。當(dāng)徑向跟蹤分辨率與橫向跟蹤分辨率均為10 cm時(shí)，則該雷達(dá)能夠跟蹤運(yùn)動人體目標(biāo)的最高徑向速度與橫向速度均為3 m/s。根據(jù)以上討論，本文提出的偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)系統(tǒng)原理圖如圖3所示，主要包括一對蝶形偶極子天線、數(shù)字型發(fā)射機(jī)、雙通道接收機(jī)、時(shí)鐘模塊、Xilinx Virtex-5系列高性能FPGA、Intel酷睿i3嵌入式處理器，以及嵌入式顯示器6個(gè)部分。其中，發(fā)射天線、接收天線、數(shù)字發(fā)射機(jī)、雙通道接收機(jī)、時(shí)鐘模塊與CPU處理模塊集成在一個(gè)塑料盒中，收發(fā)天線位于盒子的底部。該主機(jī)盒子通過USB電纜與嵌入式微型顯示器相連，微型顯示器能看到人體目標(biāo)離雷達(dá)的距離，如圖4所示。

3.1數(shù)字發(fā)射機(jī)

表1　雷達(dá)主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of radar

如圖3所示，為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用Xilinx Virtex-5系列XC5VSX95T FPGA芯片與4 GHz采樣率高速DAC芯片來產(chǎn)生載波為800 MHz的m序列，通過帶通濾波器將頻帶外的噪聲去除。為了減小溫度變化對雷達(dá)系統(tǒng)的影響，通過功分器將該m序列調(diào)制信號分成兩路，一路通過功率放大器將信號放大到5 dBm后饋電給發(fā)射天線；另一路通過同軸電纜到接收機(jī)的第1接收通道，作為脈沖壓縮時(shí)的參考信號。綜合考慮m序列的頻率、DAC的工作時(shí)鐘、FPGA的時(shí)鐘后，設(shè)置DAC的工作時(shí)鐘為3.2 GHz，經(jīng)過DAC內(nèi)部的16分頻電路后得到200 MHz時(shí)鐘信號，并反饋到FPGA中作為數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘。由于XC5VSX95 FPGA芯片的最高時(shí)鐘為550 MHz，為了達(dá)到上3.2 Gsps的數(shù)據(jù)率，采用FPGA內(nèi)部并串轉(zhuǎn)換資源。將帶載波的m序列的數(shù)字信號分別存儲在FPGA的16個(gè)ROM中，時(shí)鐘均為20 0 MHz；然后通過4個(gè)并串轉(zhuǎn)換模塊獲得4組并行的400 MHz DDR方式的數(shù)據(jù)，最后送入高速DAC的4個(gè)同步數(shù)據(jù)輸入端口，這樣就實(shí)現(xiàn)了3.2 Gsps的數(shù)據(jù)率。

圖5（a）示意出了高速DAC產(chǎn)生m序列調(diào)制信號方法，fDAC為DAC的采樣頻率，Ns為一個(gè)碼元內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，Tch為一個(gè)碼元的時(shí)間寬度。為了得到載波為800 MHz的m序列，DAC的采樣頻率為fDAC=3.2 GHz ，一個(gè)碼元內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為Ns=4，則一個(gè)碼元的時(shí)間寬度為Tch=1.25 ns 。利用該方法產(chǎn)生的m序列調(diào)制信號如圖5（b）所示，它的自相關(guān)函數(shù)的頻譜如圖5（c）所示。

圖3　雷達(dá)系統(tǒng)原理圖Fig. 3　Schematic diagram of the radar system

圖4　雷達(dá)組成部分Fig. 4　Components of the radar

3.2雙通道接收機(jī)

如圖3所示，雙通道接收機(jī)包含兩個(gè)混合采樣器，第1通道用于獲得脈沖壓縮時(shí)需要的參考信號，第2通道用于接收雷達(dá)回波。從數(shù)字發(fā)射機(jī)中的功分器輸出的發(fā)射信號通過同軸電纜后，經(jīng)過帶通濾波器去除頻帶外噪聲后，被第1混合采樣器采樣接收。綜合考慮接收機(jī)的動態(tài)范圍、系統(tǒng)的時(shí)間效率及功耗，將高速ADC的采樣頻率設(shè)置為200 MHz，等效采樣間隔為40 ps，獲得一道完整雷達(dá)回波需要125次混合采樣。如圖6所示，發(fā)射的偽隨機(jī)編碼信號被第1接收通道采樣后，作Nave次線性平均，記平均后的偽隨機(jī)編碼信號為s（n）。該雷達(dá)發(fā)射的m序列調(diào)制信號包含1023個(gè)碼元，每個(gè)碼元的寬度為1.25 ns，則m序列調(diào)制信號總時(shí)間長度為1.279 μs。該雷達(dá)接收機(jī)的采樣間隔為Δ=40 ps，則m序列調(diào)制信號s（n）包含31975個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)位寬為16 bit。為了減小放大器引起的偏移以及ADC采樣引起的偏移，在脈沖壓縮前，對信號s（n）進(jìn)行去直流處理。雷達(dá)回波信號經(jīng)過帶通濾波器去除頻帶外噪聲后，被低噪聲放大器放大21 dB，然后被第2接收通道采樣，同樣作Nave次線性平均，記平均后的雷達(dá)回波信號為x（n）。雷達(dá)的最大探測時(shí)窗為300 ns，則雷達(dá)回波信號x（n）的總長度為39475。雷達(dá)回波信號x（n）經(jīng)過去直流及帶通濾波處理后記作y（n）。

3.3快速脈沖壓縮技術(shù)

脈沖壓縮方法有很多種，如時(shí)域互相關(guān)、快速傅里葉變換等。由于雷達(dá)回波的采樣點(diǎn)數(shù)很多，若采用FFT做脈沖壓縮，可以達(dá)到很高的時(shí)間效率，但需要消耗大量的邏輯資源與存儲容量，這不利于FPGA的實(shí)現(xiàn)。本文采用時(shí)域互相關(guān)方法進(jìn)行脈沖壓縮，利用FPGA內(nèi)部的500個(gè)DSP48E硬核并行計(jì)算，可以達(dá)到較高的時(shí)間效率，同時(shí)，節(jié)省了大量的邏輯資源與存儲容量，實(shí)時(shí)脈沖壓縮結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖中D觸發(fā)器用于將采樣點(diǎn)延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期，每個(gè)DSP48E硬核由一個(gè)乘法器、一個(gè)加法器與一個(gè)D觸發(fā)器組成。將參考碼與雷達(dá)回波進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，互相關(guān)函數(shù)為：

由上式可知，每計(jì)算一個(gè)互相關(guān)采樣點(diǎn)需要31975次乘法與31974次加法。雷達(dá)的最大探測時(shí)窗為300 ns，即需要計(jì)算7500個(gè)互相關(guān)點(diǎn)。采用500個(gè)DSP48E硬核并行處理，每個(gè)DSP硬核計(jì)算15個(gè)互相關(guān)點(diǎn)。每個(gè)DSP48E計(jì)算一個(gè)互相關(guān)點(diǎn)，總共需要31975次乘法與31974次相加。DSP48E硬核的工作時(shí)鐘為100 MHz，則一個(gè)DSP48E計(jì)算一個(gè)互相關(guān)點(diǎn)的時(shí)間約為0.32 ms。500個(gè)DSP48E硬核計(jì)算完一道回波的互相關(guān)總共需要的時(shí)間約為5 ms，每個(gè)互相關(guān)點(diǎn)的數(shù)據(jù)位寬為48 bit。

圖5　偽隨機(jī)編碼信號產(chǎn)生方法Fig. 5　Generation of pseudo random coded signal

圖6　FPGA信號預(yù)處理結(jié)構(gòu)Fig. 6　Structure of signal pre-processing by FPGA

圖7　FPGA實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮處理器的結(jié)構(gòu)Fig. 7　Structure of pulse compression processor realized by FPGA

3.4時(shí)鐘模塊

如圖3所示，一個(gè)50 MHz的恒溫晶振作為雷達(dá)的參考時(shí)鐘。在FPGA的控制下，頻率綜合器產(chǎn)生3.2 GHz時(shí)鐘。該時(shí)鐘通過一個(gè)時(shí)鐘扇出芯片得到兩路3.2 GHz同步時(shí)鐘，將第1路3.2 GHz時(shí)鐘送入高速DAC作為采樣時(shí)鐘；將另一路3.2 GHz時(shí)鐘通過16分頻電路得到200 MHz時(shí)鐘。該200 MHz時(shí)鐘通過1:3時(shí)鐘扇出芯片獲得3路200 MHz同步時(shí)鐘。第1路200 MHz時(shí)鐘送入接收機(jī)中的第1混合采樣器作為ADC1的采樣時(shí)鐘；第2路200 MHz時(shí)鐘送入接收機(jī)中的第2混合采樣器作為ADC2的采樣時(shí)鐘；第3路200 MHz時(shí)鐘送入FPGA作為輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘，然后通過FPGA內(nèi)部時(shí)鐘管理器產(chǎn)生DSP48E硬核需要的100 MHz時(shí)鐘。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證該雷達(dá)系統(tǒng)的探測性能，分別利用偽隨機(jī)編碼雷達(dá)與傳統(tǒng)脈沖雷達(dá)對墻后同一動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測試。然后利用偽隨機(jī)編碼雷達(dá)對墻后的靜止人體的呼吸頻率進(jìn)行提取實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場景如圖8所示，墻體的厚度為24 cm。

4.1動目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)

圖8　利用偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的場景Fig. 8　Experimental scene using pseudo random coded ultra wide-band radar for human sensing

圖9　利用偽隨機(jī)編碼雷達(dá)對墻后動目標(biāo)跟蹤結(jié)果Fig. 9　Tracking results of moving target behind the wall using pseudo random coded radar

如圖8所示，人體在墻后17 m內(nèi)來回走動。由于墻體附近的雜波很強(qiáng)，為了提高對比度，將2.5 m內(nèi)的信號置零。利用該偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)對墻后運(yùn)動的人體目標(biāo)的測試結(jié)果如圖9所示，從圖9（a）中可以看出，在零時(shí)刻到23 s內(nèi)，人體目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)至17 m左右，目標(biāo)回波的信噪比還很高；從24 s到45 s人體目標(biāo)靠近雷達(dá)，之后重復(fù)這個(gè)過程。圖9（b）給出了對該目標(biāo)的跟蹤結(jié)果，跟蹤軌跡上的每一個(gè)點(diǎn)代表人體所在的位置，然后以圖4（d）形式顯示在嵌入式微型顯示器上。為了與脈沖超寬帶雷達(dá)進(jìn)行對比，利用實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的脈沖雷達(dá)對該墻后的同一目標(biāo)進(jìn)行探測跟蹤，該脈沖雷達(dá)參數(shù)如表2所示，探測結(jié)果如圖10所示。如圖10（a）所示，該脈沖雷達(dá)對10 m內(nèi)的動目標(biāo)探測的信噪比較高，隨著目標(biāo)離墻體越來越遠(yuǎn)，目標(biāo)回波的信噪比將逐漸降低。圖10（b）給出了利用同一跟蹤算法進(jìn)行跟蹤的結(jié)果，該脈沖雷達(dá)很難跟蹤墻后10 m以外的動目標(biāo)。

表2　脈沖雷達(dá)主要參數(shù)Tab. 2 Main parameters of pulse radar

4.2人體呼吸探測實(shí)驗(yàn)

利用該偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)對墻后靜止目標(biāo)的呼吸頻率進(jìn)行提取，當(dāng)人體目標(biāo)站在墻后8.5 m時(shí)，探測結(jié)果如圖11（a）所示，由于墻體附近的雜波很強(qiáng)，為了讓8.5 m處的呼吸信號能被看清楚，將2 m內(nèi)信號置零。按照呼吸頻率提取算法［14］，對慢時(shí)進(jìn)行傅里葉變換后得到頻率信息如圖11（b）所示?？梢钥闯?，0.48 Hz頻率成分最高，其余頻率成分可以看成雜波干擾。最終探測結(jié)果如圖11（c）所示，縱軸代表靜止人體目標(biāo)離雷達(dá)的距離信息，橫軸代表靜止人體目標(biāo)的呼吸頻率。從圖中可以看出，該靜止人體目標(biāo)距離雷達(dá)8.5 m左右，呼吸頻率為0.48 Hz。在嵌入式微型顯示器上只顯示靜止人體目標(biāo)離雷達(dá)的距離，而不顯示其呼吸的頻率信息。當(dāng)靜止人體站在墻后14.5 m處時(shí)，探測的結(jié)果如圖12（a）所示，此時(shí)的呼吸信號非常弱，經(jīng)過呼吸頻率提取算法處理后，得到的頻率信息如圖12（b）所示。從圖中可以看出，頻譜上有大量的干擾頻率，但0.40 Hz頻率分量最強(qiáng)，其次是0.51 Hz頻率成分。最終探測結(jié)果如圖12（c）所示，靜止人體目標(biāo)距離雷達(dá)14.5 m，其呼吸頻率為0.40 Hz。

5　結(jié)束語

本文提出了一種便攜式偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)的設(shè)計(jì)方法。利用高速DAC、高速ADC、高性能FPGA與Intel處理器搭建整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)，大大提高系統(tǒng)的集成度。數(shù)字型發(fā)射機(jī)產(chǎn)生低功率的m序列調(diào)制信號，雙通道接收機(jī)同步采樣參考碼與雷達(dá)回波，減小了溫度變化對系統(tǒng)的影響。利用500個(gè)DSP硬核并行計(jì)算脈沖壓縮，大大提高了雷達(dá)的時(shí)間效率。將最終的處理結(jié)果傳給頭盔上的微型顯示器進(jìn)行顯示，便于實(shí)現(xiàn)單兵作戰(zhàn)。通過實(shí)驗(yàn)證明該便攜式偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)具有很好的探測性能。

圖10　利用傳統(tǒng)脈沖超寬帶雷達(dá)對墻后動目標(biāo)跟蹤結(jié)果Fig. 10　Tracking results of moving target behind the wall using traditional ultra wide-band pulse radar

圖11　利用偽隨機(jī)編碼雷達(dá)探測呼吸信號（當(dāng)人體目標(biāo)站在墻后8.5 m時(shí)）Fig. 11　Detection of respiratory signal using pseudo random coded radar （when human object stands 8.5 m behind the wall）

圖12　利用偽隨機(jī)編碼雷達(dá)探測呼吸信號（當(dāng)人體目標(biāo)站在墻后14.5 m時(shí)）Fig. 12　Detection of respiratory signal using pseudo random coded radar （when human object stands 14.5 m behind the wall）

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張群英（1970-），女，陜西西安人，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲⒉ㄌ綔y新方法研究、超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)、雷達(dá)信號處理。

E-mail: qyzhang@mail.ie.ac.cn

葉盛波（1983-），男，湖北武漢人，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所副研究員，研究方向?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)系統(tǒng)、探地雷達(dá)研制、雷達(dá)信號處理方法研究。

E-mail: sbye@mail.ie.ac.cn

吳世有（1985-），男，安徽合肥人，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所助理研究員，研究方向?yàn)槌瑢拵盘柼幚?、微弱信號檢測。

E-mail: ahwushiyou@126.com

譚愷（1986-），男，江西上饒人，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所博士生，研究方向?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)信號處理與成像方法。

E-mail: tankai10@mail.ucas.ac.cn

方廣有（1963-），男，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所副所長，研究方向?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)系統(tǒng)、測月雷達(dá)、太赫茲成像、地球物理探測方法、電磁場理論。

E-mail: gyfang@mail.ie.ac.cn

陰和?。?963-），男，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院副院長，研究方向?yàn)殡姶艌隼碚?、微波技術(shù)與微波通信、雷達(dá)技術(shù)、特種微波器件等。

Design of a Handheld Pseudo Random Coded UWB Radar for Human Sensing

Xia Zheng-huan①②Zhang Qun-ying①Ye Sheng-bo①Wu Shi-you①Tan Kai①②Fang Guang-you①Yin He-jun③

①（Key Laboratory of Electromagnetic Radiation and Sensing Technology，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）
②（University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）
③（Chinese Academy of Sciences，Beijing 100864，China）

This paper presents the design of a handheld pseudo random coded Ultra-WideBand （UWB）radar for human sensing. The main tasks of the radar are to track the moving human object and extract the human respiratory frequency. In order to achieve perfect penetrability and good range resolution，m sequence with a carrier of 800 MHz is chosen as the transmitting signal. The modulated m-sequence can be generated directly by the high-speed DAC and FPGA to reduce the size of the radar system，and the mean power of the transmitting signal is 5 dBm. The receiver has two receiving channels based on hybrid sampling，the first receiving channel is to sample the

ignal and the second receiving channel is to obtain the radar echo. The real-time pulse compression is computed in parallel with a group of on-chip DSP48E slices in FPGA to improve the scanning rate of the radar system. Additionally，the algorithms of moving target tracking and life detection are implemented using Intel's micro-processor，and the detection results are sent to the micro displayer fixed on the helmet. The experimental results show that the moving target located at less than 16 m far away from the wall can be tracked，and the respiratory frequency of the static human at less than 14 m far away from the wall can be extracted.

UWB radar； Pseudo random binary sequence； Through-the-wall radar； Life detection radar； Field Programmable Gate Array （FPGA）

The National High Technology Research and Development Program of China （863 Program）under Grant 2012AA121901

TN958

A

2095-283X（2015）-05-0527-11 DOI：10.12000/JR15027

夏正歡，張群英，葉盛波，等. 一種便攜式偽隨機(jī)編碼超寬帶人體感知雷達(dá)設(shè)計(jì)［J］. 雷達(dá)學(xué)報(bào)，2015，4（5）: 527-537.

10.12000/JR15027.

Reference format：Xia Zheng-huan，Zhang Qun-ying，Ye Sheng-bo，et al.. Design of a handheld pseudo random coded UWB radar for human sensing［J］. Journal of Radars，2015，4（5）: 527-537. DOI: 10.12000/JR15027.

夏正歡（1986-），男，江西豐城人，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所博士生，研究方向?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)系統(tǒng)、MIMO雷達(dá)系統(tǒng)、FPGA并行信號處理、雷達(dá)成像方法。

E-mail: maxwell_xia@126.com

2015-03-04；改回日期：2015-05-08；

2015-06-17

張群英qyzhang@mail.ie.ac.cn

國家863項(xiàng)目（2012AA121901）