CN109522826A - 一种基于fmcw毫米波雷达的生命信号检测方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法和系统，用于实现对生命体的检测。通过将预处理后的雷达生命信号输入到自适应滤波器中，将延时后的雷达生命信号作为参考信号，并且能够根据输入信号的变化实时调整延时，从而实现呼吸和心跳信号的实时分离。本发明提出的方法能够实时地、自适应地分离呼吸和心跳信号。

Description

一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法和系统
技术领域
本发明涉及雷达信号检测领域，更具体地，涉及一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法和系统。
背景技术
呼吸、心跳、体温、血压是用来判断人体的生命活动正常与否的常用指标，其中呼吸和心跳是尤其重要的两个参数。这两个重要的心肺活动参数可以判断是否有生命体的存在，根据这两个参数的变化可以得到生命体运转的基本状态。但现有的呼吸和心跳检测方法多为接触式检测方法，在很多的情况下，由于各种条件的限制和其他因素的考虑，需要远距离的测量呼吸和心跳。基于FMCW(调频连续波)毫米波雷达的生命信号检测技术能够对人体的生命信号进行较远距离的探测，探测过程不受天气、地形等条件的限制，因此在军事行动、反恐斗争、灾后伤员搜索、医疗健康监护等领域有着广泛的应用。
雷达获取的人体回波信号容易受到人体自身微动和周围物体的干扰，并且呼吸造成的人体胸腔的位移远远大于心跳造成的胸腔位移，这可能会使心跳信号湮没在呼吸谐波和噪声中无法被检测，因此需要采取有效的信号处理方法将呼吸和心跳信号分离，提取微弱的心跳信号。
传统的雷达生命信号分离和提取的方法有带通滤波和小波变换等，由于呼吸和心跳信号的频带范围接近，所以利用带通滤波器分离呼吸和心跳信号不能有效地解决呼吸谐波对心跳信号的干扰问题，小波变换可以通过选择合适的小波基函数从生命信号中提取出呼吸和心跳信号，但选择合适的小波基函数是其难点，并且确定好基函数后，不能随着不同的信号做出改变，不具备自适应性。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法和系统。
本发明的首要目的是实时的，自适应的分离呼吸信号和心跳信号。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法，其步骤如下：
S1：对雷达中频信号进行一定的预处理，提取出生命信号；
S2：从预处理后的信号中提取呼吸信号，计算呼吸信号频率以及延时单元；
S3：实时分离出雷达生命信号中的呼吸信号和心跳信号。
本发明通过将预处理的生命信号输入到信号分离模块中的滤波器中，其参考信号是由信号提取模块得到的延时单元，并将生命信号进行延时得到的；通过信号分离模型进行滤波得到输出的误差即为心跳信号，从属滤波器的输出即为呼吸信号。
优选地，步骤S1对雷达中频信号进行一定的预处理，提取雷达生命信号的具体步骤为：
S11：由FMCW回波信号确定目标位置，并提取出其相位信号，得到目标的距离信息和相位差信号；
S12：根据雷达获得的目标距离信息，去除目标周围部分物体的干扰，并对雷达中频信号进行FFT，确定目标所在的位置，提取目标的雷达生命信号；
S13：对雷达生命信号进行低通滤波，去除高频噪声，得到生命信号。
优选地，步骤S2中从预处理后的信号中提取呼吸信号，计算呼吸信号频率的具体步骤为：
S21：令n＝0，n为生命信号分解得到的分量hj(t)的个数，求出生命信号w(t)所有的极大值和极小值，拟合出生命信号w(t)的上下包络线，求出包络的均值m(t)，然后减去包络均值得到一个新的信号：
hj(t)＝w(t)-m(t)；
S22：判断hj(t)的极值点数目和零点数目差值的绝对值是否不大于1，包络线的均值是否为零，若不满足这两个条件，则令w(t)＝hj(t)且重复步骤S22；若满足S22中的两个条件则令n＝n+1，生命信号w(t)表示为：
w(t)＝hj(t)+pj(t)
其中pj(t)为残余分量；
S23：判断pj(t)是否为单调函数，若pj(t)不是单调函数则回到步骤S22，若pj(t)是单调函数，则生命信号w(t)可以用以下公式表示：
即将生命信号w(t)分解为n个分量和一个残余分量的和；
S24：根据生命信号w(t)分解得到的各个分量的频谱特性，初步挑选出呼吸信号的分量hj(t)：
S25：从挑选的的分量中选择部分分量hj(t)重构呼吸信号，并计算呼吸信号频率fr；
S26：根据步骤S25重构得到的呼吸信号确定延时单元d的值。
优选地，步骤S24中挑选出呼吸信号的分量的方法为：对雷达生命信号w(t)分解得到n个分量hj(t)(j＝1、2、3...n)进行快速傅里叶变换得到其频谱hj(w)(j＝1、2、3...n)，分别找到各个分量频谱中幅值最大的频率点fj(j＝1、2、3...n)，根据fj所在的频率范围初步挑选出属于呼吸信号的分量。
优选地，步骤S25中重构呼吸信号的具体步骤为：计算S24所选择的呼吸信号分量与生命信号w(t)的相关系数，并用相关系数最大的两个分量重构呼吸信号，如果S24中选择的呼吸信号分量数目小于2，则用所有的信号分量hj(t)重构呼吸信号。
优选地，步骤S26中延时单元d为：
其中fr为步骤S25重构得到的呼吸信号频率。
优选地，步骤S3实时分离出雷达生命信号中的呼吸信号和心跳信号的具体步骤为：
S31：将生命信号延时d个单元得到滤波器参考信号；
S32：滤波器参考信号经过滤波器滤波后得到滤波信号，将滤波信与S1中预处理后的雷达生命信号相减得到误差，其中滤波信号为呼吸信号，误差为心跳信号；
S33：由这个误差更新滤波器系数进行下一次迭代。
优选地，所述延时单元d定时更新，即每隔一分钟计算一次呼吸频率并更新一次延时单元d。
一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法的系统，包括预处理模块、信号提取模块以及信号分离模块；
所述预处理模块用于对雷达中频信号进行预处理，提取出生命信号，经过预处理模块处理后的生命信号分别流向信号提取模块以及信号分离模块；
所述信号提取模块通过分解、重构方法提取呼吸信号，计算呼吸频率，并将计算得到的呼吸频率用于更新信号分离模块中的延时单元；
所述信号分离模块包含有延时更新单元、滤波器系数更新单元，根据信号提取模块中得到的呼吸频率更新延时单元d，实现呼吸和心跳信号的实时分离。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过每隔一段时间计算一次呼吸频率并更新一次延时单元d，随着信号的改变更新延时单元d，从而做到实时的、自适应地分离呼吸信号和心跳信号。
附图说明
图1为本发明的流程图
图2为本发明的模块框图。
图3为本发明信号提取模块提取呼吸频率流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图2所示本发明包括预处理模块、信号提取模块以及信号分离模块，其简要步骤如图1所述：
S1：对雷达中频信号进行处理；
S11：由FMCW回波信号确定目标位置，并提取出其相位信号，得到目标的距离信息和相位差信号；
S12：根据雷达获得的目标距离信息，去除目标周围部分物体的干扰，并对雷达中频信号进行FFT，确定目标所在的位置，提取目标的雷达生命信号。；
S13：对雷达生命信号进行低通滤波，去除高频噪声，得到生命信号w(t)，其中低通滤波器的截止频率为3Hz。
S2：经过预处理模块处理后的生命信号送到信号提取模块，每隔一分钟计算一次呼吸频率，用来计算呼吸频率的数据长度也为一分钟，具体步骤如下：
S21：令n＝0，n为生命信号分解得到的分量hj(t)的个数，求出生命信号w(t)所有的极大值和极小值，拟合出生命信号w(t)的上下包络线，求出包络的均值m(t)，然后减去包络均值得到一个新的信号：
hj(t)＝w(t)-m(t)；
S22：判断hj(t)的极值点数目和零点数目差值的绝对值是否不大于1，包络线的均值是否为零，若不满足这两个条件，则令w(t)＝hj(t)且重复步骤S22；若满足S22中的两个条件则令n＝n+1，生命信号w(t)表示为：
w(t)＝hj(t)+pj(t)
其中pj(t)为残余分量；
S23：判断pj(t)是否为单调函数，若pj(t)不是则回到步骤S22，若是单调函数，则生命信号w(t)可以用以下公式表示：
即将生命信号w(t)分解为n个分量和一个残余分量的和；
S24：对w(t)分解得到n个分量hj(t)(j＝1、2、3...n)进行快速傅里叶变换得到其频谱hj(w)(j＝1、2、3...n)，分别找到各个分量频谱中幅值最大的频率点fj(j＝1、2、3...n)，根据fj所在的频率范围初步挑选出属于呼吸信号的分量，fj在0.2-0.8Hz范围内就认为其是属于呼吸信号的分量，假设共有i个分量hp(t)(p＝1、...i)的频谱峰值点在0.2-0.8Hz范围内。
S25：判断i是否大于2，若i大于2则分别计算步骤S24挑选得到的i个分量hp(t)(p＝1、2、...i)与雷达生命信号的相关系数，选择相关系数最大的两个分量重构呼吸信号，否则将所有的分量用于重构呼吸信号fr。
S26：对重构得到的呼吸信号进行快速傅里叶变换，得到呼吸频率fr.。则延时单元d可以由以下公式进行更新：
其中fr为步骤S25重构得到的呼吸信号频率，其流程图如图3所示。
S3：将经过预处理后生命信号输入到信号分离中的滤波器，选择滤波器的阶数和类型，在具体实施例中的滤波器阶数为16阶，滤波器类型为FIR滤波器。其中输入信号为生命信号w(t)，参考信号为生命信号经过延时得到，表示为w(t-d)，d为延时单元。其从属滤波器的输出y为呼吸信号，输出的误差e为心跳信号，从而实现呼吸和心跳信号的实时分离。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对雷达中频信号进行一定的预处理，提取出生命信号；
S2：从预处理后的信号中提取呼吸信号，计算呼吸信号频率以及延时单元；
S3：实时分离出雷达生命信号中的呼吸信号和心跳信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法，其特征在于：步骤S1对雷达中频信号进行一定的预处理，提取雷达生命信号的具体步骤为：
S11：由FMCW回波信号确定目标位置，并提取出其相位信号，得到目标的距离信息和相位差信号；
S12：根据雷达获得的目标距离信息，去除目标周围部分物体的干扰，并对雷达中频信号进行FFT，确定目标所在的位置，提取目标的雷达生命信号；
S13：对雷达生命信号进行低通滤波，去除高频噪声，得到生命信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法，其特征在于：步骤S2中从预处理后的信号中提取呼吸信号，计算呼吸信号频率的具体步骤为：
S21：令n＝0，n为生命信号分解得到的分量hj(t)的个数，t表示时间，求出生命信号w(t)所有的极大值和极小值，拟合出生命信号w(t)的上下包络线，求出包络的均值m(t)，然后减去包络均值得到一个新的信号：
hj(t)＝w(t)-m(t)；
S22：判断hj(t)的极值点数目和零点数目差值的绝对值是否不大于1，包络线的均值是否为零，若不满足这两个条件，则令w(t)＝hj(t)且重复步骤S22；若满足S22中的两个条件则令n＝n+1，生命信号w(t)表示为：
w(t)＝hj(t)+pj(t)
其中pj(t)为残余分量；
S23：判断pj(t)是否为单调函数，若pj(t)不是单调函数则回到步骤S22，若pj(t)是单调函数，则生命信号w(t)可以用以下公式表示：
即将生命信号w(t)分解为n个分量和一个残余分量的和；
S24：根据生命信号w(t)分解得到的各个分量的频谱特性，初步挑选出呼吸信号的分量hj(t)：
S25：从挑选的的分量中选择部分分量hj(t)重构呼吸信号，并计算呼吸信号频率fr；
S26：根据步骤S25重构得到的呼吸信号确定延时单元d的值。
4.根据权利要求3所述的一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法，其特征在于：步骤S24中挑选出呼吸信号的分量的方法为：对雷达生命信号w(t)分解得到n个分量hj(t)(j＝1、2、3...n)进行快速傅里叶变换得到其频谱hj(w)(j＝1、2、3...n)，分别找到各个分量频谱中幅值最大的频率点fj(j＝1、2、3...n)，根据fj所在的频率范围初步挑选出属于呼吸信号的分量。
5.根据权利要求3所述的一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法，其特征在于：步骤S25中重构呼吸信号的具体步骤为：计算S24所选择的呼吸信号分量与生命信号w(t)的相关系数，并用相关系数最大的两个分量重构呼吸信号，如果S24中选择的呼吸信号分量数目小于2，则用所有的信号分量hj(t)重构呼吸信号。
6.根据权利要求3所述的一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法，其特征在于：步骤S26中延时单元d为：
其中fr为步骤S25重构得到的呼吸信号频率。
7.根据权利要求1所述的一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法，其特征在于：步骤S3实时分离出雷达生命信号中的呼吸信号和心跳信号的具体步骤为：
S31：将生命信号延时d个单元得到滤波器参考信号；
S32：滤波器参考信号经过滤波器滤波后得到滤波信号，将滤波信与S1中预处理后的雷达生命信号相减得到误差，其中滤波信号为呼吸信号，误差为心跳信号；
S33：由这个误差更新滤波器系数进行下一次迭代。
8.根据权利要求7所述的一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法，其特征在于：所述延时单元d定时更新，即每隔一分钟计算一次呼吸频率并更新一次延时单元d。
9.一种基于FMCW毫米波雷达的生命信号检测方法的系统，其特征在于：包括预处理模块、信号提取模块以及信号分离模块；
所述预处理模块用于对雷达中频信号进行预处理，提取出生命信号，经过预处理模块处理后的生命信号分别流向信号提取模块以及信号分离模块；
所述信号提取模块通过分解、重构方法提取呼吸信号，计算呼吸频率，并将计算得到的呼吸频率用于更新信号分离模块中的延时单元；
所述信号分离模块包含有延时更新单元、滤波器系数更新单元，根据信号提取模块中得到的呼吸频率更新延时单元d，实现呼吸和心跳信号的实时分离。
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