基于宽带雷达高分辨径向距离历程的人体周期运动三维重构理论与方法

Human motion 3D reconstruction from dimensional-reduction observation (2D image or 1D range profile) sequences has high theory value and wide application foreground. Radar can perform its functions at short or long distances and under conditions impervious to optical and infrared sensors, so it is important to investigate the theory and approach for human motion 3D reconstruction from the radar observations. The wideband radar return is the 1D projection on the line of sight of the target scattering centers 3D distribution. In this project, we will investigate the theory and method of periodic human motion 3D reconstruction from the wide band radar return sequence. The frame of the project is based on the principle that the periodic human motion can be considered as a repeated multi-rigid-body articulated motion. As for the key points, we will investigate the algorithm of tracking and trajectories extraction for the radial range of human multiple scattering centers; the theory and approach for human postures 3D reconstruction from the radial range histories under the nonideal conditions; and human motion 3D reconstruction based on the sequence of 3D postures recoveries. Finally, through the investigation of this project, we will establish the theory, approach and algorithms of periodic human motion 3D reconstruction from the high resolution range histories.

基于降维观测（二维图像或一维距离像）序列，重构人体三维运动具有重要的理论研究价值和广泛的应用前景。雷达观测目标的距离可近可远，而且可以在光学和红外等传感器无效的环境中工作，因此研究基于雷达观测获取人体三维运动信息的理论方法具有重要意义。目标的宽带雷达回波所反映的是目标散射中心三维分布在雷达视线方向上的一维投影。本项目将研究基于宽带雷达回波序列对人体周期性运动进行三维重构的理论和方法。研究内容和方案总体构架的基础是人体周期性运动可近似为周期重复的多刚体关节运动这一基本原理。针对其中的关键理论和方法问题，将研究人体多散射中心径向距离历程的跟踪和提取算法；非理想情况下利用多散射中心径向距离历程重构人体三维姿势的理论和方法；基于人体姿势重构序列重构人体三维运动的理论和方法。最终，通过本项目的研究，建立基于高分辨径向距离历程的人体周期性运动三维重构的理论、方法和算法。

人体运动蕴含着许多关于人的行为、意图、情感甚至是个性品质等方面的丰富信息，人体运动估计和分析在安全监视、生物医学工程、医学诊断、运动训练以及康复治疗等诸多领域具有重要的应用价值。如何感知、提取和分析人体各部分在不同运动状态下的运动方式是其中的关键技术，受到了学术界的广泛关注。人体的运动是一种在三维空间中的运动，只有利用感知信号对人体运动进行三维重构，才能获取与观测角度无关的人体运动信息，实现稳健的监视与识别。.雷达是一种利用电磁波对目标和环境进行主动探测的设备，与视频监视系统相比，可以进行远距离感知，而且具有全天候和全天时的工作特点，完全不受光线影响，受天气影响也较小，在大雾或其它低可见的天气条件下也可使用。更为重要的是它还具有穿透障碍物的能力，因而利用雷达对运动人体进行观测在军事和民用的诸多领域都具有广泛的应用前景。.宽带雷达可以具有很高的距离分辨率，沿距离维分辨目标上的多个散射中心，如果目标运动过程中相对于雷达视角变化足够丰富，那么根据多个散射中心的径向距离历程可以重构目标的三维形状和运动。与ISAR成像技术不同，基于多散射中心的目标重构技术对目标与雷达的相对运动除视角变化足够丰富外几乎没有什么要求，因而更适合于估计非合作复杂运动目标的三维形状和运动。.在本项目的研究中，我们对基于宽带雷达观测的人体运动三维重构进行了研究，在基于环境先验信息的宽带雷达杂波抑制与目标检测，基于高阶粒子滤波的周期运动跟踪与轨迹提取以及基于多散射中心的高分辨径向距离历程重构人体三维运动和姿势等方面获得了相应的研究成果，达到了预期的研究目标。