雷達生命特征信號的IIR數(shù)字濾波器設計開題報告.doc

畢業(yè)設計（論文） 開題報告 題 目 雷達生命特征信號的IIR數(shù)字濾波器設計 器設計 專 業(yè) 光信息科學與技術 班 級 光信102 學 號 3100242031 學 生 指導教師 楊秀芳 副教授 二○一四 年 一 畢業(yè)設計課題來源、類型 本設計在MATLAB軟件開發(fā)環(huán)境下，用IIR濾波器提取淹沒在干擾信號中的生命雷達信號，并對呼吸信號和心跳信號實現(xiàn)分離。 課題來源：自選課題。 課題類型：信息提取及處理。 二 生命探測技術研究的背景和意義 2008年5月12日14時27分59.5秒，北緯31.01，東經 103.42，震源深度為14km，震級8.0級，矩震級7.9級，震中烈度最大11度。四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣發(fā)生里氏8.0級地震，地震造成69227人遇難，374643人受傷，17923人失蹤。是中華人民共和國成立以來破壞力最大的地震，也是唐山大地震后傷亡最慘重的一次。這場地震發(fā)生的毫無征兆，它是我國建國以來，影響最大的一次。直接受災地區(qū)達10萬平方公里。地震幾乎將汶川夷為平地，到處是殘墻斷瓦，大部分人在地震中來不急逃生被壓在廢墟之下。 2014年3月8日凌晨2點40分，馬來西亞航空公司稱與一架載有239人的波音777-200飛機與管制中心失去聯(lián)系的，該飛機航班號為MH370，原定由吉隆坡飛往北京。該飛機本應于北京時間2014年3月8日6:30抵達北京，馬來西亞當?shù)貢r間2014年3月8日凌晨2點40分與管制中心失去聯(lián)系。馬航已經啟動救援和聯(lián)絡機制尋找該飛機。 失去聯(lián)絡的客機上載有227名乘客。 如何快速的營救救援人員看不到的傷員，成為救災的重點和難點。災難發(fā)生以后，國家采取了積極的措施，營救人員廣泛使用一種高科技救生儀，專用于搜救災難中被困人員的“生命探測儀。通過這種探測儀，可以探測人力無法到達的區(qū)域是否還有人員被困，從而實施援救。在分秒必爭的營救工作中，生命偵測儀可以幫助搜救人員迅速準確安全地發(fā)現(xiàn)仍然存活的遇險者，從而為營救工作爭取到寶貴的時間。 雷達波生命探測技術是近些年來隨著軍事、醫(yī)學工程、社會發(fā)展需要而發(fā)展的一項新技術，它突破現(xiàn)行的檢測方法和技術，在不接觸目標生命體的情況下，利用人體生命參數(shù)如呼吸、心跳，對生命體進行探尋。 三 本課題在國內外的研究狀況和發(fā)展趨勢 目前，雷達式生命探測技術研究主要集中在美、中、俄、德等國家。起步約在80年代中后期；當時，美國以戰(zhàn)場傷員生命探測為應用背景進行了大量的研究，隨后逐步擴展到傷員搜尋、反恐、醫(yī)學診斷和監(jiān)護等應用領域。前期研究主要以線性連續(xù)波（LCW）雷達作為平臺，但由于其缺少目標距離信息，使其應用面受限。隨著技術的發(fā)展，特別是功率脈沖器件的突破，國際上近期的研究主要以超寬譜（UWB）雷達作為平臺，其強的穿透能力和高的距離分辨率，使這種技術更適合于應急搜救。 我國針對雷達波生命探測技術的研究起步較晚，1998年，第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程系研究小組開始對這一個課題進行研究。 于2004年研制出我國首臺LCW “雷達式生命探測儀”，通過了軍隊科技成果鑒定；該儀器在自由空間的探測距離達50米，可穿透2.3米厚度的磚墻探測到人的呼吸。2005年研制出我國首臺警用“隔墻探人雷達”，通過了公安部科技成果鑒定；2006年研制成功用于搜救的UWB“雷達式生命探測儀”，，該儀器在2008汶川大地震傷員搜尋中，我國自主研發(fā)的必肯科技SJ．3000雷達生命探測儀，由第四軍醫(yī)大學和西安必肯科技合作研制，其性能已達國際領先水平。該探測儀利用超寬帶雷達技術和生物醫(yī)學工程技術研制。 目前使用較多的美國產品為萊福雷達生命探測儀。萊福探測儀可幫助消防搶險救援人員30秒發(fā)現(xiàn)目標，2分鐘確認被困人員。整套裝置由雷達信號發(fā)射器和電腦組成。雷達發(fā)射器利用超寬帶傳輸技術發(fā)射雷達波，并將信號處理后以無線方式發(fā)射給電腦。電腦內嵌入數(shù)百種人呼吸時胸部動態(tài)數(shù)據(jù)信號，將收到的進行信號雜波處理、波形比對后，直接給出有無生命跡象的標志。該探測儀特點：無探針、無線纜、體積小、重量輕、現(xiàn)場安裝方便、操作簡單、定位精確、堅固耐用、具有防水功能，可在雨天操作。 雷達式生命探測儀是一種利用非接觸生命參數(shù)檢測技術的儀器。所謂非接觸檢測技術是相對于接觸式檢測而言的。臨床上常用的檢測方法包括心電、心音、光電式脈搏心率測量法，速度式呼吸測量法、觸診式心率測量法等都是接觸式檢測生命參數(shù)的。這些方法主要依靠依附于人體的接觸式傳感器、電極等來獲取信息，由于其對檢測對象的束縛和各種條件的限制，因而制約了其應用范圍。因此我們現(xiàn)在常使用的是非接觸式生命參數(shù)檢測技術。 非接觸生命參數(shù)檢測是近期隨著醫(yī)學、軍事、社會的需要而新興發(fā)展的一項新技術。在國外一些發(fā)達國家，例如美國的一些研究所，已經和軍方合作研究非接觸生命參數(shù)檢測技術。 常用的對信號進行處理的方法有： 1. 采用信號抽取的方法，減少采樣率來去掉多余的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)信號的處理，即將原始信號每隔M個點抽取一個信號，組成新的離散數(shù)列。 2. 采用信號插值的方法，增大采樣來增加數(shù)據(jù)的過程。 3. 通過數(shù)學變換將一個域內的信號變換映射到另一個域內的的方法，例如：傅立葉變換、離散余弦變換、Z變換、Chirp z變換、Hilbert變換。 4. 利用數(shù)字濾波器對信號進行處理是信號處理的一種基本而重要的技術，利用濾波器可從復雜的信號中提取所需要的信號，一直不需要的部分。根據(jù)不同的需要可設計出低通、帶通、高通濾波器。數(shù)字濾波器常用的分為IIR和FIR濾波器。 目前技術存在的難點: 1. 需要檢測的生命信號比較微弱,且信號頻率也較低。 2. 生命信號是非平穩(wěn)的、窄帶、準周期的信號。 3. 障礙物對生命信號造成的衰減大。 4.才多個目標較難識別和分離。 以上幾個方面的問題是非接觸式生命信號檢測中需要解決的問題。對于實際的某個研究,側重點會不同,因此涉及的難點可能會是上面四點中的某幾點。 四 本課題主要研究內容 1. 學習科學計算軟件MATLAB，熟悉MATLAB環(huán)境，學習在MATLAB環(huán)境編程，為課題的完成儲備必要的知識。 2. 首先查閱資料，了解IIR濾波器的各種設計辦法。 3. 安裝Matlab開發(fā)工具軟件，熟悉Matlab/Simulink基本使用方法。 4. 學習IIR濾波器的原理和設計方法。 5. 設計基于Matlab開發(fā)環(huán)境下的兩種IIR濾波器的設計方案。 方案一：用脈沖響應不變法設計IIR數(shù)字濾波器，給出該濾波器的幅頻相應圖和相頻相應圖。 方法二：用雙線性變換法設計IIR數(shù)字濾波器，給出該濾波器的幅頻相應圖和相頻相應圖。 6. 用MATLAB函數(shù)直接設計IIR數(shù)字濾波器，給出該濾波器的幅頻相應圖和相頻相應圖。 7. 給出雷達生命特征信號經過所設計濾波器后的時域信號和頻域信號，并對處理后的信號進行分析。 8. 用MATLAB仿真工具箱SIMULINK對系統(tǒng)進行仿真。 9．完成文獻綜述，外文資料翻譯。 五 完成論文的條件和采用的研究手段 1.雷達測量系統(tǒng)的原理： 生命探測儀是利用現(xiàn)代超寬譜雷達技術和生物醫(yī)學工程技術研制的雷達設備，根據(jù)電磁波、聲波、光波等物理學原理，通過專用的傳感器將物理信號轉換電信號，再經過過濾放大后，輸出可視或可聽信號，組成的能搜索、探測、尋找生命的儀器設備?？梢源┩刚趽踅橘|，如鋼筋混凝土磚混結構廢墟等，探測到壓埋在倒塌建筑物下存活的生命信息，通過檢測人體生命體征，如：呼吸、心跳等信息，從而辯識有無生命體，達到尋找存活者的目的。 雷達測量系統(tǒng)原理圖 微波信號發(fā)生器一般由壓控振蕩器構成，產生微波信號通過定向耦合器將微波信號分為兩路：一路經過微波功率放大器提高微波的發(fā)射功率，用于向外發(fā)射，另一路作為參考信號輸入混頻器；環(huán)形器用于微波的發(fā)射和接收過程中起保護作用；射頻放大器主要用于接收信號的放大，提高其信號功率，滿足信號處理的工作電壓；混頻器的作用是將其探測器接受的高頻信號與參考信號進行混頻，輸出低頻信號。 輸出的低頻信號經過信號預處理，A/D模數(shù)轉換后再送入計算機進行信號分析和處理，從中分離出人體的呼吸和心跳信號，即實現(xiàn)對人的生命參數(shù)的檢測。 設該電磁波信號為： 式中為發(fā)射角頻率，A為振幅，該信號經定向偶合器，一路通過環(huán)行器由天線發(fā)射出去，另一路去混頻器。當發(fā)射信號碰到人體等目標，將產生散射，天線接受到散射信號，并通過環(huán)行器送入混頻器。從人體散射的回波信號頻率已被人體表面的微動所頻移，設目標散射的回波信號為： 式中K為系數(shù)，為多普勒頻移。 根據(jù)多普勒效應，，為目標的相對徑向運動速度，C為光速，為相對于發(fā)射信號的初相。 ，二路信號經混頻解調后產生低頻信號： 式中第一項為固定目標的雜波成分（直流分量），第二項為與呼吸、心跳直接相關的多普勒頻移成分，是檢測所需的有用信息，該信號經放大、預處理，通過濾波器在頻域上將呼吸、心跳信號分開，然后經A/D轉換，送到PC機進行處理、顯示。 2. IIR濾波器的原理 IIR濾波器即為非遞歸濾波器，也就是FIR濾波器沒有引入反饋。這種濾波器的脈沖響應是有限的。相反，遞歸濾波器，也就是IIR濾波器，具有反饋，一般認為具有無限的脈沖響應。 3.基于matlab軟件開發(fā)環(huán)境下使用兩種方法設計IIR濾波器提取淹沒在干擾信號中的生命雷達信號，并對呼吸信號和心跳信號實現(xiàn)分離。 要設計一個數(shù)字濾波器去仿真一個模擬濾波器有脈沖響應不變法和雙線性變換法。其設計過程都是由給定的模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)去變換出相應的數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。 用脈沖響應不用脈沖響應不變法來設計數(shù)字濾波器，只需將給出的模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)化為部分分式之和的形式，找出極點和系數(shù) ，帶入數(shù)字濾波器傳函當中即可。 由上述Ha(s) 和H(z)的表達式可看出：是模擬濾波器的一個極點，則相應的就是數(shù)字濾波器里的一個極點。推而廣之，則可得到脈沖響應不變法下的s平面和z平面的映射關系： 令，可得z平面的模、幅角和s平面的實部、虛部之間對應的關系： s平面 z平面 Im Re 用雙線性變換法來設計數(shù)字濾波器，只需將給出的模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)當中的s替換為一個關于z成雙線性關系的網絡即可。 0 s平面 Im(z) Re(z) z平面 4.對兩種方案進行調試仿真，得到仿真波形。 5.利用matlab編程軟件進行該系統(tǒng)的仿真，該程序的核心為 （1）.利用y=filter（a，b，x），計算輸入信號x的濾波輸出，求出濾波器的分子系數(shù)向量b和分母系數(shù)向量a。 （2） .利用FFT將時域信號變?yōu)轭l域信號。 （3） .利用abs函數(shù)和Angle函數(shù)從幅頻域響應數(shù)據(jù)中提取幅值信息和相位信息。 濾波器的濾波效果 四 本階段進度安排、各階段預期達到的目標 第一周到第四周：了解IIR濾波器的基本機構和特點，熟悉MATLAB軟件。 第五周：撰寫開題報告，擬定在兩種設計方案。 第六周：撰寫文獻綜述。 第七周到第八周：用兩種設計方案利用MATLAB對IIR濾波器進行設計，給出該濾波器的幅頻相應圖和相頻相應圖。 第九周到第十一周：給出雷達生命特征信號經過所設計濾波器后的時域信號和頻域信號，并對處理后的信號進行分析。 第十二周到第十三周：對MATLAB進行時序仿真測試，驗證方案的正確性。 第十四周：外文翻譯。 第十五周到第十六周：撰寫畢業(yè)論文。 七、指導教師意見 對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測： 指導教師： 八、所 在 專 業(yè) 審 查 意 見 負責人：