基于微多普勒特征的运动步态识别
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第３ 卷 １
第 １ ２期
年 １ ２月
【 自动化技 术 】
基 于 微 多 普 勒 特 征 的 运 动 步 态 识 别
黄斌科 ， 李 飞
７ ０４ ） １０ ９ （ 安 交 通 大 学 电子 与 信 息 工 程 学 院微 波 所 ， 安 西 西
摘要 ： 的肢体运动会产生微多普勒 特征 ， 人 利用 这一特征可 以进行人体 步态识别 。首先对人 体进行建模 ， 并利用 运动捕捉数据模拟 了人运动时 的雷达 ［波。然后利用 Ｃ ｉ ｌ 变换对人体躯干的平 动和肢体微动部分 的 回波进 口 １ ｈ ｐｅ ｒ ｔ
ｃ ｉ ｓ ａ ｃ格 式 的 文件 中 。具 体 的 ，ｓ文 件 中 定 义 了骨 ｌｍ ａｆ ｍ ａ ／ ａｆ
与运动类 型相关 ， 基本不 随运动速度变 化 用运 动步频作为运动步态的判别特征。
。本研 究利
首 先 给 出一 个 典 型 的 人 体 模 型 ， 用 运 动 捕 捉 数 据 利
行 了分 离 ， 肢 体 部 分 回波 中 提 取 了人 体 运 动 的 步 频 ， 将 其 作 为 特 征 量 进 行 人 的 运 动 步 态 识 别 。仿 真 结 果 表 从 并
明 了利 用 步频 特 征 识 别 人 体 运 动 步 态 的 有 效性 ， 这 一 特 征 不 受 雷 达 视 线 方 向 与 人 体 运 动 方 向夹 角 的 影 响 ， 且 可
射 信 号 的 矢 量 合 成 来 表 示 。 因 此 合 成 回 波 的关 键 问 题 是
频率 附近产生边带 ， 这种现 象称为微多 普勒现象 … 。人体 运动时由于肢体的摆动 ， 具有 明显 的微运 动特征。Ｇ ｉ ｅ— ｅ ｈｉ ｓ
ｍ ｅ ｒ
＿ 应 用 运 动 捕 捉 证 实 了 人运 动 回波 可 以 用 各 个 部 位 单 ２
约 为 １８— ． ｚ跑 的情 况 下约 为 ３Ｈ ， 且 运 动 步 频 只 ． ２ ０Ｈ ， ｚ而
分， 膝关节就是其 父 关节 ， 而踝 关节 是其子 关节 。人 体 的
运 动 捕 捉 数 据 描 述 就 是 基 于 这 种 树 形 结 构
运动捕捉技术通过捕捉贴 在人体表 面的传感 器数据 ， 来描述人体 的运 动情 况 。这 些人 体 运 动数 据存储 于 Ａ — ｃ
计算 了不 同时刻人体各部位 的位 置 ， 然后 仿真 了人 运动过
程 的雷 达 回波 。利 用 Ｃ ｉ ｌ ｈｒ ｅ ｐ ｔ自适 应 分 解 方 法 对 回 波 进 行 分解 ， Ｃ ｉ ｌ 参 数 域 内分 离 了 躯 干 的平 动 和 肢 体 运 动 ， 在 ｈｒ ｅ ｐｔ
对 后 者 进 行 自相 关 处 理 获 得 运 动 步频 ， 过 步 频 参 数 进 行 通
独 回波 的 合 成 进 行 模 拟 ， 讨 论 了 各 部 位 的 回 波 特 点 。 并 Ｌｎ 等 对 于人 的几 种 典 型 运 动 的 回 波 进 行 模 拟 和 分 析 ， ｉｇ
计算人体运动 中各散 射 中心 的实时位 置。基 于运动 捕捉 数据可计算运 动过程 中不 同时刻各 散射点 的位置 ， 仿真 并
往 伴 随有 加 速 ， 动 ， 转 等 非 刚 体 性 质 的 微 运 动 。 目标 振 旋 微运 动对 于雷 达 散 射 信 号 会 产 生 调 制 作 用 ， 目标 多 普 勒 在
１ 人 运 动 雷 达 回波 合 成
在计算人体运动的散射 回波 时 ， 将人体等 效为多个 可 部件组成 ， 各部件散射信号 由位于其几何 中心散 射点的散
以应用于城市反恐等领域 。
关 键 词 ： 多 普 勒 ； 动 步 态 识 别 ； 频 ； ｈ ｐｅ 变 换 微 运 步 Ｃ ｉ ｌｔ ｒ
中图分类号 ：Ｎ ５ Ｔ ９
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：０ ６— ７７ ２ １ ）２— ０ ６— ３ １０ ０ ０ （０ ０ １ ０ ５ ０
运动 目标不仅存在整体平 动 ， 目标 或者 目标 部件还往
和平移 ； ｒｏ节点外 ， 除 ｏｔ 其他节点只具有 相对 于其父关节 的 转动 ， 不具有独立 的平动分量 。因此 每个 节点在 局部空
这 些 关 节 和 部 分 之 间具 有 一 些 继 承 关 系 ， 如 对 于 小 腿 部 例
与雷达视线方 向往 往存 在夹 角。在这 种情况 下利 用直 接
测量的 目标平 动多普 勒频率 进行 速度ｙ 断并 不能 获得 准 － ０
确 的 速 度信 息 ， 致 利 用这 一 速 度 信 息 进 行 的 步 态 识 别 结 导 果 不 够 可靠 。对 于 人 群 的 统 计 数 据 表 明 ， 走 状 态 下 步 频 行
和 人 行 走 时 手 臂摆 动 的周 期 。 在 应 用雷 达对 非 合 作 目标 进 行 探 测 时 ， 目标 运 动 方 向
人体是一种典 型的非刚体 。当人 运动时 ， 每个部 分都
具有 特定 的运动速度和轨迹 。图 １ 出了一个典型的人体 给
模 型。在该模型 中， 体可 以看作从基 准点 ｒｏ 节点 出发 人 ｏｔ 按 照 一定 的层 次将 各部 分用 关节 相 连构 成 的树形 结构 。
人运动的雷达回波。
１ １ 人 体 运 动模 型 ．
指 出人 体 运 动 的 微 多普 勒特 征 可 以用 于 目标 识 别 。Ｊ ．
Ｌ【 过 对 目标 雷 达 信 号 微 多 普 勒 分 析 和 Ｃ ｉ ｌ 分 解 ， ｉ 通 ｈｒ ｅ ｐｔ
分离 了旋转部件的微 多普勒 特征 ， 到 了飞机 的 ＩＡ 得 Ｓ Ｒ像
架的 自由度 、 位置 、 规格 以及 它们 的继承关 系 ，ｍｃ文件 中 ａ
则 给 出了 传 感 器 所 记 录 的 人 体 各 个 组 成 部 分 在 运 动 中 的
相 对 于 其 父 关 节 的 偏转 角度 。 当人 运 动 时 ， ｏ 节 点 所 在 全 局 坐 标 系 就 会 发 生 转 动 ｒｔ ｏ
第 １ ２期
年 １ ２月
【 自动化技 术 】
基 于 微 多 普 勒 特 征 的 运 动 步 态 识 别
黄斌科 ， 李 飞
７ ０４ ） １０ ９ （ 安 交 通 大 学 电子 与 信 息 工 程 学 院微 波 所 ， 安 西 西
摘要 ： 的肢体运动会产生微多普勒 特征 ， 人 利用 这一特征可 以进行人体 步态识别 。首先对人 体进行建模 ， 并利用 运动捕捉数据模拟 了人运动时 的雷达 ［波。然后利用 Ｃ ｉ ｌ 变换对人体躯干的平 动和肢体微动部分 的 回波进 口 １ ｈ ｐｅ ｒ ｔ
ｃ ｉ ｓ ａ ｃ格 式 的 文件 中 。具 体 的 ，ｓ文 件 中 定 义 了骨 ｌｍ ａｆ ｍ ａ ／ ａｆ
与运动类 型相关 ， 基本不 随运动速度变 化 用运 动步频作为运动步态的判别特征。
。本研 究利
首 先 给 出一 个 典 型 的 人 体 模 型 ， 用 运 动 捕 捉 数 据 利
行 了分 离 ， 肢 体 部 分 回波 中 提 取 了人 体 运 动 的 步 频 ， 将 其 作 为 特 征 量 进 行 人 的 运 动 步 态 识 别 。仿 真 结 果 表 从 并
明 了利 用 步频 特 征 识 别 人 体 运 动 步 态 的 有 效性 ， 这 一 特 征 不 受 雷 达 视 线 方 向 与 人 体 运 动 方 向夹 角 的 影 响 ， 且 可
射 信 号 的 矢 量 合 成 来 表 示 。 因 此 合 成 回 波 的关 键 问 题 是
频率 附近产生边带 ， 这种现 象称为微多 普勒现象 … 。人体 运动时由于肢体的摆动 ， 具有 明显 的微运 动特征。Ｇ ｉ ｅ— ｅ ｈｉ ｓ
ｍ ｅ ｒ
＿ 应 用 运 动 捕 捉 证 实 了 人运 动 回波 可 以 用 各 个 部 位 单 ２
约 为 １８— ． ｚ跑 的情 况 下约 为 ３Ｈ ， 且 运 动 步 频 只 ． ２ ０Ｈ ， ｚ而
分， 膝关节就是其 父 关节 ， 而踝 关节 是其子 关节 。人 体 的
运 动 捕 捉 数 据 描 述 就 是 基 于 这 种 树 形 结 构
运动捕捉技术通过捕捉贴 在人体表 面的传感 器数据 ， 来描述人体 的运 动情 况 。这 些人 体 运 动数 据存储 于 Ａ — ｃ
计算 了不 同时刻人体各部位 的位 置 ， 然后 仿真 了人 运动过
程 的雷 达 回波 。利 用 Ｃ ｉ ｌ ｈｒ ｅ ｐ ｔ自适 应 分 解 方 法 对 回 波 进 行 分解 ， Ｃ ｉ ｌ 参 数 域 内分 离 了 躯 干 的平 动 和 肢 体 运 动 ， 在 ｈｒ ｅ ｐｔ
对 后 者 进 行 自相 关 处 理 获 得 运 动 步频 ， 过 步 频 参 数 进 行 通
独 回波 的 合 成 进 行 模 拟 ， 讨 论 了 各 部 位 的 回 波 特 点 。 并 Ｌｎ 等 对 于人 的几 种 典 型 运 动 的 回 波 进 行 模 拟 和 分 析 ， ｉｇ
计算人体运动 中各散 射 中心 的实时位 置。基 于运动 捕捉 数据可计算运 动过程 中不 同时刻各 散射点 的位置 ， 仿真 并
往 伴 随有 加 速 ， 动 ， 转 等 非 刚 体 性 质 的 微 运 动 。 目标 振 旋 微运 动对 于雷 达 散 射 信 号 会 产 生 调 制 作 用 ， 目标 多 普 勒 在
１ 人 运 动 雷 达 回波 合 成
在计算人体运动的散射 回波 时 ， 将人体等 效为多个 可 部件组成 ， 各部件散射信号 由位于其几何 中心散 射点的散
以应用于城市反恐等领域 。
关 键 词 ： 多 普 勒 ； 动 步 态 识 别 ； 频 ； ｈ ｐｅ 变 换 微 运 步 Ｃ ｉ ｌｔ ｒ
中图分类号 ：Ｎ ５ Ｔ ９
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：０ ６— ７７ ２ １ ）２— ０ ６— ３ １０ ０ ０ （０ ０ １ ０ ５ ０
运动 目标不仅存在整体平 动 ， 目标 或者 目标 部件还往
和平移 ； ｒｏ节点外 ， 除 ｏｔ 其他节点只具有 相对 于其父关节 的 转动 ， 不具有独立 的平动分量 。因此 每个 节点在 局部空
这 些 关 节 和 部 分 之 间具 有 一 些 继 承 关 系 ， 如 对 于 小 腿 部 例
与雷达视线方 向往 往存 在夹 角。在这 种情况 下利 用直 接
测量的 目标平 动多普 勒频率 进行 速度ｙ 断并 不能 获得 准 － ０
确 的 速 度信 息 ， 致 利 用这 一 速 度 信 息 进 行 的 步 态 识 别 结 导 果 不 够 可靠 。对 于 人 群 的 统 计 数 据 表 明 ， 走 状 态 下 步 频 行
和 人 行 走 时 手 臂摆 动 的周 期 。 在 应 用雷 达对 非 合 作 目标 进 行 探 测 时 ， 目标 运 动 方 向
人体是一种典 型的非刚体 。当人 运动时 ， 每个部 分都
具有 特定 的运动速度和轨迹 。图 １ 出了一个典型的人体 给
模 型。在该模型 中， 体可 以看作从基 准点 ｒｏ 节点 出发 人 ｏｔ 按 照 一定 的层 次将 各部 分用 关节 相 连构 成 的树形 结构 。
人运动的雷达回波。
１ １ 人 体 运 动模 型 ．
指 出人 体 运 动 的 微 多普 勒特 征 可 以用 于 目标 识 别 。Ｊ ．
Ｌ【 过 对 目标 雷 达 信 号 微 多 普 勒 分 析 和 Ｃ ｉ ｌ 分 解 ， ｉ 通 ｈｒ ｅ ｐｔ
分离 了旋转部件的微 多普勒 特征 ， 到 了飞机 的 ＩＡ 得 Ｓ Ｒ像
架的 自由度 、 位置 、 规格 以及 它们 的继承关 系 ，ｍｃ文件 中 ａ
则 给 出了 传 感 器 所 记 录 的 人 体 各 个 组 成 部 分 在 运 动 中 的
相 对 于 其 父 关 节 的 偏转 角度 。 当人 运 动 时 ， ｏ 节 点 所 在 全 局 坐 标 系 就 会 发 生 转 动 ｒｔ ｏ