CN109924962A - 一种基于雷达的非接触式生命体征测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雷达的非接触式生命体征测量系统及方法，所述系统包括依此连接的射频收发模块、信号采集装置、信号处理装置及显示装置：射频收发模块用于向生命体发射雷达信号，并接收经生命体反射后的雷达回波信号，以形成原始回波数据；信号采集装置用于采集原始回波数据，并将原始回波数据传输至信号处理装置；信号处理装置用于对接收的原始回波数据进行处理，形成生命体的生命体征信息；显示装置用于显示生命体的生命体征信息。本发明以微波雷达信号作为感应媒介，在实现了非接触式测量，提升生命体的舒适感的同时，可有效提取生命体的呼吸率、心率和体动，做到实时监测和预警的目的。

Description

一种基于雷达的非接触式生命体征测量系统及方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程和雷达信号处理领域，特别是涉及一种基于雷达的非接触式生命体征测量系统及方法。

背景技术

目前，传统的生命体征(呼吸/心率/体动)测量方法是通过压力传感器物理接触生命体，感知生命体腹部起伏和心脏跳动引起的压力变化来测定的。这种接触式实现的测量需要生命体佩戴特定的传感器，会让被测生命体感觉不适，也不适合长时间测量。通过雷达技术来实现生命体的参数测量，不需要被测生命体佩戴任何传感器，只需要静卧在雷达的监控范围内，就可以实现非接触无感式测量。

故此，如何提供一种通过雷达技术无需接触即可采集生命体征的测量系统和方法成了本领域人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于雷达的非接触式生命体征测量系统及方法，通过雷达发射高频微波信号射向生命体，并接收生命体反射的带有生命体征信息的回波后，经过一系列解调处理即可完成。

一方面，本发明提供了一种基于雷达的非接触式生命体征测量系统，包括依此连接的射频收发模块、信号采集装置、信号处理装置及显示装置：

所述射频收发模块用于向生命体发射雷达信号，并接收经生命体反射后的雷达回波信号，以形成原始回波数据；

所述信号采集装置用于采集原始回波数据，并将原始回波数据传输至信号处理模块；

所述信号处理装置用于对接收的原始回波数据进行处理，形成生命体的生命参数数据。

所述显示装置用于显示生命体的生命体征信息。

进一步地，所述信号处理装置包括傅里叶变化模块、恒虚警检测模块和卡尔曼滤波模块，所述信号采集装置输出的一部分原始回波数据依此通过傅里叶变化模块、恒虚警检测模块、卡尔曼滤波模块后，转换成生命体的呼吸率和心率。

进一步地，所述信号处理装置还包括杂波对消模块和信号强度变化率检测模块，所述信号采集装置输出的另一部分原始回波数据依此通过杂波对消模块和信号强度变化率检测模块后，转换成生命体的体动。

进一步地，所述射频收发模块设置有发射通道和接收通道，所述发射通道中含有高频信号源和功率放大器用于发射微波雷达信号，所述接收通道中含有低噪声放大器和滤波器用于输出有用的雷达回波信号。

进一步地，所述测量系统还包括发射天线和接收天线，所述发射天线与所述发射通道连接，所述接收天线与所述接收通道相连。

进一步地，所述生命体为一人体、一动物体或其他具有呼吸或心跳特征的生命体中的一个。

进一步地，所述生命体的体动包括无人状态、暂态平静状态、稳态平静状态、小动作状态、大动作状态及正进入检测区域状态。

进一步地，所述体动的不同状态通过数字0、1、2、3、4、5表征出来，其中，0表示无人状态，1表示暂态平静状态，2表示稳态平静状态、3表示小动作状态、4表示大动作状态、5表示正进入检测区域状态。

进一步地，所述显示装置上还显示有ID信息及目标距离信息，所述ID信息用于区别不同待检测的生命体，所述目标距离为射频收发模块与生命体之间的距离。

另一方面，本发明提供了一种基于雷达的非接触式生命体征测量方法，包括以下步骤：

向生命体发射雷达信号，并接收经生命体反射后的雷达回波信号，以形成原始回波数据；

采集原始回波数据；

通过对采集的原始回波数据进行处理，形成生命体的生命体征信息；

将生命体的生命体征信息呈现出来。

进一步地，通过对采集的原始回波数据进行处理，形成生命体的生命体征信息具体包括以下步骤：

将采集的一部分原始回波数据依此通过傅里叶变化处理、恒虚警检测处理、卡尔曼滤波处理后，转换成生命体的呼吸率和心率；

将采集的另一部分原始回波数据依此通过杂波对消处理和信号强度变化率检测处理后，转换成生命体的体动。

本发明提供的基于雷达的非接触式生命体征测量系统及方法，以微波雷达信号作为感应媒介，通过向生命体发射雷达信号，并接收经生命体反射后的雷达回波信号，以形成原始回波数据，经处理模块对所述原始回波数据进行处理，一方面，实现了非接触式的测量，提升了生命体的舒适感；另一方面，可以有效提取生命体的呼吸率、心率和体动，做到实时监测和预警的目的。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的基于雷达的非接触式生命体征测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于雷达的非接触式生命体征测量方法一实施例的流程图；

图3为本发明中一段含有呼吸和心率信息的回波信号；

图4为本发明中一段时间内呼吸和心率的曲线图；

图5为本发明中一段时间内检测的生命体的体动随时间变化的关系图；

图6为本发明显示装置中显示的一数据状态图。

其中：1-发射天线 2-接收天线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为更好地理解本发明，需要说明的是，本发明中体动指生命体的行为状态；呼吸率指平均每分钟呼吸次数；心率指平均每分钟心跳次数。

暂态平静状态指检测到有生命体存在，但其处于向稳态平静状态转换时的过渡期。

小动作状态指转身，抬手等轻微晃动动作。

大动作状态指突然站立，伸懒腰，走动等大幅晃动动作。

图1是根据本发明实施例提供的基于雷达的非接触式生命体征测量系统的结构示意图。如图1所示的一种基于雷达的非接触式生命体征测量系统包括依此连接的射频收发模块、信号采集装置、信号处理装置及显示装置，射频收发模块用于向生命体发射雷达信号，并接收经生命体反射后的雷达回波信号，以形成原始回波数据；信号采集装置用于采集原始回波数据，并将原始回波数据传输至信号处理装置；信号处理装置用于对接收的原始回波数据进行处理，形成生命体的生命体征信息；显示装置用于显示生命体的生命体征信息。通过上述设置，本发明以微波雷达信号作为感应媒介，通过雷达发射高频微波信号射向生命体，并接收生命体反射的带有生命体征信息的回波后，经过一系列解调处理即可完成，无需佩戴任何检测装置，在保证生命体体征信息测量精度的同时又不会让生命体感觉不适。优选地，上述显示装置可为电脑、手机或平板终端设备。需要说明的是，本发明中生命体征信息包括该生命体的呼吸率、心率及体动。图3即为本发明中一段含有呼吸和心率信息的回波信号。

在进一步的技术方案中，上述信号处理装置具体包括傅里叶变化模块、恒虚警检测模块、卡尔曼滤波模块、杂波对消模块和信号强度变化率检测模块，傅里叶变化模块、恒虚警检测模块和卡尔曼滤波模块分别与杂波对消模块和信号强度变化率检测模块并行设置，信号采集装置输出的一部分原始回波数据依此通过傅里叶变化模块、恒虚警检测模块、卡尔曼滤波模块后，转换成生命体的呼吸率和心率；信号采集装置输出的另一部分原始回波数据依此通过杂波对消模块和信号强度变化率检测模块后，转换成生命体的体动。图4即为一段时间内呼吸率和心率的曲线图。同时，如图1所示，上述基于雷达的非接触式生命体征测量系统还包括分别于射频收发模块相连的发射天线1和接收天线2，具体地，射频收发模块上设置有发射通道和接收通道，所述发射天线1与发射通道连接，用于向生命体发射雷达信号；所述接收天线2与接收通道相连，用于接收经生命体反射后的雷达回波信号。优选地，前述发射通道中含有高频信号源和功率放大器用于发射微波雷达信号，接收通道中含有低噪声放大器和滤波器用于输出有用的雷达回波信号。

此外，需要提及的是，本发明中所述生命体并不仅限于人体、其亦可为一动物体或其他具有呼吸或心跳特征的生命体中的一个。

为精准地测量生命体的生命体征信息，本发明中生命体的体动具体分为无人状态、暂态平静状态、稳态平静状态、小动作状态、大动作状态及正进入检测区域状态五种状态，图5即为本发明中一段时间内检测的生命体的体动随时间变化的关系图，其中，0表示无人状态，1表示暂态平静状态，2表示稳态平静状态、3表示小动作状态、4表示大动作状态、5表示正进入检测区域状态。从图5可知，生命体依次经过暂态平静状态→稳态平静状态→暂态平静状态→小动作状态→稳态平静状态→小动作状态→稳态平静状态。同时，在本发明中值得注意的是：当人体处于1(稳态平静状态)时，表明身体处于最佳测试状态，回波信号良好，呼吸率和心率数据是准确有效的；当人体处于2(暂态平静)时，表明检测到有人存在，但由于人体位置或姿势的原因导致测试信号不好，或者人体处于向稳态平静转换时的过渡期，呼吸率和心率有误差，仅供参考；当检测到人体有小动作(如轻微晃动，转身，抬手等)时，会输出状态3，此时呼吸率和心率的测量会有误差，仅供参考；当检测到人体有大动作(如突然站立，伸懒腰等)时，会输出状态4，呼吸率和心率的测量数据无效。通过上述设置可以剔除无效或失效数据，进一步保证检测的呼吸率和心率的准确性，可以更好地监控生命体的身体状况。

优选地，上述显示装置中除显示呼吸率和心率外，还可以显示ID信息及目标距离信息，ID信息用于区别不同待检测的生命体，所述目标距离为射频收发模块与生命体之间的距离。图6即为本发明显示装置中显示的一数据状态图。如图6所示，ID显示设备编号为0，目标距离为2.12m，呼吸频率为21次/分，心跳频率为59次/分，体动信息为平静。

图2为本发明的一种基于雷达的非接触式生命体征测量方法的一实施例的流程图，如图2所示，本实施例的非接触式生命体征测量方法，具体包括以下步骤：

向生命体发射雷达信号，并接收经生命体反射后的雷达回波信号，以形成原始回波数据；

采集原始回波数据；

将采集的一部分原始回波数据依此通过傅里叶变化处理、恒虚警检测处理、卡尔曼滤波处理后，转换成生命体的呼吸率和心率；

将采集的另一部分原始回波数据依此通过杂波对消处理和信号强度变化率检测处理后，转换成生命体的体动；将生命体的呼吸率、心率及体动的生命体征信息呈现出来。

综上所述，本发明的技术方案以微波雷达信号作为感应媒介，通过射频收发模块向人体发射微波雷达信号，并接收经人体反射的回波，以形成原始回波数据，经处理模块对所述原始回波数据进行处理，形成生命体的生命体征信息，最终经显示装置显示出来。通过上述设置，实现了非接触式的测量，提升了生命体的舒适感；另一方面，由于雷达微波信号对人体无损害，在有效提取生命体的呼吸率、心率和体动的同时，还可以保证相关数据的测量精度；最后，通过显示装置呈现出来的生命体征信息，能够做到实时监测和预警的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于雷达的非接触式生命体征测量系统，其特征在于，包括依此连接的射频收发模块、信号采集装置、信号处理装置及显示装置：

所述射频收发模块用于向生命体发射雷达信号，并接收经生命体反射后的雷达回波信号，以形成原始回波数据；

所述信号采集装置用于采集原始回波数据，并将原始回波数据传输至信号处理装置；

所述信号处理装置用于对接收的原始回波数据进行处理，形成生命体的生命体征信息；

所述显示装置用于显示生命体的生命体征信息。

2.根据权利要求1所述的基于雷达的非接触式生命体征测量系统，其特征在于，所述信号处理装置包括傅里叶变化模块、恒虚警检测模块和卡尔曼滤波模块，所述信号采集装置输出的一部分原始回波数据依此通过傅里叶变化模块、恒虚警检测模块、卡尔曼滤波模块后，转换成生命体的呼吸率和心率。

3.根据权利要求2所述的基于雷达的非接触式生命体征测量系统，其特征在于，所述信号处理装置还包括杂波对消模块和信号强度变化率检测模块，所述信号采集装置输出的另一部分原始回波数据依此通过杂波对消模块和信号强度变化率检测模块后，转换成生命体的体动。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于雷达的非接触式生命体征测量系统，其特征在于，所述射频收发模块设置有发射通道和接收通道，所述发射通道中含有高频信号源和功率放大器用于发射微波雷达信号，所述接收通道中含有低噪声放大器和滤波器用于输出有用的雷达回波信号。

5.根据权利要求4所述的基于雷达的非接触式生命体征测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括发射天线和接收天线，所述发射天线与所述发射通道连接，所述接收天线与所述接收通道相连。

6.根据权利要求1所述的基于雷达的非接触式生命体征测量系统，其特征在于，所述生命体为一人体、一动物体或其他具有呼吸或心跳特征的生命体中的一个。

7.根据权利要求3所述的基于雷达的非接触式生命体征测量系统，其特征在于，所述生命体的体动包括无人状态、暂态平静状态、稳态平静状态、小动作状态、大动作状态及正进入检测区域状态。

8.根据权利要求7所述的基于雷达的非接触式生命体征测量系统，其特征在于，所述体动的不同状态通过数字0、1、2、3、4、5表征出来，其中，0表示无人状态，1表示暂态平静状态，2表示稳态平静状态、3表示小动作状态、4表示大动作状态、5表示正进入检测区域状态。

9.根据权利要求1所述的基于雷达的非接触式生命体征测量系统，其特征在于，所述显示装置上还显示有ID信息及目标距离信息，所述ID信息用于区别不同待检测的生命体，所述目标距离为射频收发模块与生命体之间的距离。

10.一种基于雷达的非接触式生命体征测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

向生命体发射雷达信号，并接收经生命体反射后的雷达回波信号，以形成原始回波数据；

采集原始回波数据；

通过对采集的原始回波数据进行处理，形成生命体的生命体征信息；

将生命体的生命体征信息呈现出来。

11.根据权利要求10所述的基于雷达的非接触式生命体征测量方法，其特征在于，通过对采集的原始回波数据进行处理，形成生命体的生命体征信息具体包括以下步骤：

将采集的一部分原始回波数据依此通过傅里叶变化处理、恒虚警检测处理、卡尔曼滤波处理后，转换成生命体的呼吸率和心率；

将采集的另一部分原始回波数据依此通过杂波对消处理和信号强度变化率检测处理后，转换成生命体的体动。