毫米波雷达生命特征检测中目标随机身体运动的误差校正方法技术

本发明专利技术公开了一种毫米波雷达生命特征检测中目标随机身体运动的误差校正方法，该方法包括从雷达回波信号中分离各个目标的信号；跟踪每个目标检测时间内的回波信号；基于距离对齐和相位补偿算法来校正检测期间目标随机身体运动导致的呼吸心跳检测误差；提取目标的相位信号，并使用逐次变分模态分解算法将相位信号分解成N个模态；识别生命特征对应的K个模块，根据K个模块重构呼吸信号和心跳信号。本发明专利技术可以实现同时检测雷达视野范围内的多个目标的生命特征；校正了雷达检测过程中目标身体随机运动带来的检测误差；采用逐次变分模态分解算法来提取目标的呼吸心跳信号，不需要事先设定模态个数，并且相比于变分模态分解算法收敛速度更快。敛速度更快。敛速度更快。

【技术实现步骤摘要】
毫米波雷达生命特征检测中目标随机身体运动的误差校正方法


[0001]本专利技术涉及雷达健康监测
，具体涉及一种校正目标随机身体运动影响的生命特征检测方法。

技术介绍

[0002]目前，关于人体生命特征的检测方法主要分为接触式和非接触式两种，接触式是通过穿戴设备，采用压力传感器或电极等采集生命信号，但是穿戴不方便。非接触式的检测方法主要有红外、激光、雷达等，其中雷达不受光线、温度、烟雾等环境因素的影响，并且雷达成本较低，目前应用比较普遍。
[0003]由于雷达是通过检测目标呼吸心跳导致的胸腔微动来提取生命特征的，而呼吸心跳导致的胸腔微动幅度一般为1cm，所以生命特征包含在目标回波信号的相位中。目前已有的毫米波雷达非接触式呼吸心跳检测仪器，要求被检测人员在检测期间保持身体的静止，因为目标的运动会掩盖微弱的生命信号，干扰检测的准确率。这种配合式的检测要求极大的限制了雷达生命检测设备的应用，并且无法保证检测目标在检测期间完全保持相对静止，目标的随机身体运动(random body movement，RBM)会导致呼吸频率和心率检测的准确性。为了提高检测准确性，需要校正RBM的影响。
[0004]现有技术中，校正RBM影响的方法主要有三种：
[0005]现有技术一：基于多雷达系统的RBM校正算法
[0006]在检测目标的前后各放置一个相同的雷达，发射相同的信号
[1]。由于人体胸腔的构造，呼吸心跳导致人体胸腔和后背向相反方向移动，在两个雷达的回波信号中表现为同相分量。而由于人体身体的运动是单向的，在前后两个雷达的回波信号中表现为反相分量：
[0007][0008]其中x(t)是目标生命信号，vt是目标身体随机运动。
[0009]将前后两个雷达的目标信号相乘，消除随机身体运动带来的影响：
[0010][0011]除了前后放置两个雷达的解决方法，还有研究员提出在目标前方左右相同位置各
放置一个雷达，通过计算两个雷达目标回波信号的相位信息做差分操作，从而在RBM的影响下增强呼吸和心跳信号的谱峰
[2]。还有人提出在目标正前方放置发射天线，围绕发射天线上下左右四个象限各放置一个相同的接收雷达，通过四个接收天线的目标信号相位做差分得到6个差分相位信号。对6个差分相位信号进行加权和来组合来自6个不同接收对的差分相位，消除RBM的影响
[3]。
[0012]现有技术一的缺点：现有技术一是基于多个雷达系统中，每个雷达接收到的目标信号进行相关运算校正RBM对相位信号的影响。该方法需要用到多个雷达或天线，增加了整个生命特征检测系统的复杂性；多个雷达之间的相对安装位置固定，限制了在实际应用中的广泛使用；需要保证每个雷达发射的信号完全一致，信号之间的误差会影响校正的效率，但是由于硬件的温漂和零漂等影响，难以保证发射信号完全一致。
[0013]现有技术二：基于图像设备的RBM校正算法
[0014]基于图像设备的校正方法是在雷达位置处放置一个摄像头，用来检测目标的运动情况，然后用估计的目标运动速度来校正RBM的影响
[4]。通过基本的图像处理算法计算图像设备每一帧图像中，人体目标所占像素个数，通过目标所占像素点数目的变化来估计目标的运动情况。
[0015]现有技术二的缺点：首先基于图像设备的目标运动是通过图像中目标所占像素点个数的变化趋势来估计的，因此受目标初始位置的影响比较大。如果目标初始位置离图像设备比较近，则相同的目标运动情况导致的像素点变化趋势大，而目标初始位置离图像设备比较远，则像素点的变化趋势较小。同时，图像设备会侵犯用户的隐私，因此不适合在室内和车内等隐私环境内使用。
[0016]现有技术三：基于目标距离多普勒矩阵的RBM校正算法
[0017]基于目标距离多普勒矩阵的RBM校正算法需要对目标回波数据矩阵进行快时间采样维和慢时间维度进行FFT，得到目标的距离多普勒矩阵，对目标的多普勒维进行谱峰搜索得到目标的运动速度信息。使用动目标检测技术可以得到整个呼吸心跳检测期间目标的运动时间段和对应的速度。
[0018]现有技术三的缺点：因为在检测期间目标的RBM主要来自于身体的晃动，这种晃动的幅度和速度一般比较小，因此距离多普勒图的动目标速度比较小，谱峰靠近0速度维，而距离
‑
多普勒图对小速度的估计精度比较低。并且为了得到目标的距离多普勒矩阵，每一帧需要发射多个chirp信号，增加了雷达系统接收数据的大小，而同一帧内的chirp信号的相位信息之间相差很小，因此对生命信号而言是冗余数据。
[0019]本专利技术参考文献如下：
[0020][1]Li C,Lin J.Random Body Movement Cancellation in Doppler Radar Vital Sign Detection[J].IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques,2008,56:3143
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3152.
[0021][2]Han K,Hong S.Differential Phase Doppler Radar With Collocated Multiple Receivers for Noncontact Vital Signal Detection[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2019,67(3):1233
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[0022][3]Yu R,Dutta A,Chiriyath A,et al.Motion
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Contact Heart
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Rate Measurements from Radar Sensor Fusion[J].Sensors(Basel,Switzerland),21
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[0023][4]Gu C,Wang G,Li Y,et al.A Hybrid Radar
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Camera Sensing System With Phase Compensation for Random Body Movement Cancellation in Doppler Vital Sign Detection[J].IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques,2013,61(12Part2):4678
‑
4688.

技术实现思路

[0024]本专利技术所要解决的技术问题为：本专利技术基于毫米波雷达非接触式生命特征检测中目标随机身体运动对目标回波信号频率和相位的影响，提出一种毫米波雷达在目标随机身体运动情况下的生命特征检测方法。该方法主要包括从雷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波雷达生命特征检测中目标随机身体运动的误差校正方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、使用空间波束形成方法从雷达回波信号中分离各个目标的信号；从雷达接收到的回波数据中，使用空间波束形成方法，分离出每个目标各自的回波信号，减少多目标之间的干扰；步骤2、跟踪每个目标检测时间内的回波信号；从分离得到的每个目标的回波信号，跟踪整个检测期间由于目标身体随机运动导致的目标回波信号的变化；步骤3、对所述的跟踪得到的目标的回波信号，使用基于距离对齐和相位补偿算法来校正检测期间目标随机身体运动导致的呼吸心跳检测误差；步骤4、从校正之后的目标信号中提取相位信号，并使用逐次变分模态分解算法将相位信号分解成N个模态；对每个目标的中频相位信号进行逐次变分模态分解，得到N个模态分量；步骤5、从N个模态中识别生命特征对应的K个模块，根据K个模块重构呼吸信号和心跳信号；对分解得到的每个模态进行FFT，得到其频谱图，搜索谱峰对应的频率，从而判断该模态属于呼吸信号还是心跳信号；然后将得到的生命特征的K个模态，重构得到目标的呼吸信号和心跳信号。2.根据权利要求1所述的毫米波雷达生命特征检测中目标随机身体运动的误差校正方法，其特征在于：在步骤1中，雷达检测到环境中的多个目标的回波信号，并且计算得到每个目标的距离d
i
和方位角θ
i
；对不同雷达天线通道的中频信号求其加权得到每个目标回波信号，根据不同目标的距离和方位角得到不同的权重向量，从而分离不同目标的回波信号；对第i个目标，其方位角为θ
i
，该目标的回波信号为：其中，M为天线阵列数，y
m
(t)是每个通道的接收信号，ω
m
(θ
i
)是天线权重系数；y(t)是雷达输出信号。3.根据权利要求2所述的毫米波雷达生命特征检测中目标随机身体运动的误差校正方法，其特征在于：采用波束形成算法，其各天线通道的加权就是对应的各通道的空域延时，加权向量为：其中θ
i
为第i个目标的方位角，L为天线阵列的间隔。4.根据权利要求1所述的毫米波雷达生命特征检测中目标随机身体运动的误差校正方法，其特征在于：在步骤2中，选择第一帧目标所在距离单元作为参考距离单元，设置以该帧目标距离单元为中心的搜索窗口，选择下一帧搜索窗口内的最大能量对应的距离单元作为目标距离单元，同时更新搜索窗口；遍历整个检测时间段内的所有帧的目标距离单元，距离单元上的相位就是目标呼吸心跳导致的相位变化，得到目标的回波信号。
5.根据权利要求1所述的毫米波雷达生命特征检测中目标随机身体运动的误差校正方法，其特征在于：在步骤3中，根据雷达发射信号和接收信号混频原理得到，雷达输出中频信号y(t)为：其中，j为虚数符号，f
d
是中频信号频率，λ是雷达发射信号的波长，d0是目标初始距离，v是目标随机身体晃动的速度，x(t)是目标呼吸和心跳导致的微动。6.根据权利要求5所述的毫米波雷达生命特征检测中目标随机身体运动的误差校正方法，其特征在于：将整个检测期间每个目标的距离单元对齐到同一个距离单元上，消除随机身体运动带来的中频信号谱峰偏移影响；在距离对齐阶段保存了每一帧目标所在的距离单元，对这些距离单元进行平滑拟合，得到目标的运动轨迹，从而估算出对应身体运动的速度v
′
，根据估计的速度对目标相位进行补偿：7.根据权利要求1所述的毫米波雷达生命特征检测中目标随机身体...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏辉，黄文锋，莫天德，单楚良，李煜，韩泽宇，魏少明，
申请(专利权)人：香港生产力促进局，
类型：发明
国别省市：