一种基于FMCW雷达的舌姿检测系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FMCW雷达的舌姿检测系统与方法。本发明专利技术雷达收发射频前端的输出端与信号处理模块的输入端相连，信号处理模块的反馈端与雷达收发射频前端的控制端相连，信号处理模块的输出端与识别模块的输入端相连，识别模块的输出端与终端界面相连；雷达收发射频前端发送IQ中频信号到信号处理模块，信号处理模块处理后输出给识别模块，识别模块实现舌姿的智能识别后并将结果传输给终端界面进行显示，识别模块还将反馈信号传输回信号处理模块，信号处理模块根据反馈信号生成对应的发射参数传输给雷达收发射频前端，实现FMCW雷达信号的不断调节。本发明专利技术整体系统架构简洁，可移植性高，适用多种特殊场景下的无声交互，为残障人士交流提供了新途径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FMCW雷达的舌姿检测系统与方法
本专利技术涉及了一种舌姿检测系统与方法，具体涉及一种基于FMCW雷达的舌姿检测系统和方法。
技术介绍
光和电磁波是人类观察和感知世界的主要媒介，随着科技的不断发展，电磁波的应用也越来越广，如5G、物联网、无人驾驶等，尤其是随着5G的发展，各种基于电磁波的感知也已成为学术和工程上的研究热点。在多种感知手段中新近出现的舌姿识别系统有着极为宽广的应用场景。首先，在军事行动等多种特殊场景中，舌姿识别系统能够提供有效的无声交互；另外，在全球范围内，由脊髓损伤引起的瘫痪病例正在逐年上升,每年约有250,000至500,000例新的脊髓损伤病例。根据损伤的严重程度，患者可能会遭受部分或全身瘫痪和活动受限。例如，遭受高颈神经(C1-C4)损伤的患者的手臂、手、躯干和腿部出现瘫痪。此类患者只能将头、舌和眼的运动用作姿势识别和环境控制的输入。在这三种姿势输入中，舌头是一大批瘫痪患者的常用输入器官。这是由于两个原因：首先，舌头是一种柔软的器官，可以用来执行大量姿势。第二，舌头受颅神经控制，颅神经嵌在颅骨中，在脊髓损伤期间不易受损。因此，它同样适合于大量瘫痪患者的姿势识别。基于FMCW(调频连续波)雷达的舌姿检测作为新兴技术，克服了传统识别方案的诸多问题，应用前景广阔，然而由于动态舌姿具有复杂多样、时空特征多变的特点，给人机交互和舌姿识别的研究带来了许多新的挑战，该技术在具有极大研究价值的同时，还具备很大的挑战性。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提供了一种基于FMCW雷达的舌姿检测系统与方法。本专利技术利用雷达收发射频前端通过开关切换可获取六组IQ中频信号，传输至信号处理模块进行中频信号处理输出多普勒频移变化数据，多普勒频移变化数据传输至识别模块，识别模块对多普勒频移变化数据进行处理和分类，进而通过终端界面进行显示结果。本专利技术的技术方案如下：一、一种基于FMCW雷达的舌姿检测系统舌姿检测系统包括若干个雷达收发射频前端、若干个信号处理模块、识别模块，雷达收发射频前端的输出端与信号处理模块的输入端相连，信号处理模块的反馈端与雷达收发射频前端的控制端相连，信号处理模块的输出端与识别模块的输入端相连，识别模块的输出端与终端界面相连；雷达收发射频前端发射FMCW雷达信号到被检测舌头发生反射产生FMCW雷达回波信号，并返回到雷达收发射频前端，雷达收发射频前端将FMCW雷达回波信号进行去噪放大后输出IQ中频信号，IQ中频信号输入信号处理模块，信号处理模块处理后输出多普勒频移变化数据，识别模块对多普勒频移变化数据进行处理得到舌头复杂运动特征并进行舌头复杂运动特征的分类，实现舌姿的智能识别并将结果传输给终端界面，最终通过终端界面进行显示，识别模块还将舌头复杂运动特征反馈回信号处理模块，信号处理模块根据反馈回来的舌头复杂运动特征生成对应的发射参数传输给雷达收发射频前端，实现FMCW雷达信号的不断调节。所述雷达收发射频前端包括发射端和接收端，所述发射端包括压控振荡器、低通滤波器、本振信号发生器、第一混频器、功率分配器、两个放大器、两个开关和两个发射机；压控振荡器的输出端依次经低通滤波器、第一混频器和功率分配器连接，压控振荡器的控制端作为雷达收发射频前端的控制端并与信号处理模块相连，第一混频器还与本振信号发生器相连，功率分配器依次经一个放大器、一个开关和一个发射机相连，功率分配器还依次经另一个放大器、另一个开关和另一个发射机相连；所述接收端包括两个接收机、两个低噪声放大器、四个混频器、两个移相器；第一接收机经第一低噪声放大器后与第二混频器相连，功率分配器与第二混频器相连，第二混频器的输出作为雷达收发射频前端的第一输出端，第一低噪声放大器还与第三混频器相连，功率分配器经一个移相器后与第三混频器相连，第三混频器的输出作为雷达收发射频前端的第二输出端；第二接收机经第二低噪声放大器后与第四混频器相连，功率分配器与第四混频器相连，第四混频器的输出作为雷达收发射频前端的第三输出端，第二低噪声放大器还与第五混频器相连，功率分配器经另一个移相器后与第五混频器相连，第五混频器的输出作为雷达收发射频前端的第四输出端。所述信号处理模块包括四个滤波放大处理模块、四个数模转换器、压控波形生成和运算单元；雷达收发射频前端的第一输出端与第一滤波放大处理模块相连，第一滤波放大处理模块经第一数模转换器后连接到运算单元上；雷达收发射频前端的第二输出端与第二滤波放大处理模块相连，第二滤波放大处理模块经第二数模转换器后连接到运算单元上；雷达收发射频前端的第三输出端与第三滤波放大处理模块相连，第三滤波放大处理模块经第三数模转换器后连接到运算单元上；雷达收发射频前端的第四输出端与第四滤波放大处理模块相连，第四滤波放大处理模块经第四数模转换器后连接到运算单元上；运算单元与压控波形生成模块的控制端相连，压控波形生成模块的输出端与压控振荡器的控制端相连。所述雷达收发射频前端为毫米波FMCW雷达。所述识别模块为计算机终端。所述滤波放大处理模块包括前置低噪声放大器、高通滤波器、可变增益放大器和低通滤波器。二、采用舌姿检测系统的一种基于FMCW雷达的舌姿检测方法雷达收发射频前端的发射端有三种发射状态，雷达收发射频前端的接收端中每个接收机均接收到三组接收信号，最后雷达收发射频前端输出六组IQ中频信号，信号处理模块对每组IQ中频信号进行解调计算得到多普勒频移变化数据并将多普勒频移变化数据传输至识别模块，识别模块计算多普勒频移变化数据中的舌头复杂运动特征，利用舌头复杂运动特征对多普勒频移变化数据进行分类，实现舌姿的智能识别并将结果传输给终端界面，最终通过终端界面进行显示；识别模块将多普勒频移变化数据对应的舌头复杂运动特征反馈给信号处理模块的运算单元，运算单元根据反馈的舌头复杂运动特征来判断被检测舌头的运动状态并同时计算被检测舌头与雷达收发射频前端的距离，从而来确定被检测舌头的运动过程；根据被检测舌头的运动过程，运算单元输出该运动过程中发射端最佳的发射参数，压控波形生成模块改变生成的电压形状，从而改变发射的FMCW雷达信号。所述发射参数具体为FMCW雷达信号T(t)的参数a1、a2、a3、b1、b2、b3、c，公式如下：T(t)＝a1sinb1t+a2sinb2t+a3sinb3t+c＝ATcos(2πftt)其中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c均为常数，AT表示发射的FMCW雷达信号的幅度，ft表示发射的FMCW雷达信号的发射频率；运算单元根据反馈的舌头复杂运动特征调整参数a1、a2、a3、b1、b2、b3、c的值，将参数a1、a2、a3、b1、b2、b3、c输出到压控波形生成模块中，从而使发射频率ft发生改变。所述反馈的舌头复杂运动特征包括IQ中频信号中两路的I路回波信号I(t)和两路的Q路回波信号Q(t)的幅度相位φ和多普勒频率fd，I路回波信号I(t)和Q路回波信号Q(t)的公式如下：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FMCW雷达的舌姿检测系统，其特征在于：包括若干个雷达收发射频前端(1)、若干个信号处理模块(2)、识别模块(3)，雷达收发射频前端(1)的输出端与信号处理模块(2)的输入端相连，信号处理模块(2)的反馈端与雷达收发射频前端(1)的控制端相连，信号处理模块(2)的输出端与识别模块(3)的输入端相连，识别模块(3)的输出端与终端界面(4)相连；雷达收发射频前端(1)发射FMCW雷达信号到被检测舌头发生反射产生FMCW雷达回波信号，并返回到雷达收发射频前端(1)，雷达收发射频前端(1)将FMCW雷达回波信号进行去噪放大后输出IQ中频信号，IQ中频信号输入信号处理模块(2)，信号处理模块(2)处理后输出多普勒频移变化数据，识别模块(3)对多普勒频移变化数据进行处理得到舌头复杂运动特征并进行舌头复杂运动特征的分类，实现舌姿的智能识别并将结果传输给终端界面(4)，最终通过终端界面(4)进行显示，识别模块(3)还将舌头复杂运动特征反馈回信号处理模块(2)，信号处理模块(2)根据反馈回来的舌头复杂运动特征生成对应的发射参数传输给雷达收发射频前端(1)，实现FMCW雷达信号的不断调节。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于FMCW雷达的舌姿检测系统，其特征在于：包括若干个雷达收发射频前端(1)、若干个信号处理模块(2)、识别模块(3)，雷达收发射频前端(1)的输出端与信号处理模块(2)的输入端相连，信号处理模块(2)的反馈端与雷达收发射频前端(1)的控制端相连，信号处理模块(2)的输出端与识别模块(3)的输入端相连，识别模块(3)的输出端与终端界面(4)相连；雷达收发射频前端(1)发射FMCW雷达信号到被检测舌头发生反射产生FMCW雷达回波信号，并返回到雷达收发射频前端(1)，雷达收发射频前端(1)将FMCW雷达回波信号进行去噪放大后输出IQ中频信号，IQ中频信号输入信号处理模块(2)，信号处理模块(2)处理后输出多普勒频移变化数据，识别模块(3)对多普勒频移变化数据进行处理得到舌头复杂运动特征并进行舌头复杂运动特征的分类，实现舌姿的智能识别并将结果传输给终端界面(4)，最终通过终端界面(4)进行显示，识别模块(3)还将舌头复杂运动特征反馈回信号处理模块(2)，信号处理模块(2)根据反馈回来的舌头复杂运动特征生成对应的发射参数传输给雷达收发射频前端(1)，实现FMCW雷达信号的不断调节。


2.根据权利要求1所述的一种基于FMCW雷达的舌姿检测系统，其特征在于：所述雷达收发射频前端(1)包括发射端和接收端，所述发射端包括压控振荡器、低通滤波器、本振信号发生器、第一混频器、功率分配器、两个放大器、两个开关和两个发射机；压控振荡器的输出端依次经低通滤波器、第一混频器和功率分配器连接，压控振荡器的控制端作为雷达收发射频前端(1)的控制端并与信号处理模块(2)相连，第一混频器还与本振信号发生器相连，功率分配器依次经一个放大器、一个开关和一个发射机相连，功率分配器还依次经另一个放大器、另一个开关和另一个发射机相连；
所述接收端包括两个接收机、两个低噪声放大器、四个混频器、两个移相器；第一接收机经第一低噪声放大器后与第二混频器相连，功率分配器与第二混频器相连，第二混频器的输出作为雷达收发射频前端(1)的第一输出端，第一低噪声放大器还与第三混频器相连，功率分配器经一个移相器后与第三混频器相连，第三混频器的输出作为雷达收发射频前端(1)的第二输出端；第二接收机经第二低噪声放大器后与第四混频器相连，功率分配器与第四混频器相连，第四混频器的输出作为雷达收发射频前端(1)的第三输出端，第二低噪声放大器还与第五混频器相连，功率分配器经另一个移相器后与第五混频器相连，第五混频器的输出作为雷达收发射频前端(1)的第四输出端。


3.根据权利要求2所述的一种基于FMCW雷达的舌姿检测系统，其特征在于：所述信号处理模块(2)包括四个滤波放大处理模块、四个数模转换器、压控波形生成和运算单元；雷达收发射频前端(1)的第一输出端与第一滤波放大处理模块相连，第一滤波放大处理模块经第一数模转换器后连接到运算单元上；雷达收发射频前端(1)的第二输出端与第二滤波放大处理模块相连，第二滤波放大处理模块经第二数模转换器后连接到运算单元上；雷达收发射频前端(1)的第三输出端与第三滤波放大处理模块相连，第三滤波放大处理模块经第三数模转换器后连接到运算单元上；雷达收发射频前端(1)的第四输出端与第四滤波放大处理模块相连，第四滤波放大处理模块经第四数模转换器后连接到运算单元上；运算单元与压控波形生成模块的控制端相连，压控波形生成模块的输出端与压控振荡器的控制端相连。

【专利技术属性】
技术研发人员：皇甫江涛，林溥靖，魏路松，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33