CN110346790A - 一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法、装置及系统，该方法包括：提取基于发射信号遇到待测目标后反射的回波信号；将发射信号与回波信号进行混频生成混频信号；对混频信号进行AD采样，生成时域采样信号；对时域采样信号进行距离变换，获取雷达的一维距离像；获取一维距离像中最大峰值获得目标距离单元，并计算目标距离单元上的相位；按照雷达帧刷新频率重复上述距离变换和相位计算步骤，获得每次分别计算同一距离单元上的相位集合并进行相位差处理，获得相位差集合；对相位差集合进行滤波，获得待测目标的生命体征信号并进行变换，获得生命体征。本发明解决现有技术中接触式检测带来的不便和传染问题，实现非接触测量，实用便捷性高且避免接触感染。

Description

一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法、装置及 系统

技术领域

本发明涉及生命体征监测技术领域，具体是一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法、装置及系统。

背景技术

随着人类社会生活方式的变革和科技的发展，以及人们对于健康问题愈发重视，各种电子健康产品逐渐进入人们的视野。

传统的生命体征检测产品包括手表、手环、血氧仪、大型医疗设备等，这些电子健康产品都属于接触式的，需要使用者佩戴或者是接触才能检测出使用者的生命体征信息。接触式检测设备对残疾病人、严重烧伤病人或行动不便患者使用不方便；同时对于传染性高的疾病患者也存在诸多顾忌。

发明内容

本发明提供一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法、装置及系统，用于克服现有技术中由于接触导致使用不便、存在病毒传播等缺陷，实现提高使用的便捷性，避免因接触导致的病毒传播。

为实现上述目的，本发明提供一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法，包括以下步骤：

提取基于发射信号遇到待测目标后反射的回波信号；

将发射信号与回波信号进行混频生成混频信号；

对混频信号进行AD采样，生成时域采样信号；

对时域采样信号进行距离变换，获取雷达的一维距离像；

检索一维距离像中最大峰值获得目标距离单元，并计算目标距离单元上的相位；

按照雷达帧刷新频率重复上述距离变换和相位计算步骤，获得每次计算同一距离单元上的相位集合并进行相位差处理，获得相位差集合；

对相位差集合进行滤波，获得待测目标的生命体征信号并进行变换，获得生命体征。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测程序，在处理器运行所述程序时执行所述方法的步骤。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测系统，包括：

毫米波射频前端，用于发出发射信号并接收基于发射信号遇到待测目标后反射的回波信号；

监测装置，与所述毫米波射频前端电性连接，为权利要求8所述的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测装置；

输出接口：用于输出基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测装置的计算结果；

电源，与所述毫米波射频前端、监测装置、输出接口均连接，用于提供电源。

本发明提供的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法、装置及系统，利用毫米波雷达检测体表位移进而通过相位来检测目标生命体征，其毫米波雷达工作在77GHz频段，检测距离可达3m，能同时监测目标的呼吸率和心率，本发明属于非接触式，不会对残疾人群造成不便，也避免了传染疾病交叉传染的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法的流程图；

图2为实施例三提供的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测系统的功能模块图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图所示，本发明实施例提供一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法，包括以下步骤：

S1，提取基于发射信号遇到待测目标后反射的回波信号；

这里的发射信号为毫米波雷达发出，待测目标例如为人体，在雷达的可探测范围内，回波信号是发射信号遇到人体(障碍)后反射的信号；由雷达的接收天线接收并缓存数据，这里DSP可以从缓存数据库中提取。

S2，将发射信号与回波信号进行混频生成混频信号；

通过混频器生成混频信号。

S3，对混频信号进行AD采样，生成时域采样信号；

S4，对时域采样信号进行距离变换，获取雷达的一维距离像；

S5，检索一维距离像中最大峰值获得目标距离单元，并计算目标距离单元上的相位；

S6，按照雷达帧刷新频率重复上述距离变换和相位计算步骤，获得每次计算同一距离单元上的相位集合并进行相位差处理，获得相位差集合；

S7，对相位差集合进行滤波，获得待测目标的生命体征信号并进行变换，获得生命体征。

呼吸和心跳会引起人体体表周期性起伏，通常情况下，成年人的体征参数与体表起伏存在如下表关系：

		前向	后向
				生命体征	频率	体表起伏幅度	体表起伏幅度
呼吸速率	0.1-0.5Hz	1-12mm	0.1-0.5mm
				心率	0.8-2.0Hz	0.1-0.5mm	0.01-0.2mm

由于体表的起伏非常小，通过设备直接监测难以实现；但体表位移和目标距离单元的相位有直接关系ΔΦ_b＝4πΔR/λ，对于77GHz毫米波雷达其波长λ约4mm，很小的ΔR位移会引起很大的ΔΦ_b相位变化,因此，毫米波雷达通过检测目标距离单元的相位变化来确定目标的体征值。

生命体征监测毫米波雷达启动后会通过发射天线发送连续调频波，同时其接收天线不停接收回波信号并通过混频器生成混频信号；混频信号经过模块内ADC采样后对采样数据进行信号处理，得到待测目标的胸腔起伏波形等人体生命特征，估计出目标的生命体征信息，目标的信息包含目标的呼吸速率与心率；

优选地，所述将发射信号与回波信号进行混频生成混频信号的步骤S2包括：

S21，提取发射信号：

s(t)＝exp{j(2πf_ct+πμt²)}

S22，提取回波信号：

r(t)＝exp{j[2πf_c(t-t_d)+πμ(t-t_d)²]}

S23，将发射信号与回波信号进行混频生成混频信号：

s(t).r(t)≈exp{j(f_bt+Φ_b)}

其中相位为：Φ_b＝4πR/λ，相位差为：ΔΦ_b＝4πΔR/λ，f_c为雷达工作频率，μ为调频斜率，t_d为因待测目标引起的时延，R为目标到雷达距离，λ为毫米波雷达的波长。

优选地，所述对混频信号进行AD采样，生成时域采样信号的步骤S3包括：

S31对混频信号进行AD采样，生成包含时域索引和时域采样点数的回波序列；

S32所述时域索引和所述时域采样点数共同形成所述时域采样信号。

AD采样:对混频信号进行AD采样,采样得到回波序列s[l],l＝1,2,...,L，l表示时域采用索引，L表示时域采样点数。

步骤S2及步骤S3的部分有毫米波雷达前端完成。

优选地，所述对时域采样信号进行距离变换，获取雷达的一维距离像的步骤S4包括：

对时域采样信号s[l]经过一维快速傅里叶变换(FFT)，获取雷达的一维距离像S[k]＝FFT{s[l]}，k＝1,2,...,L表示距离单元索引。

优选地，所述检索一维距离像中最大峰值获得目标距离单元，并计算目标距离单元上的相位的步骤S5包括：

检索一维距离像S[k]中最大峰值获取目标距离单元m，m∈[Rangebin_strat，Rangebin_end]；

根据下面的计算公式获得目标距离单元m上的相位Φ_t1：

Φ_t1＝arctan(im(S[m])/re(S[m]))

其中，S[m]是一维距离像S[k]中第m个距离单元的值，其为复数，im表示复数虚部，re表示复数实部。

优选地，所述按照雷达帧刷新频率重复上述距离变换S4和相位计算步骤S5，获得每次计算同一距离单元上的相位集合并进行相位差处理，获得相位差集合的步骤S6包括：

S61，按雷达帧刷新频率重复上述距离变换步骤和目标距离单元相位计算步骤共n次；即按雷达帧时间间隔fs重复步骤S4-S5,，共n次；每帧分别计算同一距离单元m上的相位；

S62，每次分别计算同一距离单元m上的相位，用Φ表示，Φ＝[Φ_t1,Φ_t2......Φ_tn]；即每帧分别计算同一距离单元m上的相位；

S63，对Φ进行相位差处理，输出ΔΦ，ΔΦ＝[ΔΦ_t1,ΔΦ_t2......ΔΦ_t(n-1)]。

优选地，所述对相位差集合进行滤波，获得待测目标的生命体征信号并进行变换，获得生命体征的步骤S7包括：

S71，对相位差ΔΦ进行带通滤波，隔离出呼吸信号b(k)和心跳信号h(k),k＝t1,t2……t(n-1)；

S72，分别对呼吸信号b(k)和心跳信号h(k)快速傅里叶变换，获得：B(p)＝FFT{b(k)},H(p)＝FFT{h(k)},p＝1,2,…,n-1；

S73，提取B(p)幅值最大处的pmax1及H(p)幅值最大处的pmax2，其对应呼吸频率b_rate＝fs*p_max1/n,心跳h_rate＝fs*p_max2/n。

步骤S3-S7的部分由DSP实现。

实施例二

基于上述实施例一，本发明实施例还提供一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测装置，包括混频器、处理器和存储器，所述存储器存储有基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测程序，在处理器运行所述程序时执行实施例一方法的步骤。

本发明为非接触式，无需使用者接触或者是佩戴，实用性更广，且可避免接触式监测出现的疾病传染问题；对行动不便人群监测体征同样方便；实时监测，本发明属于非接触式产品，可以安装在床的上方或者是长途司机的座椅后，实时目标的生命体征信息，防止意外的发生；

实施例三

基于上述实施例一和实施例二，本发明还提供一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测系统，包括：

毫米波射频前端，用于发出发射信号并接收基于发射信号遇到待测目标后反射的回波信号；

监测装置，与所述毫米波探测器电性连接，为所述实施例二所述的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测装置；

输出接口：用于输出基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测装置的计算结果；

电源，与所述毫米波射频前端、监测装置、输出接口均连接，用于提供电源。

所述输出接口为串行接口。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

提取基于发射信号遇到待测目标后反射的回波信号；

将发射信号与回波信号进行混频生成混频信号；

对混频信号进行AD采样，生成时域采样信号；

对时域采样信号进行距离变换，获取雷达的一维距离像；

检索一维距离像中最大峰值获得目标距离单元，并计算目标距离单元上的相位；

按照雷达帧刷新频率重复上述距离变换和相位计算步骤，获得每次计算同一距离单元上的相位集合并进行相位差处理，获得相位差集合；

对相位差集合进行滤波，获得待测目标的生命体征信号并进行变换，获得生命体征。

2.如权利要求1所述的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法，其特征在于，所述将发射信号与回波信号进行混频生成混频信号的步骤包括：

提取发射信号：

s(t)＝exp{j(2πf_ct+πμt²)}

提取回波信号：

r(t)＝exp{j[2πf_c(t-t_d)+πμ(t-t_d)²]}

将发射信号与回波信号进行混频生成混频信号：

s(t).r(t)≈exp{j(f_bt+Φ_b)}

其中相位为：Φ_b＝4πR/λ，相位差为：ΔΦ_b＝4πΔR/λ，f_c为雷达工作频率，μ为调频斜率，t_d为因待测目标引起的时延，R为目标到雷达距离，λ为毫米波雷达的波长。

3.如权利要求2所述的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法，其特征在于，所述对混频信号进行AD采样，生成时域采样信号的步骤包括：

对混频信号进行AD采样，生成包含时域索引和时域采样点数的回波序列；

所述时域索引和所述时域采样点数共同形成所述时域采样信号。

4.如权利要求3所述的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法，其特征在于，所述对时域采样信号进行距离变换，获取雷达的一维距离像的步骤包括：

对时域采样信号s[l]经过一维快速傅里叶变换(FFT)，获取雷达的一维距离像S[k]＝FFT{s[l]}，k＝1,2,...,L表示距离单元索引。

5.如权利要求4所述的基于毫米波雷达的非接触式生命体征检测方法，其特征在于，所述检索一维距离像中最大峰值获得目标距离单元，并计算目标距离单元上的相位的步骤包括：

检索一维距离像S[k]中最大峰值获取目标距离单元m，m∈[Rangebin_strat，Rangebin_end]；

根据下面的计算公式获得目标距离单元m上的相位Φ_t1：

Φ_t1＝arctan(im(S[m])/re(S[m]))

其中，S[m]是一维距离像S[k]中第m个距离单元的值，其为复数，im表示复数虚部，re表示复数实部。

6.如权利要求5所述的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法，其特征在于，所述按照雷达帧刷新频率重复上述距离变换和相位计算步骤，获得每次分别计算同一距离单元上的相位集合并进行相位差处理，获得相位差集合的步骤包括：

按雷达帧刷新频率重复上述距离变换步骤和目标距离单元相位计算步骤共n次；

每次分别计算同一距离单元m上的相位，用Φ表示，Φ＝[Φ_t1,Φ_t2......Φ_tn]；

对Φ进行相位差处理，输出ΔΦ，ΔΦ＝[ΔΦ_t1,ΔΦ_t2......ΔΦ_t(n-1)]。

7.如权利要求6所述的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测方法，其特征在于，所述对相位差集合进行滤波，获得待测目标的生命体征信号并进行变换，获得生命体征的步骤包括：

对相位差ΔΦ进行带通滤波，隔离出呼吸信号b(k)和心跳信号h(k),k＝t1,t2……t(n-1)；

分别对呼吸信号b(k)和心跳信号h(k)快速傅里叶变换，获得：B(p)＝FFT{b(k)},H(p)＝FFT{h(k)},p＝1,2,…,n-1；

提取B(p)幅值最大处的pmax1及H(p)幅值最大处的pmax2，其对应呼吸频率b_rate＝fs*p_max1/n,心跳h_rate＝fs*p_max2/n。

8.一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测装置，其特征在于，包括混频器、处理器和存储器，所述存储器存储有基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测程序，在处理器运行所述程序时执行所述权利要求1～7任一项方法的步骤。

9.一种基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测系统，其特征在于，包括：

毫米波探测器，用于发出发射信号并接收基于发射信号遇到待测目标后反射的回波信号；

监测装置，与所述毫米波探测器电性连接，为权利要求8所述的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测装置；

输出接口：用于输出基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测装置的计算结果；

电源，与所述毫米波探测器、监测装置、输出接口均连接，用于提供电源。

10.如权利要求9所述的基于毫米波雷达的非接触式生命体征监测系统，其特征在于，所述输出接口为串行接口。