CN111685741A - 基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法 - Google Patents

基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法，包括：脉冲超宽带雷达初始化；将脉冲信号发射出去，接收回波信号；通过模数转换得到回波原始数字采样后的信号，并转换为正交解调的雷达回波I/Q信号；获得得到相位差；进行加权平均，得到待测对象胸腔与雷达天线距离变化的数据；获得一个序列数据；进行离散傅里叶变换得到距离变换的频域信号；取得信号在心跳频率范围和呼吸频率范围内的峰值对应的频率，作为对应的待测对象的心跳和呼吸频率。该方法基于正交解调的脉冲超宽带雷达测量人体胸腔由呼吸和心跳产生的规律性移动来得到人体的呼吸率和心率。相比与传统的滤波器，该方法降低了计算复杂度，提高了心率检测的显著程度。

Description

基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法
技术领域
本发明属于非接触式生理指标测量领域，特别涉及一种基于差分的正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法。
背景技术
非接触式测量可以规避接触方测量带来的诸多不便。专利公开号为：CN108577815A使用巴特沃斯带通滤波器，复杂度比较高。对于非差分的测量方法，由于呼吸率和心率之间存在的关系，导致呼吸信号的谐波会对心率的测量存在很大的影响。
因此，现有技术中，使用超宽带雷达的人体呼吸速率和心率的测定方法，计算过程复杂度较高，还存在准确性有待提升的空间。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法，本发明基于正交解调的脉冲超宽带(IR-UWB)雷达测量人体胸腔由呼吸和心跳产生的规律性移动来得到人体的呼吸率和心率，实现在低计算复杂度的情况下测量值准确性较高。
本发明实施例提供基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法，包括以下步骤：
S10、脉冲超宽带雷达初始化，设置脉冲重复频率为10Hz；
S20、通过天线将脉冲信号发射出去，接收反射回到雷达天线的回波信号；
S30、通过模数转换得到接收后的回波原始数字采样后的信号，并转换为正交解调的雷达回波I/Q信号；
S40、对当前得到的I/Q信号与上一次I/Q信号的共轭相乘，得到相位差；
S50、将所述相位差进行加权平均，得到待测对象胸腔与雷达天线距离变化的数据；
S60、根据待测对象胸腔与雷达天线距离变化的数据，获得一个序列数据；对所述序列数据进行离散傅里叶变换得到距离变换的频域信号；
S70、根据所述频域信号，获得信号在心跳频率范围和呼吸频率范围内的峰值对应的频率，作为对应的待测对象的心跳和呼吸频率。
在一个实施例中，所述步骤S30，包括：
S31、在两次脉冲发射的时间之间取预定时间段进行采样并量化；所述预定时间段的选取与人体位置相关；
S32、通过直接数字混频法或FFT变换法，得到正交解调的雷达回波I/Q信号；不同脉冲发射周期之间的信号构成信号矩阵，记为y[n,xi],n为不同的脉冲周期；xi为回波信号的位置，表示对应的距离门。
在一个实施例中，所述步骤S40，包括：
对当前这一次脉冲发射得到的I/Q信号与上一次脉冲发射得到的相同距离门对应的I/Q信号的共轭值相乘，得到相位差，
Figure BDA0002535044370000021
在一个实施例中，所述步骤S50中待测对象胸腔与雷达天线距离变化的数据为：
Figure BDA0002535044370000022
(1)式中，Δd表示胸腔与雷达天线距离；λ表示雷达发射的信号的半波长，
Figure BDA0002535044370000023
表示相位差的加权平均；
将所述相位差进行加权平均的计算公式为：
Figure BDA0002535044370000024
(2)式中，wi表示权值，其中：
Figure BDA0002535044370000025
Δki表示相位差；y[n,xi]表示当前这一次脉冲发射得到的I/Q信号。
在一个实施例中，所述步骤S70中，心跳频率范围为45次/分钟～150次/分钟；呼吸频率范围为8次/分钟～45次/分钟。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法，基于正交解调的脉冲超宽带(IR-UWB)雷达测量人体胸腔由呼吸和心跳产生的规律性移动来得到人体的呼吸率和心率，脉冲超宽带雷达通过重复发送脉冲并接受回波，从而得到脉冲返回时间，通过计算算出被测物体和雷达天线的距离。同时，通过正交解调，可以提高雷达计算得到的距离的分辨率。实现在低计算复杂度的情况下测量值准确性较高。相比与传统的滤波器，该方法降低了计算复杂度，提高了心率检测的显著程度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法步骤图；
图2为本发明实施例提供的基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法流程图；
图3为本发明实施例提供的人体心跳和呼吸的频率示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参照图1所示，本发明实施例提供的基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法，包括以下步骤：
包括以下步骤：
S10、脉冲超宽带雷达初始化，设置脉冲重复频率为10Hz；
S20、通过天线将脉冲信号发射出去，接收反射回到雷达天线的回波信号；
S30、通过模数转换得到接收后的回波原始数字采样后的信号，并转换为正交解调的雷达回波I/Q信号；
S40、对当前得到的I/Q信号与上一次I/Q信号的共轭相乘，得到相位差；
S50、将所述相位差进行加权平均，得到待测对象胸腔与雷达天线距离变化的数据；
S60、根据待测对象胸腔与雷达天线距离变化的数据，获得一个序列数据；对所述序列数据进行离散傅里叶变换得到距离变换的频域信号；
S70、根据所述频域信号，获得信号在心跳频率范围和呼吸频率范围内的峰值对应的频率，作为对应的待测对象的心跳和呼吸频率。
本实施例中，基于正交解调的脉冲超宽带(IR-UWB)雷达测量人体胸腔由呼吸和心跳产生的规律性移动来得到人体的呼吸率和心率，脉冲超宽带雷达通过重复发送脉冲并接受回波，从而得到脉冲返回时间，通过计算算出被测物体和雷达天线的距离。同时，通过正交解调，可以提高雷达计算得到的距离的分辨率。实现在低计算复杂度的情况下测量值准确性较高。相比与传统的滤波器，该方法降低了计算复杂度，提高了心率检测的显著程度。
下面详细说明上述各个步骤。参照图2所示，为正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法的简要流程图。
其中，步骤S10中，雷达初始化，包括清空缓存，设定数字模拟转换器参数，设定天线功率，设定下变换开关，设定采样频率等；另外，由于心跳信号的频率大于呼吸信号的频率，心跳信号频率上限为2.5Hz，该步骤S10中，此处取2.5×4＝10Hz。
上述步骤S20通过天线将脉冲信号发射出去。发射出去的信号经过人体胸腔反射回到雷达天线，被雷达接收。把一次发射脉冲到下一次发射脉冲之间接收到的信号称为一次脉冲发射得到的回波信号。步骤S30中，雷达使用模数转换得到接收后的回波原始数字采样后的信号。具体地就是在两次脉冲发射的时间之间取预定时间段进行采样并量化，时间段的选取与人体位置有关。由于该设备一般只用于近距离的测量，所以采取接着由雷达设备本身通过直接数字混频法或FFT变换法等方法来得到雷达回波I/Q信号。不同脉冲发射周期之间的信号构成了信号矩阵，记为y[n,xi]，n为不同的脉冲周期；xi为回波信号的位置，表示对应的距离门。
步骤S40中，对当前这一次脉冲发射得到的I/Q信号与上一次脉冲发射得到的相同距离门对应的I/Q信号的共轭值相乘，得到相位差，
Figure BDA0002535044370000051
Figure BDA0002535044370000052
步骤S50中，将相位差进行加权平均，即可以得到人体胸腔到雷达天线的距离变化的大小：
Figure BDA0002535044370000053
(1)式中，Δd表示胸腔与雷达天线距离；λ表示雷达发射的信号的半波长，
Figure BDA0002535044370000054
表示相位差的加权平均；
相位差进行加权平均的计算公式为：
Figure BDA0002535044370000055
(2)式中，wi表示权值，其中：
Figure BDA0002535044370000056
Δki表示相位差；y[n,xi]表示当前这一次脉冲发射得到的I/Q信号。
步骤S60中，将得到的人体胸腔距离变化的大小累计一段时间之后，比如512个距离变化的采样点之后，得到一个序列，对序列进行快速离散傅里叶变换得到距离变化的频域信号。
步骤S70中，取得信号在心跳频率范围(45次/分钟-150次/分钟)和呼吸频率范围(8次/分钟-45次/分钟)内的峰值对应的频率，作为对应的人体心跳和呼吸的频率，如图3所示，呼吸频率为12.9496次/分钟，心率为71.7626次/分钟。
相对于传统的滤波器的方法，本发明提供的基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法，降低了计算复杂度。其中，步骤S40到步骤S50，对比现有技术中使用巴特沃斯带通滤波器：如果直接使用滤波器卷积，计算复杂度为O(n2)，使用快速傅里叶变换，计算复杂度为O(nlogn)，而本发明实施例提供的方法的计算复杂度为O(n)。
相对于非差分的方法，本发明实施例提供的方法也提高了心率检测的显著程度。而显著程度可以用SNR来估计，SNR越大，检测结果越显著。设SNR计算公式：
Figure BDA0002535044370000061
P(f)为对应信号频域的回波强度，B为雷达信号带宽，max为最大频率，min为最小频率。可以得到本发明差分的方法的SNR为-21.5161dB，而非差分的为-25.7739dB，采用本发明实施例提供的方法约提高了4dB。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.基于正交解调脉冲超宽带雷达探测人体呼吸率心率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、脉冲超宽带雷达初始化，设置脉冲重复频率为10Hz；
S20、通过天线将脉冲信号发射出去，接收反射回到雷达天线的回波信号；
S30、通过模数转换得到接收后的回波原始数字采样后的信号，并转换为正交解调的雷达回波I/Q信号；
S40、对当前得到的I/Q信号与上一次I/Q信号的共轭相乘，得到相位差；
S50、将所述相位差进行加权平均，得到待测对象胸腔与雷达天线距离变化的数据；
S60、根据待测对象胸腔与雷达天线距离变化的数据，获得一个序列数据；对所述序列数据进行离散傅里叶变换得到距离变换的频域信号；
S70、根据所述频域信号，获得信号在心跳频率范围和呼吸频率范围内的峰值对应的频率，作为对应的待测对象的心跳和呼吸频率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S30，包括：
S31、在两次脉冲发射的时间之间取预定时间段进行采样并量化；所述预定时间段的选取与人体位置相关；
S32、通过直接数字混频法或FFT变换法，得到正交解调的雷达回波I/Q信号；不同脉冲发射周期之间的信号构成信号矩阵，记为y[n,xi],n为不同的脉冲周期；xi为回波信号的位置，表示对应的距离门。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S40，包括：
对当前这一次脉冲发射得到的I/Q信号与上一次脉冲发射得到的相同距离门对应的I/Q信号的共轭值相乘，得到相位差，
Figure FDA0002535044360000011
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S50中待测对象胸腔与雷达天线距离变化的数据为：
Figure FDA0002535044360000012
(1)式中，Δd表示胸腔与雷达天线距离；λ表示雷达发射的信号的半波长，
Figure FDA0002535044360000021
表示相位差的加权平均；
将所述相位差进行加权平均的计算公式为：
Figure FDA0002535044360000022
(2)式中，wi表示权值，其中：
Figure FDA0002535044360000023
Δki表示相位差；y[n,xi]表示当前这一次脉冲发射得到的I/Q信号。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S70中，心跳频率范围为45次/分钟～150次/分钟；呼吸频率范围为8次/分钟～45次/分钟。
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