[发明专利]一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统

说明书

本发明属于太赫兹雷达技术领域，具体涉及一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统。本发明的该系统主要包括4个模块：波形产生模块、线性调频源模块、天线收发模块和信号处理模块。在波形产生模块中采用双频率源分别驱动天线的发射链和接收链，同时双频率源的混合输出驱动信号本振链。在线性调频模块中产生的扫频源与频率源混频获得宽带信号，获得在距离向上的高分辨率。在天线收发模块中采用二发四收的模式来获得较高的角度分辨率。在信号处理模块中信号进行解调与采样，获得数字基带信号。该太赫兹雷达系统的实现能够进一步推动精细手势识别应用的发展。

技术领域

本发明属于太赫兹雷达技术领域，具体涉及一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统。

背景技术

对于人机交互领域中的手势识别，基于雷达的识别方案有其自身的优势：对光照不敏感、计算复杂度低、具有穿透能力和设置灵活。目前，对手势的识别研究大多集中在以手部或者连同胳膊为整体目标的运动上面，无法精确捕捉集中在手部手掌和手指上的微小运动变化。定义这种以单个手部为目标、集中在手指和手掌的小幅度运动手势为精细手势。然而，对于人机交互过程中使用精细手势来实现特殊的控制需求，低分辨率雷达难以捕捉精细手势的位置和分析手的形状和运动轨迹，导致无法识别人机交互过程中的精细手势，无法实现控制指令的精确传达。

太赫兹雷达是工作频率在0.1～10THz范围内的雷达系统，通常发射的是高频率、大带宽的信号，以此获得在径向距离上高分辨率，使得目标微小的运动也能够反应出来。同时，目标的回波当中还携带了目标的几何形状与结构信息。通过分析连续时间序列当中目标径向距离上散射点的强度以及分布来提取精细手势的运动特征，实现手势的分类识别。因此，构建一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统是有必要的。

对于构建太赫兹雷达系统，有许多问题需要考虑：由于频率源功率低，混频器功率损耗大，一个频率源很难同时驱动发射链和接收链；太赫兹雷达系统的发射带宽非常大，很难直接对信号进行采样；即使能够对信号直接采样，也需要考虑大量数据带来的存取和储存问题；线性调频源的线性度直接影响太赫兹雷达系统的距离分辨率等。结合精细手势识别的应用，太赫兹雷达如何有效地捕捉手势的运动特征描述。因此，太赫兹雷达系统存在的一些问题，严重的限制了其工作性能和应用场景。

发明内容

针对上述问题，结合太赫兹器件发展水平，吸取常规雷达系统的结构特点，本发明提出的一种适用于精细手势识别的太赫兹雷达系统。该雷达系统结构设计如下，系统总体框图见附图1。

本发明的太赫兹雷达系统由4个部分组成，包括波形产生模块、线性调频源模块、天线收发模块和信号处理模块。

在波形产生模块中，采用锁相技术构成的两个稳定频率源分别与线性调频模块当中的扫频源进行混频后，将混频输出信号分别驱动该雷达系统的信号发送链路和信号接收链路，同时该双频率源的混频输出信号经倍频器后驱动信号处理模块中的本振链，构成了双频率源太赫兹雷达系统。

在线性调频源模块中，本发明采用了并行的直接数字合成(Direct DigitalSynthesis,DDS)结构产生线性调频(Linear Frequency Modulation，LFM)信号。数模转换器将DDS输出的数字信号转变为模拟信号送至混频器，与晶体振荡器产生的双频率源信号分别进行混频。其中，扫频源的性能直接影响着雷达的距离分辨率，差的线性度会导致脉压信号主瓣的展宽。扫频源中的并行DDS结构由现场可编程门阵列(FPGA)实现，能够获得良好的线性度以及保证跳变时间在纳秒级。与传统方式相比，采用压控振荡器(VoltageControlled Oscillator，VCO)的方式可以实现大带宽的调制信号，但是其线性度较差；采用锁相环的结构虽然可以获得很好的线性度，但是其信号的跳变时间无法维持在纳秒级，从而限制了调制信号的带宽。