CN111856455A - 匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及信号处理技术领域，本发明旨在提出一种匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法及系统，以实现对多个目标人体的心率和呼吸的较为精确的非接触式测量，技术方案概括为：通过配置为第一带宽的雷达发射机向待测空间发射电磁波信号，对接收到的各目标人体反射回来的第一回波信号进行处理，得到待测空间中各目标人体的位置信息；将雷达发射机配置为第二带宽，分别根据待测空间中各目标人体的位置方向进行雷达波束形成；对第二回波信号进行处理，得到各目标人体的回波序列；从回波序列中得到呼吸特征信号和心率特征信号，再分别对两种特征信号进行降噪和快速傅里叶变换，还原出呼吸和心跳运动信息。本发明提高了呼吸和心跳测量的准确性。

Description

匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法及系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体来说涉及一种匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法及系统。
背景技术
心率和呼吸是医生诊断和治疗心率不齐、心率变异、心肺异常等疾病和其他相关疾病的重要生理指标。常见的心率测量方法采用接触式的手段，如压力传感器，脉搏波传感器，心电图等。接触式的测量方式对于大面积烧伤、烫伤患者容易产生二次伤害。随着科技的进步，基于超宽带雷达的非接触式的测量方法能够对这些方面的应用进行补足，具有广阔的前景。
而在现有超宽带技术雷达在呼吸和心率的应用中，主要是针对单个静止人体目标进行测量。人在静止时，胸部表面会随着呼吸和心跳产生周期性的震动，超宽带雷达能够获得这些震动信号。从这些信号中，通过一定的处理方法，可以捕捉提取人体呼吸和心跳的信息，用于日常生理特征检测和健康检测。而目前室内应用环境往往不止单个个体，针对多个个体的心率呼吸测量方案精度也有限，有必要提供一种方案，能够较为精确地识别多个目标的人体心率和呼吸的计算方法。
申请公布号CN110464320A提出了一种多目标人体心率和呼吸频率测量系统及方法，其公开了通过对待测空间内多个目标人体反射回来的回波信号进行处理的方式来进行心率和呼吸的测量，这种方式虽然在一定程度上能够测量多个目标的人体心率和呼吸，但由于待测空间内有多个目标人体，对某一目标人体进行测量时，可能受到其他目标人体所反射信号的影响，导致测量的结果准确度不高。
发明内容
本发明旨在提出一种匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法及系统，以实现对多个目标人体的心率和呼吸的较为精确的非接触式测量。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将雷达发射机配置为第一带宽，通过所述雷达发射机向多个目标人体所处的待测空间发射电磁波信号，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第一回波信号；
步骤2、对所述第一回波信号进行处理，得到待测空间中各目标人体的位置信息，形成目标人体位置坐标数据集；
步骤3、将所述雷达发射机配置为第二带宽，分别根据待测空间中各目标人体的位置方向进行雷达波束形成，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第二回波信号；
步骤4、首先对所述第二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，通过提取极大值附近的数据，得到各目标人体的回波序列；
步骤5、通过滤波筛选的方式从回波序列中得到呼吸特征信号和心率特征信号，再分别对两种特征信号进行降噪和快速傅里叶变换，还原出呼吸和心跳运动信息，完成心率和呼吸的测量。
进一步的，所述第一带宽小于第二带宽。
进一步的，步骤2中，所述对第一回波信号进行处理包括：
分别对第一回波信号的距离维信息和角度维信息进行傅里叶变换，得到各目标人体的距离维数据和角度维数据；
根据各目标人体的距离维数据及角度维数据，得到待测空间中各目标人体的位置信息。
进一步的，所述步骤4得到各个目标人体的回波序列之后，还包括：对回波序列的相位信息进行处理，使其相位值介于[-π，π]之间。
进一步的，步骤5中，所述呼吸特征信号和心率特征信号利用带通滤波器得到，当带通滤波器的滤波参数设置为0.1-0.6Hz时得到呼吸特征信号，当带通滤波器的滤波参数设置为0.8-4Hz时得到心率特征信号。
进一步的，所述带通滤波器为巴特沃斯带通滤波器。
本发明还提出一种匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量系统，包括：超宽带雷达、信号处理模块、波形提取模块以及波形分析模块；
所述超宽带雷达包括雷达发射机和雷达接收机，所述雷达发射机配置为第一带宽时，向多个目标人体所处的待测空间发射电磁波信号，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第一回波信号；所述雷达发射机配置为第二带宽时，分别根据待测空间中各目标人体的位置方向进行雷达波束形成，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第二回波信号；
所述信号处理模块用于对所述第一回波信号进行处理，得到待测空间中各目标人体的位置信息，形成目标人体位置坐标数据集；
所述波形提取模块首先对所述第二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，通过提取极大值附近的数据，得到各目标人体的回波序列；
所述波形分析模块通过滤波筛选的方式从回波序列中得到呼吸特征信号和心率特征信号，再分别对两种特征信号进行降噪和快速傅里叶变换，还原出呼吸和心跳运动信息，完成心率和呼吸的测量。
进一步的，所述第一带宽小于第二带宽。
进一步的，所述信号处理模块具体用于：
分别对第一回波信号的距离维信息和角度维信息进行傅里叶变换，得到各目标人体的距离维数据和角度维数据；
根据各目标人体的距离维数据及角度维数据，得到待测空间中各目标人体的位置信息。
进一步的，所述信号提取模块得到各个目标人体的回波序列之后，还对回波序列的相位信息进行处理，使其相位值介于[-π，π]之间。
本发明的有益效果是：本发明所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法及系统，通过超宽带雷达发射无线电波，直射待测空间，通过对待测空间内多个目标人体反射的电磁波信号对人体进行定位。针对定位到的人体信号，对各目标位置方向完成雷达波束形成，使系统定向接收，从而抑制其他方向的信号干扰，利用更宽的带宽对心率和呼吸进行测量，得到心跳呼吸的特征信号，从而实现对多个目标的心率和呼吸的较为精确的非接触测量。
附图说明
图1为本发明实施例所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本发明旨在提出一种匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法及系统，以实现对多个目标人体的心率和呼吸的较为精确的非接触式测量。其主要的技术构思为：将雷达发射机配置为第一带宽，通过所述雷达发射机向多个目标人体所处的待测空间发射电磁波信号，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第一回波信号；对所述第一回波信号进行处理，得到待测空间中各目标人体的位置信息，形成目标人体位置坐标数据集；将所述雷达发射机配置为第二带宽，分别根据待测空间中各目标人体的位置方向进行雷达波束形成，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第二回波信号；首先对所述第二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，通过提取极大值附近的数据，得到各目标人体的回波序列；通过滤波筛选的方式从回波序列中得到呼吸特征信号和心率特征信号，再分别对两种特征信号进行降噪和快速傅里叶变换，还原出呼吸和心跳运动信息，完成心率和呼吸的测量。
首先，将雷达发射机配置为第一带宽，通过雷达信号进行时频分析，估计被测目标人体距离，构建出被测目标人体的距离参数数据集。针对天线阵列进行视频分析，可以得到角度参数的数据集，融合角度和距离数据集便得到了被测目标人体的位置信息；得到被测目标人体的位置信息后，重新配置雷达发射机的带宽，分别根据待测空间中各目标人体的位置方向进行雷达波束形成，针对特定方向排除杂波影响。最后对待测目标人体反射回来的第二回波信号进行距离维傅里叶变换、提取相位差、剔除脉冲干扰、巴特沃斯带通滤波、动态噪声消除等处理从而得到心率和呼吸的测定结果。
实施例
本发明实施例所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、将雷达发射机配置为第一带宽，通过所述雷达发射机向多个目标人体所处的待测空间发射电磁波信号，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第一回波信号；
具体而言，雷达主机初始化以后，雷达发射机发射电磁波信号，电磁波信号在空间中遇到待测目标人体后反射，由雷达接收机接收到反射回波后送入数据处理器，等待数据处理。典型的，此时77GHz毫米波雷达匹配1.5GHz带宽。
步骤2、对所述第一回波信号进行处理，得到待测空间中各目标人体的位置信息，形成目标人体位置坐标数据集；
其中，对第一回波信号进行处理可以包括：
分别对第一回波信号的距离维信息和角度维信息进行傅里叶变换，得到各目标人体的距离维数据和角度维数据；根据各目标人体的距离维数据及角度维数据，得到待测空间中各目标人体的位置信息。
可以理解，提取第一回波信号后，对第一回波信号做距离维傅里叶变换(FFT)并取均值，利用距离维CFAR完成空间内待测目标的距离维数据集的测量；对第一回波信号做角度维傅里叶变换(FFT)，利用角度维CFAR完成空间内待测目标的角度维数据集的测量；基于上述得到的距离维和角度维数据集，得到待测空间中各个目标人体的位置信息，形成目标位置坐标数据集。
步骤3、将所述雷达发射机配置为第二带宽，分别根据待测空间中各目标人体的位置方向进行雷达波束形成，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第二回波信号；
具体的，重新配置雷达发射机的带宽，典型的，取3GHz带宽，利用多元阵天线构成的基阵经过波束形成得到特定方向上的指向性，每次波束形成的方向指向各个目标人体位置坐标数据集的方向；雷达接收机接收各个目标人体的返回来的第二回波信号。
其中，为了得到目标人体的位置信息，雷达发射机采用较小的第一带宽；针对各目标人体的位置信息，雷达发射机采用较大的带宽，即第一带宽小于第二带宽。
步骤4、首先对所述第二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，通过提取极大值附近的数据，得到各目标人体的回波序列；
分别提取各个目标人体的回波序列，提取出来的每个回波序列相互独立。
可选的，提取各个目标人体的回波序列后，还可以包括：对回波序列的相位信息进行处理，使其相位值介于[-π，π]之间。
具体而言，回波序列提取后，首先对得到的信号的相位信息进行处理，相位值应该介于[-π，π]之间，不符合该值的相位信息用加减2π归一化到此区间。此操作可以帮助增强心率呼吸信号和消除相位漂移。
步骤5、通过滤波筛选的方式从回波序列中得到呼吸特征信号和心率特征信号，再分别对两种特征信号进行降噪和快速傅里叶变换，还原出呼吸和心跳运动信息，完成心率和呼吸的测量。
本实施例中，可以对得到的信号利用巴特沃斯带通滤波器滤波，带通滤波器的参数设置为0.1-0.6Hz时，得到的信号为呼吸信号，对处理后的数据进行峰值估计和快速傅里叶变换，如果明显偏移呼吸信号特征，则证明有扰动，信号丢弃，并等待稳定的信号出现后再抓取数据。
带通滤波器的参数设置为0.8-4Hz时，得到的信号为心率信号，对处理后的数据进行峰值估计和快速傅里叶变换，如果明显偏移心率信号特征，则证明有扰动，信号丢弃，并等待稳定的信号出现后再抓取数据。最终将得到的数据输出并显示。
基于上述技术方案，本实施例还提出一种匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量系统，包括：超宽带雷达、信号处理模块、波形提取模块以及波形分析模块；
所述超宽带雷达包括雷达发射机和雷达接收机，所述雷达发射机配置为第一带宽时，向多个目标人体所处的待测空间发射电磁波信号，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第一回波信号；所述雷达发射机配置为第二带宽时，分别根据待测空间中各目标人体的位置方向进行雷达波束形成，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第二回波信号；
所述信号处理模块用于对所述第一回波信号进行处理，得到待测空间中各目标人体的位置信息，形成目标人体位置坐标数据集；
所述波形提取模块首先对所述第二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，通过提取极大值附近的数据，得到各目标人体的回波序列；
所述波形分析模块通过滤波筛选的方式从回波序列中得到呼吸特征信号和心率特征信号，再分别对两种特征信号进行降噪和快速傅里叶变换，还原出呼吸和心跳运动信息，完成心率和呼吸的测量。
可以理解，由于本发明实施例所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量系统是用于实现实施例所述匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法的系统，对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的较为简单，相关之处参见方法的部分说明即可。

Claims (10)

1.匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将雷达发射机配置为第一带宽，通过所述雷达发射机向多个目标人体所处的待测空间发射电磁波信号，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第一回波信号；
步骤2、对所述第一回波信号进行处理，得到待测空间中各目标人体的位置信息，形成目标人体位置坐标数据集；
步骤3、将所述雷达发射机配置为第二带宽，分别根据待测空间中各目标人体的位置方向进行雷达波束形成，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第二回波信号；
步骤4、首先对所述第二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，通过提取极大值附近的数据，得到各目标人体的回波序列；
步骤5、通过滤波筛选的方式从回波序列中得到呼吸特征信号和心率特征信号，再分别对两种特征信号进行降噪和快速傅里叶变换，还原出呼吸和心跳运动信息，完成心率和呼吸的测量。
2.如权利要器1所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法，其特征在于，所述第一带宽小于第二带宽。
3.如权利要求1所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法，其特征在于，步骤2中，所述对第一回波信号进行处理包括：
分别对第一回波信号的距离维信息和角度维信息进行傅里叶变换，得到各目标人体的距离维数据和角度维数据；
根据各目标人体的距离维数据及角度维数据，得到待测空间中各目标人体的位置信息。
4.如权利要求1所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法，其特征在于，所述步骤4得到各个目标人体的回波序列之后，还包括：对回波序列的相位信息进行处理，使其相位值介于[-π，π]之间。
5.如权利要求1所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法，其特征在于，步骤5中，所述呼吸特征信号和心率特征信号利用带通滤波器得到，当带通滤波器的滤波参数设置为0.1-0.6Hz时得到呼吸特征信号，当带通滤波器的滤波参数设置为0.8-4Hz时得到心率特征信号。
6.如权利要求5所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量方法，其特征在于，所述带通滤波器为巴特沃斯带通滤波器。
7.匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量系统，其特征在于，包括：超宽带雷达、信号处理模块、波形提取模块以及波形分析模块；
所述超宽带雷达包括雷达发射机和雷达接收机，所述雷达发射机配置为第一带宽时，向多个目标人体所处的待测空间发射电磁波信号，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第一回波信号；所述雷达发射机配置为第二带宽时，分别根据待测空间中各目标人体的位置方向进行雷达波束形成，雷达接收机接收各目标人体反射回来的第二回波信号；
所述信号处理模块用于对所述第一回波信号进行处理，得到待测空间中各目标人体的位置信息，形成目标人体位置坐标数据集；
所述波形提取模块首先对所述第二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，通过提取极大值附近的数据，得到各目标人体的回波序列；
所述波形分析模块通过滤波筛选的方式从回波序列中得到呼吸特征信号和心率特征信号，再分别对两种特征信号进行降噪和快速傅里叶变换，还原出呼吸和心跳运动信息，完成心率和呼吸的测量。
8.如权利要求7所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量系统，其特征在于，所述第一带宽小于第二带宽。
9.如权利要求7所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量系统，其特征在于，所述信号处理模块具体用于：
分别对第一回波信号的距离维信息和角度维信息进行傅里叶变换，得到各目标人体的距离维数据和角度维数据；
根据各目标人体的距离维数据及角度维数据，得到待测空间中各目标人体的位置信息。
10.如权利要求7所述的匹配不同雷达带宽的多目标心率呼吸测量系统，其特征在于，所述信号提取模块得到各个目标人体的回波序列之后，还对回波序列的相位信息进行处理，使其相位值介于[-π，π]之间。
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