基于CESP-Viterbi算法的人体微多普勒频率估计研究学术报告
一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为Yipeng Ding，合作者包括Runjin Liu、Zhengmin Li、Yanlong She及Xuemei Xu，均来自中南大学物理与电子学院。研究成果发表于2022年的《IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters》期刊（卷19，文章编号3506105），标题为《Human Micro-Doppler Frequency Estimation Using CESP-Based Viterbi Algorithm》。
二、学术背景
科学领域与研究动机
该研究属于雷达信号处理与生物运动识别交叉领域，聚焦于连续波雷达（CW radar）回波中人体微多普勒（Micro-Doppler, M-D）频率的精确估计。M-D频率由人体关节的微小运动（如行走时四肢摆动）调制产生，是区分不同运动状态（如步态识别）的关键特征。然而，复杂运动模式下，不同身体部位的散射信号频谱重叠（即频率模糊问题），导致传统方法难以准确分离目标成分。此外，实时性要求高的场景（如穿墙雷达监测）对算法效率提出了更高挑战。
研究目标
提出一种结合改进Viterbi算法（VA）与非线性预测技术（基于三次指数平滑预测，CESP）的新方法，以解决频率模糊问题，提升M-D频率估计精度与计算效率，并验证其在人体腿部M-D频率提取中的优越性。
三、研究流程与方法
1. 信号建模与问题定义
- Boulic模型：采用经典的人体运动学模型，将人体划分为多个散射部位（如头、躯干、四肢），各部位尺寸参数见表I。
- 雷达信号模型：发射信号为单频连续波（公式1），接收信号经解调后（公式2）包含时延τ（公式3），最终基带信号表达为各散射部位回波的叠加（公式4）。M-D频率由各部位速度投影决定（公式5）。
2. 传统Viterbi算法（VA）的局限性
- 流程：VA通过时间-频率表示（TFR）搜索最优路径，定义惩罚函数（公式8）约束路径连续性。
- 缺陷：在频谱重叠区域，传统惩罚函数无法区分目标路径与干扰路径，导致“切换问题”（图4②③）；且全局搜索计算量大。
3. CESP-VA算法的创新设计
- 非线性预测：引入CESP技术（公式12-13），基于历史路径的三阶平滑值（s(1), s(2), s(3)）预测当前频率趋势（λ, γ, η），构建动态惩罚函数μ（公式14）。
- 动态搜索范围：仅围绕预测值附近区间（[k_pi−ξ, k_pi+ξ]）搜索，将计算复杂度从O(n²)降至O(121)（ξ≤5）。
- 参数优化：通过Hough变换确定最优平滑系数αml’，使信号能量在基带收敛（公式17）。
4. 实验验证
- 硬件平台：自主搭建2.4 GHz多普勒雷达原型（图2a），含1个发射通道（Tx）和3个接收通道（Rx1-3）。
- 实验设计：受试者以1 m/s速度沿预设轨迹运动（图2c），同步使用动作捕捉设备记录真实腿部运动轨迹。雷达每0.005 s采集一次回波信号，频谱如图2d所示。
- 对比方法：与短时傅里叶变换峰值检测（STFT-PD，图3）、传统VA（图4）对比，评估算法性能。
四、主要结果与分析
1. 频率估计精度
- CESP-VA表现最优：如图5所示，其估计曲线（黑色虚线）与真实腿部M-D频率（蓝色实线）几乎重合，尤其在频谱重叠区域（②③）无路径切换现象。
- 量化指标：均方根误差（RMS）为0.12 Hz，显著低于STFT-PD（0.43 Hz）和传统VA（0.25 Hz）（表II）。
2. 计算效率
- 动态搜索策略使单次路径搜索时间缩短至传统VA的20%，满足实时处理需求。
3. 频率模糊抑制
- CESP的引入增强了惩罚函数对非线性趋势的识别能力，有效区分腿部信号与手臂/脚部干扰（图5②③）。
五、结论与价值
科学价值
1. 方法创新：首次将CESP非线性预测与VA结合，解决了M-D频率估计中的路径模糊问题。
2. 理论贡献：提出动态搜索区间与参数优化框架，为高噪声环境下的瞬时频率估计提供了新思路。
应用价值
1. 穿墙雷达：可提升复杂环境下人体运动识别的准确性，适用于安防与救援场景。
2. 实时监测：低计算复杂度使其在嵌入式设备中具有部署潜力。
六、研究亮点
1. 算法创新性：CESP-VA通过融合非线性预测与动态搜索，兼顾精度与效率，是信号处理领域的突破。
2. 实验严谨性：结合雷达数据与光学动作捕捉，提供双重验证。
3. 工程实用性：开源硬件平台设计（图2a）便于后续研究复现与扩展。
未来方向
作者计划将M-D频率特征用于运动状态分类（如跌倒检测），并探索多雷达数据融合的进一步优化。
（注：专业术语如CESP（三次指数平滑预测）、VA（Viterbi算法）、M-D（微多普勒）等在首次出现时标注英文原词，后续使用中文表述。）