毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法技术

一种毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法，属于雷达信号处理领域。首先，建立生命体征信号的基本模型，对雷达回波I/Q数据进行处理；其次，提出目标距离单元的选择方法，然后通过扩展的差分

【技术实现步骤摘要】
毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法


[0001]本专利技术涉及雷达信号处理的
，尤其涉及一种毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法的


技术介绍

[0002]随着物联网技术的不断发展，近年来健康监测设备逐步智能化、网联化，在医疗、居家养老、智慧交通等多个场景下得到广泛应用。当前，人体呼吸、心跳等生命体征信号的监测设备大多为接触式设备，如电子血压测量计、智能手环、心电图仪等，其具有应用广、成本低、测量精度高等特点，但长时间的电极依附以及较繁杂的线束可能影响用户的日常生活。因此，需要一种对人体影响较小的非接触式设备，能够实现对人体生命体征信号的长时间监测。
[0003]毫米波雷达相比于传统的接触式生命体征监测设备和光学、红外技术，具有全天候工作能力强、覆盖范围大等优点，应用前景广阔。调频连续波（frequency modulated continuous wave，FMCW）雷达体制，因其带宽大、分辨率高、电磁波发射流程简单且功率较小，故拥有微小信号的检测能力，非常适合于对人体呼吸和心跳信号的测量场景。
[0004]但是，当前使用FMCW毫米波雷达对人体生命体征信号监测主要有两个问题：一是人体目标的锁定。在实际的人体目标测量场景中会存在距离单元相近的杂波及噪声的影响，因此需要一种准确度较高的目标距离单元的选择机制。
[0005]二是目标相位的提取以及呼吸率和心率的解算。因此需要采用合适的相位解调算法和非平稳信号的时频分析方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是提供一种毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法，有效锁定人体胸腔反射目标的所在距离单元，进而较准确地提取人体目标的相位，以实现对人体呼吸心跳信号的长时间监测。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法，包括如下步骤：步骤S1、调整毫米波雷达与人体目标之间的相向放置，雷达波束主要照射人体胸腔部位；毫米波雷达发射线性调频信号；建立毫米波雷达探测生命体征信号的基本模型；步骤S2、读取雷达回波I/Q数据并进行处理；步骤S3、通过谱峰搜索选择人体目标的距离单元；步骤S4、提取人体目标的相位信息；步骤S5、通过带通滤波分离呼吸和心跳信号；步骤S6、对呼吸和心跳信号进行短时傅里叶变换，通过谱峰搜索确定其频率值，得到并绘制呼吸率和心率曲线。
[0008]优先的是，本专利技术步骤S1中建立毫米波雷达探测生命体征信号的基本模型，具体
过程为：步骤S11，确定毫米波雷达发射线性调频信号：其中，为发射信号的振幅，为起始频率，为调频斜率，为调频带宽，为调频周期，为随机初始相位，为虚数单位，为时间；步骤S12，将步骤S11中得到的雷达发射线性调频信号中的一部分作为本振信号送入混频器中，另一部分由天线向空间中辐射，遇到人体目标产生后向散射，再由天线接收形成目标回波信号，表达式为：其中，为回波信号的时延，为光速，为雷达与目标之间的距离，为传播衰减因子，表示反射附加相移；步骤S13，将步骤S12中得到的目标回波信号经混频器后与本振信号进行混频处理，忽略高次方项及附加相移后，得到中频信号表达式如下：其中，为中频信号的频率，为中频信号的相位，表达式分别如下：为中频信号的相位，表达式分别如下：其中，为中频信号的波长；为雷达与人体目标之间的距离，用于调制中频信号的频率和相位；步骤S14，雷达与人体目标之间的距离变化量为生命体征信号引起的人体胸腔前后位移变化，生命体征信号包含心跳信号和呼吸信号，为一个近似于周期变化的正弦波信号，所以距离变化量可表达为如下所示：
其中，为心跳信号的振幅，为呼吸信号的振幅，为心跳信号的频率，为呼吸信号的频率，为时间，为心跳信号初始相位，为呼吸信号初始相位；通过中频信号的相位，根据公式，计算出胸腔位移变化量，即距离变化量，进而提取呼吸心跳信息。
[0009]优先的是，本专利技术步骤S2中读取雷达回波I/Q数据并进行处理，具体过程为：按照毫米波雷达的波形参数配置，将目标回波数据存储在二维矩阵中，矩阵的列为快时间域的I/Q数据，矩阵的行为慢时间域I/Q数据，使用Matlab软件进行处理。
[0010]优先的是，本专利技术步骤S3中通过谱峰搜索选择人体目标的距离单元，具体过程如下：步骤S31，对每帧数据的第一个线性调频信号做距离维快速傅里叶变换，得到频域信号波形；步骤S32，通过谱峰搜索方式，选取频域波形的前三个峰值为潜在目标单元，并记录其索引值；步骤S33，统计所有帧潜在目标单元出现的频次；步骤S34，选择频次最高的距离单元为目标单元，即人体胸腔反射点所在单元。
[0011]优先的是，本专利技术步骤S4中提取人体目标的相位信息，具体过程为：步骤S41，使用扩展的差分
‑
交叉相乘算法，直接从校准后的输入/输出信号中计算相位角，并进行相位解缠绕处理，防止出现相位模糊；其中，为采样点数值大小，为当前采样点人体目标的相位，、分别为采样点取值为时的回波数据I/Q两路信号，、分别为采样点取值为时上一采样点的回波数据I/Q两路信号；步骤S42，对步骤S41得到的解缠绕后的相位进行一阶差分处理，消除相位偏移，并增强生命体征信号中的心跳信号分量，通过后一采样点的相位减去当前采样点的相位实现，表达式为：其中为后一采样点人体目标的相位；步骤S43，对步骤S42得到的一阶差分相位，进行滑动平均滤波处理，抑制人体随机体动噪声及环境中其他噪声。
[0012]优先的是，本专利技术步骤S5中通过带通滤波分离呼吸和心跳信号，具体过程为：根据
呼吸率和心率的一般范围，构造一个通频带为0.8
‑
2.0Hz的椭圆带通滤波器，提取出心跳信号分量；构造一个通频带为0.1
‑
0.4Hz的椭圆带通滤波器，提取出呼吸信号分量。
[0013]优先的是，本专利技术步骤S6中所述的对呼吸心跳信号进行短时傅里叶变换，表达式为：其中，为采样点数值大小，为呼吸或心跳信号的角频率，为当前采样点处的频谱，为窗函数，为窗口平移数，为呼吸或心跳信号，为傅里叶变换系数；在进行短时傅里叶变换得到呼吸心跳信号的频谱后，在窗口内通过谱峰搜索的方式，判定频谱峰值最大处为该时间段内对应的呼吸率或心率，并绘制相应曲线。
[0014]本专利技术的一种毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法，首先，建立生命体征信号的基本模型，对雷达回波I/Q数据进行处理；其次，提出目标距离单元的选择方法，然后通过扩展的差分
‑
交叉相乘算法、一阶差分和滤波处理得到了人体目标的相位信息，进而通过带通滤波提取并分离呼吸、心跳信号；最后，通过短时傅里叶变换算法计算出人体目标的呼吸率和心率，实现对生命体征信号的监测。
[0015]本专利技术采用上述技术方案，与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术在选择目标距离单元时，综合多帧数据的峰值统计结果，有效减少了与目标距离相近的杂波或非目标物体反射的影响。
[0016]2、本专利技术在提取目标相位信息时，采用了扩展的差分
‑
交叉相乘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法，其特征在于包括如下步骤：步骤S1、调整毫米波雷达与人体目标之间的相向放置，雷达波束主要照射人体胸腔部位；毫米波雷达发射线性调频信号；建立毫米波雷达探测生命体征信号的基本模型；步骤S2、读取雷达回波I/Q数据并进行处理；步骤S3、通过谱峰搜索选择人体目标的距离单元；步骤S4、提取人体目标的相位信息；步骤S5、通过带通滤波分离呼吸和心跳信号；步骤S6、对呼吸和心跳信号进行短时傅里叶变换，通过谱峰搜索确定其频率值，得到并绘制呼吸率和心率曲线。2.根据权利要求1所述的毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法，其特征在于：步骤S1中建立毫米波雷达探测生命体征信号的基本模型，具体过程为：步骤S11，确定毫米波雷达发射线性调频信号：其中，为发射信号的振幅，为起始频率，为调频斜率，为调频带宽，为调频周期，为随机初始相位，为虚数单位，为时间；步骤S12，将步骤S11中得到的雷达发射线性调频信号中的一部分作为本振信号送入混频器中，另一部分由天线向空间中辐射，遇到人体目标产生后向散射，再由天线接收形成目标回波信号，表达式为：其中，为回波信号的时延，为光速，为雷达与目标之间的距离，为传播衰减因子，表示反射附加相移；步骤S13，将步骤S12中得到的目标回波信号经混频器后与本振信号进行混频处理，忽略高次方项及附加相移后，得到中频信号表达式如下：其中，为中频信号的频率，为中频信号的相位，表达式分别如下：
其中，为中频信号的波长；为雷达与人体目标之间的距离，用于调制中频信号的频率和相位；步骤S14，雷达与人体目标之间的距离变化量为生命体征信号引起的人体胸腔前后位移变化，生命体征信号包含心跳信号和呼吸信号，为一个近似于周期变化的正弦波信号，所以距离变化量可表达为如下所示：其中，为心跳信号的振幅，为呼吸信号的振幅，为心跳信号的频率，为呼吸信号的频率，为时间，为心跳信号初始相位，为呼吸信号初始相位；通过中频信号的相位，根据公式，计算出胸腔位移变化量，即距离变化量，进而提取呼吸心跳信息。3.根据权利要求2中所述的毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法，其特征在于：步骤S2中读取雷达回波I/Q数据并进行处理，具体过程为：按照毫米波雷达的波形参数配置，将目标回波数据离散采样，采样率，将离散采样信号存储在二维矩阵中，矩阵的列为快时间域的I/Q数据，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐刚，杜昊泽，洪伟，
申请(专利权)人：南京锐码毫米波太赫兹技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：