基于二阶瞬时矩的多普勒雷达生命体征特征提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二阶瞬时矩的多普勒雷达生命体征特征提取方法，包括：1、获取多普勒雷达接收的正交采样的基带信号，基带信号为目标对雷达发射信号的回波和发射信号混频后得到的信号；2、对基带信号进行均值滤波，得到去除直流分量的基带信号；3、以均值滤波后的复数据为观测量，采用二阶瞬时矩方法得到解调的生命体征信号波形；4、将解调后的生命体征信号波形分别通过[0.1,0.6]以及[0.8,2.5]Hz的带通滤波器，获得呼吸和心跳时域信号；5、对提取的呼吸和心跳的时域波形进行傅里叶变换处理，分别得到呼吸波形和心跳波形的频谱，基于门限检测技术估计呼吸和心跳频率参数。本发明专利技术提高了呼吸率、心率参数估计精度。心率参数估计精度。心率参数估计精度。

【技术实现步骤摘要】
基于二阶瞬时矩的多普勒雷达生命体征特征提取方法


[0001]本专利技术属于信号处理
，尤其涉及一种基于二阶瞬时矩的多普勒雷达生命体征特征提取方法。

技术介绍

[0002]随着人们生活水平的提高，对快捷、舒适地获取呼吸、心率等生命体征信息的要求越来越高。低成本的多普勒雷达能够利用电磁波的散射特性获取单个目标的生命体征，已逐步应用于非接触式生命体征检测场景中。而在实际情况下，由于受到天线收发耦合，A/D转换器的精度要求，环境噪声干扰等因素的影响，难以利用现有的方法从雷达回波的基带信号中提取出明显的生命体征特征。
[0003]现有的提取方法主要分为两类：一类是复信号解调，首先对基带信号进行傅里叶变换，然后基于门限检测完成生命体征特征提取。其好处在于处理步骤简单，且有一定的抗噪声性能。但缺点是生命体征特征线谱幅值受到第一类贝塞尔函数调制，不能准确地反映生命体征线谱幅度的相对大小，另外由于呼吸和心率的互调效应，生命体征特征线谱检测区间内有大量交叉项线谱的存在，难以准确判断目标线谱位置。
[0004]另一类是反正切解调，首先对基带信号提取相位，然后对相位信号进行傅里叶变换，最后基于门限检测完成生命体征特征提取。其好处在于提取的相位信息中不存在呼吸和心率的互调效应，因此没有交叉项线谱的存在，且目标线谱频率的幅值能够较为准确地反映相对大小。但缺点是相位信号容易受到噪声的影响，且需要对提取的相位信号进行解卷、去除趋势项等一系列操作，处理步骤繁杂且解调出的生命体征信号质量较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种基于二阶瞬时矩的多普勒雷达生命体征特征提取方法,以解决在环境噪声较大时，难以通过现有处理方式准确地提取生命体征特征的技术问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的具体技术方案如下：
[0007]一种基于二阶瞬时矩的多普勒雷达生命体征特征提取方法，生命体征特征包括呼吸频率特征和心跳频率特征，包括以下步骤：
[0008]步骤1、获取多普勒雷达接收的正交采样的基带信号，基带信号为目标对雷达发射信号的回波和发射信号混频后得到的基带信号的同相分量I(t)和基带信号的正交分量Q(t)；
[0009]步骤2、对基带信号进行均值滤波，得到去除直流分量的基带信号包括基带信号去除直流后的同相分量I
′
(t)和基带信号去除直流后的正交分量Q
′
(t)；
[0010]步骤3、以均值滤波后的复数据为观测量，采用二阶瞬时矩方法，得到解调的生命体征信号波形S(t)；
[0011]步骤4、将解调后的生命体征信号波形分别通过[0.1,0.6]Hz以及[0.8,2.5]Hz的带通滤波器，获得呼吸和心跳时域信号；
[0012]步骤5、对提取的呼吸和心跳时域波形进行傅里叶变换处理，分别得到呼吸波形和心跳波形的频谱，基于门限检测技术估计呼吸和心跳频率参数。
[0013]优选地，步骤1具体包括以下步骤：
[0014]步骤1.1、多普勒雷达发射天线发射单频连续波信号为：
[0015]x
T
(t)＝A
T cos(2πf
c
t)
[0016]其中，A
T
为信号幅度，f
c
为载波频率，t为时间；
[0017]当电磁波照射人体目标，返回到接收天线，到达接收天线的回波信号写成：
[0018]x
R
(t)＝σcos(2πf
c
(t
‑
τ))
[0019]其中σ为目标的散射系数，τ＝2d(t)/c为目标的回波时延，d(t)为雷达到目标的距离，c为电磁波传播速度；
[0020]多普勒雷达硬件系统利用发射信号对回波信号进行混频处理，并通过低通滤波，得到混频后的信号，写成：
[0021][0022]步骤1.2、混频后的信号通过正交采样，考虑到实际硬件系统中IQ采样通道电平不一致性引入的直流偏置，IQ正交采样通道分别获得的基带信号的同相分量I(t)和基带信号的正交分量Q(t)分别为：
[0023][0024][0025]其中DC
I
为基带信号中同相分量，DC
Q
为基带信号中正交分量的直流分量，A
I
为基带信号中同相分量，A
Q
为基带信号中正交分量的幅度，λ＝c/f
c
表示载频波长；
[0026]设置多普勒雷达系统的采样频率f
s
，观测时间长度为T，则获得IQ通道的离散采样信号为
[0027][0028][0029]其中n＝1,
…
,N，N＝f
s
T表示信号采样点数；
[0030]步骤1.3、多普勒雷达通过感知人体目标胸腔壁微弱的周期性距离变化提取呼吸和心跳频率特征，其距离d(n)表示为：
[0031]d(n)＝d0(n)+m
h sin(2πf
h
n)+m
r
sin(2πf
r
n)
[0032]其中d0为雷达到目标的标称距离，m
h
表示人体目标心率引起的胸壁周期性位移的振幅，m
r
表示人体目标呼吸引起的胸壁周期性位移的振幅，f
h
表示人体目标心率的频率，f
r
表示人体目标呼吸的频率。
[0033]优选地，步骤2包括如下步骤：
[0034]步骤2.1、分别估计基带信号同相分量和正交分量的均值和
[0035]所述估计基带信号均值处理块大小为N，
[0036]所述估计基带信号均值处理方式为：
[0037][0038][0039]步骤2.2、采用均值滤波分别去除基带信号同相分量和正交分量的直流分量：
[0040]所述均值滤波方式为：
[0041][0042][0043]考虑到由IQ通道不一致性引起的幅度失真通常较小，设置通过均值滤波处理后，IQ通道的信号幅度基本相同，上式改写为：
[0044][0045][0046]其中A为均值滤波处理后的信号幅度。
[0047]优选地，步骤3包括如下步骤：
[0048]步骤3.1、以均值滤波后的信号为观测量,构建复信号C(n)：
[0049][0050]其中j为虚数；由于d0为雷达到目标的标称距离，在观测时间内基本不变，因此看作与时间无关的量，上式改写为：
[0051][0052]其中
[0053]步骤3.2、采用二阶瞬时矩方法，得到解调后的生命体征信号S(n)：
[0054]所述二阶瞬时矩方法为：
[0055][0056]其中Δ表示数字信号采样间隔，C
*
(n
‑
Δ)表示C(n
‑
Δ)的共轭，C(n
‑
Δ)表示对复信号C(n)进行时延Δ后的信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二阶瞬时矩的多普勒雷达生命体征特征提取方法，其特征在于，所述生命体征特征包括呼吸频率特征和心跳频率特征，包括以下步骤：步骤1、获取多普勒雷达接收的正交采样的基带信号，基带信号为目标对雷达发射信号的回波和发射信号混频后得到的基带信号的同相分量I(t)和基带信号的正交分量Q(t)；步骤2、对基带信号进行均值滤波，得到去除直流分量的基带信号包括基带信号去除直流后的同相分量I
′
(t)和基带信号去除直流后的正交分量Q
′
(t)；步骤3、以均值滤波后的复数据为观测量，采用二阶瞬时矩方法，得到解调的生命体征信号波形S(t)；步骤4、将解调后的生命体征信号波形分别通过[0.1,0.6]Hz以及[0.8,2.5]Hz的带通滤波器，获得呼吸和心跳时域信号；步骤5、对提取的呼吸和心跳时域波形进行傅里叶变换处理，分别得到呼吸波形和心跳波形的频谱，基于门限检测技术估计呼吸和心跳频率参数。2.根据权利要求1所述的基于二阶瞬时矩的多普勒雷达生命体征特征提取方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1、多普勒雷达发射天线发射单频连续波信号为：x
T
(t)＝A
T cos(2πf
c
t)其中，A
T
为信号幅度，f
c
为载波频率，t为时间；当电磁波照射人体目标，返回到接收天线，到达接收天线的回波信号写成：x
R
(t)＝σcos(2πf
c
(t
‑
τ))其中σ为目标的散射系数，τ＝2d(t)/c为目标的回波时延，d(t)为雷达到目标的距离，c为电磁波传播速度；多普勒雷达硬件系统利用发射信号对回波信号进行混频处理，并通过低通滤波，得到混频后的信号，写成：步骤1.2、混频后的信号通过正交采样，考虑到实际硬件系统中IQ采样通道电平不一致性引入的直流偏置，IQ正交采样通道分别获得的基带信号的同相分量I(t)和基带信号的正交分量Q(t)分别为：交分量Q(t)分别为：其中DC
I
为基带信号中同相分量，DC
Q
为基带信号中正交分量的直流分量，A
I
为基带信号中同相分量，A
Q
为基带信号中正交分量的幅度，λ＝c/f
c
表示载频波长；设置多普勒雷达系统的采样频率f
s
，观测时间长度为T，则获得IQ通道的离散采样信号为
其中n＝1,
…
,N，N＝f
s
T表示信号采样点数；步骤1.3、多普勒雷达通过感知人体目标胸腔壁微弱的周期性距离变化提取呼吸和心跳频率特征，其距离d(n)表示为：d(n)＝d0(...

【专利技术属性】
技术研发人员：武其松，陈亚龙，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：