KR102381262B1 - Radar system and bio-signal detection method performed thereby - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이더 시스템 및 그에서 수행되는 생체 신호 탐지방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대상 표적 주변으로 레이더 신호를 송신하고 수신된 신호를 이용해서 생체 신호를 탐지하는 레이더 시스템 및 그에서 수행되는 생체 신호 탐지방법에 관한 것이다. The present invention relates to a radar system and a biosignal detection method performed therein, and more particularly, to a radar system that transmits a radar signal around a target target and detects a biosignal using the received signal, and a biosignal detection method performed therein It relates to a signal detection method.
레이더 센서는 마이크로파(microwave)를 이용하여 전파를 송신하고 표적에서 반사된 일부 반사(reflection) 신호를 수신하여 거리, 속도, 각도 정보를 측정하는 감지수단이다.A radar sensor is a sensing means that transmits radio waves using microwaves and receives some reflection signals reflected from a target to measure distance, speed, and angle information.
최근에는 차량 주행 중 충돌을 방지하고, 안전운전을 지원하기 위해 차량에 레이더 센서가 적용되고 있다.Recently, radar sensors have been applied to vehicles to prevent collisions while driving and to support safe driving.
본 출원인은 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 다수에 레이더 센서 기술을 개시해서 특허 출원하여 등록받은 바 있다.The present applicant disclosed a radar sensor technology in a number of
한편, 최근에는 레이더 센서를 이용해서 생체 신호 정보를 검출하는 기술이 개발되고 있다. Meanwhile, a technology for detecting biosignal information using a radar sensor has recently been developed.
일반적으로, 종래기술에 따른 생체 신호 측정장치는 접촉식 센서를 이용해서 호흡수나 심박수를 감지하였다.In general, a biosignal measuring device according to the prior art senses a respiration rate or a heart rate using a contact sensor.
그러나 화상 환자나 유아 등 접촉식 센서를 이용하기 어려운 경우, 레이더 센서를 이용해서 생체 신호를 탐지하는 기술이 개발되고 있다. However, when it is difficult to use a contact sensor, such as a burn patient or an infant, a technology for detecting a biosignal using a radar sensor is being developed.
즉, 상기 생체 신호 중에서 호흡 신호와 심박 신호는 주기성을 가짐에 따라, 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW), 연속파(Continuous Wave, CW), 펄스(pulse), 초광대역(Ultra Wide Band, UWB) 레이더와 같이 전파를 이용하는 레이더 센서를 이용해서 생체 신호의 주기적인 신호 특성을 탐지하여 호흡수와 심박수를 측정한다. That is, as the respiration signal and the heartbeat signal among the biosignals have periodicity, a frequency modulated continuous wave (FMCW), a continuous wave (CW), a pulse, an ultra wide band, Respiratory rate and heart rate are measured by detecting periodic signal characteristics of biological signals using a radar sensor that uses radio waves like UWB) radar.
이와 같이 레이더를 이용해서 감지되는 생체 신호의 주기적인 특성은 도플러 주파수로 측정되며, 도플러 주파수 성분에는 신체의 움직임(motion)에 의한 매크로 도플러(Macro Doppler)와, 생체 움직임(vital)에 의한 마이크로 도플러(Micro Doppler)로 구성된다. As described above, the periodic characteristics of the biosignal detected using the radar are measured as a Doppler frequency, and the Doppler frequency components include macro Doppler due to body motion and micro Doppler due to vital movement. (Micro Doppler).
상기한 생체 움직임에 의한 마이크로 도플러의 특징은 호흡시 가슴, 어깨, 배, 팔, 다리 등의 움직임이 혼합되어 있다. The characteristics of the micro-Doppler by the above-mentioned biological movement are mixed movements of the chest, shoulders, stomach, arms, legs, etc. during respiration.
이와 같이, 레이더를 이용해서 감지된 생체 신호의 도플러 주파수 성분에 혼합된 인체의 움직임은 고조파, 즉 하모닉(harmoinc) 주파수를 발생하는 원인이 되었다. As described above, the movement of the human body mixed with the Doppler frequency component of the biosignal sensed using the radar is a cause of generating a harmonic, that is, a harmonic frequency.
이로 인해, 종래기술에 따른 레이더 센서를 이용한 생체 신호 탐지 기술은 고조파로 인해 생체 신호의 탐지율(Detection Probability)이 저하되고, 탐지 결과에 대한 정확도(Detection Accuracy)가 낮은 문제점이 있었다. For this reason, the bio-signal detection technology using the radar sensor according to the prior art has problems in that detection probability of a bio-signal is lowered due to harmonics, and the detection accuracy of the detection result is low.
즉, 종래기술에 따른 레이더 센서를 이용한 생체 신호 탐지 기술은 고조파를 제거하기 위한 구성을 추가하는 방식이었으나, 고조파를 제거하는 구성은 매우 복잡하고, 모든 고조파를 제거하기도 어려운 문제점이 있었다. 또한, 주파수 간섭 신호가 존재하는 경우, 오탐지로 인해 탐지율이 저하되는 문제점이 있었다.That is, the biosignal detection technology using a radar sensor according to the prior art was a method of adding a configuration for removing harmonics, but the configuration for removing harmonics is very complicated and it is difficult to remove all harmonics. In addition, when a frequency interference signal is present, there is a problem in that the detection rate is lowered due to false detection.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 생체 신호의 주기적인 특성을 이용해서 사람의 호흡수나 심박수를 포함하는 생체 신호를 탐지할 수 있는 레이더 시스템 및 그에서 수행되는 생체 신호 탐지방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems, a radar system capable of detecting a biosignal including a human respiration rate or heart rate using periodic characteristics of a biosignal, and biosignal detection performed therein to provide a way
본 발명의 다른 목적은 생체 움직임에 의한 마이크로 도플러 특성을 검출해서 생체 신호 탐지율을 향상시킬 수 있는 레이더 시스템 및 그에서 수행되는 생체 신호 탐지방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a radar system capable of improving a biosignal detection rate by detecting micro-Doppler characteristics due to biomotion, and a biosignal detection method performed therein.
본 발명의 또 다른 목적은 여러 부위의 생체 움직임 신호에 의해 발생하는 고조파 성분 특성을 이용해서 생체 신호의 탐지 정확도를 향상시키고 고조파 이외의 주파수 간섭 신호도 함께 상쇄할 수 있는 레이더 시스템 및 그에서 수행되는 생체 신호 탐지방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to improve the detection accuracy of a biosignal by using the harmonic component characteristics generated by the biomotion signal of various parts and to cancel a frequency interference signal other than harmonics together, and a radar system performed therein To provide a biosignal detection method.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이더 시스템은 탐지 대상을 향해 레이더 신호(이하 '송신신호'라 합니다)를 송신하고 탐지 대상으로부터 반사되는 수신신호를 수신하는 안테나부, 상기 송신신호를 발생하는 레이더 송신부, 수신 안테나를 통해 수신되는 상기 수신신호의 데이터를 처리하는 레이더 수신부 및 상기 송신신호를 발생하도록 제어신호를 발생하고 상기 수신신호를 신호처리하여 생체 신호 정보를 탐지하는 신호처리용 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the radar system according to the present invention includes an antenna unit for transmitting a radar signal (hereinafter referred to as a 'transmission signal') toward a detection target and receiving a received signal reflected from the detection target, the transmission A radar transmitter that generates a signal, a radar receiver that processes data of the received signal received through a reception antenna, and a signal processing that generates a control signal to generate the transmission signal and processes the received signal to detect biosignal information It is characterized in that it includes a processor for the.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법은 (a) 레이더 신호처리부에서 수신신호에 포함된 고정 표적을 제거하고, 이동 표적인 생체 신호를 이용하여 생체 표적의 피크 파워 거리 인덱스를 검출하며, 검출된 피크 파워 거리 인덱스를 중심으로 미리 설정된 개수의 이웃 거리 인덱스를 선택하는 단계, (b) 선택된 이웃 거리 인덱스에 해당하는 다중 첩 데이터에 대해 각각 자기 상관을 수행해서 생체 신호의 주기성 특징을 검출하는 단계, (c) 상기 자기 상관을 수행한 파워 값 중에서 미리 설정된 기준치를 초과하는 이웃 거리 인덱스의 다중 첩 데이터를 복수 개 선택해서 주기적인 특성이 우수한 생체 신호를 선별하는 단계, (d) 선택된 이웃 거리 인덱스의 다중 첩 데이터를 합산해서 신호의 신호 대 잡음비를 향상시켜 도플러 주파수 신호를 검출하는 단계, (e) 검출된 도플러 주파수 신호에 대해 파워 상관을 수행하는 단계 및 (f) 상기 파워 상관을 수행한 결과에서 최대 피크를 검출하고, 검출된 최대 피크에 해당하는 주파수를 이용해서 생체 신호의 BPM을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the biosignal detection method performed in the radar system according to the present invention is (a) the radar signal processing unit removes the fixed target included in the received signal, and collects the biosignal as a moving target. Detecting the peak power distance index of the biological target using the step of selecting a preset number of neighbor distance indexes based on the detected peak power distance index, (b) for multiple chirp data corresponding to the selected neighbor distance index, respectively performing autocorrelation to detect periodic characteristics of the biosignal, (c) selecting a plurality of multi-chirp data having a neighbor distance index exceeding a preset reference value from among the power values for which the autocorrelation has been performed to have excellent periodic characteristics Selecting a biosignal, (d) detecting a Doppler frequency signal by summing the multi-chirp data of the selected neighbor distance index to improve the signal-to-noise ratio of the signal, (e) performing a power correlation on the detected Doppler frequency signal and (f) detecting a maximum peak from the result of performing the power correlation, and calculating the BPM of the biosignal using a frequency corresponding to the detected maximum peak.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이더 시스템 및 그에서 수행되는 생체 신호 탐지방법에 의하면, 생체 신호의 주기적인 특성이 우수한 신호들만을 선별하고 합성해서 도플러 신호의 신호 대 잡음비(Signal to Noise power Ratio, SNR)를 향상시켜서 생체 신호의 탐지율을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.As described above, according to the radar system and the biosignal detection method performed in the radar system according to the present invention, only signals having excellent periodic characteristics of the biosignal are selected and synthesized to obtain a signal-to-noise power ratio (SNR) of a Doppler signal. , SNR) to improve the detection rate of the biosignal is obtained.
그리고 본 발명에 의하면, 도플러 신호의 신호대 잡음비를 향상시켜 생체의 주기성을 극대화하고, 도플러 신호의 파워 상관을 이용해서 다양한 고조파 및 주파수 간섭 특성이 존재하더라도 호흡 및 심박 신호를 정확하게 탐지해서 생체 신호의 탐지 정확도를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다. And, according to the present invention, the periodicity of the living body is maximized by improving the signal-to-noise ratio of the Doppler signal, and even when various harmonic and frequency interference characteristics exist using the power correlation of the Doppler signal, the respiration and heartbeat signals are accurately detected to detect the biological signal. The effect that accuracy can be improved is obtained.
또한, 본 발명에 의하면, 생체 신호의 도플러 FFT 결과에 대해 파워 상관을 수행하고, 파워 상관 윈도우의 크기와 개수, 간격을 결정하여 생체 신호를 정확하게 검출할 수 있기 때문에, 생체 신호의 탐지 정밀도를 향상시키고, 오탐지를 방지할 수 있으며, 임의의 주파수 간섭 신호를 제거할 수 있다는 효과가 얻어진다. In addition, according to the present invention, since the biosignal can be accurately detected by performing power correlation on the Doppler FFT result of the biosignal and determining the size, number, and interval of the power correlation window, the detection accuracy of the biosignal is improved. It is possible to prevent false detection, and to remove arbitrary frequency interference signals.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 레이더 신호처리부의 신호처리 과정을 설명하는 도면,
도 3은 피크 파워 거리 인덱스를 보인 그래프,
도 4는 다중 첩 데이터 메모리의 개념도,
도 5는 주기 신호와 비주기 신호에 대한 자기 상관 특성을 보인 도면,
도 6은 다중 첩 데이터의 합산 결과와 도플러 FFT를 수행한 결과를 보인 도면,
도 7은 파워 상관의 개념을 설명하는 도면,
도 8은 테스트를 통해 파워 상관을 수행해서 생체신호를 검출한 결과를 예시한 도면,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법을 단계별로 설명하는 흐름도. 1 is a block diagram of a radar system according to a preferred embodiment of the present invention;
2 is a view for explaining a signal processing process of the radar signal processing unit shown in FIG. 1;
3 is a graph showing the peak power distance index;
4 is a conceptual diagram of a multi-chirp data memory;
5 is a diagram showing autocorrelation characteristics for a periodic signal and an aperiodic signal;
6 is a view showing a result of summing multi-chirp data and a result of performing Doppler FFT;
7 is a diagram for explaining the concept of power correlation;
8 is a diagram illustrating a result of detecting a biosignal by performing power correlation through a test;
9 is a flowchart illustrating a biosignal detection method performed in a radar system according to a preferred embodiment of the present invention step by step.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템 및 그에서 수행되는 생체 신호 탐지방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a radar system and a biosignal detection method performed therein according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 레이더 신호처리부의 신호처리 과정을 설명하는 도면이다. 1 is a block diagram of a radar system according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view for explaining a signal processing process of the radar signal processing unit shown in FIG. 1 .
본 실시 예에서 생체 신호는 탐지 대상의 호흡을 감지한 신호이거나, 심박을 감지한 신호, 또는 호흡과 심박을 동시에 감지한 신호일 수 있다. In this embodiment, the biosignal may be a signal for detecting respiration of a detection target, a signal for detecting a heartbeat, or a signal for detecting both respiration and heartbeat.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템(10)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 탐지 대상을 향해 레이더 신호(이하 '송신신호'라 합니다)를 송신하고 탐지 대상으로부터 반사되는 수신신호를 수신하는 안테나부(11), 상기 송신신호를 발생하는 레이더 송신부(12)와 수신 안테나(22)를 통해 수신되는 수신신호의 데이터를 처리하는 레이더 수신부(13) 및 상기 송신신호를 발생하도록 제어신호를 발생하고 상기 수신신호를 신호처리하여 생체 신호 정보를 탐지하는 신호처리용 프로세서(14)를 포함할 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, the
이와 같이 구성되는 레이더 시스템(10)은 24㎓, 60㎓, 77㎓, 79㎓ 등 다양한 주파수대를 이용하는 다양한 레이더 장치에 적용될 수 있다.The
안테나부(11)는 송신신호를 송신하는 하나 이상의 송신 안테나(21)와 수신신호를 수신하는 하나 이상의 수신 안테나(22)를 포함할 수 있다. The
레이더 송신부(12)는 신호처리용 프로세서(14)의 제어신호에 따라 원하는 발진 주파수의 송신신호를 출력하고, 레이더 수신부(13)는 수신된 수신신호를 증폭하고, 수신신호의 데이터를 처리할 수 있다. The
신호처리용 프로세서(14)는 레이더 송신부(12)의 구동을 제어하는 레이더 송신 제어부(41), 레이더 수신부(13)의 구동을 제어하는 레이더 수신 제어부(42), 외부에 마련된 장치와 통신하는 통신부(43) 및 감지된 생체 신호의 신호처리를 통해 생체 신호 정보를 탐지하는 레이더 신호처리부(44)를 포함할 수 있다. The
레이더 송신 제어부(41)는 송신신호의 레이더 파형과 송신 파워(Tx Power)를 조절하도록 제어신호를 발생할 수 있다. The radar
레이더 수신 제어부(42)는 수신신호의 수신 이득(Rx Gain)를 조절하고, 밴드패드필터를 조절하도록 제어신호를 발생할 수 있다. The radar
레이더 수신 제어부(42)는 아날로그 신호 형태의 수신신호(Rx)를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터(이하 'ADC'라 함)를 포함할 수 있다. The radar
즉, 레이더 수신 제어부(42)는 수신 안테나(22)의 개수에 대응되는 복수의 ADC를 포함하고, 각 ADC는 각 수신 안테나(22)를 통해 수신된 수신신호를 ADC 처리할 수 있다. That is, the radar
레이더 신호처리부(44)는 도 2에 도시된 바와 같이, 수신신호를 디지털 신호로 변환한 ADC 데이터에서 윈도윙(windowing)과 거리 FFT(Range FFT)를 수행하고 이동 표적 제거(Moving Target Indicator, 이하 'MTI'라 함) 필터를 적용해서 고정 표적을 제거하고, 레이더 표적 검출기를 이용하여 특정 거리에 존재하는 생체 표적의 피크 파워 거리 인덱스(Peak Power Range Index)를 검출한다. As shown in FIG. 2, the radar
그리고 레이더 신호처리부(44)는 검출된 피크 파워 거리 인덱스를 기준으로 앞뒤로 미리 설정된 개수(N)의 이웃 거리 인덱스(Neighbor Range Index)를 선택한다. And the radar
도 3은 피크 파워 거리 인덱스를 보인 그래프이다. 3 is a graph showing a peak power distance index.
도 3에 도시된 바와 같이, 이동 표적, 즉 사람의 생체 움직임은 거리 방향으로 길게 형성된다. 따라서 진폭(Amplitude)이 최대인 피크 파워(Peak Power)를 기준으로 앞뒤에 위치한 복수, 예컨대 4개씩 총 8개의 이웃 거리 인덱스를 선택한다. As shown in FIG. 3 , the moving target, that is, the human body movement is formed to be long in the distance direction. Accordingly, a total of eight neighboring distance indexes, for example, four, are selected based on the peak power having the maximum amplitude.
그리고 레이더 신호처리부(44)는 선택된 이웃 거리 인덱스에 해당하는 다중 첩 데이터(Multi Chirp Data)를 임의의 메모리에 저장한다. In addition, the radar
도 4는 다중 첩 데이터 메모리의 개념도이다. 4 is a conceptual diagram of a multi-chirp data memory.
다중 첩 데이터는 도 4에 도시된 바와 같이, 동일한 거리 인덱스에 대해 서로 다른 진폭과 위상을 갖는 첫번째 첩(chirp 1)부터 #번째 첩(chirp #)의 데이터를 포함한다. As shown in FIG. 4 , the multi-chirp data includes data of the first chirp (chirp 1) to the #th chirp (chirp #) having different amplitudes and phases for the same distance index.
그래서 레이더 신호처리부(44)는 임의의 메모리에 저장된 다중 첩 데이터에 대해 각각 자기 상관(Autocorrelation)을 수행한 후, 자기 상관 결과에 대한 파워 섬(Power Sum)을 계산해서 생체 신호의 주기성 특징을 검출한다.Therefore, the radar
도 5는 주기 신호와 비주기 신호에 대한 자기 상관 특성을 보인 도면이다. 5 is a diagram illustrating autocorrelation characteristics for a periodic signal and an aperiodic signal.
도 5의 (a)와 (b)에는 비주기 신호, 즉 잡음 신호와 비주기 신호의 자기 상관을 수행한 결과가 각각 도시되어 있고, 도 5의 (c)와 (d)에는 주기 신호, 즉 생체 신호와 생체 신호의 자기 상관을 수행한 결과가 각각 도시되어 있다. 5(a) and 5(b) show the results of autocorrelation of the aperiodic signal, that is, the noise signal and the aperiodic signal, respectively, and FIGS. 5(c) and (d) show the periodic signal, that is, The results of autocorrelation of the biosignal and the biosignal are respectively shown.
즉, 비주기 신호의 자기 상관을 수행한 결과는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 정규화 자기 상관(Normalized Autocorrelation) 파워섬 값의 크기가 작기 때문에, 상관이 없음을 확인할 수 있다. That is, it can be confirmed that the result of performing the autocorrelation of the aperiodic signal has no correlation because the magnitude of the normalized autocorrelation power sum value is small as shown in FIG. 5B .
반면, 생체 신호는 주기 신호의 특성을 가짐에 따라 자기 상관 파워섬 값이 크다. 따라서 주기 신호의 자기 상관을 수행한 결과는 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 정규화 자기 상관 파워섬 값의 크기가 크기 때문에, 상관이 존재함을 확인할 수 있다. On the other hand, as the biosignal has the characteristics of a periodic signal, the autocorrelation power sum value is large. Accordingly, as shown in FIG. 5(d), in the result of performing the autocorrelation of the periodic signal, it can be confirmed that the correlation exists because the magnitude of the normalized autocorrelation power sum value is large.
레이더 신호처리부(44)는 자기 상관 파워 값이 미리 설정된 기준치(Threshold Level) 이상인 값들을 크기 순서대로 소팅(Sorting)한 후, 가장 큰 값을 임의의 개수(M)만큼 선택해서 주기적 특성이 우수한 생체 신호를 선별한다. The radar
이어서, 레이더 신호처리부(44)는 선택된 M개의 거리 인덱스에 해당하는 다중 첩 데이터를 합산(summation)한다. Then, the radar
이와 같이, 본 발명은 주기성이 가장 큰 신호들을 합산해서 신호의 신호 대 잡음비를 향상시켜 생체 신호 검출률(Detection Probability)을 향상시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, the signal-to-noise ratio of the signals is improved by summing the signals having the greatest periodicity, thereby improving the detection probability of the biosignal.
레이더 신호처리부(44)는 합산된 다중 첩 데이터를 도플러 고속 푸리에 변환(이하 '도플러 FFT'라 함)을 수행해서 생체 신호에 대한 도플러 주파수 신호를 검출한다. The radar
도 6은 다중 첩 데이터의 합산 결과와 도플러 FFT를 수행한 결과를 보인 도면이다.6 is a diagram illustrating a result of summing multi-chirp data and a result of performing Doppler FFT.
도 6의 (a)에는 선택된 거리 인덱스의 다중 첩 데이터를 합산한 결과 그래프가 도시되어 있고, 도 6의 (b)에는 다중 첩 데이터를 합산한 결과에 대해 도플러 FFT를 수행한 결과 그래프가 도시되어 있다. 6 (a) shows a graph of the result of summing multiple chirp data of the selected distance index, and in FIG. there is.
대부분의 경우, 생체 신호의 도플러 주파수에는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 고조파(Harmonic) 성분이 포함된다. In most cases, as shown in FIG. 6A , a harmonic component is included in the Doppler frequency of the biosignal.
이와 같은 다중 첩 데이터를 합산한 결과에 대해 도플러 FFT를 수행한 결과, 즉 생체 신호의 도플러 주파수에는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 생체 신호(Fundamental)와 2차 고조파(2nd Harmonic), 3차 고조파(3rd Harmonic), … 및 기타 주파수 간섭 신호가 포함된다. As a result of performing Doppler FFT on the summing result of such multi-chirp data, that is, the Doppler frequency of the biosignal, as shown in FIG. 6(b), the biosignal (Fundamental) and the 2nd harmonic , 3rd harmonic, … and other frequency interfering signals.
그래서 레이더 신호처리부(44)는 도플러 FFT 결과에 대해 파워 상관(Power Correlation)을 수행해서 K차 고조파 특성을 판단할 수 있으며, 파워 상관 윈도우(Power Correlation Window)의 개수와 크기 및 간격을 도플러 신호의 특성에 따라 가변시켜 적용할 수 있다. Therefore, the radar
예를 들어, 도 7은 파워 상관의 개념을 설명하는 도면이고, 도 8은 테스트를 통해 파워 상관을 수행해서 생체신호를 검출한 결과를 예시한 도면이다. For example, FIG. 7 is a diagram illustrating the concept of power correlation, and FIG. 8 is a diagram illustrating a result of detecting a biosignal by performing power correlation through a test.
도 7의 (a)에는 도플러 FFT를 수행한 결과 그래프가 도시되어 있고, 도 7의 (b)에는 파워 상관을 수행한 결과가 도시되어 있다. 7(a) shows a graph of a result of performing Doppler FFT, and FIG. 7(b) shows a result of performing power correlation.
도 7의 (a)에 도시된 도플러 FFT 결과에는 생체 신호(Fundamental)와 2차 고조파(2nd Harmornic), 주파수 간섭 신호(interference) 등이 포함되어 있다.The Doppler FFT result shown in FIG. 7A includes a biological signal (Fundamental), a second harmonic (2nd harmonic), and a frequency interference signal (interference).
그래서 레이더 신호처리부(44)는 도플러 FFT 결과에서 생체 신호(Fundamental)와 2차 고조파(2nd Harmornic)에 대응되는 A 및 B 인덱스 주변에 윈도우를 포함하도록, 슬라이드 시작점(slide start)와 슬라이드 종료점(slide end)를 설정할 수 있다.So, the radar
여기서, 2차 고조파(2nd Harmornic)는 생체신호의 주파수에 대해 2배에 해당하는 주파수를 갖는다. Here, the second harmonic has a frequency corresponding to twice the frequency of the biosignal.
따라서, 레이더 신호처리부(44)는 2차 고조파뿐만 아니라, 생체 신호의 n배에 해당되는 n차 고조파까지 포함하도록, 파워 상관 윈도우의 개수와 크기, 간격을 도플러 신호에 포함된 고조파의 특성에 따라 변경할 수 있다. Accordingly, the radar
이와 같은 도플러 FFT 결과에 대해, 레이더 신호처리부(44)는 파워 상관을 수행해서 주파수 신호가 가장 크게 검출되는 신호를 생체신호를 검출할 수 있다. With respect to the Doppler FFT result, the radar
즉, 파워 상관을 수행하면, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 생체신호의 주파수가 가장 큰 값을 가짐에 따라, 본 발명은 도플러 FFT 결과에 대해 파워 상관을 수행해서 가장 큰 주파수를 갖는 생체신호를 검출할 수 있다. That is, when power correlation is performed, as the frequency of the biosignal has the largest value as shown in FIG. 7B, the present invention performs power correlation on the Doppler FFT result to have the largest frequency. Biosignals can be detected.
도 8의 (a)와 (c)에는 각각 실제 테스트에 의해 얻어진 도플러 FFT 결과가 예시되어 있고, 도 8의 (b)와 (d)에는 각각 도 8의 (a)와 (c)에 대해 파워 상관을 수행한 결과가 예시되어 있다. Figures 8 (a) and (c) illustrate Doppler FFT results obtained by an actual test, respectively, and Figure 8 (b) and (d) show the power for (a) and (c) The results of performing the correlation are illustrated.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 생체신호와 2차 고조파 및 3차 고조파의 주파수가 순차적으로 감소하는 경우, 본 발명은 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 파워 상관 결과에서 최대 크기를 갖는 주파수를 찾아서 생체 신호를 검출할 수 있다. When the frequencies of the biosignal and the second and third harmonics sequentially decrease as shown in FIG. A biosignal can be detected by finding a frequency with
그리고 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 2차 고조파의 주파수 크기가 생체신호의 주파수보다 큰 경우에도, 본 발명은 도 8의 (d)에 도시된 바와 같이 파워 상관 결과에서 최대 크기를 갖는 주파수를 찾아서 생체 신호를 검출할 수 있다. And even when the frequency magnitude of the second harmonic is larger than the frequency of the biosignal as shown in FIG. 8(c), the present invention has a maximum magnitude in the power correlation result as shown in FIG. It is possible to detect a biosignal by finding a frequency.
즉, 본 발명은 다양한 고조파가 포함된 생체신호에 대해서 파워 상관을 수행하고, 파워 상관 결과에서 가장 큰 크기를 갖는 주파수 성분을 찾아서 생체 신호를 정확하게 검출할 수 있다. That is, according to the present invention, the biosignal can be accurately detected by performing power correlation on the biosignal including various harmonics, and finding the frequency component having the largest magnitude in the power correlation result.
이와 같이, 본 발명은 생체 신호의 도플러 FFT 결과에 대해 파워 상관을 수행하고, 파워 상관 윈도우의 크기와 개수, 간격을 결정하여 생체 신호를 정확하게 검출할 수 있기 때문에, 생체 신호의 탐지 정밀도를 향상시키고, 오탐지를 방지할 수 있으며, 임의의 주파수 간섭 신호를 제거할 수 있다. As described above, the present invention performs power correlation on the Doppler FFT result of the biosignal and determines the size, number, and interval of the power correlation window to accurately detect the biosignal, thereby improving the detection precision of the biosignal and , it can prevent false positives, and can eliminate any frequency interference signal.
마지막으로, 레이더 신호처리부(44)는 파워 상관 결과 중에서 최대값(Max)에 해당하는 주파수를 이용해서 생체 신호, 즉 분당 호흡수나 심박수를 측정한다. Finally, the radar
이때, 레이더 신호처리부(44)는 측정된 도플러 신호의 생체 신호 주파수[Hz] * 60[Sec]를 계산해서 분당 호흡수나 심박수(Beats Per Minuit, BPM)을 측정할 수 있다. In this case, the radar
이와 같이, 본 발명은 생체 신호의 주기성이 우수한 신호를 선별 및 합성해서 도플러 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키고, 고조파나 기타 주파수 간섭을 제거해서 사람의 호흡수나 심박수를 포함하는 생체 신호를 정확하게 탐지할 수 있다.As described above, the present invention improves the signal-to-noise ratio of the Doppler signal by selecting and synthesizing a signal with excellent periodicity of the biosignal, and removes harmonics or other frequency interference to accurately detect a biosignal including a human respiration rate or heart rate. can
다음, 도 9를 참조해서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법을 상세하게 설명한다. Next, a biosignal detection method performed in a radar system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 9 .
도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다. 9 is a flowchart illustrating a biosignal detection method performed in a radar system according to a preferred embodiment of the present invention step by step.
도 9의 S10단계에서 레이더 송수신부(12)는 신호처리용 프로세서(14)의 레이더 송수신 제어부(41)의 제어신호에 따라 송신 안테나(21)를 통해 탐지 대상, 즉 생체 신호를 탐지하고자 하는 표적(이하 '생체 표적'이라 함)의 주변으로 신호를 송신하고, 수신 안테나(22)를 통해 탐지 대상으로 반사되는 신호를 수신한다. In step S10 of FIG. 9 , the
S12단계에서 레이더 수신 제어부(42)에 마련된 ADC는 아날로그 형태의 수신신호를 디지털 신호로 변환한다. In step S12, the ADC provided in the radar
S14단계에서 레이더 신호처리부(44)는 ADC 데이터에서 윈도윙과 거리 FFT를 수행한 후 MTI 필터를 적용해서 고정 표적을 제거하고, 특정 거리에 존재하는 생체 표적의 피크 파워 거리 인덱스를 검출한다. 그리고 레이더 신호처리부(44)는 검출된 피크 파워 거리 인덱스를 기준으로 앞뒤로 미리 설정된 개수(N)의 이웃 거리 인덱스를 선택한다(S16). In step S14, the radar
이때, 레이더 신호처리부(44)는 선택된 이웃 거리 인덱스에 해당하는 다중 첩 데이터(Multi Chirp Data)를 임의의 메모리에 저장한다. In this case, the radar
S18단계에서 레이더 신호처리부(44)는 임의의 메모리에 저장된 다중 첩 데이터에 대해 각각 자기 상관(Autocorrelation)을 수행하고, 자기 상관을 수행한 결과에 대한 파워 섬(Power Sum)을 계산해서 생체 신호의 주기성 특징을 검출한다(S20).In step S18, the radar
S22단계에서 레이더 신호처리부(44)는 자기 상관 파워 값이 미리 설정된 기준치를 초과하는지를 검사한다. In step S22, the radar
S22단계의 검사결과 자기 상관 파워 값이 상기 기준치 이하이면, 레이더 신호처리부(44)는 S14단계로 진행해서 이후 과정을 반복 수행한다. If it is determined in step S22 that the autocorrelation power value is less than or equal to the reference value, the radar
반면, S22단계의 검사결과 자기 상관 파워 값이 상기 기준치를 초과하면, 레이더 신호처리부(44)는 특정 거리 인덱스에 대한 주기성이 높은 다중 첩 데이터로 판단해서 자기 상관 파워 값을 크기 순서대로 소팅하고(S24), 임의의 개수(M)만큼 선택해서 주기적인 특성이 우수한 생체 신호를 선별한다(S26). On the other hand, if the autocorrelation power value exceeds the reference value as a result of the inspection in step S22, the radar
S28단계에서 레이더 신호처리부(44)는 선택된 M개의 이웃 거리 인덱스에 대한 다중 첩 데이터들은 주기성이 큰 신호들이므로, 이를 모두 합산함으로써, 주기 신호의 신호 대 잡음비를 향상시켜서 생체 신호 검출률을 향상시킬 수 있다. In step S28, the radar
S30단계에서 레이더 신호처리부(44)는 합산된 다중 첩 데이터에 대해 도플러 FFT를 수행해서 생체 신호에 대한 도플러 주파수 신호를 검출한다. In step S30, the radar
그래서 S32단계에서 레이더 신호처리부(44)는 검출된 도플러 주파수 신호에 고조파가 존재하는지를 검사한다. Therefore, in step S32, the radar
S32단계의 검사결과 고조파가 존재하는 경우, 레이더 신호처리부(44)는 도플러 FFT 결과에 대해 파워 상관을 수행하고, 이때 K차 고조파 특성을 판단하여 파워 상관 윈도우(Power Correlation Window)의 크기와 개수 및 개수를 결정한다(S34). If harmonics exist as a result of the inspection in step S32, the radar
반면, S32단계의 검사결과 고조파가 존재하지 않거나, S34단계를 수행한 후, 레이더 신호처리부(44)는 도플러 FFT 결과에 대해 최대 피크를 검출하고(S36), 검출된 최대 피크에 해당하는 주파수를 측정해서 생체 신호의 BPM을 계산한다(S38). On the other hand, as a result of the inspection in step S32, there is no harmonic or after performing step S34, the radar
상기한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명은 생체 신호의 주기적인 특성을 이용해서 사람의 호흡수나 심박수를 포함하는 생체 신호를 탐지할 수 있다.Through the above-described process, the present invention can detect a biosignal including a person's respiration rate or heart rate by using the periodic characteristics of the biosignal.
그리고 본 발명은 생체 움직임에 의한 주기적인 특성이 우수한 마이크로 도플러 특성을 검출해서 생체 신호 탐지율을 향상시킬 수 있다.Further, according to the present invention, a biosignal detection rate can be improved by detecting a micro-Doppler characteristic excellent in periodic characteristics due to a biological movement.
또한, 본 발명은 여러 부위의 생체 움직임 신호에 의해 발생하는 고조파 성분 특성을 이용해서 생체 신호의 탐지 정확도를 향상시키고, 고조파 이외의 간섭 신호도 함께 상쇄할 수 있다.In addition, according to the present invention, the detection accuracy of the biosignal can be improved by using the harmonic component characteristics generated by the biomotion signal of various parts, and the interference signal other than the harmonic can also be canceled.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.Although the invention made by the present inventors has been described in detail according to the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
본 발명은 생체 신호의 주기적인 특성을 이용해서 호흡수나 심박수와 같은 생체 신호를 탐지하는 레이더 시스템 및 그에서 수행되는 생체 신호 탐지방법 기술에 적용된다.The present invention is applied to a radar system that detects a biosignal such as a respiration rate or a heart rate by using the periodic characteristics of the biosignal, and a biosignal detection method technology performed therein.
10: 레이더 시스템
11: 안테나부 12: 레이더 송신부
13: 레이더 수신부 14: 신호처리용 프로세서
21: 송신 안테나 22: 수신 안테나
41: 레이더 송신 제어부 42: 레이더 수신 제어부
43: 통신부 44: 레이더 신호처리부10: Radar system
11: antenna unit 12: radar transmitter
13: radar receiver 14: processor for signal processing
21: transmit antenna 22: receive antenna
41: radar transmission control unit 42: radar reception control unit
43: communication unit 44: radar signal processing unit
Claims (9)
(a) 상기 레이더 시스템의 신호처리용 프로세서에 마련된 레이더 신호처리부에서 수신신호에 포함된 고정 표적을 제거하고, 이동 표적인 생체 신호를 이용하여 생체 표적의 피크 파워 거리 인덱스를 검출하며, 검출된 피크 파워 거리 인덱스를 중심으로 미리 설정된 개수의 이웃 거리 인덱스를 선택하는 단계,
(b) 선택된 이웃 거리 인덱스에 해당하는 다중 첩 데이터에 대해 각각 자기 상관을 수행해서 생체 신호의 주기성 특징을 검출하는 단계,
(c) 상기 자기 상관을 수행한 파워 값 중에서 미리 설정된 기준치를 초과하는 이웃 거리 인덱스의 다중 첩 데이터를 복수 개 선택해서 생체 신호를 선별하는 단계,
(d) 선택된 이웃 거리 인덱스의 다중 첩 데이터를 합산해서 신호의 신호 대 잡음비를 향상시켜 도플러 주파수 신호를 검출하는 단계,
(e) 검출된 도플러 주파수 신호에 대해 파워 상관을 수행하는 단계 및
(f) 상기 파워 상관을 수행한 결과에서 최대 피크를 검출하고, 검출된 최대 피크에 해당하는 주파수를 이용해서 생체 신호의 BPM을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법. A biosignal detection method performed in a radar system for transmitting a radar signal toward a detection target and detecting a biological signal by receiving a signal reflected from the detection target, the method comprising:
(a) the radar signal processing unit provided in the signal processing processor of the radar system removes the fixed target included in the received signal, detects the peak power distance index of the biological target using the biological signal as the moving target, and the detected peak selecting a preset number of neighbor distance indexes based on the power distance index;
(b) performing autocorrelation on multiple chirp data corresponding to the selected neighbor distance index, respectively, to detect periodicity characteristics of the biosignal;
(c) selecting a plurality of multi-chirp data having a neighbor distance index exceeding a preset reference value from among the power values on which the autocorrelation is performed to select a biosignal;
(d) detecting the Doppler frequency signal by summing the multi-chirp data of the selected neighbor distance index to improve the signal-to-noise ratio of the signal;
(e) performing power correlation on the detected Doppler frequency signal; and
(f) detecting a maximum peak from the result of performing the power correlation, and calculating the BPM of the biosignal using a frequency corresponding to the detected maximum peak. detection method.
(a1) 상기 레이더 시스템의 수신 제어부에서 수신 안테나를 통해 수신된 아날로그 형태의 수신신호를 아날로그 디지털 컨버터를 이용해서 디지털 신호로 변환하는 단계,
(a2) 상기 레이더 신호처리부에서 변환된 데이터에 대해 윈도윙 및 레인지 FFT를 수행한 후 이동 표적 제거 필터를 통해 고정 표적을 제거하는 단계 및
(a3) 생체 표적의 피크 파워 거리 인덱스를 검출하고, 검출된 피크 파워 거리 인덱스를 중심으로 미리 설정된 개수의 이웃 거리 인덱스를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법. According to claim 1, wherein (a) step
(a1) converting the analog reception signal received through the reception antenna in the reception control unit of the radar system into a digital signal using an analog-to-digital converter;
(a2) performing windowing and range FFT on the data converted by the radar signal processing unit, and then removing the fixed target through a moving target removal filter; and
(a3) detecting a peak power distance index of a biological target, and selecting a preset number of neighboring distance indexes based on the detected peak power distance index .
(b1) 상기 레이더 신호처리부에서 선택된 이웃 거리 인덱스에 해당하는 다중 첩 데이터를 저장하는 단계,
(b2) 저장된 다중 첩 데이터에 대해 각각 자기 상관을 수행하는 단계 및
(b3) 상기 자기 상관 결과에 대한 파워 섬을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법. According to claim 1, wherein the step (b)
(b1) storing multi-chirp data corresponding to the neighbor distance index selected by the radar signal processing unit;
(b2) performing autocorrelation on each stored multi-chirp data; and
(b3) calculating a power island for the autocorrelation result.
(c1) 상기 레이더 신호처리부에서 상기 자기 상관을 수행한 파워 값을 상기 기준치를 비교하는 단계,
(c2) 상기 기준치를 초과하는 자기 상관 파워 값들을 크기별로 소팅하는 단계 및
(c3) 소팅된 값들 중에서 큰 값을 갖는 이웃 거리 인덱스의 다중 첩 데이터를 복수 개 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법. The method of claim 3, wherein step (c) is
(c1) comparing the reference value with the power value on which the autocorrelation is performed in the radar signal processing unit;
(c2) sorting the autocorrelation power values exceeding the reference value by size; and
(c3) selecting a plurality of multi-chirp data of a neighbor distance index having a large value from among the sorted values.
(d1) 상기 레이더 신호처리부에서 선택된 이웃 거리 인덱스의 다중 첩 데이터를 합산하는 단계 및
(d2) 합산된 다중 첩 데이터에 대해 도플러 FFT를 수행해서 생체 신호에 대한 도플러 주파수 신호를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법. 5. The method of claim 4, wherein step (d) is
(d1) summing the multi-chirp data of the neighbor distance index selected by the radar signal processing unit; and
(d2) performing Doppler FFT on the summed multi-chirp data to detect a Doppler frequency signal for the biosignal.
(e1) 상기 레이더 신호처리부에서 검출된 도플러 주파수 신호에서 고조파가 존재하는지를 검사하는 단계 및
(e2) 고조파가 존재하는 경우, 상기 도플러 FFT를 수행한 결과에 대해 파워 상관을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법. The method of claim 5, wherein step (e) is
(e1) checking whether harmonics exist in the Doppler frequency signal detected by the radar signal processing unit; and
(e2) when harmonics exist, performing power correlation on a result of performing the Doppler FFT.
상기 (e2)단계에서 상기 레이더 신호처리부는 고조파의 특성에 기초해서 파워 상관 윈도우 개수와 크기, 간격을 결정하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법. 7. The method of claim 6,
In step (e2), the radar signal processing unit determines the number, size, and interval of power correlation windows based on harmonic characteristics.
상기 (f)단계는 상기 레이더 신호처리부에서 상기 파워 상관을 수행한 결과에서 최대 피크를 갖는 주파수 신호를 생체 신호로 검출하고, 검출된 생체 신호의 주파수를 이용해서 생체 신호의 BPM을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템에서 수행되는 생체 신호 탐지방법. 7. The method of claim 6,
In the step (f), the radar signal processing unit detects a frequency signal having a maximum peak in the result of performing the power correlation as a biosignal, and calculates the BPM of the biosignal using the detected frequency of the biosignal. A biosignal detection method performed in a radar system, comprising:
탐지 대상을 향해 레이더 신호(이하 '송신신호'라 합니다)를 송신하고 탐지 대상으로부터 반사되는 수신신호를 수신하는 안테나부,
상기 송신신호를 발생하는 레이더 송신부,
수신 안테나를 통해 수신되는 상기 수신신호의 데이터를 처리하는 레이더 수신부 및
상기 송신신호를 발생하도록 제어신호를 발생하고 상기 수신신호를 신호처리하여 생체 신호 정보를 탐지하는 신호처리용 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
In the radar system for detecting a biosignal by the biosignal detection method according to any one of claims 1 to 8,
An antenna unit that transmits a radar signal (hereinafter referred to as a 'transmission signal') toward a detection target and receives a received signal reflected from the detection target;
a radar transmitter that generates the transmission signal;
A radar receiver for processing data of the received signal received through a receiving antenna; and
and a signal processing processor for generating a control signal to generate the transmission signal and signal processing the received signal to detect biosignal information.
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