雷達(dá)生命特征信號的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計開題報告.doc

畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題 目雷達(dá)生命特征信號的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計器設(shè)計專 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)班 級光信102學(xué) 號3100242031學(xué) 生指導(dǎo)教師楊秀芳副教授二一四 年一 畢業(yè)設(shè)計課題來源、類型本設(shè)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(dá)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(shù)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(jīng) 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(zāi)地區(qū)達(dá)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(diǎn)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(jī)與管制中心失去聯(lián)系的，該飛機(jī)航班號為MH370，原定由吉隆坡飛往北京。該飛機(jī)本應(yīng)于北京時間2014年3月8日6:30抵達(dá)北京，馬來西亞當(dāng)?shù)貢r間2014年3月8日凌晨2點(diǎn)40分與管制中心失去聯(lián)系。馬航已經(jīng)啟動救援和聯(lián)絡(luò)機(jī)制尋找該飛機(jī)。 失去聯(lián)絡(luò)的客機(jī)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(zāi)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。災(zāi)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(zāi)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(dá)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(zhǔn)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(dá)波生命探測技術(shù)是近些年來隨著軍事、醫(yī)學(xué)工程、社會發(fā)展需要而發(fā)展的一項新技術(shù)，它突破現(xiàn)行的檢測方法和技術(shù)，在不接觸目標(biāo)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(jìn)行探尋。三 本課題在國內(nèi)外的研究狀況和發(fā)展趨勢目前，雷達(dá)式生命探測技術(shù)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(dāng)時，美國以戰(zhàn)場傷員生命探測為應(yīng)用背景進(jìn)行了大量的研究，隨后逐步擴(kuò)展到傷員搜尋、反恐、醫(yī)學(xué)診斷和監(jiān)護(hù)等應(yīng)用領(lǐng)域。前期研究主要以線性連續(xù)波（LCW）雷達(dá)作為平臺，但由于其缺少目標(biāo)距離信息，使其應(yīng)用面受限。隨著技術(shù)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(dá)作為平臺，其強(qiáng)的穿透能力和高的距離分辨率，使這種技術(shù)更適合于應(yīng)急搜救。我國針對雷達(dá)波生命探測技術(shù)的研究起步較晚，1998年，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系研究小組開始對這一個課題進(jìn)行研究。于2004年研制出我國首臺LCW “雷達(dá)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(dá)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(dá)”，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(dá)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SJ3000雷達(dá)生命探測儀，由第四軍醫(yī)大學(xué)和西安必肯科技合作研制，其性能已達(dá)國際領(lǐng)先水平。該探測儀利用超寬帶雷達(dá)技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研制。目前使用較多的美國產(chǎn)品為萊福雷達(dá)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(biāo)，2分鐘確認(rèn)被困人員。整套裝置由雷達(dá)信號發(fā)射器和電腦組成。雷達(dá)發(fā)射器利用超寬帶傳輸技術(shù)發(fā)射雷達(dá)波，并將信號處理后以無線方式發(fā)射給電腦。電腦內(nèi)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(jìn)行信號雜波處理、波形比對后，直接給出有無生命跡象的標(biāo)志。該探測儀特點(diǎn)：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(dá)式生命探測儀是一種利用非接觸生命參數(shù)檢測技術(shù)的儀器。所謂非接觸檢測技術(shù)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(yīng)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(shù)。非接觸生命參數(shù)檢測是近期隨著醫(yī)學(xué)、軍事、社會的需要而新興發(fā)展的一項新技術(shù)。在國外一些發(fā)達(dá)國家，例如美國的一些研究所，已經(jīng)和軍方合作研究非接觸生命參數(shù)檢測技術(shù)。 常用的對信號進(jìn)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(diǎn)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(xué)變換將一個域內(nèi)的信號變換映射到另一個域內(nèi)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(jìn)行處理是信號處理的一種基本而重要的技術(shù)，利用濾波器可從復(fù)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(shè)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(shù)存在的難點(diǎn):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(zhǔn)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(biāo)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(cè)重點(diǎn)會不同,因此涉及的難點(diǎn)可能會是上面四點(diǎn)中的某幾點(diǎn)。四 本課題主要研究內(nèi)容1. 學(xué)習(xí)科學(xué)計算軟件MATLAB，熟悉MATLAB環(huán)境，學(xué)習(xí)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(shè)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(xué)習(xí)IIR濾波器的原理和設(shè)計方法。5. 設(shè)計基于Matlab開發(fā)環(huán)境下的兩種IIR濾波器的設(shè)計方案。 方案一：用脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，給出該濾波器的幅頻相應(yīng)圖和相頻相應(yīng)圖。方法二：用雙線性變換法設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，給出該濾波器的幅頻相應(yīng)圖和相頻相應(yīng)圖。 6. 用MATLAB函數(shù)直接設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，給出該濾波器的幅頻相應(yīng)圖和相頻相應(yīng)圖。7. 給出雷達(dá)生命特征信號經(jīng)過所設(shè)計濾波器后的時域信號和頻域信號，并對處理后的信號進(jìn)行分析。8. 用MATLAB仿真工具箱SIMULINK對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。9完成文獻(xiàn)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(dá)測量系統(tǒng)的原理：生命探測儀是利用現(xiàn)代超寬譜雷達(dá)技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研制的雷達(dá)設(shè)備，根據(jù)電磁波、聲波、光波等物理學(xué)原理，通過專用的傳感器將物理信號轉(zhuǎn)換電信號，再經(jīng)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(shè)備?？梢源┩刚趽踅橘|(zhì)，如鋼筋混凝土磚混結(jié)構(gòu)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(dá)到尋找存活者的目的。 雷達(dá)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(gòu)成，產(chǎn)生微波信號通過定向耦合器將微波信號分為兩路：一路經(jīng)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(hù)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(jìn)行混頻，輸出低頻信號。 輸出的低頻信號經(jīng)過信號預(yù)處理，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后再送入計算機(jī)進(jìn)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(shè)該電磁波信號為： 式中為發(fā)射角頻率，A為振幅，該信號經(jīng)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(dāng)發(fā)射信號碰到人體等目標(biāo)，將產(chǎn)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(shè)目標(biāo)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(yīng)，為目標(biāo)的相對徑向運(yùn)動速度，C為光速，為相對于發(fā)射信號的初相。，二路信號經(jīng)混頻解調(diào)后產(chǎn)生低頻信號： 式中第一項為固定目標(biāo)的雜波成分（直流分量），第二項為與呼吸、心跳直接相關(guān)的多普勒頻移成分，是檢測所需的有用信息，該信號經(jīng)放大、預(yù)處理，通過濾波器在頻域上將呼吸、心跳信號分開，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，送到PC機(jī)進(jìn)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(yīng)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(rèn)為具有無限的脈沖響應(yīng)。3.基于matlab軟件開發(fā)環(huán)境下使用兩種方法設(shè)計IIR濾波器提取淹沒在干擾信號中的生命雷達(dá)信號，并對呼吸信號和心跳信號實現(xiàn)分離。要設(shè)計一個數(shù)字濾波器去仿真一個模擬濾波器有脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法。其設(shè)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(yīng)的數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)。用脈沖響應(yīng)不用脈沖響應(yīng)不變法來設(shè)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(diǎn)和系數(shù) ，帶入數(shù)字濾波器傳函當(dāng)中即可。 由上述Ha(s) 和H(z)的表達(dá)式可看出：是模擬濾波器的一個極點(diǎn)，則相應(yīng)的就是數(shù)字濾波器里的一個極點(diǎn)。推而廣之，則可得到脈沖響應(yīng)不變法下的s平面和z平面的映射關(guān)系： 令，可得z平面的模、幅角和s平面的實部、虛部之間對應(yīng)的關(guān)系：s平面z平面ImRe 用雙線性變換法來設(shè)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(dāng)中的s替換為一個關(guān)于z成雙線性關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)即可。0s平面Im(z)Re(z)z平面 4.對兩種方案進(jìn)行調(diào)試仿真，得到仿真波形。 5.利用matlab編程軟件進(jìn)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(yīng)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(jìn)度安排、各階段預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)第一周到第四周：了解IIR濾波器的基本機(jī)構(gòu)和特點(diǎn)，熟悉MATLAB軟件。第五周：撰寫開題報告，擬定在兩種設(shè)計方案。第六周：撰寫文獻(xiàn)綜述。第七周到第八周：用兩種設(shè)計方案利用MATLAB對IIR濾波器進(jìn)行設(shè)計，給出該濾波器的幅頻相應(yīng)圖和相頻相應(yīng)圖。第九周到第十一周：給出雷達(dá)生命特征信號經(jīng)過所設(shè)計濾波器后的時域信號和頻域信號，并對處理后的信號進(jìn)行分析。第十二周到第十三周：對MATLAB進(jìn)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(dǎo)教師意見對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： 指導(dǎo)教師： 八、所 在 專 業(yè) 審 查 意 見 負(fù)責(zé)人：