ha7太赫兹雷达：⼈体微多普勒特征
近年来，太赫兹雷达因具有信号带宽⼤、分辨⼒⾼的优势引起了很多科研⼯作者的注意[1]。相⽐于传统的⾼频信号，太赫兹信号的波长短，对⽬标的材质和表⾯更加敏感。太赫兹雷达将是未来⽬标检测和识别的重要设备。太赫兹雷达的天线尺⼨⼩，⾓度分辨⼒⾼，随着系统集成技术的进步，整个雷达系统可以被设计得更⼩，因此太赫兹雷达可以⽤于⾃动驾驶汽车的车载⾼分辨⼒成像雷达。 在现代的城市驾驶环境中，⾏⼈作为最脆弱的⽬标，需要⽆⼈车准确⽆误地发现和识别⾏⼈，并估计出⾏⼈潜在的运动轨迹，为车辆决策系统提供信息，以避免发⽣碰撞事故。⽬标的微动会对⽬标的回波产⽣调制[2−4]，提取回波中⽬标的微多普勒信息，进⽽估计出⽬标不同模块的运动信息，可以实现⾮刚体⽬标的识别和分类[5−6]。 ⽣物⼯程学的研究表明，⼈体是⼀个典型的由许多刚体部分组成的协作系统，各个刚体部分通过关节⼒矩协调运动。不同的肢体运动产⽣的微多普勒信息可以⽤于⼈体和其他⽬标的区分。另外，还能⽤于识别不同的⼈体运动和武器携带情况。需要注意的是，随着雷达视线向量和⼈体运动速度⽅向的夹⾓变化，基于微多普勒信息的分类功能会随之受到影响，特别是⽬标的速度⽅向和雷达视线⽅向夹⾓为 90°时，依赖于微多普勒信息的分类能⼒最弱。
⽬前，⼤部分微多普勒的研究都在相对较低的频率下完成。太赫兹雷达观测的⼈体微多普勒效果更加稳
定，本⽂利⽤292 GHz 的太赫兹系统提取⼈体的微动信息，实验中 292 GHz 提取的⼈体微多普勒特征实测结果与仿真结果⼀致。另外提取了 24 GHz 信号下的⼈体微多普勒信息⽤于对⽐，结果显⽰ 292 GHz 雷达提取的微多普勒细节更丰富。 1 测试⽅法 1.1 系统描述本⽂中的⾏⼈微多普勒信息提取实验在伯明翰⼤学的微波实验室完成[7−11]，分别采⽤了⼯作在 29
2 GHz 的连续波雷达和 24 GHz 的连续波雷达。24 GHz 雷达的发射、接收天线和⽮量发⽣器连接，天线波束的垂直平⾯和⽔平平⾯宽度都是 20°。本次实验中 292 GHz 雷达先由⽮量信号发⽣器⽣成基带信号，上下变频器⽤于基带信号的上变频和回波信号的下变频。天线波束的⽔平和垂直平⾯宽度为 10°。两套系统如图 1 所⽰。系统的参数设置如表 1 所⽰。两套系统的输出功率设置为最⼤值，为了使噪声⽔平⼀致，两套系统采⽤相同的中频带宽。由多普勒频率的定义可得 d 2v f l = (1) 式中： l 是波长； v 是⽬标速度。在实验中， 24 GHz 和 292 GHz 的雷达可以测量的最⼤速度分别是 6.25 m/s,2.08 m/s，满⾜测量正常步态下的⾏⼈各个部分的运动需求。实验获得的⽬标回波采⽤短时傅⾥叶变换法，变换时间窗⼝长度为 0.1 s，窗⼝间重叠率设置为 50%，微多普勒提取⽅法如下： m t t D f s t w t ft t ( , ( ) exp( j2 ) ( ) π )d +¥ -¥ = - - ò (2) 式中： st() 是⽬标回波； wt( ) 是时域的窗函数。
1.2 实验设置实验场景如图 2 所⽰，每次实验前，将激光发射器放置在发射和接收天线之间，保证⼈体位于雷达信号照射区域的中间。⼈体后⽅布置有⽺⽑毯，以降低测量过程中的多径效应和背景噪声。
当⼈体运动⽅向与雷达视线正交时，⼈体相对于雷达的径向速度最⼩，此时多普勒特征最不明显。本
⽂将研究该场景下，⾏⼈在太赫兹雷达照射下的微多普勒特征。
在上⼀节中提到，太赫兹雷达的输出功率只有–17 dBm，为了保证回波信噪⽐，这⾥将⽬标到雷达的距离设置为 4 m 左右。⽬标距离雷达 4 m 时，被照射的范围近似为边长为 0.7 m 的⽅形区域。本⽂所有的实验都是在室内进⾏，实验对象在原地⾏⾛。292 GHz 的实验场景如图 2 所⽰。
表 2 给出了实验⼈体参数，对应的不同⾝体部分的雷达散射截⾯积(Radar-Cross Section，RCS)参考⽂献[6]。
24 GHz 和 292 GHz 的实验场景相同，其中为了保证⼈体被照射的⾯积相同，24 GHz 实验中⼈体相距天线 2 m。实验中天线相对地⾯的⾼度设置为 1 m。3 dB 波束覆盖的⼈体区域，包括⼈体的躯⼲、
上肢和前肢，臀部和⼤腿的上部分都在 3 dB 波束覆盖范围内。
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为了区分⼈体不同部分对微多普勒的效应，实验中采⽤ 4 种⼈体步态：a) 正常步态⾏⾛，⾝体的各个部分正常运动；
b) 双臂摆动，其他部分静⽌；c) 腿部摆动，⼿臂和躯⼲静⽌；d) 躯⼲摆动，其他部位静⽌。
2 结果和讨论 2.1 24 GHz 雷达和 292 GHz 雷达观测结果对⽐
实验中，选取时长为 5 s 的信号提取⽬标微多普勒，为了能清晰地表现不同部位的微多普勒特征，这⾥采⽤最⼤值对所有微多普勒幅度进⾏归⼀化处理，动态范围设置为[0,–40] dB。太赫兹雷达的输出功率⼩，292 GHz 系统的 SNR ⽐ 24 GHz 系统⼩，由图 3 可以看出 292 GHz 系统观测到的微多普勒中噪声⽐ 24 GHz 明显。图 3(a)、图 3(b)分别给出了⾏⼈在 24 GHz 和 292 GHz 下的微多普勒。由于太赫兹雷达的频率⾼很多，太赫兹雷达得到的⾏⼈微多普勒相⽐于 24 GHz 雷达得到的⾏⼈微多普勒更直观。同时，多普勒曲线更粗糙，这是因为太赫兹雷达观测⼈体时，电磁波的漫反射更多，相对于传统的微波雷达，⽬标的 RCS 变化更⼩。事实上，太赫兹雷达每个分辨单元的回波强度相近，但是 24 GHz 雷达接收的主要是⼀些强散射点反射的回波。
kta2.2 ⽤ 292 GHz 雷达观测的⾝体各部位微多普勒结果
⾏⼈的躯⼲、四肢按照不同的摆幅协调摆动，其对应的微多普勒特征各异。为了区分不同⾝体部位的微多普勒特征，分别⽤ 292 GHz 雷达对各部位的运动进⾏观测，其结果如图 4~图 6 所⽰。同时，基于 BoulicThalman ⼈体模型，给出了⼈体不同部位微多普勒的仿真结果。
图 4 采⽤ 292 GHz 雷达观测的⼿臂摆动微多普勒 Fig.3 Pedestrian micro-Doppler using 24 GHz and 292 GHz 图 3 24 GHz 和 292 GHz 雷达观测的⼈体微多普勒
插叙
图 4 给出了太赫兹雷达观测的⼿臂摆动的微多普勒，可以发现，实测结果和仿真结果⼀致。在测试过程中，靠近雷达⼀侧的⼿臂被波束主瓣完全照射，此时远侧⼿臂被⾝体的躯⼲遮挡。当远侧⼿臂处于被雷达照射的位置时，远侧⼿臂在雷达视线上的径向速度与近侧⼿臂的径向速度相似，因此⼈体⼿臂摆动产⽣的微多普勒近似为单个正弦/余弦曲线，⽽⾮两根相位相反的曲线。
图 5(a)是太赫兹雷达⼈体腿部摆动的微多普勒仿真结果，这⾥假设微多普勒是⼈体左/右⼤腿到臀部部分的运动造成的。图 5(b)是太赫兹雷达⼈体腿部摆动的微多普勒实测结果。可以看出实测结果与仿真结果⼀致。实际上，微多普勒是由两只腿的交替摆动产⽣的。本实验中⼈体的左侧⼤腿先运动，右侧
⼤腿保持静⽌以⽀撑⾝体，产⽣了图 5(b)中的第 1个周期的微多普勒。接着右侧⼤腿开始运动，左侧⼤腿保持静⽌以⽀撑⾝体，产⽣了第 2 个周期的微多普勒。因此，⾏⼈的腿部运动引起的微多普勒曲线是⼀条准三⾓波曲线，⽽不是两个相位相反的波形。
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⼈体躯⼲的摆动引起的微多普勒如图 6 所⽰。正常⾏⾛姿态下的⼈体躯⼲会左右摆动，因⽽引起的微多普勒类似于单个正弦/余弦波形。
如前所述，292 GHz 的太赫兹雷达得到的微多普勒和仿真结果⼀致，这为⾏⼈的识别和轨迹预测提供了更多的应⽤可能性。
3 结论
为了研究太赫兹雷达在⾏⼈检测领域的应⽤，本⽂通过 292 GHz 太赫兹雷达的⾏⼈微多普勒实验，研究了太赫兹雷达视线⽅向与⾏⼈运动⽅向垂直场景下的⼈体不同部位的微多普勒特征，在这种场景下的⼈体微多普勒特征最⼩。实验表明，太赫兹雷达观测的⼈体微多普勒特征⽐ 24 GHz 雷达观测的⼈体微多普勒特征更加清晰，太赫兹雷达⼈体微多普勒特征⽤于⾏⼈识别和轨迹估计有着巨⼤应⽤潜⼒。
张清常
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