關(guān)鍵詞：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；人體身份識別；微多普勒信號；雷達(dá)傳感器

中圖分類號：TN957 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168(2025)12-0024-05

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.12.005

Convolutional Neural Network-Based Radar Human Identification Research

HE Shaofeng (Yantai Institute of Science and Technology，Yantai 264Ooo， China)

Abstract: [Purposes] Convolutional neural network is highly significant in achieveing human identification，mainly in terms of efficient feature extractionand adaptability to complexscenes.Therefore，the article proposes aradar-based human identification method based on convolutional neural network.[Methods]First，the walking gait echo signals of 1O subjects are preprocessed.Second，the Short-Time Fourier Transform (STFT) is performed to obtain the micro-Doppler time-frequency spectrogram of the human body walking.Finaly，nine types of convolutional neural networks are used to extract their features，and the extracted features are categorized using Softmax classifier to complete the human identification. [Findings] The test results show that，considering the accuracy，network parameters，test time and other factors，SqueezeNet network is more advantageous than the other 8 network in terms of network performance.In addition， the research method of using micro-Doppler signal separation resulted in a 2% increase in accuracy.[Conclusions] Therefore，both the use of micro-Doppler signal separation method and the selection of SqueezeNet network can improve the accuracy of human identification，providing valuable reference and insights for future research inthe field of identification.

Keywords: convolution neural network; human identification; micro-Doppler signal; radar sensors

0 引言

在各領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。孫延鵬等[采用基于微多普勒雷達(dá)信號分離的方法，通過提取人物行走步態(tài)的微多普勒特征信息，提高了人隨著人工智能的不斷發(fā)展，人物身份識別技術(shù)物身份識別的準(zhǔn)確性。該方法實(shí)測者的步態(tài)回波信號是通過FMCW雷達(dá)發(fā)射的電磁波對人物行走的步態(tài)信息進(jìn)行探測獲取的，對回波信號預(yù)處理后，通過短時傅里葉變換獲得微多普勒時頻譜圖。由于人物行走的步態(tài)信息主要體現(xiàn)在四肢的擺動，因此，本研究通過閾值法對時頻譜圖實(shí)現(xiàn)微多普勒信號分離，從而獲得人物四肢的時頻譜圖，并將其輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，利用Softmax分類器實(shí)現(xiàn)對人物身份的識別。同時，對輕量級SqueezeNet網(wǎng)絡(luò)及其他8個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ResNet-50、AlexNet、MobileNet、ShuffleNet、GoogleNET、Vgg19、DCNNs、CNN)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測試對比分析，發(fā)現(xiàn)SqueezeNet網(wǎng)絡(luò)在測試時間、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、準(zhǔn)確率等方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。

1人物身份識別

目前，生物識別技術(shù)作為一種先進(jìn)的技術(shù)研究手段，深受學(xué)者們的喜愛，其主要通過生物內(nèi)在特征或生物行為特征來進(jìn)行身份識別和認(rèn)定。其中，能實(shí)現(xiàn)人物身份識別的技術(shù)主要有指紋識別2、人臉識別3、虹膜識別和步態(tài)識別等。

相較于其他識別技術(shù)，指紋識別需要識別者手指與傳感器親密接觸，一旦距離過遠(yuǎn)，則不能獲取人的指紋信息，并且存在一定的衛(wèi)生隱患4。人臉識別和虹膜識別等技術(shù)主要通過攝像機(jī)采集信息，但攝像機(jī)在使用過程中存在明顯缺陷。如在私密敏感的區(qū)域內(nèi)，攝像機(jī)的使用會引發(fā)不必要的爭議5，此外在光線不足或光線較強(qiáng)時，攝像機(jī)的使用及處理結(jié)果也不一定具備優(yōu)勢。因此，本研究采用雷達(dá)傳感器來獲取人物行走的步態(tài)信息，以實(shí)現(xiàn)對人物身份識別。這是因?yàn)槔走_(dá)傳感器具備一定的使用優(yōu)勢，一方面雷達(dá)傳感器不需要實(shí)測者近距離的接觸或攜帶任何的設(shè)備，不會限制實(shí)測者的自由，并保護(hù)自身的隱私；另一方面雷達(dá)傳感器所發(fā)射的是電磁信號，不易受環(huán)境、外界光線及障礙物等外界因素的影響[7]

2雷達(dá)傳感器

本研究使用單發(fā)、單收的FMCW雷達(dá)，即有1個發(fā)射天線(Tx)和1個接收天線 (Rx) 。FMCW雷達(dá)示意如圖1所示，主要組成為以下4部分。 ① 合成器。產(chǎn)生線性頻率調(diào)制CW脈沖的合成裝置。② 發(fā)射天線。信號由Tx發(fā)送天線發(fā)送，在具體的實(shí)施中，通常需要通過一個功率放大裝置來完成。

③ 接收天線。在目標(biāo)物體的反射下，通過 Rx 接收天線捕獲，在具體的實(shí)施過程中，通常需要添加一個噪聲較小的放大器。 ④ 混頻器。通常由非線性部件及選頻回路組成?；祛l的實(shí)質(zhì)就是頻譜的線性遷移過程。在此基礎(chǔ)上，利用混合電路將混頻器信號與輸入的信號相乘，再經(jīng)積化和差獲得輸出的信號。

當(dāng)發(fā)射天線發(fā)射的信號為 時，則接收天線所對應(yīng)的接收回波信號為 s_R(t) 。 s_R(t) 是經(jīng)過被測目標(biāo)所反射的回波信號，因此可看作是 s_T(t) 的延時信號。具體見式(1)和式(2）。

式中： A_T 為發(fā)射信號的幅值 ;f_c 為起始頻率； B 為信號帶寬； T_c 為持續(xù)時間； t_d 為延時時間； A_R 為接收信號的幅值。

發(fā)射信號的頻率與回波信號的頻率之間產(chǎn)生的差值是中頻信號 x_IF 的頻率，其相位是發(fā)射信號與回波信號的相位之差，見式(3）。

通過雷達(dá)傳感器采集的人物行走步態(tài)信息，先經(jīng)過短時傅里葉變換得到其時頻譜圖，再利用閾值法實(shí)現(xiàn)步態(tài)微多普勒信號分離，便可得到人物行走步態(tài)四肢信號的時頻譜圖，由此提高人物身份識別的準(zhǔn)確率。

3卷積網(wǎng)絡(luò)性能對比分析

在已有的研究中，僅對4個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行對比分析8，而本研究則對9個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行對比分析。每個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都可以對實(shí)現(xiàn)微多普勒信號分離的四肢時頻譜圖進(jìn)行訓(xùn)練，且各個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率如圖2所示。其中，訓(xùn)練集多少的選取是影響人物身份識別的重要因素，而對人物步態(tài)信息的采集是一項(xiàng)耗時耗力的工作。因此，本研究將訓(xùn)練集與測試集的占比調(diào)成不同的百分比，以實(shí)現(xiàn)對9個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能測試。

由圖2可知，隨著每個網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集占比的增加，網(wǎng)絡(luò)的性能也在逐漸地增加，可能是因?yàn)橛?xùn)練集的數(shù)據(jù)過少，網(wǎng)絡(luò)會出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，但SqueezeNet網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練集各個占比中，相較于其他網(wǎng)絡(luò)均占有一定的優(yōu)勢[9，具有較高的網(wǎng)絡(luò)性能。因此，SqueezeNet網(wǎng)絡(luò)在小樣本學(xué)習(xí)中更具優(yōu)勢

與此同時，本研究還對9個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量、準(zhǔn)確率及測試時間方面進(jìn)行了對比研究，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，首先，9個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都具有較高的識別準(zhǔn)確率，但SqueezeNet網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率比其他網(wǎng)絡(luò)要略高一些；其次，SqueezeNet網(wǎng)絡(luò)具有較短的測試時間，可以在有限的時間內(nèi)完成人物身份識別工作；最后，在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)方面，SuqeezeNet網(wǎng)絡(luò)屬輕量化網(wǎng)絡(luò)，以 V_gg19 網(wǎng)絡(luò)為參考， Vgg19 網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量是SqueezeNet網(wǎng)絡(luò)的89倍。綜上所述，本研究選用的SqueezeNet網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)性能方面要優(yōu)于其他8個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

4t-SNE可視化分析結(jié)果

在已有的研究中，僅對4名測試者進(jìn)行人物身份識別研究，而本研究的實(shí)驗(yàn)有10名實(shí)測者，每名實(shí)測者采集了100組行走步態(tài)數(shù)據(jù)，共1000個數(shù)據(jù)總量。將采集到的人物步態(tài)雷達(dá)回波信號先通過短時傅里葉變換得到相應(yīng)的時頻譜圖，再通過閾值法實(shí)現(xiàn)步態(tài)信號的微多普勒信號分離，最終輸人到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中。

為了提高該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆夯芰?，采用五折交叉?yàn)證，按8：2的比例將數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集和測試集。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀，采用混淆矩陣和 t- SNE可視化分析圖呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。未進(jìn)行微多普勒信號分離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示，其人物身份識別的準(zhǔn)確率為 97.5% 。進(jìn)行微多普勒信號分離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。其中，混淆矩陣包含了縱軸的真實(shí)類以及橫軸的預(yù)測類，實(shí)驗(yàn)包含了4位女生和6位男生，共計10個人。在混淆矩陣圖中，正確的分類數(shù)目是通過混淆矩陣對角線顏色較深區(qū)域顯示，而錯誤的分類個數(shù)是通過周圍的顏色較淺區(qū)域所展示。 圖表示每個類別的聚類情況，不同的標(biāo)注代表了不同的實(shí)測者類別。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)微多普勒信號分離的人物身份識別準(zhǔn)確率為 99.5% ，相比于未進(jìn)行微多普勒信號分離的實(shí)驗(yàn)，識別準(zhǔn)確率提高了 2% 。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可判斷出，人物行走步態(tài)的差異主要源于四肢的擺動。因此，人物行走步態(tài)信號的微多普勒信號分離有助于實(shí)現(xiàn)人物身份的識別，提高人物身份識別的準(zhǔn)確率。

5結(jié)語

相較于其他生物識別技術(shù)，基于雷達(dá)傳感器的步態(tài)識別技術(shù)具有易獲取、難偽裝、不限制自由等優(yōu)勢，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取，實(shí)現(xiàn)人物身份的識別。同時，輕量型SqueezeNet網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)性能方面相對于其他網(wǎng)絡(luò)占據(jù)優(yōu)勢，且經(jīng)過微多普勒信號分離的人物身份識別檢測結(jié)果在準(zhǔn)確率上也提高 2% 。在后續(xù)的研究中，希望可以不斷地完善人物身份識別的成果。

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