CN112558031A - 一种生命运动及体征监测方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生命运动及体征监测方法、系统及存储介质，属于毫米波雷达技术领域。该方法包括：对连续正弦毫米波以及线性调频毫米波进行复合得到复合波形毫米波；通过毫米波雷达利用复合波形毫米波进行室内生命运动及体征信息探测；以及利用包括生命运动及体征信息的回波基带信号，提取室内生命运动及体征信息。本发明能够优化毫米波雷达的应用场景，既可以进行室内生命运动信息监测又可以进行室内生命体征信息监测，实现一部雷达即可进行室内生命运动及体征等多种监测功能，降低了成本。
Description
技术领域
本申请涉及毫米波雷达技术领域，主要用于高端安防和智慧城市等领域，特别是一种生命运动及体征监测系统、方法及存储介质。
背景技术
在生命运动探测领域，毫米波雷达技术近些年来受到了极大地关注，其基于多发多收天线向监控区域发射线性调频毫米波信号，利用数字信号处理进行目标检测，输出距离、速度、角度等点云数据信息，实现卡尔曼滤波及聚类跟踪，完成对室内多个人体运动目标定位和个数的持续观测。在非接触生命特征监测领域，人体生理体征如心跳、呼吸会引起人体表面微动，从人体表面反射的回波被人体的生命体征信息调制,雷达探测器接收到电磁波信号,解调获得含有人体生命参数信息的中频信号,对该信号进行数字信号分析等处理,可以得到人体的生命体征信息。
当前室内生命活动及特征检测面临着许多困难的挑战，如何以低成本提供距离监测和微小位移监测是毫米波雷达产品面临的一大挑战，目前应用于生命运动领域的毫米波雷达系统采用线性调频毫米波体制，由于低速目标探测能力较差，无法有效检测人体生命微动，不能进行人体生理体征监测，同时，应用于生命特征监测领域的毫米波雷达系统采用连续正弦毫米波体制，不具备距离和角度定位能力，无法进行目标运动跟踪。
发明内容
本发明提供一种生命运动及体征监测方法、系统及存储介质，通过复合波形毫米波进行室内生命运动及体征信息探测，能够实现同时对目标生命运动信息以及目标生命体征信息进行采集。
为了解决上述问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种生命运动及体征监测方法，其包括：对连续正弦毫米波以及线性调频毫米波进行复合得到复合波形毫米波；通过毫米波雷达利用复合波形毫米波进行室内生命运动及体征信息探测；以及利用包括生命运动及体征信息的回波基带信号，提取室内生命运动及体征信息。
本发明采用的另一个技术方案是：提供一种生命运动及体征监测系统，其包括：
波形配置模块，用于配置通过毫米波雷达进行室内生命运动及体征信息探测的包括连续正弦毫米波、线性调频毫米波以及复合波形毫米波三者中的至少一者；信息探测模块，用于利用波形配置模块配置的毫米波波形进行室内生命运动及体征信息探测；信息提取模块，用于利用包括生命运动及体征信息的回波基带信号，提取室内生命运动及体征信息；波形配置模块包括用于对连续正弦毫米波以及线性调频毫米波进行复合得到复合波形毫米波的波形复合子单元。波形配置模块配置波形的模式包括人工配置模式和/或自动配置模式。
在本申请的另一个技术方案中，提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，其中计算机指令被操作以执行方案中的生命运动及体征监测方法。
本申请技术方案可以达到的有益效果是：优化毫米波雷达的的应用场景，既可以实现室内生命运动信息监测又可以实现室内目标生命体征信息监测，实现一部雷达即可完成室内生命运动及体征等多种监测功能，降低了成本。
附图说明
图1为本发明一种生命运动及体征监测方法一个实施方式的示意图；
图2为本发明一种生命运动及体征监测系统另一个实施方式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
现有的毫米雷达波在室内生命活动及特征检测等方面存在诸多困难，不存在既可进行非接触式生命运动信息监测，又能进行非接触式生命体征信息监测的系统和方案，这对毫米波雷达是一个巨大的挑战，它即要求多普勒位移探测精度极高，还要求在空间上能区分多个目标，提供较高的距离、速度、角度分辨率，目前的毫米波室内生命运动定位系统，微多普勒探测能力受杂波影响较大，且多普勒位移探测精度不高，应用于生命体征信息监测领域效果较差，非接触式毫米波生命特征监测系统若使用线性调频毫米波时，微多普勒探测能力受杂波影响较大，当使用连续正弦毫米波时可获得较高精度的生命体征信息，但很难检测到距离、角度等空间信息，无法进行目标定位。
针对上述现有技术中存在的问题，本申请提出一种生命运动及体征监测方法，此方法优化毫米波雷达的的应用场景，既可以实现室内生命运动信息监测又可以实现室内目标生命体征信息监测，实现一部雷达即可完成室内生命运动及体征等多种监测功能，降低了成本。
图1所示为本发明一种生命运动及体征监测方法一个实施方式的示意图。
在该具体实施方式中，本申请的生命运动及体征监测方法包括：过程S101：对连续正弦毫米波以及线性调频毫米波进行复合得到复合波形毫米波；过程S102：通过毫米波雷达利用复合波形毫米波进行室内生命运动及体征信息探测；过程S103：利用包括生命运动及体征信息的回波基带信号，提取室内生命运动及体征信息。
在图1所示的具体实施方式中，本申请的生命运动及体征监测方法包括过程S101：对连续正弦毫米波以及线性调频毫米波进行复合得到复合波形毫米波。
在本申请的一个具体实施例中，将连续正弦毫米波以及线性调频毫米波以相互嵌合的方式进行复合得到复合波形毫米波，此过程便于复合波形毫米波具备连续正弦毫米波以及线性调频毫米波的优点，可同时进行生命运动及体征监测。
在本申请的一个具体实例中，上述将连续正弦毫米波以及线性调频毫米波以相互嵌合的方式进行复合得到复合波形毫米波的过程包括，在两帧线性调频毫米波中间嵌入单音连续毫米波，由一帧线性调频毫米波和单音连续毫米波组成一帧第一复合波形毫米波，此处的单音连续毫米波表示一个单位长度的连续正弦毫米波。
在本申请的一个具体实例中，上述将连续正弦毫米波以及线性调频毫米波以相互嵌合的方式进行复合得到复合波形毫米波的过程包括，在单音连续毫米波中嵌入线性调频串，由单音连续毫米波和一帧线性调频脉冲串组成一帧第二复合波形毫米波，此处的一帧线性调频脉冲串表示一个单位长度的一帧线性调频毫米波。
在图1所示的具体实施方式中，本申请的生命运动及体征监测方法包括过程S102：通过毫米波雷达利用复合波形毫米波进行室内生命运动及体征信息探测。
在本申请的一个具体实施例中，上述通过毫米波雷达利用复合波形毫米波进行室内生命运动及体征信息探测过程包括，通过毫米波雷达默认利用连续正弦毫米波进行室内生命运动及体征信息探测，并对目标的运动状态进行判断；根据目标的运动状态，配置包括连续正弦毫米波、线性调频毫米波以及复合波形毫米波三者中的至少一者进行室内生命运动及体征信息探测，此过程便于优化配置波形以满足场景需要。
在本申请的一个具体实例中，上述对目标的运动状态进行判断以及配置波形的过程包括，毫米波雷达默认利用连续正弦毫米波进行室内生命运动及体征信息探测，工作时实时计算回波基带信号的多普勒相位的标准差，通过标准差来判断是否有运动目标存在，根据目标的运动状态，可智能配置连续正弦毫米波、线性调频毫米波以及复合波形毫米波三者中的至少一者，以确定包括目标距离、角度、速度等参数以及呼吸、心跳、手势以及摔倒信息，提取室内生命运动及体征信息。
在图1所示的具体实施方式中，本申请的生命运动及体征监测方法包括过程S103：利用包括生命运动及体征信息的回波基带信号，提取室内生命运动及体征信息。
在本申请的一个具体实施例中，上述利用包括生命运动及体征信息的回波基带信号，提取室内生命运动及体征信息的过程包括，利用包括生命运动及体征信息的回波基带信号提取线性调频基带信号；利用提取线性调频基带信号后的回波基带信号重构连续正弦基带信号；利用线性调频基带信号提取室内生命运动信息；以及利用连续正弦基带信号提取室内生命体征信息，此过程便于分离信号，完成室内生命运动及体征信息监测。
在本申请的一个具体实施例中，上述利用包括生命运动及体征信息的回波基带信号提取线性调频基带信号的过程包括，根据复合波形毫米波在相互嵌合时的时间间隔提取线性调频基带信号，此过程便于进一步分离信号。
在本申请的一个具体实例中，上述根据复合波形毫米波在相互嵌合时的时间间隔提取线性调频基带信号的过程包括，根据线性调频基带信号与连续正弦基带信号的变化频率差异，利用与线性调频毫米波等时宽的滑动窗口计算方差，以确定第一个线性调频基带信号的位置，根据第一个线性调频基带信号位置和复合波形毫米波中线性调频毫米波与连续正弦毫米波的设计时间间隔，确定其余的线性调频基带信号。
在本申请的一个具体实施例中，上述利用提取线性调频基带信号后的回波基带信号重构连续正弦基带信号的过程包括，利用线性插值代替在提取线性调频基带信号后的回波基带信号中被提取的线性调频基带信号，重构连续正弦基带信号，此过程便于完成信号分离。
在本申请的一个具体实例中，上述利用线性调频基带信号提取室内生命运动信息的过程包括，对线性调频基带信号下变频后进行数字采样，单个经过下变频的线性调频基带信号快时间内进行一维傅里叶变换处理后，一帧多个经过下变频的线性调频基带信号沿同一距离单元利用脉冲对消、静态杂波抑制等算法消除静止目标，对于运动目标，虽然下变频后的差频在距离向上保持不变，但多普勒向的相位信息会随着目标的运动发生变化，因此，可以通过时域及频域差频信号的对消或均值移除来消除静止目标的杂波。将雷达CFAR检测呈现的一簇凝聚的点云，利用点云聚类方法进行目标预测、关联和更新，获取运动目标的室内生命运动信息。此处的室内生命运动信息包括运动目标距离、角度、速度等参数。
在本申请的一个具体实例中，上述利用连续正弦基带信号提取室内生命体征信息的过程包括，由于静止目标微小运动造成了回波基带信号相位调制，因此对回波基带信号中的连续正弦基带信号实施相位解调就可获取静止目标的室内生命体征信息，当静止目标位移超出预定范围，通过相位解缠来获取静止目标的实际位移。此处的室内生命体征信息包括呼吸、心跳、手势以及摔倒信息。
图2所示为本发明一种生命运动及体征监测系统一个实施方式的示意图。
在该具体实施方式中，本申请的生命运动及体征监测系统包括：波形配置模块，用于配置通过毫米波雷达进行室内生命运动及体征信息探测的包括连续正弦毫米波、线性调频毫米波以及复合波形毫米波三者中的至少一者；信息探测模块，用于利用波形配置模块配置的毫米波波形进行室内生命运动及体征信息探测；信息提取模块，用于利用包括生命运动及体征信息的回波基带信号，提取室内生命运动及体征信息；波形配置模块包括用于对连续正弦毫米波以及线性调频毫米波进行复合得到复合波形毫米波的波形复合子单元。
在本申请的一个具体实施例中，波形配置模块配置波形的模式包括人工配置模式和/或自动配置模式，此设计便于人工或自动配置波形以满足场景需要。
在本申请的一个具体实例中，通过人工配置模式可选择连续正弦毫米波、线性调频毫米波以及复合波形毫米波三者中的至少一者；通过自动配置模式可选择连续正弦毫米波以及复合波形毫米波二者中的至少一者。
在本申请的一个具体实施例中，波形配置模块的自动配置模式通过毫米波雷达默认利用连续正弦毫米波进行室内生命运动及体征信息探测，并对目标的运动状态进行判断；根据目标的运动状态，配置包括连续正弦毫米波、线性调频毫米波以及复合波形毫米波三者中的至少一者进行室内生命运动及体征信息探测，此设计便于智能配置波形以满足场景需要。
在本申请的一个具体实例中，毫米波雷达默认利用连续正弦毫米波进行室内生命运动及体征信息探测，工作时实时计算回波基带信号的多普勒相位的标准差，通过标准差来判断是否有运动目标存在，当存在运动目标时，可智能配置复合波形毫米波，以确定包括目标距离、角度、速度等参数以及呼吸、心跳、手势以及摔倒信息，提取室内生命运动及体征信息。
通过本申请生命运动及体征监测方法的应用，优化毫米波雷达的的应用场景，可进行人工波形选择和自动波形选择，在线性调频毫米波、正弦连续毫米波、复合波形毫米波下切换工作，线性调频毫米波完成人员的定位跟踪，正弦连续毫米波完成微弱的生理活动监测，复合波形毫米波既可以完成人员的定位跟踪又可以完成微弱的生理活动监测，既可以实现室内生命运动信息监测又可以实现室内生命体征信息监测，实现一部雷达即可完成室内生命运动及体征等多种监测功能，降低了成本。
本发明提供的生命运动及体征监测系统，可用于执行上述任一实施例描述的生命运动及体征监测方法，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
在本申请的一个具体实施方式中，一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，其中计算机指令被操作以执行任一实施例描述的生命运动及体征监测方法。其中，该存储介质可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中或在两者的组合中。
软件模块可驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储介质中。示范性存储介质耦合到处理器，使得处理器可从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。
处理器可以是中央处理单元(英文：Central Processing Unit，简称：CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(英文：Application Specific Integrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(英文：Field Programmable Gate Array，简称：FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合等。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或一个以上微处理器或任何其它此类配置。在替代方案中，存储介质可与处理器成一体式。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替代方案中，处理器和存储介质可作为离散组件驻留在用户终端中。
在本申请的一个具体实施方式中，一种计算机设备，其包括处理器和存储器，存储器存储有计算机指令，其中：处理器操作计算机指令以执行任一实施例描述的生命运动及体征监测方法。
在本申请所提供的实施方式中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种生命运动及体征监测方法，其特征在于包括，
对连续正弦毫米波以及线性调频毫米波进行复合得到复合波形毫米波；
通过毫米波雷达利用所述复合波形毫米波进行室内生命运动及体征信息探测；以及，
利用包括所述生命运动及体征信息的回波基带信号，提取所述室内生命运动及体征信息。
2.根据权利要求1所述的生命运动及体征监测方法，其特征在于，所述对连续正弦毫米波以及线性调频毫米波进行复合得到复合波形毫米波的过程包括，
将所述连续正弦毫米波以及所述线性调频毫米波以相互嵌合的方式进行复合得到所述复合波形毫米波。
3.根据权利要求1所述的生命运动及体征监测方法，其特征在于，所述通过毫米波雷达利用所述复合波形毫米波进行室内生命运动及体征信息探测的过程包括，
通过毫米波雷达利用所述连续正弦毫米波进行所述室内生命运动及体征信息探测，并对目标的运动状态进行判断；
根据所述目标的运动状态，利用所述复合波形毫米波进行所述室内生命运动及体征信息探测。
4.根据权利要求1所述的生命运动及体征监测方法，其特征在于，所述利用包括所述生命运动及体征信息的回波基带信号，提取所述生命运动及体征信息的过程包括，
利用所述包括所述生命运动及体征信息的回波基带信号提取线性调频基带信号；
利用所述提取线性调频基带信号后的所述回波基带信号重构连续正弦基带信号；
利用所述线性调频基带信号提取室内生命运动信息；
以及利用所述连续正弦基带信号提取室内生命体征信息。
5.根据权利要求4所述的生命运动及体征监测方法，其特征在于，所述利用所述包括所述生命运动及体征信息的回波基带信号提取线性调频基带信号的过程包括，
根据所述复合波形毫米波在所述相互嵌合时的时间间隔提取所述线性调频基带信号。
6.根据权利要求4所述的生命运动及体征监测方法，其特征在于，所述利用所述提取线性调频基带信号后的所述回波基带信号重构连续正弦基带信号的过程包括，
利用线性插值代替在所述提取线性调频基带信号后的所述回波基带信号中被提取的所述线性调频基带信号，重构所述连续正弦基带信号。
7.一种生命运动及体征监测系统，其特征在于包括，
波形配置模块，用于配置通过毫米波雷达进行室内生命运动及体征信息探测的包括连续正弦毫米波、线性调频毫米波以及复合波形毫米波三者中的至少一者；
信息探测模块，用于利用所述波形配置模块配置的毫米波波形进行室内生命运动及体征信息探测；
信息提取模块，用于利用包括所述生命运动及体征信息的回波基带信号，提取所述室内生命运动及体征信息；
所述波形配置模块包括用于对所述连续正弦毫米波以及所述线性调频毫米波进行复合得到所述复合波形毫米波的波形复合子单元。
8.根据权利要求7所述的生命运动及体征监测系统，其特征在于，所述波形配置模块配置波形的模式包括人工配置模式和/或自动配置模式。
9.根据权利要求8所述的生命运动及体征监测系统，其特征在于，
所述波形配置模块的所述自动配置模式通过毫米波雷达利用所述连续正弦毫米波进行所述室内生命运动及体征信息探测，并对目标的运动状态进行判断；根据所述目标的运动状态，利用所述复合波形毫米波进行所述室内生命运动及体征信息探测。
10.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，其中所述计算机指令被操作以执行权利要求1～6所述的生命运动及体征监测方法。
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