基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法，步骤包括：步骤A、将发射后得到的回波信号与发射信号混频得到中频信号，再对中频信号采样得到的离散信号组成数据矩阵；步骤B：基于方差的自适应距离门选取方法确定目标人体所在的距离门，得到预处理信号；步骤C：对预处理信号使用变分模式提取算法提取出人体特征信号；步骤D：使用快速傅里叶变换对提取出的人体特征信号进行人体特征估计。本发明专利技术将基于相位方差的自适应距离门选取方法和变分模式提取算法深度融合，实现了人体生命体征检测的准确估计。体生命体征检测的准确估计。体生命体征检测的准确估计。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法


[0001]本专利技术属于雷达信号检测和处理领域，具体涉及一种毫米波雷达非接触式人体生命体征检测方法。

技术介绍

[0002]人体的生命健康状态往往需要通过大量的生理数据来判断，因此呼吸、心跳、体温、血压等生理参数在生物医学领域起着至关重要的作用。心跳参数是人体心肺活动是否正常的重要判断依据，人体的心肺活动直接影响各个器官和肌肉的活动，很多突发疾病的发生通常会导致人体的心肺活动发生异常，所以对人体心跳参数的检测在医学监护等领域具有非常重要的意义。
[0003]当前，随着生物医学技术的发展，对心跳参数的检测手段越来越多。心跳参数的测量方法主要包括心电图、指压脉搏测量法、心音法等。但这些方法基本都属于接触式的测量方法，主要缺点是：长时间地佩戴接触式检测量仪器可能会使人感到不适；对于一些特殊的病患，比如皮肤出现大面积溃烂的病人，接触式的检测方法会给病患带来二次伤害。而且在很多的情况下，由于各种条件的限制和其他因素的考虑，需要远距离地测量呼吸和心跳频率，于是人们提出了非接触式生命信号检测方法。
[0004]非接触式生命信号检测技术可以在不接触检测目标的情况下实现远距离的生命信号检测，也可以穿过一些特定的障碍物实施检测。在生命信号检测领域常见的非接触式检测方法主要包括：声波振动式检测、光学式检测、红外式检测。这些检测方法虽然也能够在不接触目标的情况下实现远距离的生命信号检测，但是也容易受到环境的影响。随着生物医学工程技术的发展，雷达技术开始应用于生命信号检测领域，这是雷达技术在医学领域的一次重要尝试。和传统的非接触式检测技术相比，基于雷达的非接触式生命信号检测技术具有更强的穿透能力和抗干扰能力，并且可以做到全天24小时不间断地工作。
[0005]由于基于雷达的生命信号检测技术可以实现长距离、长时间的检测，检测过程不受天气、光线等环境因素的影响，因此该检测技术的应用范围非常广泛，目前主要应用在医疗监护、灾后救援等领域。
[0006]应用在生命信号检测领域的雷达体制主要有三种，分别为连续波(CW)雷达、脉冲超宽带(UWB)雷达和线性调频连续波(FMCW)雷达。连续波雷达系统简单，没有测距能力，因此对干扰和杂波的抵抗能力较弱，而且不能区分多个目标。UWB雷达和FMCW雷达能够通过距离分辨抑制一部分杂波的干扰，并区分多个不同距离上的目标；但UWB雷达对采样要求较高，相应的毫米波的产品比较昂贵。因此FMCW的毫米波雷达成为用在心率检测领域的首选。
[0007]但是，目前基于FMCW雷达的非接触式心率检测在选取目标人体所在距离门和心跳信号频谱估计上还存在一些问题：
[0008]其一，尽管目标人体处在静止状态下，但仍不可避免的存在小幅度的身体运动。当存在这种不可避免的身体随机运动时，之前的距离门选取方法将不能在选出包含人体生命体征信息最多的距离门。
[0009]其二，传统的模式分解算法，都会不同程度上存在模态混叠的问题，不能得到较为纯净的体征信号(心跳信号或呼吸信号)。

技术实现思路

[0010]本专利技术提出了一种基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法，其目的是：(1)解决无法选出包含人体声明体征信息最多的距离门的问题；(2)得到更纯净的体征信号。
[0011]本专利技术技术方案如下：
[0012]一种基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法，步骤为：
[0013]步骤A、针对待测的人体目标，选用FMCW雷达对该目标人体发射N个线性调频脉冲串信号；雷达接收的各脉冲回波信号包含人体目标回波信号和杂波；将回波信号与发射信号混频，得到中频信号，再对中频信号采样得到的离散信号组成数据矩阵，且每一脉冲采样得到的结果放在一列；
[0014]步骤B：对数据矩阵进行预处理得到预处理信号：根据数据矩阵得到距离矩阵，并将距离矩阵的每一行作为一个距离门，对距离矩阵进行静态杂波滤除；然后基于能量和相位方差确定人体目标所在的距离门，以准确提取人体反射的相位信息；再对相位进行解缠，解决相位信息中的断点问题，然后对解缠信号进行相位差处理得到相位差信号，再对相位差信号进行脉冲噪声去除，得到预处理信号；
[0015]步骤C：对预处理信号使用变分模式提取算法提取出人体特征信号；
[0016]步骤D：使用快速傅里叶变换对提取出的人体特征信号进行人体特征估计。
[0017]作为所述基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法的进一步改进，步骤A采用毫米波雷达生命检测系统来获取经目标人体反射的回波信号，所述的毫米波雷达生命检测系统包括信号发生器、功率放大器、低噪声放大器、低通滤波器和模数转换器模块。
[0018]作为所述基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法的进一步改进，步骤A具体为：
[0019]步骤A.1、使用以下公式计算雷达前端的信号发生器产生的线性调频脉冲串信号：
[0020][0021]其中，A
T
表示发射信号的幅值，是相位噪声，B是信号的带宽，T
d
是信号的持续时间，f
min
是信号的初始频率；
[0022]接收天线接收的来自目标人体的回波信号表示为：
[0023][0024]其中，A
R
表示回波信号的幅值，τ是回波信号相对于发射信号的时延；
[0025]假设目标人体相对于雷达的初始距离为R0，在目标人体相对静止情况下由生命体中信号造成的胸腔位移为x(t)，则目标人体与雷达的实时距离为R(t)＝R0+x(t)，时延τ为其中c为光速；该回波信号在由低噪声放大器放大之后与本地阵列信号混合，产
生的中频信号表示为：
[0026][0027]其中，是中频信号的相位；
[0028]步骤A.2，中频信号进入模数转换器进行A/D采样，得到回波信号的数据矩阵，且将每一个线性调频脉冲串信号的采样结果放在一列,共N个线性调频信号。
[0029]作为所述基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法的进一步改进，所述步骤B具体包括以下步骤：
[0030]步骤B.1、对数据矩阵的每一列进行M维的距离维傅里叶变换处理，共N列，得到含有目标人体距离信息的距离矩阵R[m,n]，m＝1,
…
M，n＝1,
…
N，其m,n分别代表元素在矩阵中的行号和列号；距离矩阵R[m,n]的每一行为一个距离门，每一个距离门的平均值视为该距离门的静态杂波；静态杂波去除后得到R'[m,n]；静态杂波滤除的计算公式为：
[0031][0032]作为所述基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法的进一步改进，所述步骤B还包括以下步骤：
[0033]步骤B.2、雷达发射的所有帧划分为多个块，每个块包括K帧；在同一块内，将第1帧选择的距离门用于该块的所有帧；
[0034]确定人体目标所在的距离门的过程包括：第一阶段，基于能量选择第一个块的距离门；第二阶段，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法，其特征在于步骤为：步骤A、针对待测的人体目标，选用FMCW雷达对该目标人体发射N个线性调频脉冲串信号；雷达接收的各脉冲回波信号包含人体目标回波信号和杂波；将回波信号与发射信号混频，得到中频信号，再对中频信号采样得到的离散信号组成数据矩阵，且每一脉冲采样得到的结果放在一列；步骤B：对数据矩阵进行预处理得到预处理信号：根据数据矩阵得到距离矩阵，并将距离矩阵的每一行作为一个距离门，对距离矩阵进行静态杂波滤除；然后基于能量和相位方差确定人体目标所在的距离门，以准确提取人体反射的相位信息；再对相位进行解缠，解决相位信息中的断点问题，然后对解缠信号进行相位差处理得到相位差信号，再对相位差信号进行脉冲噪声去除，得到预处理信号；步骤C：对预处理信号使用变分模式提取算法提取出人体特征信号；步骤D：使用快速傅里叶变换对提取出的人体特征信号进行人体特征估计。2.如权利要求1所述的基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法，其特征在于：步骤A采用毫米波雷达生命检测系统来获取经目标人体反射的回波信号，所述的毫米波雷达生命检测系统包括信号发生器、功率放大器、低噪声放大器、低通滤波器和模数转换器模块。3.如权利要求1所述的基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法，其特征在于步骤A具体为：步骤A.1、使用以下公式计算雷达前端的信号发生器产生的线性调频脉冲串信号：其中，A
T
表示发射信号的幅值，是相位噪声，B是信号的带宽，T
d
是信号的持续时间，f
min
是信号的初始频率；接收天线接收的来自目标人体的回波信号表示为：其中，A
R
表示回波信号的幅值，τ是回波信号相对于发射信号的时延；假设目标人体相对于雷达的初始距离为R0，在目标人体相对静止情况下由生命体中信号造成的胸腔位移为x(t)，则目标人体与雷达的实时距离为R(t)＝R0+x(t)，时延τ为其中c为光速；该回波信号在由低噪声放大器放大之后与本地阵列信号混合，产生的中频信号表示为：其中，是中频信号的相位；步骤A.2，中频信号进入模数转换器进行A/D采样，得到回波信号的数据矩阵，且将每一个线性调频脉冲串信号的采样结果放在一列,共N个线性调频信号。4.如权利要求1所述的基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法，其特征在于所述步骤B具体包括以下步骤：步骤B.1、对数据矩阵的每一列进行M维的距离维傅里叶变换处理，共N列，得到含有目
标人体距离信息的距离矩阵R[m,n]，m＝1,
…
M，n＝1,
…
N，其m,n分别代表元素在矩阵中的行号和列号；距离矩阵R[m,n]的每一行为一个距离门，每一个距离门的平均值视为该距离门的静态杂波；静态杂波去除后得到R'[m,n]；静态杂波滤除的计算公式为：5.如权利要求4所述的基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法，其特征在于所述步骤B还包括以下步骤：步骤B.2、雷达发射的所有帧划分为多个块，每个块包括K帧；在同一块内，将第1帧选择的距离门用于该块的所有帧；确定人体目标所在的距离门的过程包括：第一阶段，基于能量选择第一个块的距离门；第二阶段，基于相位方差选择后续块的距离门，且各后续块的候选距离门只考虑前一块所选距离门附近的距离门，包括其前后各a个距离门共2a+1个距离门，在候选距离门内，当前帧及其前后各b帧共2b+1个帧的相位方差最大的距离门视为人体目标所在的距离门；a、b为预设整数值。6.如权利要求5所述的基于自适应距离门的非接触式人体生命体征检测方法，其特征在于所述步骤B.2中确定人体目标所在的距离门的具体步骤为：设U
i
表示第i个块，R
j
表示第j个距离门，F
t
表示第t个帧；首先基于能量选择第一个块中所有帧的距离门：设在第一帧的所有距离门中，具有最大能量的距离门为R，则U1中的K帧皆选取R作为目标人体所在的距离门；除了第一块，所有后续块都基于方差选取距离门：对于U
i
，假设U
i
‑1选择的距离门是R
j
，则U
i
的候选距离门为[R
j
‑
a
,R
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云学，周敏，
申请(专利权)人：烟台大学，
类型：发明
国别省市：