基于毫米波雷达的生命体征检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法。该方法包括步骤发射线性调频连续波FMCW，对回波信号进行混频后获取原始数据，并将原始数据组成包含快时间维度和慢时间维度的第一矩阵；对第一矩阵进行一维快速傅里叶变换得到对应的第二矩阵；接着对第二矩阵进行静止滤波操作得到第四矩阵；对第四矩阵进行判断存在人体目标的距离单元进行解缠操作；从解缠后的相位信号中判断人体目标的生命体征；对存在生命体征的人体目标的距离单元提取相应胸壁位移信号；重构胸壁位移

【技术实现步骤摘要】
基于毫米波雷达的生命体征检测方法


[0001]本专利技术属于雷达设备的
，具体涉及一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法。

技术介绍

[0002]目前，现有技术中用于日常身体检测、医疗、睡眠呼吸间歇患者的睡眠监测、疲劳驾驶的预警、灾后救援等领域的生命体征检测技术中包括有毫米波雷达。现有采用毫米波雷达检测生命体征的方法，通常包括发出雷达波检测距离、根据雷达回波的距离
‑
速度/角度谱判断是否为人体、对人体的回拨提取心跳和呼吸三大过程。
[0003]但是，现有的毫米波雷达检测生命体征的方法，其检测精度低，没有对雷达回波进行良好的去噪、信号筛选、信号重构处理，导致经常漏判或错判，无法高效表征检测到的人体目标的生命体征强弱状态。另一方面，现有的检测方法在提取呼吸和心跳体征过程的算法的计算量过大，难以进行快速反应也不利于提升检测精度。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术存在的一个或者多个缺陷与不足，本专利技术的目的在于提供一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，用于提升毫米波雷达设备在生命体征检测过程中的检测精度。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下的技术方案。
[0006]一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，包括步骤如下：
[0007]使用毫米波雷达的天线发射线性调频连续波FMCW，然后毫米波雷达获取回波，对回波信号进行混频后获取原始数据，并将原始数据的每一帧分别组成包含快时间维度和慢时间维度的第一矩阵；
[0008]对第一矩阵进行一维快速傅里叶变换，使不同距离的回波信号分离，得到对应的第二矩阵；接着对第二矩阵进行滤除静止杂波操作，先使用窗口将第二矩阵转换为第三矩阵，然后使用均值对第三矩阵进行运算得到第四矩阵，从而完成静止滤波操作；
[0009]对第四矩阵进行一维恒虚警检测CFAR操作，从中判断存在人体目标的距离单元；然后对存在人体目标的距离单元提取相位信号，使用extended
‑
DACM 算法进行解缠操作获得解缠后的相位信号；
[0010]从解缠后的相位信号中判断人体目标的生命体征；对存在生命体征的人体目标的距离单元提取相应胸壁位移信号，然后利用迭代调整时间窗算法调整得到调整后的胸壁位移信号；
[0011]从调整后的胸壁位移信号中重构胸壁位移
‑
时间信号，再从重构的胸壁位移
ꢀ‑
时间信号中获取准确的人体目标的生命体征。
[0012]优选地，发射线性调频连续波FMCW的具体过程为：
[0013]用单发单收或单发多收的毫米波雷达，向需要进行生命体征检测的空间内发射线
性调频连续波FMCW，发射信号在单个啁啾时间内x
T
(t)波形如下式：
[0014][0015]其中，t代表时刻，A是发射信号的幅度，f
s
是发射信号的起始频率，B是发射信号的工作带宽，T
c
是发射信号中单个啁啾所占用的时长，φ(t)是线性调频连续波的相位噪音。
[0016]进一步地，对回波信号进行混频获取原始数据的过程为：
[0017]获取到的回波信号x
R
(t)如下式所示：
[0018]x
R
(t)＝αx
T
(t
‑
t
d
)
[0019]将回波信号x
R
(t)和线性调频连续波的发射信号x
T
(t)混频，得到所需的中频信号x
IF
(t)的过程如下式所示：
[0020][0021]其中，c是光速，λ是波长，A
R
是毫米波雷达的天线接收到回波时的接收信号功率；
[0022]对中频信号x
IF
(t)进行模数转换，得到原始数据；将原始数据的每一帧分别组成包含快时间维度和慢时间维度的第一矩阵，记为M[m，n]，m表示快时间维度下单个啁啾对应的采样点数，n表示慢时间维度下每一帧原始数据对应的啁啾的总数。
[0023]进一步地，对第一矩阵进行一维快速傅里叶变换的过程为：
[0024]对第一矩阵M[m，n]按列进行快速傅里叶变换，将第一矩阵M[m，n]经过快速傅里叶变换变换后得到的矩阵记为第二矩阵RP[m，n]。
[0025]进一步地，对第二矩阵进行滤除静止杂波操作的过程为：
[0026]计算第二矩阵RP[m，n]中每一行各自的均值，然后将每一行的均值取出组成第一向量，每个第一向量的维度与每帧第二矩阵RP[m，n]相对应的为m；然后使用窗口来滤除静止杂波；将窗口大小设定为k，窗口作用在k个第一向量上，使 k个第一向量组成m*k维的第三矩阵；将第三矩阵每一行的每个数值，都减去该行全部数值的均值，得到滤除静止杂波后的第四矩阵RS[m，k]。
[0027]进一步地，对存在人体目标的距离单元使用extended
‑
DACM算法进行解缠操作的过程为：
[0028]提取距离单元对应的第四矩阵RS[m,k]中的虚部I(t)、实部Q(t)两路信号，使用extended
‑
DACM算法分别对虚部I(t)、实部Q(t)两路信号进行相位解缠，得到没有出现相位模糊的相位信号。
[0029]进一步地，对解缠后的相位信号对人体目标的生命体征进行检测的过程为：
[0030]从解缠后的相位信号中选择判断活体检测的总帧数s，将这s帧对应经过展开的相位信号的频率值组成1*s维的向量矩阵H；
[0031]对向量矩阵H进行快速傅里叶变换得到第五矩阵HF[1,s]，计算设定的频率范围内的频谱能量占全频段总能量的比例，判断设定的频率范围内的频谱能量占全频段总能量的比例是否超过预设的比例阈值，设定的频率范围内的频谱能量占全频段总能量的比例的计算公式如下：
[0032][0033]其中，i、j均分别表示第几帧，a对应进行一维恒虚警检测CFAR后第四矩阵RS[m,k]中存在人体目标的行数，此处的n是在设定的频率范围内进行快速傅里叶变换的点数；
[0034]计算向量矩阵H的方差，判断该方差是否超过预设的方差阈值；
[0035]若设定的频率范围内的频谱能量占全频段总能量的比例、向量矩阵H的方差同时超过比例阈值、方差阈值，则判定人体目标存在生命体征，然后提取存在生命体征的人体目标的距离单元。
[0036]进一步地，利用迭代调整时间窗算法调整的胸壁位移信号的过程为：
[0037]解缠后的相位信号计算胸壁位移信号R[n]，计算公式如下：
[0038][0039]从胸壁位移信号R[n]中取出一段设定时长的数据，以时间窗N进行快速傅里叶变换，将进行快速傅里叶变换后所得胸壁位移频谱的幅度最大值所在频点的频率作为呼吸主频率f
b1
，将进行快速傅里叶变换后所得胸壁位移频谱在设定频率内幅度最大值所在点的频率作为心跳主频率f
h...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，包括步骤如下：使用毫米波雷达的天线发射线性调频连续波FMCW，然后毫米波雷达获取回波，对回波信号进行混频后获取原始数据，并将原始数据的每一帧分别组成包含快时间维度和慢时间维度的第一矩阵；对第一矩阵进行一维快速傅里叶变换，使不同距离的回波信号分离，得到对应的第二矩阵；接着对第二矩阵进行滤除静止杂波操作，先使用窗口将第二矩阵转换为第三矩阵，然后使用均值对第三矩阵进行运算得到第四矩阵，从而完成静止滤波操作；对第四矩阵进行一维恒虚警检测CFAR操作，从中判断存在人体目标的距离单元；然后对存在人体目标的距离单元提取相位信号，使用extended
‑
DACM算法进行解缠操作获得解缠后的相位信号；从解缠后的相位信号中判断人体目标的生命体征；对存在生命体征的人体目标的距离单元提取相应胸壁位移信号，然后利用迭代调整时间窗算法调整得到调整后的胸壁位移信号；从调整后的胸壁位移信号中重构胸壁位移
‑
时间信号，再从重构的胸壁位移
‑
时间信号中获取准确的人体目标的生命体征。2.根据权利要求1所述基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，发射线性调频连续波FMCW的具体过程为：用单发单收或单发多收的毫米波雷达，向需要进行生命体征检测的空间内发射线性调频连续波FMCW，发射信号在单个啁啾时间内x
T
(t)波形如下式：其中，t代表时刻，A是发射信号的幅度，f
s
是发射信号的起始频率，B是发射信号的工作带宽，T
c
是发射信号中单个啁啾所占用的时长，φ(t)是线性调频连续波的相位噪音。3.根据权利要求2所述基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，对回波信号进行混频获取原始数据的过程为：获取到的回波信号x
R
(t)如下式所示：x
R
(t)＝αx
T
(t
‑
t
d
)将回波信号x
R
(t)和线性调频连续波的发射信号x
T
(t)混频，得到所需的中频信号x
IF
(t)的过程如下式所示：其中，c是光速，λ是波长，A
R
是毫米波雷达的天线接收到回波时的接收信号功率；对中频信号x
IF
(t)进行模数转换，得到原始数据；将原始数据的每一帧分别组成包含快时间维度和慢时间维度的第一矩阵，记为M[m,n]，m表示快时间维度下单个啁啾对应的采样点数，n表示慢时间维度下每一帧原始数据对应的啁啾的总数。4.根据权利要求3所述基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，对第一矩阵
进行一维快速傅里叶变换的过程为：对第一矩阵M[m,n]按列进行快速傅里叶变换，将第一矩阵M[m,n]经过快速傅里叶变换变换后得到的矩阵记为第二矩阵RP[m,n]。5.根据权利要求4所述基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，对第二矩阵进行滤除静止杂波操作的过程为：计算第二矩阵RP[m,n]中每一行各自的均值，然后将每一行的均值取出组成第一向量，每个第一向量的维度与每帧第二矩阵RP[m,n]相对应的为m；然后使用窗口来滤除静止杂波；将窗口大小设定为k，窗口作用在k个第一向量上，使k个第一向量组成m*k维的第三矩阵；将第三矩阵每一行的每个数值，都减去该行全部数值的均值，得到滤除静止杂波后的第四矩阵RS[m,k]。6.根据权利要求5所述基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，对存在人体目标的距离单元使用extended
‑
DACM算法进行解缠操作的过程为：提取距离单元对应的第四矩阵RS[m,k]中的虚部I(t)、实部Q(t)两路信号，使用ext...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨俊，杜雨航，马如宇，章秀银，周航，徐玉丹，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：