CN111685760B - 一种基于雷达测量的人体呼吸频率计算方法 - Google Patents

一种基于雷达测量的人体呼吸频率计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及雷达信号处理技术，其公开了一种基于雷达测量的人体呼吸频率计算方法，实时、准确地计算呼吸频率，计算复杂度低。该方法包括以下步骤：a.接收使用超宽带雷达向目标人体所处自由空间发射电磁波而反射回来的回波信号；b.对回波信号的距离维信息进行傅里叶变换，然后进行极大值搜索，提取以极大值为中心的预设距离内的数据，得到人体的回波序列；c.通过人体回波序列的频谱图计算参考呼吸频率；d.计算人体回波序列平均幅度差，并结合参考呼吸频率计算准确的呼吸频率。

Description

一种基于雷达测量的人体呼吸频率计算方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术，具体涉及一种基于雷达测量的人体呼吸频率计算方法。
背景技术
呼吸是人体维持生存最基础的生命活动。呼吸频率包含有重要的生理信息，呼吸频率的测量在救援活体探测、医疗病患监护、心肺功能观察、运动效果评估、睡眠质量监测等领域都有广泛应用。市面上的家用产品只能测量心率，不能同时检测呼吸，而医用产品测量呼吸需佩戴检测装置，舒适度不高。
而采用非接触式测量技术来测量呼吸频率可以提高用户的舒适度，超宽带雷达是一种很好的选择。超宽带雷达以其非接触、远距离、可穿透的特点，其在呼吸监测领域受到越来越多的关注。
人体在呼吸时，胸部表面会随着产生周期性的起伏，超宽带雷达能够捕获这些起伏的回波信号。但是超宽带雷达测量呼吸容易受到人体体动、房间其它物体等多种干扰，因此需要一种具有实时性、准确性、低计算复杂度的算法来计算呼吸频率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于雷达测量的人体呼吸频率计算方法，实时、准确地计算呼吸频率，计算复杂度低。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种基于雷达测量的人体呼吸频率计算方法，包括以下步骤：
a.接收使用超宽带雷达向目标人体所处自由空间发射电磁波而反射回来的回波信号；
b.对回波信号的距离维信息进行傅里叶变换，然后进行极大值搜索，提取以极大值为中心的预设距离内的数据，得到人体的回波序列；
c.通过人体回波序列的频谱图计算参考呼吸频率；
d.计算人体回波序列平均幅度差，并结合参考呼吸频率计算准确的呼吸频率。
作为进一步优化，步骤c具体包括：
c1.对人体回波序列进行平滑处理；
c2.计算平滑处理后的人体回波序列的频谱图，在频谱图中找出频率范围0.1-0.6Hz的所有峰值，取最大峰对应的频率值,记为fa。
作为进一步优化，步骤d具体包括：
d1.对平滑处理后的人体回波序列做趋势消除处理；
d2.计算趋势消除后人体回波序列的平均幅度差，找出频率范围0.1-0.6Hz的所有谷点；
d3.计算准确的呼吸频率值：
若找出的谷点只有1个，记该点对应的频率值为fb，则呼吸频率＝60*fb bpm；
若找出的谷点数大于1个，记这些谷点对应的频率值分别为fb1、fb2、…fbn，分别计算与fa的差的绝对值，取令该绝对值最小时的频率值fbi，则呼吸频率＝60*fbi bpm。
本发明的有益效果是：
大幅降低了对数据长度的要求，最少包含两个完整的呼吸周期即可计算呼吸频率，从而保证了计算的实时性；此外，本发明在频谱分析提供的呼吸频率基础上，采用平均幅度差函数得到更高精度的呼吸频率，避免了倍频或分频错误，从而提升了计算的准确性；该方法计算复杂度低，存储空间需求小。
附图说明
图1为本发明中的基于雷达测量的人体呼吸频率计算方法流程图；
图2为接收的人体回波序列示意图；
图3为人体回波序列频谱图；
图4为人体回波序列的平均幅度差示意图。
具体实施方式
本发明旨在提出一种基于雷达测量的人体呼吸频率计算方法，实时、准确地计算呼吸频率，计算复杂度低。如图1所示，其实现步骤包括：a.接收使用超宽带雷达向目标人体所处自由空间发射电磁波而反射回来的回波信号；b.对回波信号的距离维信息进行傅里叶变换，然后进行极大值搜索，提取以极大值为中心的预设距离内的数据，得到人体的回波序列；c.通过人体回波序列的频谱图计算参考呼吸频率；d.计算人体回波序列平均幅度差，并结合参考呼吸频率计算准确的呼吸频率。
实施例：
本实施例中，被试人员选取舒适姿势坐着，避免剧烈的身体运动而影响检测，保持正常呼吸，在距离被试约1米距离安放超宽带雷达，使用发射机向目标人体所处自由空间发射电磁波，通过接收机接收目标人体反射回来的回波信号，其中采样频率为80Hz；
接收到回波信号后，对回波信号的距离维信息进行傅里叶变换，然后进行极大值搜索，提取以极大值为中心的预设距离内的数据，得到人体的回波序列，如图2所示；
接着，我们对人体回波序列进行窗长为80个点的平滑，计算平滑后人体回波序列的频谱图，如图3所示；在频谱图中找出频率范围0.1-0.6Hz的所有峰值，取最大峰对应的频率值,记为fa；
接下来，我们通过计算人体回波序列平均幅度差，并结合参考呼吸频率计算准确的呼吸频率，具体为：
对平滑后的人体回波序列做趋势消除；
计算趋势消除后人体回波序列的平均幅度差，如图4所示；然后，找出频率范围0.1-0.6Hz的所有谷点：
若找出的谷点只有1个，记该点对应的频率值为fb，则呼吸频率＝60*fb bpm；
若找出的谷点数大于1个，记这些谷点对应的频率值分别为fb1、fb2、…fbn，分别计算与fa的差的绝对值，取令该绝对值最小时的fbi，则呼吸频率＝60*fbi bpm。

Claims (1)

1.一种基于雷达测量的人体呼吸频率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.接收使用超宽带雷达向目标人体所处自由空间发射电磁波而反射回来的回波信号；
b.对回波信号的距离维信息进行傅里叶变换，然后进行极大值搜索，提取以极大值为中心的预设距离内的数据，得到人体的回波序列；
c.通过人体回波序列的频谱图计算参考呼吸频率；
d.计算人体回波序列平均幅度差，并结合参考呼吸频率计算准确的呼吸频率；
步骤c具体包括：
c1.对人体回波序列进行平滑处理；
c2.计算平滑处理后的人体回波序列的频谱图，在频谱图中找出频率范围0.1-0.6Hz的所有峰值，取最大峰对应的频率值,记为fa；
步骤d具体包括：
d1.对平滑处理后的人体回波序列做趋势消除处理；
d2.计算趋势消除后人体回波序列的平均幅度差，找出频率范围0.1-0.6Hz的所有谷点；
d3.计算准确的呼吸频率值：
若找出的谷点只有1个，记该点对应的频率值为fb，则呼吸频率＝60*fb bpm；
若找出的谷点数大于1个，记这些谷点对应的频率值分别为fb1、fb2、…fbn，分别计算与fa的差的绝对值，取令该绝对值最小时的频率值fbi，则呼吸频率＝60*fbi bpm。
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