论文中文题名: | 面向矿山救援的超宽带雷达回波人体运动信息特征提取研究 |
姓名: | |
学号: | 22220226089 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085700 |
学科名称: | 工学 - 资源与环境 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2025 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 灾害应急救援 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2025-06-16 |
论文答辩日期: | 2025-06-07 |
论文外文题名: | Research on UWB radar echo human motion information feature extraction for mine rescue |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Mine rescue ; UWB radar ; Radar echo model ; Signal processing algorithm performance ; Effective feature extraction |
论文中文摘要: |
煤炭作为我国的主要能源在开采过程中可能出现矿山生产安全事故,造成人员被困 于井下的情况,需立即开展救援行动。当在救援过程中面临存在障碍物遮挡的情况时, 超宽带(Ultra-wide Band)雷达成为障碍物后方被困人员运动信息探测的有效技术手段; 而探测到人体运动信息的关键是对 UWB 雷达回波的高效处理,并从雷达回波中提取出 有用信号,以实现人体位置信息的获取。为此,本文以构建 UWB 雷达回波模型、优化 信号处理算法、结合仿真模拟与现场实验处理分析雷达回波为思路,开展 UWB 雷达回 波人体运动信息有效特征提取研究,为 UWB 雷达在矿山救援中的应用提供参考价值。 首先,通过分析人体运动学规律与建立人体坐标系,推导出人体行走过程中脊柱、 肩部、膝盖、肘部、手掌和脚掌等 9 个主要部位的运动数学模型;并将其与雷达方程组 结合,在确定中心频率为 400 MHz、波形为 ricker 函数调制、噪声干扰为-20 dB 高斯信 号的基础上,构建出贴近实际矿山救援环境的 6 种加载人体运动信息的 UWB 雷达回波 模型,包含:不考虑行走速度影响的脊柱、膝盖、肘部和肩部运动 UWB 雷达回波模型, 考虑人体行走速度为 1 m/s 影响的靠近雷达、远离雷达的躯干运动 UWB 雷达回波模型。 其次,利用 K-L 相对熵选取 VMD(Variational Mode Decomposition)算法中固有模 态分量个数 K、二次惩罚因子a的最优值分别为 8、3000,完成对 VMD 算法改进,并将 其与 ICA(Independent Component Analysis)算法结合,形成改进型 VMD-ICA 联合算法。 再次,将构建的 6 种 UWB 雷达回波模型分别通过 ICA 算法、改进型 VMD 算法、 改进型 VMD-ICA 联合算法的处理,并结合各算法处理雷达回波后信号的信噪比分析, 得出:三种算法对 UWB 雷达回波的处理性能由低到高依次为 ICA 算法(1.65 dB)、改 进型 VMD 算法(4.22 dB)、联合算法(6.55 dB,相对于两种算法单独使用时信噪比的 平均增长率为 342.37%、55.11%);同时联合算法对躯干运动的 UWB 雷达回波处理效 果高于肢体运动,且可以综合两种算法的优势,实现对 UWB 雷达回波信号的高效处理。 最后,通过设计 UWB 雷达生命信息探测系统装置与搭建模拟矿山救援场景,开展 有无障碍物场景下,人体在距离雷达 2.5-3 m 范围内走动的 UWB 雷达穿透式探测现场 实验,从原始图谱特征中获得反应人体运动的波动持续时间为 2.70 ns;穿透不同厚度和 介质种类条件下,开展人体在不同范围内走动的现场探测实验,并将各 UWB 雷达回波 经联合算法处理后,进一步计算出人体位置信息,得到最大探测误差保持在 0.5 m 以内。 本文证实了改进型 VMD-ICA 联合算法在矿山救援场景中处理 UWB 雷达回波的性 能,为 UWB 雷达在矿山救援领域中的应用提供了重要的借鉴价值。 |
论文外文摘要: |
Coal serves as China’s primary energy source; however, safety accidents may occur during the mining process, causing personnel to become trapped underground and necessitating immediate rescue operations. When obstacles impede rescue efforts, ultra-wideband (UWB) radar proves to be an effective technical means of detecting the movement information of those trapped behind such obstacles. The key to detecting human motion information lies in efficiently processing UWB radar echoes and extracting useful signals from these echoes to obtain the location of individuals. Therefore, following the approach of constructing a UWB radar echo model, optimizing signal processing algorithms, and analyzing the radar echoes through both simulation and on-site experiments, this paper focuses on effectively extracting human motion features from UWB radar echoes. The findings aim to provide valuable insights for the application of UWB radar in mine rescue scenarios. Next, by analyzing human kinematics and establishing a human coordinate system, this study derives the mathematical functions and models for nine major body parts—including the spine, shoulders, knees, elbows, palms, and soles—during walking. These models are then combined with a system of radar equations under conditions where the center frequency is set to 400 MHz, the waveform is modulated using a Ricker function, and the noise interference is - 20 dB Gaussian noise. On this basis, six types of UWB radar echo models that incorporate human motion information are constructed to reflect realistic mine rescue environments. These include: UWB radar echo models for the spine, knees, elbows, and shoulders without considering walking speed, as well as trunk-motion echo models that account for a 1 m/s walking speed—both approaching and receding from the radar. Subsequently, the K-L relative entropy was used to determine the optimal values for both the number of intrinsic mode components (K) and the secondary penalty factor in the VMD algorithm, identified as 8 and 3000 respectively. This optimization completed the improvement of the VMD algorithm. In combination with the ICA algorithm, the improved VMD-ICA joint algorithm was thus established. Thirdly, each of the six constructed UWB radar echo models was processed using the ICA algorithm, the improved VMD algorithm, and the improved VMD-ICA joint algorithm. By analyzing the signal-to-noise ratio (SNR) after each algorithm’s processing, it was found that the three algorithms’ performances in processing UWB radar echoes, from lowest to highest, were as follows: ICA (1.65 dB), improved VMD (4.22 dB), and the joint algorithm (6.55 dB), corresponding to SNR improvements of 342.37% and 55.11% over the ICA and improved VMD algorithms, respectively. Furthermore, the joint algorithm produced better processing results for trunk-motion UWB radar echoes than for limb-motion echoes, effectively combining the advantages of both algorithms to achieve efficient UWB radar echo signal processing. Finally, by designing a UWB radar life-detection system and constructing a simulated mine rescue scenario, on-site experiments were conducted under both obstructed and unobstructed conditions with a person walking within 2.5–3 meters of the radar. From the raw spectrogram features, a fluctuation duration of 2.70 ns was identified as indicative of human movement. Under varying thicknesses and types of media, additional on-site detection experiments were performed with a person walking within different ranges. After the joint algorithm processed each UWB radar echo, the individual’s location information was further calculated, resulting in a maximum detection error kept within 0.5 meters. This study confirms the performance of the improved VMD-ICA joint algorithm in processing UWB radar echoes within mine rescue scenarios, offering important reference value for the application of UWB radar in the field of mine rescue. |
参考文献: |
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中图分类号: | TD77 |
开放日期: | 2025-06-20 |