CN103793059A - 一种基于时域多普勒手势恢复识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于时域多普勒手势恢复识别方法。采用单路发射机通过天线发射单频信号，由于多普勒效应，手势运动信息被调制到反射信号的相位中；将多个接收机的接收天线置于最佳信号接收位置，多个接收机与发射机共用同一个参考时钟，保证相位同步，中频接收机模块将射频反射信号下变频至中频，数字下变频模块将中频信号正交下变频为数字基带信号，计算机信号采集模块采集数字基带信号，采用时域解调综合算法信号处理，进行时域多普勒手势恢复识别。本发明具有高灵敏度，低硬件复杂度与强鲁棒性；可以精确恢复手势二维、三维的准确运动信息；本发明可以探测手的任意运动，在利用多普勒效应进行手势识别领域中将会具有广泛的应用。

Description

一种基于时域多普勒手势恢复识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于时域多普勒手势恢复识别方法。

背景技术

物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低；波源的速度越高，所产生的效应越大。这种现象称为多普勒效应。

近年来，已有使用微波多普勒雷达探测多普勒效应被应用于探测物体运动的相关研究和设备。由于多普勒生物探测信号的高灵敏度与低硬件复杂度等优势，在生物探测领域，心跳运动探测，隔墙成像探测等方面都有广泛应用。

传统手势恢复识别采用计算机图像处理技术，需要消耗巨大的硬件成本，并且需要手暴露于摄像头的有效角度范围内，因此目前局限于手势游戏等简单应用。利用多普勒效应进行手势恢复识别其具有传统手势恢复识别不具有的低硬件成本，隔物探测，无线信号覆盖范围广等优点，在生物探测领域逐渐受到重视。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于时域多普勒手势恢复识别方法，采用单发射机多接收机结构，避免信号串扰；时域解调综合算法进行矢量合成，实现精确恢复手势运动；本发明具有高灵敏度，低硬件复杂度，强鲁棒性的特点。

本发明采用的技术方案是：

本发明采用单路发射机通过天线发射单频信号，由于多普勒效应，手势运动信息被调制到反射信号的相位中；将多个接收机的接收天线置于最佳信号接收位置，多个接收机与发射机共用同一个参考时钟，保证相位同步，中频接收机模块将射频反射信号下变频至中频，数字下变频模块将中频信号正交下变频为数字基带信号，计算机信号采集模块采集数字基带信号，采用时域解调综合算法信号处理，进行时域多普勒手势恢复识别。

对于二维情况，需要两路接收机，即相当于每时每刻分别以两个接收机的接收天线为圆心，采用反正切或者增强型差分叉乘算法将数字基带信号解调，得到相对接收机的接收天线的距离，分别以此距离为半径画圆，在相同时刻两路信号构造的圆的交点即为手势在此时刻的位置，交点随时间变化的轨迹，即为手势运动的准确轨迹。

对于三维情况，需要三路接收机，且保证三路接收机的接收天线不在同一平面，信号解调之后构造的球交点的运动轨迹，即为手势运动的精确轨迹。

本发明具有的有益效果是：

1）首次提出利用多普勒雷达探测手势运动。

2）具有高灵敏度与低硬件复杂度，强鲁棒性。

3）可以精确恢复手势二维、三维的准确运动信息。

4）本发明可以探测手的任意运动，在利用多普勒效应进行手势识别领域中将会具有广泛的应用。

附图说明

图1是本发明的二维探测结构框图。

图2是本发明的二维探测示意图。

图3是二维手势运动信息的构造圆交点的轨迹图。

图4是图3相交区域放大图。

图5是二维手势运动相对天线A的运动距离变化图。

图6是二维手势运动相对天线B的运动距离变化图。

图7是手势直线运动轨迹的演示仿真结果。

图8是手势正弦运动轨迹的演示仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图，具体阐述本发明的工作原理和实施方式：

如图1所示，本发明采用单路发射机通过天线发射单频信号，由于多普勒效应，手势运动信息被调制到反射信号的相位中；将多个接收机的接收天线置于最佳信号接收位置，多个接收机与发射机共用同一个参考时钟，保证相位同步，中频接收机模块将射频反射信号下变频至中频，数字下变频模块将中频信号正交下变频为数字基带信号，计算机信号采集模块采集数字基带信号，采用时域解调综合算法信号处理，进行时域多普勒手势恢复识别。

如图2所示，对于二维情况，需要两路接收机，即相当于每时每刻分别以两个接收机的接收天线A、B为圆心，采用反正切或者增强型差分叉乘算法将数字基带信号解调得到相对接收机的接收天线的距离，分别以此距离为半径画圆，在相同时刻两路信号构造的圆的交点即为手势在此时刻的位置，交点随时间变化的轨迹，即为手势运动的准确轨迹。

对于二维情况，至少需要两路接收机，手势运动初始位置相对于接收机的接收天线A、B距离已知，分别为d_A0、d_B0，t时刻手势运动相对于接收机的接收天线A、B距离变化值分别为d_A(t)、d_B(t)，采用反正切或者增强型差分叉乘算法将数字基带信号解调得到相对接收机的接收天线的距离d_A0+d_A(t)、d_B0+d_B(t)，在t时刻，分别以两个接收机的接收天线A、B为圆心，以相对对应的接收机的接收天线距离d_A0+d_A(t)、d_B0+d_B(t)为半径画圆，在相同时刻两路信号构造的圆的交点即为手势在此时刻的位置。交点随时间变化的轨迹即为手势运动的准确轨迹。

对于三维情况，需要三路接收机，且保证三路接收机的接收天线不在同一平面，信号解调之后构造的球交点的运动轨迹，即为手势运动的精确轨迹。

对于三维情况，至少需要三路接收机C、D、E，且保证三路接收机的接收天线不在同一平面，手势运动初始位置相对于接收机的接收天线距离已知，分别为d_C0、d_D0，d_E0，t时刻手势运动相对于接收机的接收天线C、D、E距离变化值分别为d_C(t)、d_D(t)、d_E(t)、采用反正切或者增强型差分叉乘算法将数字基带信号解调得到相对接收机的接收天线的距离d_C0+d_C(t)、d_D0+d_D(t)、d_E0+d_E(t)，在t时刻，分别以三个接收机的接收天线C、D、E为圆心，以相对对应的接收机的接收天线距离d_C0+d_C(t)、d_D0+d_D(t)、d_E0+d_E(t)为半径画球，在相同时刻两路信号构造的球的交点即为手势在此时刻的位置，构造的球交点的运动轨迹即为手势运动的精确轨迹。

如图3、图4所示，是二维物体运动信息的构造圆交点的轨迹图。

假设单频发射信号表达式为：

S(t)为发射信号，t为时间，f为发射频率，

为发射机相位噪声。

则通过图1中的接收机的接收天线A和B接收得到的信号分别为

$R_A=\cos (2\mathrm{\πft}-\frac{4\mathrm{\π}{d}_{A0}}{\mathrm{\λ}}-\frac{4{\mathrm{\πd}}_A\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}),$

$R_B=\cos (2\mathrm{\πft}-\frac{2{\mathrm{\πd}}_{A0}}{\mathrm{\λ}}-\frac{2\mathrm{\π}{d}_{B0}}{\mathrm{\λ}}-\frac{2{\mathrm{\πd}}_A\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}-\frac{2{\mathrm{\πd}}_B\left(t\right)}{\mathrm{\λ}})$

其中，R_A、R_B分别为接收机的接收天线A和B接收得到的信号，f为发射频率，d_A0和d_B0为人手到接收机的接收天线A和B的初始位置，d_A(t)和d_B(t)分别为t时刻手势运动相对于接收机的接收天线A、B距离变化值。

利用图1所示，提取相对于接收机的接收天线方向的运动距离变化信息d_A(t)和d_B(t)，分别以接收机的接收天线A和B为圆心，d_A+d_A(t)和d_B+d_B(t)为半径画圆。如图3、图4，可以看到，在同一时刻两个圆的交点随时间变化的轨迹即为手势运动的准确轨迹。

如图5、图6所示，二维匀速手势运动相对两个接收机的接收天线的运动距离变化为接收天线沿接收到的电磁波的波矢方向的距离变化。因此，相对两个接收机的接收天线的距离变化图即为d_A+d_A(t)和d_B+d_B(t)随时间变化图。仿真增加了白噪声对手势恢复结果的影响以检测本发明的鲁棒性，如图5为对接收天线A的距离变化图，如图6为对接收天线B的距离变化图。

如图7（已归一化坐标）所示，图7为图5、图6所述的二维匀速手势运动，运用时域解调综合算法得到的手势恢复轨迹，可以看到手势运动得以准确恢复。图8为正弦运动恢复得到的手势恢复轨迹。

Claims (3)

1.一种基于时域多普勒手势恢复识别方法，其特征在于：采用单路发射机通过天线发射单频信号，由于多普勒效应，手势运动信息被调制到反射信号的相位中；将多个接收机的接收天线置于最佳信号接收位置，多个接收机与发射机共用同一个参考时钟，保证相位同步，中频接收机模块将射频反射信号下变频至中频，数字下变频模块将中频信号正交下变频为数字基带信号，计算机信号采集模块采集数字基带信号，采用时域解调综合算法信号处理，进行时域多普勒手势恢复识别。

2.根据权利要求1所述的一种基于时域多普勒手势恢复识别方法，其特征在于：对于二维情况，需要两路接收机，即相当于每时每刻分别以两个接收机的接收天线为圆心，采用反正切或者增强型差分叉乘算法将数字基带信号解调，得到相对接收机的接收天线的距离，分别以此距离为半径画圆，在相同时刻两路信号构造的圆的交点即为手势在此时刻的位置，交点随时间变化的轨迹，即为手势运动的准确轨迹。

3.根据权利要求1所述的一种基于时域多普勒手势恢复识别方法，其特征在于：对于三维情况，需要三路接收机，且保证三路接收机的接收天线不在同一平面，信号解调之后构造的球交点的运动轨迹，即为手势运动的精确轨迹。

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