基于FPGA的无线生命检测雷达的数字化接收机算法设计(2)
结论 . 32
致谢 . 33
1 绪论 无线生命检测雷达技术就是近年来融合雷达技术、生物工程技术于一体发展起来的一种新技术。该课题重点研究了基于FPGA的无线生命检测雷达的数字化接收机有关算法的设计与实现部分。 1.1 课题背景及研究意义 近年来，人类在地球上的活动面积越来越大，而全球气候与环境条件也不断恶化，地震、泥石流、海啸、台风、洪水等突发性自然灾害频频爆发更是对人类的生存与发展造成巨大伤害，对人类社会的发展造成重大损失。如 2008年8.0 级汶川地震，造成 69227 人遇难，17923人失踪，37万多人受伤，人们流离失所。而近期据联合国亚太经社会也发布有关消息称，在2014 年全球226起自然灾害中有超过半数发生在亚太地区。根据专家对世界各地自然灾害后的救援行动进行统计表明，生命救活率与被困人员救援及时性紧密相关，半小时内救活率为99.3%，第一天救活率为81.0%，第二天救活率为 33.7%，第三天救活率为 36.7%，第四天的救活率下降到 19.0%，第五天救活率仅为 7.4%。时间就是生命，救援的时间越早，人们生存的希望就越大。于是，在地震、泥石流、海啸等突发形式的灾害发生时，如何在生命体的有限搜救时间内，以最快的速度完成废墟等掩埋物下被困人员的救援成为一大难题。例如汶川大地震中，房屋坍塌，加之引发的泥石流等，受困人员大多被掩盖于建筑废墟之下，这时候假如仅仅依靠搜救犬嗅觉，人的求救信号及救援人员的直觉去开展救援，只能将废墟表明及表层的受困者救出，收效甚微。先进的生命探测技术成为救援过程中提高救灾成功率、减轻人员伤亡的重要保障，一台能够隔物寻人的仪器的出现使得信息与网络的应用在这紧要关头大展身手，它就是生命探测仪。除了在灾后搜救工作中的应用，其中某些类型的生命检测技术更是在战场、 恐怖袭击防爆现场、 医院、 海关安检等应用领域开始扮演重要的多元化角色。所以课题的研究有着相对广阔的发展前景与实际意义。数字化接收机相对于传统的模拟接收机有许多突出优点。本文主要介绍了基于软件无线电体系结构的数字化接收机的相关算法部分的设计与实现，这是基于 FPGA的无线生命检测雷达的设计过程中十分重要的一部分。 1.1.1 生命探测技术简介 生命探测技术是近年来一项新兴发展起来的前沿技术。生命体在正常状态下会向外界发出许多生命信息，这些信息包括声波、超声波、电波、光波甚至一系列我们人类尚在探索的大脑运动产生的特殊波等，它们通过各种能量的形式表现在身体外部。而生命探测技术就是收集这类信号，利用这些波的频率、能量的差别来对其进行识别与分析处理，达到检测的目的。 生命探测到目前为止主要分为光学生命探测，音频生命探测，热红外生命探测和雷达式生命探测等几大类型。 其中光学生命探测又被形象地称为“蛇眼生命探测仪”，是利用光反射进行生命探测的仪器。仪器的主体柔韧性好、可操作性强、信息可靠度高，但是局限性也大，受灾害现场环境恶劣，气候条件等影响大，来自幸存者有效声音，光信息太弱则检测不到，且可检测距离也受限制。音频生命探测仪则是交互式的探测手段。它运用声波和震动波原理根据收集到的声音信号的细微差异对声波和振动波建立数理模型，采用逼近法有效判断幸存者的具体位置。这是一种被动式探测，只有当被探测者主动发出声响时才可检测到目标。同时，外界环境的噪声干扰十分严重，所以在救援工作的表现中有一定局限性。热红外生命探测仪的工作原理是通过感知温度差异，以成像的方式将目标与背景分开。可在非接触的情况下探测目标，探测距离也由几厘米到几十米不等。同时它具有夜视功能，因此在黑暗中也可照常工作。雷达式生命探测技术的工作原理，是通过信号发生器对一定的空间区域连续发射电磁信号，接收器也不断接收回波信号，同时接收机端对回波信号进行算法处理与分析。当遇到运动目标则回波信号将发生变化，出现频率差异。假如无目标，则回波信号没有变化的。该技术结合了雷达技术与生物医学工程，能够检测到人体生命活动引起的各种微动，从中获得心跳、呼吸等信息。它以其优良的穿透力、作用距离、抗干扰能力、多目标探测能力及受周围环境影响小等性能成为目前世界上最先进的一类生命探测技术，在生命探测领域拥有着十分广泛的应用前景。也因此，对雷达式生命检测雷达的数字接收机的设计与研究变得十分有意义和重要。 1.1.2 数字化接收机 随着大规模数字集成电路的发展，数字信号处理技术越来越多地运用到雷达接收系统中。直接数字合成器，大规模集成电路锁相环，以高速 A/D及FPGA为基础的数字正交检波使得雷达接收系统的可靠性和可测试性能大大提高，同时体积和重量又不断减小，智能化程度也越来越高。与传统的模拟接收机相比，数字化接收机的稳定性更高，一致性好，可控性强，设计灵活，线性特性好。实现数字化接收机在雷达接收系统中的应用将大大提高雷达的整机性能。 1.2 国内外研究现状及分析 连续波雷达是指连续发射电磁波的雷达。这种雷达能够对相当距离范围内的具有任何速度的目标进行测速，它能够穿透非金属介质检测到人体呼吸、心跳等引起的体表微动。早在1842 年，奥地利物理学家 J.C 多普勒就发现了多普勒效应，并在1930年开始应用于电磁波领域。这里正是利用雷达波的多普勒效应来检测运动目标的位置与相对速度。最新出的UWB技术即超宽带技术，是一种不用载波而采用时间间隔极短的（小于 1ns）的脉冲进行通信的方式。具有抗干扰性强、传输速率高、系统容量大和发送功率极小等特点。发射功率低（小于1mW），产生的电磁波辐射对人体的影响也就很小，在生命探测领域应用面广。 在2005年，美国超视安全系统公司采用了美国航空航天局指定的最先进的探地雷达天线实现了雷达式生命探测系统的推出，可以捕捉到非常微弱的运动。近年来，军事冲突、暴恐活动及自然灾害频发，如何非接触、远距离穿透探测生命信号，实施精确救援，成为战时保战斗力、平时保群众安危的关键所在。我国从 1998年开始，第四军医大学生物医学工程系教授王健琪率先提出了“生物雷达”概念，首次提出了实现心跳、呼吸、体动等生命参数的雷达式非接触检测技术；融合雷达技术和生物医学工程技术，研制出我国首台能够检测超低频生命参数的雷达式生命探测仪[1][2]。 在无线生命检测雷达的设计中，对于信号的数字化处理与分析是技术关键之一，而基于软件无线电的数字化接收机的设计是其中相当重要的一部分。 国外从20世纪80年代开始研究数字接收机，进入 90年代后出现了基于片上系统和软件无线电的数字化接收机概念。加拿大渥太华国防研究中心采用 ASIC 技术研制出一种中频采样的数字接收机，采样率为 400MHz，带宽80MHz[16]。美国Drexel大学在 MMIC 芯片上研制宽带数字接收机，射频输入达到 2.5GHz，带宽为 300MHz。加拿大研究中心采用 MMIC 技术又研制出射频输入可达 28GHz 的Ka波段数字接收机。 在现代电子系统中，数字化早已成为发展的必然趋势，接收机数字化是电子系统数字化中的一项重要内容。数字化接收机是一种通过模拟数字转换器对信号进行数字化后使用数字信号处理技术实现变频，滤波，解调等功能的数字化技术体。与早期的模拟接收机相比较有着更为强大和良好的性能。软件无线电技术作为未来无线通信及无线电技术的发展方向的新的体系结构，其基本思想是将A/D与D/A尽可能靠近射频天线，通过构建一个开放的通用化、标准化、模块化的硬件平台，通过软件编程实现无线电台的各种功能。相较于过去只能够在终端的基带信号进行数字化，基于软件无线电的数字化接收机则将这种处理尽量靠近天线，即对射频部分直接数字化。 在基于软件无线电技术的数字化接收机的发展中，软件无线电原理与应用的作者杨小牛，楼义才，徐建良等人详细介绍了软件无线电的基本概念、基本理论，软件无线电数学模型，软、硬件平台与算法的工程实现，以及软件无线电在军、民电子领域中的应用[3]。基于软件无线电的数字化接收机的研究中作者给出了四种方案，分别是单通道窄带数字化接收机、单通道宽带、多通道宽带和基于多相滤波的多通道宽带信道化数字化接收机 。本文重点研究基于多相滤波的数字化接收机有关算法的设计与实现。 1.3 课题研究的主要内容 本文以基于FPGA的无线生命检测雷达的设计为背景，围绕数字化接收机的算法设计与实现，开展了下列几点工作： 1. 简述了基于软件无线电的数字化接收机工作的基本原理， 讨论了数字化接收机与基于多相滤波的数字化接收机的优点，提出了设计整体思路； 2. 研究讨论了数字化接收机的中频采样，正交变换等关键技术。采用了基于多相滤波器结构的正交采样来实现中频正交采样，获得两路正交信号输出。阐述了积分梳状滤波器、半带滤波器和 FIR 滤波器的设计与实现。运用 MATLAB实现各部分的功能仿真，在FPGA 平台上设计功能模块并验证仿真。 3. 完成基于软件无线电的多相滤波数字化接收机的硬件算法设计。运用 Verilog HDL语言完成各模块功能的实现。最终测试验证了所设计的数字化接收机算法的正确性与有效性。 1.4 本文的结构安排 本文的结构安排如下： 第一章，结合国内外文献资料，概述了生命探测仪及其数字化接收机部分的基本理论与国内外发展现状和趋势。说明了本课题的研究背景、意义及主要研究内容。最后列出来本文的组织结构。 第二章，介绍了数字化接收机理论，提出采样基于多相滤波的数字化接收机的设计。采用MATLAB软件对各部分算法进行仿真，验证算法正确性。 第三章，讲述了数字化接收机的各算法模块的硬件实现，完成各个算法模块设计，并进行仿真验证。 第四章，综合各个模块，完成对大模块及整个算法的系统验证。