CN111938623A - 一种基于uwb定位引导的呼吸心率动态测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法及装置，获取UWB定位装置得到的目标人员的位置信息和运动状态；判断所述目标人员的位置信息和运动状态，当所述目标人员位于雷达的探测区域且运动状态为静止或小幅度运动时，通过UWB定位装置引导雷达对目标人员观察最佳的胸腔位置进行呼吸心率探测，其中，在目标人员的胸腔位置佩戴UWB定位标签，使雷达对准所述UWB定位标签的位置进行呼吸心率测量，可以极大提高呼吸心率测量的有效性及可靠性；此外，基于UWB引导，单一雷达设备可以实现同时对多人的呼吸心率进行无交叠的精准跟踪测量。此方法及系统亦可应用到其他生理参数的监测中。

Description

一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法及装置
技术领域
本发明涉及呼吸心率检测领域，特别是涉及一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法及装置。
背景技术
基于毫米波雷达的呼吸心率检测具有较多优点，能够非接触式实现人体生理参数监测。毫米波雷达实现呼吸及心率参数测量，主要是通过发射调频连续波雷达信号作用人体，人体的呼吸及心跳引起的肌体表面运动，从而造成雷达回波信号的相位波动，进而实现人体呼吸频率及心率测量。
目前大多数文献报道的基于毫米波雷达探测，主要是针对单人、近距离测量，而对应医院病房、康养场所，需要在3～6米或更远、多人同时呼吸心率监测，且不受其他非目标人群的干扰，目前单一雷达系统是难以实现的。
受雷达工作机理、雷达距离分辨率及天线波束分辨率限制，雷达一般只能是测量距离雷达较近的目标，难以适应复杂环境、中远距离探测、移动目标等探测需求。同时，由于人体胸腔位置是对呼吸心率信号反应最灵敏位置，但目前雷达难以准确判断人体胸腔位置，雷达主要采用宽波束信号接收，宽范围接收多种回波信号，再进一步分离呼吸及心率回波信号，在雷达处理算法上只能采用次优算法。在多人分布情况，特别是复杂室内环境内，雷达也难以分离筛选人员目标并进一步处理。
常规的呼吸心率雷达是无法实现人员身份识别的，且雷达对人员空间定位、状态识别需要一个复杂的雷达处理过程，呼吸心率监测的有效性及可靠性较低。
发明内容
本发明主要提供一种呼吸心率动态测量方法或系统，能够解决现有的呼吸心率雷达对呼吸心率监测的有效性及可靠性较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法及系统。
其中，一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法，包括以下内容：
获取UWB定位装置得到的目标人员的位置信息和运动状态；
判断所述目标人员的位置信息和运动状态，当所述目标人员位于雷达的探测区域且运动状态为静止或小幅度运动时，通过UWB定位装置引导雷达对目标人员观察最佳的胸腔位置进行呼吸心率探测。
优选地，所述获取UWB定位装置得到的目标人员的位置信息和运动状态包括：在目标人员的胸腔位置佩戴UWB定位标签。
优选地，所述获取UWB定位装置得到的目标人员的位置信息和运动状态还包括：使用3个～4个UWB测距定位基站，进行辅助定位。
优选地，所述通过UWB定位装置引导雷达对目标人员观察最佳的胸腔位置进行呼吸心率探测包括：调整雷达波束指向及目标检测距离，使雷达对准所述UWB定位标签的位置进行呼吸心率测量。
优选地，所述雷达为毫米波雷达，所述毫米波雷达的天线为多阵元收发天线。
优选地，所述雷达的探测区域与UWB定位装置的监测范围一致。
一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量装置，所述装置包括UWB定位装置和雷达，所述UWB定位装置和雷达连接；
所述UWB定位装置获取目标人员的位置信息和运动状态并判断所述目标人员的位置信息和运动状态，当所述目标人员位于雷达的探测区域且运动状态为静止或小幅度运动时，UWB定位装置引导雷达对目标人员观察最佳的胸腔位置进行呼吸心率探测。
优选地，所述UWB定位装置包括UWB定位标签，所述UWB定位标签佩戴于目标人员的胸腔位置，获取目标人员的ID和位置信息，所述UWB定位装置还包括3个～4个UWB测距定位基站，所述UWB测距定位基站进行辅助定位。
优选地，所述雷达为毫米波雷达，所述毫米波雷达的天线为多阵元收发天线；所述雷达的探测区域与UWB定位装置的监测范围一致。
优选地，对准所述目标人员进行呼吸心率测量包括：
调整雷达波束指向及目标检测距离，使雷达对准所述UWB定位标签的位置进行呼吸心率测量。
本发明的有益效果是：(1)UWB装置通过UWB定位标签实时引导雷达对观测最佳的胸腔位置准确观测，可以极大提高呼吸心率监测的有效性及可靠性；(2)区别于现有技术的情况，本发明通过UWB定位装置，可以对目标人员的位置及运动状态实时判别，可以准确判断当前人员身份信息、空间位置及运动状态，进而可以判断人员是否处于静止或小幅度运动状态，此时才通过雷达进行呼吸及心率测量，提高测量的有效性；(3)毫米波雷达的天线为多阵元收发天线，结合UWB定位装置引导，单一雷达设备可以实现同时对多人的呼吸心率进行无交叠的精准跟踪测量。
附图说明
图1是本发明一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法的流程图；
图2是本发明一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量装置的示意图；
图3是UWB定位标签放置的示意图；
图4是呼吸心率探测雷达与UWB定位基站的位置示意图；
图5是调整雷达波束进行呼吸心率测量的示意图；
图6是雷达结构示意图；
图7是雷达信号处理过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚和完整，以下实施例结合附图对本发明作进一步的阐述。
实施例1
在一示例性实施例中，如图1所示，提供一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法，包括以下内容：
获取UWB定位装置得到的目标人员的位置信息和运动状态；
判断所述目标人员的位置信息和运动状态，当所述目标人员位于雷达的探测区域且运动状态为静止或小幅度运动时，通过UWB定位装置引导雷达对目标人员观察最佳的胸腔位置进行呼吸心率探测。
该方法的原理是：首先通过UWB定位装置对目标人员进行监控，当发现有目标人员进入监控范围时，获取目标人员的ID和位置信息，并进一步地判断目标人员的运动状态，运动状态包括卧床、站立、跳动等，当目标人员的运动状态为静止或小幅度运动时，再引导雷达对准所述目标人员进行呼吸心率测量。大大提高了测量的有效性。
进一步地，当未发现目标人员进入监控范围或者目标人员的运动状态为大幅度运动时，返回继续监控。
进一步地，所述采用UWB定位系统获取目标人员的ID和位置信息包括：在目标人员的胸腔位置佩戴UWB定位标签。
进一步地，所述采用UWB定位装置获取目标人员的ID和位置信息还包括：使用3个～4个UWB测距定位基站，进行辅助定位。
进一步地，所述引导雷达对准所述目标人员进行呼吸心率测量包括：
调整雷达波束指向及目标检测距离，使雷达对准所述UWB定位标签的位置进行呼吸心率测量。
进一步地，所述雷达为毫米波雷达，所述毫米波雷达的天线为多阵元收发天线。
进一步地，所述雷达的探测区域与UWB定位装置的监测范围一致。
实施例2
在该实施例中，提供一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量装置，如图2所示，所述装置包括UWB定位装置和雷达，所述UWB定位装置和雷达连接；
所述UWB定位装置获取目标人员的位置信息和运动状态并判断所述目标人员的位置信息和运动状态，当所述目标人员位于雷达的探测区域且运动状态为静止或小幅度运动时，UWB定位装置引导雷达对目标人员观察最佳的胸腔位置进行呼吸心率探测。
进一步地，在复杂环境下，由于雷达不能预知目标位置，雷达在距离域及方位域上面可能存在多个目标信号，雷达需要同时跟踪多个非目标信号，运算处理量极大；常规雷达由于不能达到成像应用精度、雷达的距离分辨率及方位分辨率受限，雷达本身是不能自主判断人体位置，难以实现准确实时的胸腔的雷达主波束照射，因此常规毫米波人体呼吸机心率探测性能是次优的。
同时，雷达对呼吸心率测量，需要在人体保持静止或小幅度运动情况下才能比较准确，因此需要雷达实时跟踪相对静止的人体目标位置，复杂环境下雷达对静止人体跟踪及扫描难度进一步增加。
进一步地，所述UWB定位装置包括UWB定位标签和3个～4个UWB测距定位基站；UWB定位标签佩戴于目标人员的胸腔位置，获取目标人员的ID和位置信息；测距定位基站进行辅助定位。
进一步地，从雷达作用原理上看，雷达主要是检测由于呼吸运动及心跳运动所引起肌体表面扩张运动。但人体分布中，胸腔位置的呼吸运动及心跳运动表现最明显，对于雷达回波信号表征是最强的，而其余部位(头、四肢、背部)相对运动较弱，如图3所示。因此胸腔位置是雷达探测敏感区域，将UWB定位标签佩戴于目标人员的胸腔位置。
进一步地，如图4所示，在毫米波雷达探测系统基础上，增加3个～4个UWB测距定位基站，用于人体辅助定位。UWB定位系统基于时差法定位原理，能够实现高精度实时定位，常规定位精度在1CM以下，远大于雷达测距精度。在被测人体胸腔位置配置UWB定位标签。定位标签除了具备身份识别功能外，还可以通过收发超宽带电磁波信号，实现三维定位标签的空间定位。UWB定位标签对应于人体胸腔位置，从而等效于系统对人体胸腔实时定位。
进一步地，如图4所示，定位基站在空间按照L形直角排列，基站间距离L1及L2需要不小于5cm，以保证定位精度，当定位标签处于定位空间范围内时，定位系统可以实时对标签身份识别及定位，等效对被测人员的身份识别及位置估算，进而首先人员状态评估(运动、静止)或姿态识别(站立、静坐或平躺)，从而引导雷达进行相对应探测工作。
进一步地，对准所述目标人员进行呼吸心率测量包括：
调整雷达波束指向及目标检测距离，使雷达对准所述UWB定位标签的位置进行呼吸心率测量。
如图5所示，当UWB装置确认被测人员处于雷达有效探测区域内，且人员处于卧床或静坐姿态时，雷达探测系统根据UWB定位结果，调整雷达波束指向及目标检测距离区间，再进行呼吸及心率探测，从而保证测量的准确性及有效性。
进一步地，所述雷达为毫米波雷达，所述毫米波雷达的天线为多阵元收发天线；所述雷达的探测区域与UWB定位装置的监测范围一致。
如图6所示，毫米波雷达实现对人体的呼吸频率及心率探测，主要基于FMCW(调频连续波)体制及多阵元收发天线模式。如图1所示。
雷达前端采用多天线阵元，在雷达前端单元中实现多雷达通道信号同步接收及解调。雷达解调信号在信号处理单元实现雷达的目标检测、方位估计及回波信号相位估计等操作。雷达系统控制模块实现雷达发射信号产生控制及雷达场景应用控制等操作，并实现上位机接口操作。
如图7所示，雷达发射连续的脉冲线性调频信号(LFM)，通过雷达回波接收解调处理后，雷达对接收到每个调频信号脉冲内回波信号，通过傅里叶变换(FT)，得到回波信号频域波形图，该频域波形图对应于目标与雷达的距离关系。
在雷达频域波形上，通过信号检测，实现目标检测及距离估计，并通过持续的LFM信号处理，得到当前信号的瞬时相位波形图，该相位信号包括了人体呼吸参量及心率参量，雷达通过后续的数据处理，分别得到呼吸参数及心率参数估计。
雷达不同收发天线还可以形成多接收通道同时信号接收及处理，通过多通道信号间的瞬时信号相位关系，得到指定距离目标信号的方位分布情况。基于特定目标距离及方位信息，可以实现雷达目标空间位置分布图。基于多收发天线架构，雷达可以实现多目标同时跟踪及测量。
由于UWB装置具有较多的用户容量，系统可以引导雷达同时进行多用户呼吸及心率的同时探测。由于UWB定位精度较高，且位于胸腔位置，雷达可以比较准确的进行胸腔位置跟踪及呼吸心率信号探测。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法，其特征在于：包括以下内容：
获取UWB定位装置得到的目标人员的位置信息和运动状态；
判断所述目标人员的位置信息和运动状态，当所述目标人员位于雷达的探测区域且运动状态为静止或小幅度运动时，通过UWB定位装置引导雷达对目标人员观察最佳的胸腔位置进行呼吸心率探测。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法，其特征在于：
所述获取UWB定位装置得到的目标人员的位置信息和运动状态包括：在目标人员的胸腔位置佩戴UWB定位标签。
3.根据权利要求2所述的一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法，其特征在于：
所述获取UWB定位装置得到的目标人员的位置信息和运动状态还包括：使用3个～4个UWB测距定位基站，进行辅助定位。
4.根据权利要求2所述的一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法，其特征在于：
所述通过UWB定位装置引导雷达对目标人员观察最佳的胸腔位置进行呼吸心率探测包括：调整雷达波束指向及目标检测距离，使雷达对准所述UWB定位标签的位置进行呼吸心率测量。
5.根据权利要求1所述的一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量方法，其特征在于：
所述雷达为毫米波雷达，所述毫米波雷达的天线为多阵元收发天线，所述雷达的探测区域与UWB定位装置的监测范围一致。
6.一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量装置，其特征在于：
所述装置包括UWB定位装置和雷达，所述UWB定位装置和雷达连接；
所述UWB定位装置获取目标人员的位置信息和运动状态并判断所述目标人员的位置信息和运动状态，当所述目标人员位于雷达的探测区域且运动状态为静止或小幅度运动时，UWB定位装置引导雷达对目标人员观察最佳的胸腔位置进行呼吸心率探测。
7.根据权利要求6所述的一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量装置，其特征在于：
所述UWB定位装置包括UWB定位标签，所述UWB定位标签佩戴于目标人员的胸腔位置，获取目标人员的ID和位置信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量装置，其特征在于：
所述UWB定位装置还包括3个～4个UWB测距定位基站，所述UWB测距定位基站进行辅助定位。
9.根据权利要求6所述的一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量装置，其特征在于：
所述雷达为毫米波雷达，所述毫米波雷达的天线为多阵元收发天线。
10.根据权利要求6所述的一种基于UWB定位引导的呼吸心率动态测量装置，其特征在于：
所述UWB定位装置引导雷达对目标人员观察最佳的胸腔位置进行呼吸心率探测包括：调整雷达的波束指向及目标检测距离。
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