基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法技术

一种基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法，根据从收到的单通道连续波雷达信号解调得到的相位信息，通过信号重组得到等效多通道虚拟阵列信号；然后利用子空间法对多通道虚拟阵列信号进行频域估计，得到来波角度信息；根据来波角度信息转换得到的目标频率，通过由粗到细的频率估计方法精确获取目标的生命体征信息。本发明专利技术利用单输入单输出(SISO)的CW雷达单通道相位信号与单输入多输出(SIMO)雷达多通道阵列信号的相似性，合成等效虚拟阵列，完成从时间到空间的变换，从而实现以超分辨率准确、稳定地估计人体的呼吸频率和心率。稳定地估计人体的呼吸频率和心率。稳定地估计人体的呼吸频率和心率。

【技术实现步骤摘要】
基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法


[0001]本专利技术涉及的是一种医疗监测领域的技术，具体是一种基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法。

技术介绍

[0002]人体的呼吸和心脏跳动，均会引起胸腔表面非常微小的位移。而这些位移会产生多普勒效应，使用连续波雷达发射电磁波并且分析回波信号，可以有效的还原出人体胸腔表面的位移信息。基于雷达的生命体征检测如呼吸率和心率的获取，可以表述为一个频谱估计问题。目前最流行的方法是以离散傅里叶变换(DFT)为首的频域提取算法和时域特征提取方法。然而，由于采样数据长度引起的频谱泄漏和有限的分辨率限制大大降低了DFT算法的精准度。此外，由于呼吸引起的胸腔位移幅度远强于心跳引起的位移幅度，因此心跳信号很容易被频谱中呼吸的三次或第四次谐波所淹没。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术对于心率与呼吸率的频率估计准确度与分辨率不足和计算复杂度大的问题以及现有的MIMO雷达对于室内多目标生命体征检测无法获得高精度的定位信息和易受到周围杂波干扰导致定位不准确的不足，提出一种基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法，利用单输入单输出(SISO)的CW雷达单通道相位信号与单输入多输出(SIMO)雷达多通道阵列信号的相似性，合成等效虚拟阵列，完成从时间到空间的变换，从而实现以超分辨率准确、稳定地估计人体的呼吸频率和心率。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法，根据从收到的单通道连续波雷达信号解调得到的相位信息，通过信号重组得到等效多通道虚拟阵列信号；然后利用子空间法对多通道虚拟阵列信号进行频域估计，得到来波角度信息；根据来波角度信息转换得到的目标频率，通过由粗到细的频率估计方法精确获取目标的生命体征信息。
[0006]所述的解调是指：对于收到的单通道连续波雷达信号，先将接收信号与发射信号混频下变频，得到正交的两路中频信号后，对I、Q两路信号进行圆拟合，完成幅度和偏置校准；然后采用MDACM算法进行相位解调，得到目标的相位信息。
[0007]所述的信号重组是指：对单通道的相位信息，进行时间维度上的切割，具体为：将t时刻相位信息矩阵Φ(t)分解为M个长度为K的子信号，其中：第i个子信号为χ
i
(t)＝Φ(t
‑
(i
‑
1)Kt
s
)，t
s
＝1/f
s
为采样的时间间隔，f
s
为采样率，每个子信号即一个等效的虚拟阵列，即等效的SIMO雷达的一个阵元。
[0008]所述的子空间法是指：利用来波角度估计理论中的子空间估计(MUSIC)算法和ESPRIT算法，估计由SIMO雷达的M个阵元组成的接收信号矩阵，得到来波角度信息。
[0009]所述的转换是指：对于由子空间法得到的来波角度信息，等效为人体胸腔的相位
信号中的各个频率分量的频率值，具体为：θ
i
＝sin(2kf
i
/f
s
)
‑1，其中：θ
i
为来波角度的第i个角度信息，f
i
为人体胸腔相位信息中的第i个分量的频率值，f
s
为雷达信号采样率。
[0010]所述的由粗到细的频率估计方法是指：在信号重组时，根据MUSIC方法选择一个较小的子信号的长度K，根据粗估计得到的心率值，以ESPRIT方法对子信号的长度K进行优化，直至得到每个子信号的长度K对应当前待估计的频率分量f
i
的最佳选择值，实现精确的心率和呼吸率估计结果。技术效果
[0011]本专利技术利用SISO CW雷达单通道相位信号与SIMO雷达多通道阵列信号的相似性合成等效虚拟阵列，完成从时间到空间的等效信号切割重组，利用人体胸部表面运动的不同频率分量和入射到虚拟阵列上的电磁波的不同到达方向角等效理论，完成基于子空间的DOA估计算法提取呼吸率和心率，利用由粗到细的心率估计方法，完成实时准确的心率提取。本专利技术在24GHz单发单收的CW雷达平台上进行验证，可以以超分辨率的精度获得人体的心率数值。在超过10人次的十分钟的坐姿状态实验中，本方法获得的心率估计相比于金标准PPG测得的结果RMSE为0.81次/分钟，相比于基于DFT的频率估计算法，精准度提升超过12％。
附图说明
[0012]图1为本专利技术系统示意图；
[0013]图2为本方法流程图；
[0014]图3为本专利技术时间
‑
空间等效原理示意图；
[0015]图4为本专利技术由粗到细的频率估计方法示意图；
[0016]图5为实施例场景图；
[0017]图6为本实施例频谱结果对比图；
[0018]图7为本实施例10分钟心率估计结果对比图。
具体实施方式
[0019]如图1所示，为本实施例涉及一种基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测系统，包括：信号源、功率放大器、发射天线与接收天线、低噪声放大器、混频器、运算放大器、带有ADC和DAC功能的MCU和后端信号处理单元，其中：由信号源产生的信号经过功率放大器后通过雷达发射天线单元发射；发射的电磁波经待测目标反射后由雷达天线接收单元接收，接收信号依次经过低噪声放大器放大和混频器的下变频处理得到中频信号，MCU中的数模转换单元对中频信号进行ADC采样，并且由DAC输出电压反馈至放大器，保证放大器工作在最佳工作区，后端信号处理单元对采样后的信号依次进行时间维度的重组得到虚拟的多通道信号，进行子空间法完成来波角度的DOA估计，利用时间
‑
空间等效原理完成来波角度和目标信号的频率之间的转换得到待测目标的呼吸率与心率信息，最终实现目标的呼吸率与心率的生命体征探测。
[0020]如图2所示，所述的时间维度的重组是指：对接收到的单通道雷达相位信号，进行时间维度上的切割，具体为：在t时刻时间维度上的相位信息矩阵Φ(t)的大小为1*MK，其是由过去共MK个时刻的相位历史信息构成；将Φ(t)分解为M个长度为K的子信号，其中第i个
子信号的分割原理遵循χ
i
(t)＝Φ(t
‑
(i
‑
1)Kt
s
)，其中：t
s
＝1/f
s
为采样的时间间隔，f
s
为采样率，而每一个子信号，就可以被视为一个等效的虚拟阵列，即等效的SIMO雷达的一个阵元。
[0021]当接收到的单通道雷达相位信号当接收到的单通道雷达相位信号其大小为1*MK，其分割完成后产生了M个子信号χ(t)＝[χ1(t)，χ2(t)，...，χ
M
(t0]，其中每一个子信号的大小为1*K，第i个子信号矩阵可以(t0]，其中每一个子信号的大小为1*K，第i个子信号矩阵可以至此，完成了单通道的SISO雷达信号至多通道的SI本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法，其特征在于，根据从收到的单通道连续波雷达信号解调得到的相位信息，通过信号重组得到等效多通道虚拟阵列信号；然后利用子空间法对多通道虚拟阵列信号进行频域估计，得到来波角度信息；根据来波角度信息转换得到的目标频率，通过由粗到细的频率估计方法精确获取目标的生命体征信息；所述的信号重组是指：对单通道的相位信息，进行时间维度上的切割，具体为：将t时刻相位信息矩阵Φ(t)分解为M个长度为K的子信号，其中：第i个子信号为χ
i
(t)＝Φ(t
‑
(i
‑
1)Kt
s
)，t
s
＝1/f
s
为采样的时间间隔，f
s
为采样率，每个子信号即一个等效的虚拟阵列，即等效的SIMO雷达的一个阵元。2.根据权利要求1所述的基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法，其特征是，所述的解调是指：对于收到的单通道连续波雷达信号，先将接收信号与发射信号混频下变频，得到正交的两路中频信号后，对I、Q两路信号进行圆拟合，完成幅度和偏置校准；然后采用MDACM算法进行相位解调，得到目标的相位信息。3.根据权利要求1所述的基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法，其特征是，所述的子空间法是指：利用来波角度估计理论中的子空间估计(MUSIC)算法和ESPRIT算法，估计由SIMO雷达的M个阵元组成的接收信号矩阵，得到来波角度信息。4.根据权利要求1所述的基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法，其特征是，所述的转换是指：对于由子空间法得到的来波角度信息，等效为人体胸腔的相位信号中的各个频率分量的频率值，具体为：θ
i
＝sin(2Kf
i
/f
s
)
‑1，其中：θ
i
为来波角度的第i个角度信息，f
i
为人体胸腔相位信息中的第i个分量的频率值，f
s
为雷达信号采样率；当接收到的单通道雷达相位信号当接收到的单通道雷达相位信号其大小为1*MK，其分割完成后产生了M个子信号χ(t)＝[χ1(t)，χ2(t)，...，χ
M
(t)]，其中每一个子信号的大小为1*K，第i个子信号矩阵可以(t)]，其中每一个子信号的大小为1*K，第i个子信号矩阵可以至此，完成了单通道的SISO雷达信号至多通道的SIMO雷达虚拟通道信号的转换。5.根据权利要求1所述的基于时空等效虚拟阵列技术的生命体征探测方法，其特征是，所述的由粗到细的频率估计方法是指：在信号重组时，根据MUSIC方法选择一个较小的子信号的长度K，根据粗估计得到的心率值，以ESPRIT方法对子信号的长度K进行优化，直至得到每个子信号的长度K对应当前待估...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾昌展，李予琛，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：