CN115792884A - 一种基于fmcw雷达的人员检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于FMCW雷达的人员检测系统及方法，此人员检测系统装置包括雷达收发射频前端模块，信号处理模块，识别模块和终端显示界面。雷达收发射频前端模块的输出信号输入至信号处理模块，信号处理模块的输出信号传输至识别模块，识别模块的输出端与终端显示界面相连；此人员检测方法包括步骤：1)获取各个雷达天线接收到的目标回波信号；目标回波信号由多个接收天线接收到的脉冲返回信号组成；最终作为射频前端的输出输入至信号处理模块；2)信号处理模块对信号进行滤波、快速傅里叶变换处理后传输到识别模块；3)识别模块实现人员的智能定位后将结果传输给终端显示界面进行显示。本发明具有整体系统架构简洁、可移植性高、处理速度快等优点。

Description

一种基于FMCW雷达的人员检测系统及方法

技术领域

本发明涉及人员检测技术领域，具体涉及一种基于FMCW雷达的人员检测系统及方法。

背景技术

随着无线技术的发展，利用无线技术来对外部世界进行行为感知、人员检测等相关研究也越来越多，比如适用于老人的摔倒检测、智能家居中的人机交互、非接触生命体征信号检测、室内定位等，这类研究统称为无限感知。而无线人员检测正是无限感知中的研究方向之一，其主要利用无线技术来进人员检测。无线系统的研究探索了使用无线电信号进人员检测。

目前主流的人员检测技术有：

1、携式设备：例如通过手机发送到信号来跟踪和识别每个人。这些方法虽然取得了较高的精度，但仍有自身局限性。可穿戴式传感器需要严格佩戴，以确保正确操作，而大多数人对传感器一直在身边感到不舒服，并且这限制了它们的实用性和健壮性。

2、视频图像检测：采用摄像头对目标进行拍照，并对照片进行分析。然而，由于图像质量限制，其主要缺点在于受外界影响大，尤其是光线的影响。此外，这些方法在一定程度上侵犯了室内人员的隐私。

3、Wi-Fi检测：Wi-Fi设备的无接触式识别方法不需要使用者佩戴额外的设备，不需要人与人之间的接触，不会受到外界自然环境比如温度、湿度和光照的影响，但WIFI系统在检测人体运动时性能较差。同时，WIFI系统的方向性较差，容易受到干扰。

4、基于宽带雷达的射频信号不仅能够提供比Wi-Fi信号更高的分辨率，而且由于不包含可视化信息，能够很好的保护隐私。经过人体反射的射频信号中不包含人体外貌信息，而大量包含了人体活动时产生的时变的距离与速度信息；其次，射频信号可以穿透障碍物或墙壁检测人体位置；最后基于收发射频信号的探测装置是主动探测的，不需要人体携带传感器或标签。这使得基于射频信号的人员检测可以应用于更多的场景。

基于FMCW(调频连续波)雷达的人员检测技术，克服了传统识别方案的诸多问题，应用前景广阔，然而由于动态人体具有复杂多样、时空特征多变的特点，给人机交互和人员检测的研究带来了许多新的挑战，该技术在具有极大研究价值的同时，还具备很大的挑战性。

发明内容

本发明提供了一种基于FMCW雷达的人员检测系统及方法，针对基于视频图像检测技术在光照弱和遮挡情况下效果差的缺点，能够在人员被模板等遮挡的情况下仍然能检测到人员，无光照情况也能正常运行。

本发明利用FPGA来控制AD模块进行采样和雷达收发射频前端的开关切换收发天线对，从而可获取十六组中频信号，传输至信号处理模块，对中频信号进行处理并输出雷达时频数据，雷达时频数据传输至识别模块，识别模块对雷达时频数据进行处理，进而通过终端显示界面进行显示结果。

一种基于FMCW雷达的人员检测系统及方法，检测系统包括雷达收发射频前端、信号处理模块、识别模块，雷达收发射频前端的输出信号输入至信号处理模块，信号处理模块的输出信号传输至与识别模块，识别模块的输出传输至终端显示界面；此检测方法包括步骤：

步骤1，雷达收发射频前端中的射频信号发生器发射FMCW雷达信号，雷达收发射频前端将接收到的FMCW雷达回波信号进行滤波放大后输入混频器进行混频输出得到中频信号，中频信号输入信号处理模块；

步骤2，信号处理模块中的由FPGA控制AD采样模块采样的开始与结束，FPGA模块对采样信号进行信号处理得到雷达时频数据，最后将雷达时频数据输出至上位机；

步骤3，识别模块对雷达时频数据进行处理得到人员的距离和相位信息计算得到人员位置信息，并将结果传输给终端显示界面；

步骤4，最终通过终端显示界面显示人员的坐标。

进一步地，步骤1中，雷达参数包括线性调频脉冲的载波频率f，调频带宽B_w，频率增长斜率S，每个调频连续脉冲chirp的周期T_c，雷达发射波与接收到的反射波之间的时间差τ，雷达的发射信号X₁表示为：

X₁＝sin(2πft+πSt·t)

接收信号X₂为：

X₂＝sin[2πf(t-τ)+πS(t-τ)²]

接收信号X₂看作发射信号在时间上的延迟，二者有频率差和相位差；经过混频器和低通滤波器后，输出的中频信号X为：

对混频器的输出信号输入至可变增益放大器。

进一步地，雷达收发射频前端包括发射端和接收端，所述发射端包括带通滤波器、射频信号发生器、功率分配器、两个放大器、一个开关和四个发射天线；射频信号发生器的输出端经带通滤波器和功率分配器连接，功率分配器依次经放大器、开关和四个接收天线相连，功率分配器还经放大器和混频器相连。

进一步地，接收端包括四个接收天线、两个低通滤波器、两个放大器、一个混频器、一个开关和一个可变增益放大器；四个发射天线经开关与第一低通滤波器相连，第一低通滤波器的输出与第一功率放大器相连，第一功率放大器的输出与第二低通滤波器相连，第二低通滤波器的输出与混频器相连，混频器的输出与可变增益放大器相连，可变增益放大器的输出作为雷达收发射频前端的输出与信号处理模块相连。

进一步地，信号处理模块包括AD采样模块和FPGA模块；雷达收发射频前端的输出端与AD采样模块相连，由FPGA模块控制AD采样模块采样的开始与结束，AD采样模块对中频信号进行采样并输出数字信号至FPGA模块，FPGA模块对采样信号进行FIR滤波去除噪声，做一维傅里叶变换将时域信号转换成频域信号，随后进行背景减除来去除背景中的静态目标信号，而后进行恒虚警检测(CFAR)判断目标信号的有无，最后快速傅里叶变换后得到雷达时频数据。

进一步地，识别模块为计算机终端。

本发明的有益效果：

1)雷达电磁波感知为非接触式感知，由于数据流是雷达信号，不包含个人隐私信息不受光照影响，系统的普适性更强；

2)基于雷达频段的人员识别，数据流是雷达信号，即使信号泄露，攻击方很难直接看到任何有用的信息，这对系统的安全性提供了一定的保障；

3)利用FPGA做信号处理，加快了算法运行速度，大大减小了运行时间。

附图说明

图1为本发明实施例中基于FMCW雷达的人员检测系统的示意图。

图2为本发明实施例中基于FMCW雷达的人员检测系统的雷达射频前端模块示意图。

图3为本发明实施例中基于FMCW雷达的人员检测系统的信号处理模块示意图。

图4为本发明实施例中基于FMCW雷达的人员检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，人员检测系统包括雷达收发射频前端、信号处理模块、识别模块和终端显示模块，雷达收发射频前端的输出中频信号至信号处理模块，信号处理模块的输出信号传输至识别模块，识别模块的输出传输至终端显示界面显示人员位置。

如图2所示，雷达收发射频前端包括发射端和接收端，发射端包括射频信号发生器、带通滤波器、功率分配器、两个放大器、一个开关和四个接收天线；射频信号发生器的输出经带通滤波器和功率分配器相连，功率分配器依次经一个放大器、一个开关和天线相连，功率分配器还经另一个放大器和混频器相连；

接收端包括四个接收天线、三个低通滤波器、两个低噪声放大器、一个混频器、一个开关和一个可变增益放大器；四个发射天线经开关与第一低通滤波器相连，第一低通滤波器的输出与第一功率放大器相连，第一功率放大器的输出与第二低通滤波器相连，第二低通滤波器的输出与混频器相连，混频器的输出端与可变增益放大器相连，可变增益放大器的输出作为雷达收发射频前端的输出与信号处理模块相连。

如图3所示，信号处理模块包括AD采样模块和FPGA模块；雷达收发射频前端的输出端与AD采样模块相连，AD采样模块对模拟信号进行采样并输出数字信号至FPGA模块，FPGA模块对数字信号进行滤波和快速傅里叶变换后得到雷达时频数据传输至PC终端的识别模块。

识别模块根据雷达时频数据提取人员的距离和相位信息计算得到人员位置信息，并将结果传输至终端显示界面进行显示。

终端显示界面显示被检测人员的实时位置信息。

实施例中，雷达主要参数包括线性调频脉冲的载波频率f，调频带宽B_w，频率增长斜率S，每个调频连续脉冲chirp的周期T_c，雷达发射波与接收到的反射波之间的时间差τ，雷达的发射信号X₁表示为：

X₁＝sin(2πft+πSt·t)

接收信号X₂为：

X₂＝sin[2πf(t-τ)+πS(t-τ)²]

接收信号X₂可以看作发射信号在时间上的延迟，二者有频率差和相位差。

经过混频器和低通滤波器后，输出的中频信号X为：

对混频器的输出信号输入至可变增益放大器，增益过大可能会放大噪声。

对经可变增益放大器放大后的中频信号采样得到的数字信号进行FIR滤波去除噪声。

对滤波后的信号做快速傅里叶变换将时域信号转换为频域信号。

对此频域信号做背景减除，减去录制好的背景信息去除静态目标。对此频域信号做背景减除，背景信息为无人情况下的空背景，将当前信号减去背景信息去除静态目标，得到的频域信号峰值即为动态目标。

对背景减除后的信号输入进行恒虚警检测器，恒虚警检测器对20帧数据同一距离信号值做平均，得到一个动态的门限值，将此门限与输入端信号相比，如输入端信号超过了此门限，则判为有目标，否则，判为无目标。

最后得到的频谱中最高峰的频率即为被检测人员对应的中频信号的频率f_IF。

光速为c，由公式

得所探测目标的距离d为：

对于有多个不同距离的目标，各个反射回来信号和发射信号的时间差各不相同，接收天线接收到的信号有多个频率分量，则混频器的输出具有多个频率，快速傅里叶变换的结果中有多个峰值。如果两个物体距离太近，其对应的频谱图里面的峰就会靠得太近以至于显示为一个峰。由此引出距离分辨率，距离分辨率通常用来衡量雷达识别两个对象距离最小值为：

对于相同距离的多个不同目标，则可对N组接收信号做2D-FFT，则可形成N个2D-FFT。对处于2D-FFT上同一峰的相位则可以形成一个N长度的序列，此序列再做FFT则可分辨出不同的物体，这一过程称为angle-FFT，得到距离-角度图(Rang-Angle Image,RAI)。最终将距离-角度图在终端显示界面上显示，显示界面中显示被检测人员的实时位置信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于FMCW雷达的人员检测系统，其特征在于：

所述系统包括依次连接的雷达收发射频前端、信号处理模块和识别模块，雷达收发射频前端包括发射端和接收端，雷达收发射频前端的输出信号输入至信号处理模块，信号处理模块的输出信号传输至与识别模块，识别模块的输出传输至终端显示界面，显示被检测人员的实时位置信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于FMCW雷达的人员检测系统，其特征在于：所述雷达收发射频前端的发射端包括带通滤波器、射频信号发生器、功率分配器、两个放大器、一个开关和四个发射天线；射频信号发生器的输出端经带通滤波器和功率分配器连接，功率分配器依次经放大器、开关和四个接收天线相连，功率分配器还经放大器和混频器相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于FMCW雷达的人员检测系统，其特征在于：所述雷达收发射频前端的接收端包括四个接收天线、两个低通滤波器、两个放大器、一个混频器、一个开关和一个可变增益放大器；四个发射天线经开关与第一低通滤波器相连，第一低通滤波器的输出与第一功率放大器相连，第一功率放大器的输出与第二低通滤波器相连，第二低通滤波器的输出与混频器相连，混频器的输出与可变增益放大器相连，可变增益放大器的输出作为雷达收发射频前端的输出与信号处理模块相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于FMCW雷达的人员检测系统，其特征在于：信号处理模块包括AD采样模块和FPGA模块；雷达收发射频前端的输出端与AD采样模块相连，由FPGA模块控制AD采样模块采样的开始与结束，AD采样模块对中频信号进行采样并输出数字信号至FPGA模块，FPGA模块对采样信号进行FIR滤波去除噪声，做一维傅里叶变换将时域信号转换成频域信号，随后进行背景减除来去除背景中的静态目标信号，而后进行恒虚警检测CFAR判断目标信号的有无，最后快速傅里叶变换后得到雷达时频数据。

5.根据权利要求1所述的一种基于FMCW雷达的人员检测系统，其特征在于：识别模块为计算机终端。

6.根据权利要求5所述的一种基于FMCW雷达的人员检测系统，其特征在于：识别模块根据雷达时频数据提取人员的距离和相位信息计算得到人员位置信息，并将结果传输至终端显示界面进行显示。

7.一种使用如权利要求1-6中任一项所述的基于FMCW雷达的人员检测系统的检测方法，其特征在于：此检测方法包括如下步骤：

步骤1，雷达收发射频前端中的射频信号发生器发射FMCW雷达信号，雷达收发射频前端将接收到的FMCW雷达回波信号进行滤波放大后输入混频器进行混频输出得到中频信号，中频信号输入信号处理模块；

步骤2，信号处理模块中的由FPGA控制AD采样模块采样的开始与结束，FPGA模块对采样信号进行信号处理得到雷达时频数据，最后将雷达时频数据输出至计算机终端；

步骤3，识别模块对雷达时频数据进行处理得到人员的距离和相位信息计算得到人员位置信息，并将结果传输给终端显示界面；

步骤4，最终通过终端显示界面显示人员的坐标。

8.根据权利要求7所述的一种基于FMCW雷达的人员检测方法，其特征在于：步骤1中，雷达参数包括线性调频脉冲的载波频率f，调频带宽B_w，频率增长斜率S，每个调频连续脉冲chirp的周期T_c，雷达发射波与接收到的反射波之间的时间差τ，雷达的发射信号X₁表示为：

X₁＝sin(2πft+πSt·t)

接收信号X₂为：

X₂＝sin[2πf(t-τ)+πS(t-τ)²]

接收信号X₂看作发射信号在时间上的延迟，二者有频率差和相位差；经过混频器和低通滤波器后，输出的中频信号X为：

对混频器的输出信号输入至可变增益放大器。

9.根据权利要求7所述的一种基于FMCW雷达的人员检测方法，其特征在于：步骤2中，FPGA模块对中频信号采样得到的数字信号进行FIR滤波去除噪声；对滤波后的信号做快速傅里叶变换将时域信号转换为频域信号；对此频域信号做背景减除，减去录制好的背景信息去除静态目标，对此频域信号做背景减除，背景信息为无人情况下的空背景，将当前信号减去背景信息去除静态目标，得到的频域信号峰值即为动态目标；对背景减除后的信号输入进行恒虚警检测器，恒虚警检测器对20帧数据同一距离信号值做平均，得到一个动态的门限值，将此门限与输入端信号相比，如输入端信号超过了此门限，则判为有目标，否则，判为无目标；最后得到的频谱中最高峰的频率即为被检测人员对应的中频信号的频率f_IF。

10.根据权利要求7所述的一种基于FMCW雷达的人员检测方法，其特征在于：步骤3中，设光速为c，由公式

得所探测目标的距离d为：

对于有多个不同距离的目标，各个反射回来信号和发射信号的时间差各不相同，接收天线接收到的信号有多个频率分量，则混频器的输出具有多个频率，快速傅里叶变换的结果中有多个峰值；设定距离分辨率，用来衡量雷达识别两个对象距离最小值为：

对于相同距离的多个不同目标，则对N组接收信号做2D-FFT，形成N个2D-FFT；对处于2D-FFT上同一峰的相位则形成一个N长度的序列，此序列再做FFT则分辨出不同的物体，即angle-FFT，得到距离-角度图RAI。

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