CN113109808B - 基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置 - Google Patents
基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中通过对所述多普勒信号的数字化处理和时频分析，获取对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的幅度信息的一时频数字信息编码，以基于人体呈不同频率变化的速度分量与相应动作的对应关系，通过调取至少一个时间窗口的所述时频信息编码，并比较所调取的时间窗口的所述时频信息编码的频率成分以及对应频率成分的幅度信息是否满足相应预设范围的方式，实现对与预设范围的频率相对应的动作的探测与识别，进而鉴于人体的呼吸动作和/或心跳动作的周期连续性及与其他人体动作频率范围和环境干扰动作频率范围的不同，在不限制人体静态的状态，识别人体的呼吸动作和/或心跳动作的存在与否。
Description
技术领域
本发明涉及微波探测领域，特别涉及一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置。
背景技术
微波探测技术是基于微波多普勒效应原理进行工作的，其能够对一目标空间的活动动作进行探测，以判断所述目标空间内是否有人体进入和存在，从而能够在后续的应用中，根据相应的探测结果对相应的电气设备做出具体的控制。比如说，微波探测技术能够被应用于一灯具的照明控制，具体基于对所述灯具的使用环境中是否有人体进入或存在进行探测，以根据探测结果控制所述灯具的照明状态。具体地，相应微波探测器被一激励信号馈电而发射对应所述激励信号的频率一微波波束至所述目标空间，进而于所述目标空间形成一探测区域，和接收所述微波波束被所述探测区域内的相应物体反射形成的一反射回波而传输对应该反射回波频率的一回波信号至一混频检波单元，其中所述混频检波单元混频所述激励信号和所述回波信号而输出对应于所述激励信号和所述回波信号之间的频率/相位差异的一多普勒中频信号，其中基于多普勒效应原理，在反射所述微波波束的该物体处于运动的状态时，所述回波信号与所述激励信号之间具有一定的频率/相位差异而于所述多普勒中频信号呈现相应的幅度波动，即所述多普勒中频信号为一时域信号，对应于图1A，横坐标是时间，纵坐标是所述多普勒中频信号的幅度，其中所述多普勒中频信号的幅度同时关联于相应运动物体的反射面大小和运动强度以及与所述微波探测器之间的距离，其中可以理解的是，对任一时刻而言，相应运动物体的反射面大小和与所述微波探测器之间的距离可以认为是不变的，因此所述多普勒中频信号的幅度能够在时域上表征相应运动物体的运动强度，即多普勒频移fd，其中fd＝2f0*v*cosθ/c，对应于图1B，其中f0为所述激励信号的频率，v*cosθ为该运动物体在朝向所述微波探测器方向的速度分量，即v为该运动物体的运动速度，θ为该运动物体的速度方向与朝向所述微波探测器方向的夹角，c为电磁波的传输速度而取光速。
也就是说，所述多普勒中频信号可用于反馈相应物体的运动信息，如在相应物体为人体的状态，所述多普勒中频信号可用于反馈人体活动信息，包含人体移动信息、微动信息以及呼吸和心跳信息。然而，由于人体呼吸和心跳动作的强度过低，对应产生的多普勒频移fd过低，具体体现为所述多普勒中频信号中与人体呼吸和心跳相对应的信号幅度过低，并在所述多普勒中频信号中同时存在对应于人体移动的信号或环境干扰时，如一定存在的50Hz或60Hz电网干扰、和可能存在的高频电磁干扰、空调与排风机引起的振动干扰、小动物引起的误动作干扰、风雨干扰等的环境干扰，所述多普勒中频信号中对应人体呼吸和心跳动作的信号幅度与对应人体移动动作或环境干扰的信号幅度呈两个数量级以上的倍数差，即百倍以上的电压倍数差，则受限于相应元器件的电压区间和灵敏度，对所述多普勒中频信号的放大倍率不能过大，并当人体的部分呼吸和心跳动作在时域上与人体的移动动作或环境干扰同时发生时，所述多普勒中频信号中部分对应人体呼吸和心跳动作的信号幅度与对应人体移动动作或环境干扰的信号幅度在时域上重叠而叠加，此外人体的各个动作和环境干扰动作的径向速度具有一个变化过程，对应造成不同动作的径向速度具有一定的交叉区间而具有部分相同的数值，即所述多普勒中频信号中于不同时域对应不同动作的信号的即时幅度基于公式fd＝2f0*v*cosθ/c具有部分相同的数值，则相应所述多普勒中频信号中对应人体呼吸和心跳动作的信号无法在幅度上直接或通过大倍数放大的方式被识别和提取，因此目前的基于多普勒效应原理对包括人体呼吸和心跳动作的微动动作探测需要保持相应微波探测器与被探测人体之间在1m左右的近距离范围内，以保障所述多普勒中频信号中与人体呼吸和心跳相对应的信号幅度，并需要避免上述环境干扰和人体移动动作干扰而要求被探测人体处于静态，以使得所述多普勒中频信号能够被大倍数放大而独立大倍数放大对应于人体呼吸和心跳动作的信号幅度至能够被识别和提取的强度，故而目前的基于多普勒效应原理对人体呼吸和心跳动作的探测仅停留在实验室水平。
具体地，目前的基于多普勒效应原理的所述微波探测器主要被应用于人体移动探测，具体在获取所述多普勒中频信号后，对所述多普勒中频信号进行一定倍率的放大，并滤除所述多普勒中频信号中对应于高频电磁干扰的高频信号，和对应于供电电网频率及其倍频频率的低频信号，进而基于对所述多普勒中频信号在幅度上的相应阈值设定，以所述多普勒中频信号的幅度高于该阈值的状态表征所述探测区域存在人体移动动作。然而，通过这样的方式，由于同时滤除了相关的频率信号和对所述多普勒信号的放大倍率不能过大，造成现有的微波探测器无法对人体的细微动作，如呼吸、心跳以及肢体微动等进行检测和监测，因而在人体处于静态的状态会出现人体不存在于所述探测区域的误判，即无法精准判断所述探测区域是否存在人体，因而不利于所述微波探测器在智能化领域的应用。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中通过对所述多普勒信号的频域分析，能够获取时域信号形式的所述多普勒信号在频域上所包含的不同频率的信号成分，即基于时域信号形式的所述多普勒信号的幅度与多普勒频移fd＝2f0*v*cosθ/c的对应关系，等效于获取了所述多普勒频移fd＝2f0*v*cosθ/c在频域上所包含的不同频率的多普勒频移分量，如此以基于运动物体的呈不同频率变化的速度分量与呈相应频率变化的动作的对应关系，识别所述多普勒信号所包含的运动物体的动作频率。
本发明的另一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中通过对所述多普勒信号的时频分析，能够进一步获取所述多普勒信号所包含的不同频率的信号成分在时域上的分布，从而识别运动物体的不同频率的动作在时域上的分布，如此以在运动物体为人体的状态，基于人体的呼吸动作和/或心跳动作的周期连续性，以及人体的呼吸动作频率范围和/心跳动作频率范围与其他人体动作频率范围和环境干扰动作频率范围的不同，在不限制人体静态的状态，识别人体的呼吸动作和/或心跳动作的存在与否，并允许进一步基于不同人体的呼吸动作频率和/或心跳动作的频率的不同识别人体数量或身份，从而基于对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别，提高对人体存在与否的探测的精准度。
本发明的另一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中鉴于人体的呼吸动作和/或心跳动作的频率处于低于3Hz的极低频率范围，在此极低频率的范围内极少存在有电磁辐射和其他动作干扰，相当于形成了电磁静默环境，如此以在基于对所述多普勒信号的时频分析，获取到所述多普勒信号包含小于等于3Hz的信号成分时，所述多普勒信号所包含的小于等于3Hz的信号成分极大概率对应人体的呼吸动作和/或心跳动作，并在所述多普勒信号所包含的小于等于3Hz的信号成分在时域上具有周期连续性时，能够更大概率对应人体的呼吸动作和/或心跳动作，从而基于对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别，提高对人体存在与否的探测的精准度。
本发明的另一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中通过对所述多普勒信号的分时段数字化处理生成一系列时域数字信息编码，即各所述时域数字信息编码对应于相应时段的所述多普勒信号在时域上的幅度信息，和通过对各所述时域数字信息编码的频域分析生成一系列频域数字信息编码，以基于各所述频域数字信息编码在时域上的分布等效形成对所述多普勒信号的时频分析，其中各时段具有大于等于1/3秒的时长，以满足至少一次心跳的周期时长需求，并优选地大于等于3秒，以满足至少一次呼吸周期的时长需求。
本发明的另一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中通过对所述多普勒信号的采样和量化编码形成对所述多普勒信号的数字化处理，并通过对所述多普勒信号的分时段采样或分时段量化编码形成对所述多普勒信号的分时段数字化处理，以生成对应相应时段的所述多普勒信号在时域上的幅度信息的一系列所述时域数字信息编码。
本发明的另一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中通过对所述多普勒信号的数字化处理生成一时域数字信息编码，即所述时域数字信息编码对应所述多普勒信号在时域上的幅度信息，和通过对所述时域数字信息编码的时频分析生成一时频数字信息编码，即所述时频数字信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的幅度信息。
本发明的另一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中通过对所述时频数字信息编码的至少一个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息与相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围进行比较，以基于相应的比较结果实现对预设频率范围的动作的探测与识别。
本发明的另一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中通过对所述时频数字信息编码的至少一个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息与不同预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围进行比较，以基于相应的比较结果实现对不同预设频率范围的动作的混合探测与识别，从而有利于基于对不同预设频率范围的动作的混合探测判定人体活动状态。
本发明的另一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中通过比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否满足相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围的方式，在预设的频率范围小于等于3Hz的状态，实现对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别，并能够排除非连续的极低频动作干扰，从而有利于提高对人体存在与否的探测的精准度。
本发明的另一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中基于数字化的比较和计算，对预设的频率范围的设定允许在小于等于3Hz的频率范围内进一步设定或剔除一窄频通道，以鉴于连续的极低频机械动作的高度一致性，在对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作进行探测与识别的同时，识别或剔除连续的极低频机械动作干扰。
本发明的另一个目的在于提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置，其中通过比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息的方式，当所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分中存在频率和幅度同时在20％的误差范围内相同的频率成分时，自动设定或于所述预设频率范围剔除所述窄频通道，以鉴于连续的极低频机械动作的高度一致性，在对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作进行探测与识别的同时，自动识别或剔除连续的极低频机械动作干扰。
根据本发明的一个方面，本发明提供一基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理方法包括以下步骤：
(A)数字化处理一多普勒信号，以形成对所述多普勒信号在时域上的采样和量化编码而生成一时域数字信息编码，则所述时域数字信息编码对应所述多普勒信号在不同时间点的幅度信息，其中所述多普勒信号为基于多普勒效应原理对应于一微波波束和所述微波波束被相应物体反射形成的一反射回波之间的频率/相位差异的一时域信号；
(B)时频分析所述时域数字信息编码而生成一时频信息编码，其中所述时频信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的幅度信息；以及
(C)调取至少一个时间窗口的所述时频信息编码，并比较所调取的时间窗口的所述时频信息编码的频率成分以及对应频率成分的幅度信息是否满足相应预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，以基于相应的比较结果实现对与预设频率范围的频率相对应的动作的探测与识别。
在一实施例中，其中在所述步骤(B)中，采用短时傅立叶变换、小波变换以及希尔伯特黄变换之任一算法实施对所述时域数字信息编码的时频分析而生成所述时频信息编码。
在一实施例中，其中在所述步骤(B)中，采用短时傅立叶变换算法实施对所述时域数字信息编码的时频分析，即以相应时长对所述时域数字信息编码加窗，和对相应时间窗口的所述时域数字信息编码进行频域分析而形成对所述时域数字信息编码的时频分析，其中以相应时长对所述时域数字信息编码加窗所形成的至少一个时间窗口的时长大于等于1/3秒，以满足至少一次心跳的周期时长需求。
在一实施例中，其中在所述步骤(B)中，以相应时长对所述时域数字信息编码加窗所形成的至少一个时间窗口的时长大于等于3秒，以满足至少一次呼吸周期的时长需求。
在一实施例中，其中在所述步骤(B)中，以滑动时长对所述时域数字信息编码滑动加窗形成至少两个不同时长的时间窗口，以提高所述时频信息编码的频率成分在时域上的精度。
在一实施例中，其中在所述步骤(B)中，基于所述时频信息编码中满足一定幅度要求的最小频率成分反馈调节对所述时域数字信息编码的最大加窗时长，以自适应调节所述时域数字信息编码的最大加窗时长至与该频率成分的周期时长相对应的方式，降低所述时频信息编码的时延和保障所述时频信息编码在频域上的精度。
在一实施例中，其中在所述步骤(A)中，通过分时段数字化处理所述多普勒信号的方式生成一系列所述时域数字信息编码，则各所述时域数字信息编码对应于相应时段的所述多普勒信号在时域上的幅度信息，和在所述步骤(B)中，通过对各所述时域数字信息编码的频域分析生成一系列频域数字信息编码，以基于各所述频域数字信息编码在时域上的分布形成所述时频信息编码而等效形成对所述多普勒信号的时频分析，即各所述频域数字信息编码在时域上的分布分别对应一个时间窗口的所述时频信息编码，其中各时间窗口的时长对应于相应所述时域数字信息编码的时段长。
在一实施例中，其中在所述步骤(A)中，各时段具有大于等于1/3秒的时长，以满足至少一次心跳的周期时长需求。
在一实施例中，其中在所述步骤(A)中，各时段具有大于等于3秒的时长，以满足至少一次呼吸周期的时长需求。
在一实施例中，其中在所述步骤(A)中，通过对所述多普勒信号的分时段采样，或对采样的信号的分时段量化编码形成对所述多普勒信号的分时段数字化处理。
在一实施例中，其中在所述步骤(B)中，对所述时域数字信息编码的时频分析进一步包括频谱能量谱密度或功率谱密度计算步骤，即所述时频信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的能量密度信息或功率密度信息。
在一实施例中，其中在所述步骤(C)中，至少一预设频率范围被设置处于小于等于3Hz的频率范围，以基于相应的比较结果实现对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别。
在一实施例中，其中在所述步骤(C)中，比较所述时频信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否同时满足相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围，以在预设的频率范围处于小于等于3Hz的频率范围的状态，排除非连续的极低频动作对人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别的干扰。
在一实施例中，其中在所述步骤(C)中，预设至少两个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，和比较所调取的时间窗口的所述时频信息编码的频率成分以及对应频率成分的幅度信息是否分别满足各个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，以基于相应的比较结果实现对与不同预设频率范围的频率相对应的动作的混合探测与识别。
在一实施例中，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理方法进一步包括步骤：
(D)比较所述时频信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息，并当所述时频信息编码的至少两个时间窗口的频率成分中存在频率和幅度同时在20％的误差范围内相同的频率成分时，设定或于所述预设频率范围剔除一窄频通道，以鉴于连续的极低频机械动作的高度一致性，识别或剔除连续的极低频机械动作干扰。
在一实施例中，其中所述步骤(D)在所述步骤(C)之前被执行。
在一实施例中，所述步骤(D)在所述步骤(C)执行期间被维持执行。
在一实施例中，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理方法进一步包括步骤：
(E)以处于小于50Hz的频率范围内的目标频率范围对所述多普勒信号进行滤波处理，以滤除所述多普勒信号中目标频率之外的频率成分，从而滤除所述多普勒信号中的对应于高频电磁干扰的高频信号和对应于供电电网频率及其倍频频率的信号。
在一实施例中，其中在所述步骤(E)中，在对所述多普勒信号数字化处理之前对所述多普勒信号进行滤波处理，即所述步骤(E)在所述步骤(A)之前被执行。
在一实施例中，其中在所述步骤(E)中，对所述时频信息编码进行滤波分析以形成对数字化形态的所述多普勒信号的滤波处理，即所述步骤(E)在所述步骤(A)之后被执行。
在一实施例中，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理方法进一步包括步骤：
(F)放大处理所述多普勒信号，以使得所述多普勒信号的幅度满足所述步骤(A)中的采样要求。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理装置包括：
一A/D转换单元，其中所述A/D转换单元包括一采样单元和一量化编码单元，其中所述采样单元对模拟信号形态的一多普勒信号采样，所述量化编码单元对采样的信号进行量化编码而生成一时域数字信息编码，则所述时域数字信息编码对应所述多普勒信号在不同时间点的幅度信息，其中所述多普勒信号为基于多普勒效应原理对应于一微波波束和所述微波波束被相应物体反射形成的一反射回波之间的频率/相位差异的一时频信号；
一时频分析单元，其中所述时频分析单元对所述时域数字信息编码进行时频分析以生成一时频信息编码，其中所述时频信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的幅度信息；以及
一比较单元，其中所述比较单元预设有至少一个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，其中所述比较单元调取至少一个时间窗口的所述时频信息编码，并比较所调取的时间窗口的所述时频信息编码的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否满足相应预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，以基于相应的比较结果实现对与预设频率范围的频率相对应的动作的探测与识别。
在一实施例中，其中所述时频分析单元被设置采用短时傅立叶变换、小波变换以及希尔伯特黄变换之任一算法实施对所述时域数字信息编码的时频分析而生成所述时频信息编码。
在一实施例中，其中所述采样单元被设置对多普勒信号分时段采样以形成对所述多普勒信号的分时段数字化处理而生成一系列的所述时域数字信息编码，其中所述时频分析单元被设置采用傅立叶变换对各所述时域数字信息编码的进行频域分析而生成一系列频域数字信息编码，以基于各所述频域数字信息编码在时域上的分布形成所述时频信息编码而等效形成对所述多普勒信号的时频分析，即各所述频域数字信息编码在时域上的分布分别对应一个时间窗口的所述时频信息编码，其中各时间窗口的时长对应于相应所述时域数字信息编码的时段长。
在一实施例中，其中所述量化编码单元被设置对采样的信号进行分时段量化编码以形成对所述多普勒信号的分时段数字化处理而生成一系列的所述时域数字信息编码，其中所述时频分析单元被设置采用傅立叶变换对各所述时域数字信息编码的进行频域分析而生成一系列频域数字信息编码，以基于各所述频域数字信息编码在时域上的分布形成所述时频信息编码而等效形成对所述多普勒信号的时频分析，即各所述频域数字信息编码在时域上的分布分别对应一个时间窗口的所述时频信息编码，其中各时间窗口的时长对应于相应所述时域数字信息编码的时段长。
在一实施例中，其中所述比较单元的至少一预设频率范围被设置处于小于等于3Hz的频率范围，以基于相应的比较结果实现对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别。
在一实施例中，其中所述比较单元被设置通过比较所述时频信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否同时满足相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围的方式，在预设的频率范围处于小于等于3Hz的频率范围的状态，排除非连续的极低频动作对人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别的干扰。
在一实施例中，其中所述比较单元预设有至少两个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，并被设置通过比较所调取的时间窗口的所述时频信息编码的频率成分以及对应频率成分的幅度信息是否分别满足各个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围的方式，基于相应的比较结果实现对与不同预设频率范围的频率相对应的动作的混合探测与识别。
在一实施例中，其中所述比较单元比较所述时频信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息，并当所述时频信息编码的至少两个时间窗口的频率成分中存在频率和幅度同时在20％的误差范围内相同的频率成分时，设定或于所述预设频率范围剔除一窄频通道，以鉴于连续的极低频机械动作的高度一致性，识别或剔除连续的极低频机械动作干扰。
在一实施例中，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理装置进一步包括一滤波单元，其中所述滤波单元被设置以处于小于50Hz的频率范围内的目标频率范围对所述多普勒信号进行滤波处理。
在一实施例中，其中所述滤波单元被设置在所述采样单元对所述多普勒信号进行采样之前对所述多普勒信号进行滤波处理。
在一实施例中，其中所述滤波单元被设置以对所述时频信息编码进行滤波分析的方式形成对所述多普勒信号的滤波处理。
在一实施例中，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理装置进一步包括一放大电路，其中所述放大电路被设置在所述采样单元对所述多普勒信号进行采样之前对所述多普勒信号进行放大处理，以使得所述多普勒信号的幅度满足所述采样单元的采样要求。
附图说明
图1A为在不限制人体静态的状态基于多普勒效应原理获得的时域信号形态的多普勒中频信号的示意图。
图1B为现有微波探测单元在垂直探测应用场景的应用示意图。
图2A为依本发明的一实施例的一基于存在探测的多普勒信号处理装置的逻辑框架示意图。
图2B为依本发明的一实施例的一基于存在探测的多普勒信号处理方法对相应多普勒信号的时频分析的部分逻辑示意图。
图2C为依本发明的另一实施例的一基于存在探测的多普勒信号处理方法对相应多普勒信号的时频分析的部分逻辑示意图。
图2D为依本发明的另一实施例的一基于存在探测的多普勒信号处理方法对相应多普勒信号的时频分析的部分逻辑示意图。
图3为依本发明的另一实施例的一基于存在探测的多普勒信号处理方法的部分逻辑流程示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参照图2A，根据本发明的一较佳实施例的一基于存在探测的多普勒信号处理方法和装置100将在接下来的描述中被阐述，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100基于所述基于存在探测的多普勒信号处理方法能够精确地探测到一探测区域内是否有人体存在。具体地，只要人体存在于所述探测区域内，所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100就能够探测人体的至少一动作，例如但不限于人体的移动动作、微动动作、呼吸动作以及心跳动作等，以判断人体存在于所述探测区域，进而提高了所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100的探测精确性。值得一提的是，通过这样的方式，当所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100在后续被应用于控制一电气设备200时，所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100能够根据所述探测区域内的人体的所述动作准确地控制所述电气设备200的工作状态，无需人体主动配合所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100的工作，进而提供更智能化和人性化的服务，以利于提高使用体验。
具体地，相应微波探测单元被一激励信号馈电而发射对应所述激励信号的频率一微波波束至一目标空间，进而于所述目标空间形成所述探测区域，和接收所述微波波束被所述探测区域内的相应物体反射形成的一反射回波而传输对应该反射回波频率的一回波信号至一混频检波单元，其中所述混频检波单元混频所述激励信号和所述回波信号而输出对应于所述激励信号和所述回波信号之间的频率/相位差异的一多普勒信号，其中基于多普勒效应原理，在反射所述微波波束的该物体处于运动的状态时，所述回波信号与所述激励信号之间具有一定的频率/相位差异而于所述多普勒信号呈现相应的幅度波动，即所述多普勒信号为一时域信号，其中所述多普勒信号的幅度同时关联于相应运动物体的反射面大小和运动强度以及与所述微波探测单元之间的距离，其中可以理解的是，对任一时刻而言，相应运动物体的反射面大小和与所述微波探测单元之间的距离可以认为是不变的，因此所述多普勒信号的幅度能够在时域上表征相应运动物体的运动强度，即多普勒频移fd，其中fd＝2f0*v*cosθ/c，其中f0为所述激励信号的频率，v*cosθ为该运动物体在朝向所述微波探测单元方向的速度分量，即v为该运动物体的运动速度，θ为该运动物体的速度方向与朝向所述微波探测单元方向的夹角，c为电磁波的传输速度而取光速。
值得一提的是，所述多普勒信号的幅度包含了所述多普勒信号的强弱信息与所述多普勒信号的强弱信息随时间的周期变化信息，即所述多普勒信号的频率信息，则对应对应于图2B，基于对所述多普勒信号的频域分析，能够获取时域信号形式的所述多普勒信号在频域上所包含的不同频率的信号成分，即基于时域信号形式的所述多普勒信号的幅度与多普勒频移fd＝2f0*v*cosθ/c的对应关系，等效于获取了所述多普勒频移fd(t)＝2f0*v(t)*cosθ/c在频域上所包含的不同频率的多普勒频移分量，如此以基于运动物体的呈不同频率变化的速度分量与呈相应频率变化的动作的对应关系，识别所述多普勒信号所包含的运动物体的动作频率。
具体地，所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100通过对所述多普勒信号的时频分析，进一步获取所述多普勒信号所包含的不同频率的信号成分在时域上的分布，从而识别运动物体的不同频率的动作在时域上的分布，如此以在运动物体为人体的状态，基于人体的呼吸动作和/或心跳动作的周期连续性，以及人体的呼吸动作频率范围和/心跳动作频率范围与其他人体动作频率范围和环境干扰动作频率范围的不同，在不限制人体静态的状态，识别人体的呼吸动作和/或心跳动作的存在与否，并允许进一步基于不同人体的呼吸动作频率和/或心跳动作的频率的不同识别人体数量或身份，从而基于对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别，提高对人体存在与否的探测的精准度。
可以理解的是，鉴于人体的呼吸动作和/或心跳动作的频率处于低于3Hz的极低频率范围，在此极低频率的范围内极少存在有电磁辐射和其他动作干扰，相当于形成了电磁静默环境，如此以在基于对所述多普勒信号的时频分析，获取到所述多普勒信号包含小于等于3Hz的信号成分时，所述多普勒信号所包含的小于等于3Hz的信号成分极大概率对应人体的呼吸动作和/或心跳动作，并在所述多普勒信号所包含的小于等于3Hz的信号成分在时域上具有周期连续性时，能够更大概率对应人体的呼吸动作和/或心跳动作，从而基于对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别，提高对人体存在与否的探测的精准度。
具体地，所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100包括一A/D转换单元110和一时频分析单元120，其中所述A/D转换单元110将模拟信号形态的所述多普勒信号转换为数字信号形态，具体地，所述A/D转换单元110包括一采样单元111和一量化编码单元112，其中所述采样单元111对模拟信号形态的所述多普勒信号采样，所述量化编码单元112对采样的信号进行量化编码而生成一时域数字信息编码，如此以形成对所述多普勒信号的数字化处理，其中所述时域数字信息编码对应于所述多普勒信号在时域上的幅度信息。
进一步地，所述时频分析单元120对所述时域数字信息编码进行时频分析以生成一时频数字信息编码，即所述时频数字信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的幅度信息，包括但不限于强度信息、能量密度信息以及功率密度信息。
具体地，所述时频分析单元120被设置采用短时傅立叶变换、小波变换以及希尔伯特黄变换之任一算法实施对所述时域数字信息编码的时频分析而生成所述时频数字信息编码，所述时频数字信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的强度信息，其中优选地，在所述时频分析单元120被设置采用短时傅立叶变换算法实施对所述时域数字信息编码的时频分析的状态，即以相应时长对所述时域数字信息编码加窗，和对相应时间窗口的所述时域数字信息编码进行频域分析而形成对所述时域数字信息编码的时频分析，对短时傅立叶变换算法的加窗大于等于1/3秒的时长，以满足至少一次心跳的周期时长需求，并优选地大于等于3秒，以满足至少一次呼吸周期的时长需求。
值得一提的是，在本发明的这个实施例中，对所述时域数字信息编码的时频分析优选地以滑动时长对所述时域数字信息编码滑动加窗，如以固定时长在时域上的滑动对所述时域数字信息编码加窗形成相互叠加或连续或间隔的至少两个时间窗口，或以滑动时长对所述时域数字信息编码加窗形成至少两个不同时长的时间窗口，以提高所述时频信息编码的频率成分在时域上的精度。
特别地，在本发明的这个实施例中，在对所述时域数字信息编码的时频分析中，进一步基于所述时频信息编码中满足一定幅度要求(如图2B中满足大于V1幅度要求)的最小频率成分反馈调节对所述时域数字信息编码的最大加窗时长，以自适应调节所述时域数字信息编码的最大加窗时长至与该频率成分的周期时长相对应的方式，降低所述时频信息编码的时延和保障所述时频信息编码在频域上的精度。
在本发明的一些实施例中，其中通过对所述多普勒信号的分时段数字化处理生成一系列所述时域数字信息编码，即各所述时域数字信息编码对应于相应时段的所述多普勒信号在时域上的幅度信息，和通过对各所述时域数字信息编码的频域分析生成一系列频域数字信息编码，以基于各所述频域数字信息编码在时域上的分布形成所述时频数字信息编码而等效形成对所述多普勒信号的时频分析，即各所述频域数字信息编码在时域上的分布分别对应一个时间窗口的所述时频信息编码，其中各时间窗口的时长对应于相应所述时域数字信息编码的时段长，其中各时段具有大于等于1/3秒的时长，以满足至少一次心跳的周期时长需求，并优选地大于等于3秒，以满足至少一次呼吸周期的时长需求。
具体地，所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100通过所述A/D转换单元110的所述采样单元110和所述量化编码单元112对所述多普勒信号的采样和量化编码形成对所述多普勒信号的数字化处理，并具体通过所述采样单元110对所述多普勒信号的分时段采样，或通过所述量化编码单元112对采样的信号的分时段量化编码形成对所述多普勒信号的分时段数字化处理，以生成对应相应时段的所述多普勒信号在时域上的幅度信息的一系列所述时域数字信息编码，以基于所述时频分析单元120对各所述时域数字信息编码的频域分析生成一系列所述频域数字信息编码，从而以各所述频域数字信息编码在时域上的分布形成所述时频数字信息编码而等效形成对所述多普勒信号的时频分析。
进一步地，所述基于存在探测的多普勒信号处理方法对所述时频数字信息编码的至少一个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息与相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围进行比较，以基于相应的比较结果实现对预设频率范围的动作的探测与识别。
具体地，所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100进一步包括一比较单元130，其中所述比较单元130调取至少一个时间窗口的所述时频数字信息编码，并比较所调取的时间窗口的所述时频数字信息编码的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否满足相应预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，以基于相应的比较结果实现对预设频率范围的动作的探测与识别。
优选地，所述比较单元130预设有至少两个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，如此以通过对所述时频数字信息编码的至少一个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息与不同预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围进行比较，以基于相应的比较结果实现对与不同预设频率范围相对应的动作的混合探测与识别，如对与相应预设频率范围相对应的移动动作、微动动作、呼吸动作以及心跳动作中的至少两个动作的混合探测与识别，从而有利于基于对与不同预设频率范围相对应的动作的混合探测判定人体活动状态。
进一步地，至少一个所述预设频率范围处于小于等于3Hz的频率范围，其中所述比较单元130被设置比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否满足相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围，以在预设的频率范围小于等于3Hz的状态，实现对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别，其中由于比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否满足相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围，因而能够排除非连续的极低频动作干扰，从而有利于提高对人体存在与否的探测的精准度。
值得一提的是，基于数字化的比较和计算，对预设的频率范围的设定允许在小于等于3Hz的频率范围内进一步设定或剔除一窄频通道，以鉴于连续的极低频机械动作的高度一致性，如风扇摇头的动作和空调导风条的摆动动作，在对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作进行探测与识别的同时，识别或剔除连续的极低频机械动作干扰。
示例地，所述比较单元130被设置通过比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息的方式，当所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分中存在频率和幅度同时在20％的误差范围内相同的频率成分时，自动设定或于所述预设频率范围剔除所述窄频通道，以鉴于连续的极低频机械动作的高度一致性，在对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作进行探测与识别的同时，自动识别或剔除连续的极低频机械动作干扰。
在本发明的另一些实施例中，所述比较单元130被设置允许被控制地处于一自检模式，其中在所述自检模式，所述比较单元130调取至少两个时间窗口的所述时频数字信息编码，并在调取的所述时频数字信息编码的频率成分中存在频率和幅度同时在20％的误差范围内相同的频率成分时，自动设定或于所述预设频率范围剔除所述窄频通道，以鉴于连续的极低频机械动作的高度一致性，在所述自检模式识别或剔除连续的极低频机械动作干扰。
值得一提的是，对应于图2C，在本发明的这些实施例中，基于存在探测的多普勒信号处理方法优选地进一步包括对所述多普勒信号的滤波处理步骤，例如在对所述多普勒信号数字化处理之前对所述多普勒信号进行滤波处理，或在所述多普勒信号被数字化处理之后对所述时频数字信息编码进行滤波分析以形成对数字化形态的所述多普勒信号的滤波处理，以有利于简化所述时频数字信息编码的数据而简化对所述时频数字信息编码的时频分析。
具体地，对应于图3，所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100进一步包括一滤波单元140，其中在所述滤波单元140以模拟器件形态被设置的状态，所述滤波单元140对所述多普勒信号的滤波处理步骤在所述A/D转换单元110对所述多普勒信号的数字化处理步骤之前，其中在所述滤波单元140以数字形态被设置的状态，所述滤波单元140在所述A/D转换单元110对所述多普勒信号被数字化处理之后对所述时频数字信息编码进行滤波分析以形成对数字化形态的所述多普勒信号的滤波处理。
特别地，所述滤波单元140优选地被设置以低频信号为目标信号而滤除高频信号，具体地，所述滤波单元140优选地被设置以处于小于50Hz的频率范围内的信号为目标频率，例如所述滤波单元140被设置以小于25Hz的频率范围的信号为目标频率，以同时滤除所述多普勒信号中的对应于高频电磁干扰的高频信号和对应于供电电网频率及其倍频频率的信号。
可以理解的是，对所述多普勒信号的滤波处理步骤能够以限制所述多普勒信号中目标频率之外的频率成分的方式形成对所述多普勒信号的不同频率成分的相对幅度变换，因此，理论上对所述多普勒信号的滤波处理同样能够选择所述多普勒信号中3Hz以内的频率成分而实现对所述多普勒信号中对应人体的呼吸动作和/或心跳动作的分离。然而，一方面对所述多普勒信号的滤波处理所形成的信号仍是时域信号，无法准确获得相应的频域信息；另一方面理想的滤波器是无法实现的，对应目标频率与非目标频率之间的界线具有一定的频带宽度而难以精确界定和选择目标频率，即对所述多普勒信号的滤波处理在仅是对相应频率成分的幅度限制不同并无法形成对相应目标频率的精确界定而会造成一定程度的频域失真，而在所述多普勒信号中，对应人体移动以及环境干扰的信号幅度与对应人体呼吸和心跳动作的信号幅度呈两个数量级以上的倍数差，在以对应人体呼吸和心跳动作的频率成分为目标频率时，相应目标频率无法被精确界定，同时需要对所述多普勒信号进行多级滤波处理才能够使目标频率成分具有较高的相对幅度，如此则会造成信号的严重失真和延时，相应的目标频率成分的时频信息并不能及时准确地反馈人体呼吸和心跳动作。
而在本发明的这些实施中，通过对所述多普勒信号的时频分析，即能够准确获取所述多普勒信号所包含的不同频率的信号成分在时域上的分布，其中对所述多普勒信号的滤波处理步骤仅用于简化所述时频数字信息编码的数据而简化对所述时频数字信息编码的时频分析，因而对目标频率的精度要求较低，即对目标频率与非目标频率之间的界线的频带宽度要求较低，在所述滤波单元140被设置以小于50Hz的频率范围内的频率范围为目标频率范围的状态，即可以在滤除所述多普勒信号中的对应于高频电磁干扰的高频信号和对应于供电电网频率及其倍频频率的信号的同时，保障所述多普勒信号中3Hz及以下频率成分的完整性。
进一步地，在本发明的这些实施例中，基于存在探测的多普勒信号处理方法优选地还包括对所述多普勒信号的放大处理步骤，具体地，对所述多普勒信号的放大处理步骤在对所述多普勒信号数字化处理步骤之前被实施，以使得所述多普勒信号的幅度满足所述A/D转换单元110的采样要求。
具体地，所述基于存在探测的多普勒信号处理装置100进一步包括一放大电路150，其中所述放大电路150被设置用于在所述A/D转换单元110对所述多普勒信号进行数字化处理之前对所述多普勒信号进行放大处理，以使得所述多普勒信号的幅度满足所述A/D转换单元110的采样要求。
值得一提的是，在本发明的这些实施例中，所述A/D转换单元110、所述时频分析单元120、所述比较单元130、所述滤波单元140以及所述放大电路150的集成关系并不构成对本发明的限制。
进一步参考本发明的说明书附图之图2D所示，在本发明的一些实施例中，其中对所述时域数字信息编码的时频分析步骤进一步包括频谱能量谱密度或功率谱密度计算步骤，即所述时频信息编码的频率成分的幅度信息为所述多普勒信号于不同时间窗口在相应频域上的能量密度信息或功率密度信息，如此同样能够在后继，通过对所述时频数字信息编码的至少一个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息与相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围进行比较，以基于相应的比较结果实现对预设频率范围的动作的探测与识别。
为进一步理解本发明，参考本发明的说明书附图之图4所示，依本发明的这些实施例的一基于存在探测的多普勒信号处理方法被具体示例，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理方法包括步骤：
(A)数字化处理一多普勒信号，以形成对所述多普勒信号在时域上的采样和量化编码而生成一时域数字信息编码，则所述时域数字信息编码对应所述多普勒信号在不同时间点的幅度信息，其中所述多普勒信号为基于多普勒效应原理对应于一微波波束和所述微波波束被相应物体反射形成的一反射回波之间的频率/相位差异的一时域信号；
(B)时频分析所述时域数字信息编码而生成一时频数字信息编码，其中所述时频数字信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的幅度信息；以及
(C)调取至少一个时间窗口的所述时频数字信息编码，并比较所调取的时间窗口的所述时频数字信息编码的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否满足相应预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，以基于相应的比较结果实现对预设频率范围的动作的探测与识别。
在本发明的一些实施例中，其中在所述步骤(B)中，采用短时傅立叶变换、小波变换以及希尔伯特黄变换之任一算法实施对所述时域数字信息编码的时频分析而生成所述时频数字信息编码。
值得一提的是，在所述步骤(B)中，当采用短时傅立叶变换算法实施对所述时域数字信息编码的时频分析时，即以相应时长对所述时域数字信息编码加窗，和对相应时间窗口的所述时域数字信息编码进行频域分析而形成对所述时域数字信息编码的时频分析，对短时傅立叶变换算法的加窗大于等于1/3秒的时长，以满足至少一次心跳的周期时长需求，并优选地大于等于3秒，以满足至少一次呼吸周期的时长需求。
优选地，其中在所述步骤(B)中，以滑动时长对所述时域数字信息编码滑动加窗形成至少两个不同时长的时间窗口，以提高所述时频信息编码的频率成分在时域上的精度。
特别地，其中在所述步骤(B)中，基于所述时频信息编码中满足一定幅度要求的最小频率成分反馈调节对所述时域数字信息编码的最大加窗时长，以自适应调节所述时域数字信息编码的最大加窗时长至与该频率成分的周期时长相对应的方式，降低所述时频信息编码的时延和保障所述时频信息编码在频域上的精度。
在本发明的另一些实施例中，其中在所述步骤(A)中，通过分时段数字化处理所述多普勒信号的方式生成一系列所述时域数字信息编码，则各所述时域数字信息编码对应于相应时段的所述多普勒信号在时域上的幅度信息，和在所述步骤(B)中，通过对各所述时域数字信息编码的频域分析生成一系列频域数字信息编码，以基于各所述频域数字信息编码在时域上的分布形成所述时频数字信息编码而等效形成对所述多普勒信号的时频分析，即各所述频域数字信息编码在时域上的分布分别对应一个时间窗口的所述时频信息编码，其中各时间窗口的时长对应于相应所述时域数字信息编码的时段长，其中各时段具有大于等于1/3秒的时长，以满足至少一次心跳的周期时长需求，并优选地大于等于3秒，以满足至少一次呼吸周期的时长需求。
示例地，其中在所述步骤(A)中，通过对所述多普勒信号的分时段采样，或对采样的信号的分时段量化编码形成对所述多普勒信号的分时段数字化处理。
在本发明的另一些实施例中，其中在所述步骤(B)中，对所述时域数字信息编码的时频分析进一步包括频谱能量谱密度或功率谱密度计算步骤，即所述时频信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的能量密度信息或功率密度信息。
进一步地，在本发明的这些实施例中，其中在所述步骤(C)中，至少一预设频率范围被设置处于小于等于3Hz的频率范围，以基于相应的比较结果实现对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别。
优选地，其中在所述步骤(C)中，比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否同时满足相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围，以在预设的频率范围处于小于等于3Hz的频率范围的状态，实现对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和/或心跳动作的探测与识别，其中由于比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否同时满足相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围，因而能够排除非连续的极低频动作干扰，从而有利于提高对人体存在与否的探测的精准度。
进一步地，其中在所述步骤(C)中，预设至少两个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，和比较所调取的时间窗口的所述时频数字信息编码的频率成分以及对应频率成分的幅度信息是否分别满足各个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，以基于相应的比较结果实现对与不同预设频率范围的频率相对应的动作的混合探测与识别，从而有利于基于对与不同预设频率范围相对应的动作的混合探测与识别判定人体活动状态。
进一步地，所述基于存在探测的多普勒信号处理方法还包括步骤：
(D)比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息，并当所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分中存在频率和幅度同时在20％的误差范围内相同的频率成分时，设定或于所述预设频率范围剔除一窄频通道，以鉴于连续的极低频机械动作的高度一致性，识别或剔除连续的极低频机械动作干扰。
可选地，在本发明的一些实施例中，所述步骤(D)在所述步骤(C)之前被执行，以基于所述步骤(D)形成工作前的一自检状态。
在本发明的另一些实施例中，所述步骤(D)在所述步骤(C)执行期间被持续执行，以基于所述步骤(D)形成工作中的一自检状态。
进一步地，在本发明的这些实施例中，进一步包括步骤：
(E)以处于小于50Hz的频率范围内的目标频率范围对所述多普勒信号进行滤波处理，例如以小于25Hz的频率范围为目标频率范围对所述多普勒信号进行滤波处理，以同时滤除所述多普勒信号中的对应于高频电磁干扰的高频信号和对应于供电电网频率及其倍频频率的信号。
具体地，其中在所述步骤(E)中，在对所述多普勒信号数字化处理之前对所述多普勒信号进行滤波处理，即所述步骤(E)在所述步骤(A)之前被执行。
可选地，其中在所述步骤(E)中，对所述时频数字信息编码进行滤波分析以形成对数字化形态的所述多普勒信号的滤波处理，即所述步骤(E)在所述步骤(A)之后被执行。
可以理解的是，对所述多普勒信号的滤波处理步骤能够以限制所述多普勒信号中目标频率之外的频率成分的方式形成对所述多普勒信号的不同频率成分的相对幅度变换，因此，理论上对所述多普勒信号的滤波处理同样能够选择所述多普勒信号中3Hz以内的频率成分而实现对所述多普勒信号中对应人体的呼吸动作和/或心跳动作的分离。然而，一方面对所述多普勒信号的滤波处理所形成的信号仍是时域信号，无法准确获得相应的频域信息；另一方面理想的滤波器是无法实现的，对应目标频率与非目标频率之间的界线具有一定的频带宽度而难以精确界定和选择目标频率，即对所述多普勒信号的滤波处理在仅是对相应频率成分的幅度限制不同并无法形成对相应目标频率的精确界定而会造成一定程度的频域失真，而在所述多普勒信号中，对应人体移动以及环境干扰的信号幅度与对应人体呼吸和心跳动作的信号幅度呈两个数量级以上的倍数差，在以对应人体呼吸和心跳动作的频率成分为目标频率时，相应目标频率无法被精确界定，同时需要对所述多普勒信号进行多级滤波处理才能够使目标频率成分具有较高的相对幅度，如此则会造成信号的严重失真和延时，相应的目标频率成分的时频信息并不能及时准确地反馈人体呼吸和心跳动作。
而在本发明的这些实施中，通过对所述多普勒信号的时频分析，即能够准确获取所述多普勒信号所包含的不同频率的信号成分在时域上的分布，其中对所述多普勒信号的滤波处理步骤仅用于简化所述时频数字信息编码的数据而简化对所述时频数字信息编码的时频分析，因而对目标频率的精度要求较低，即对目标频率与非目标频率之间的界线的频带宽度要求较低，在对所述多普勒信号的滤波处理以小于50Hz的频率范围内的频率范围为目标频率范围的状态，即可以在滤除所述多普勒信号中的对应于高频电磁干扰的高频信号和对应于供电电网频率及其倍频频率的信号的同时，保障所述多普勒信号中3Hz及以下频率成分的完整性。
进一步地，在本发明的这些实施例中，其中在所述步骤(A)之前，进一步包括步骤：
(F)放大处理所述多普勒信号，以使得所述多普勒信号的幅度满足所述步骤(A)中的采样要求。
本领域的技术人员可以理解的是，以上实施例仅为举例，其中不同实施例的特征可以相互组合，以得到根据本发明揭露的内容很容易想到但是在附图中没有明确指出的实施方式。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (35)
1.基于存在探测的多普勒信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（A）数字化处理一多普勒信号，以形成对所述多普勒信号在时域上的采样和量化而生成一时域数字信息编码，则所述时域数字信息编码对应所述多普勒信号在不同时间点的幅度信息，其中所述多普勒信号为基于多普勒效应原理对应于一微波波束和所述微波波束被相应物体反射形成的一反射回波之间的频率／相位差异的一时域信号；
（B）时频分析所述时域数字信息编码而生成一时频数字信息编码，其中所述时频数字信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的幅度信息；以及
（C）调取至少一个时间窗口的所述时频数字信息编码，并比较所调取的时间窗口的所述时频数字信息编码的频率成分以及对应频率成分的幅度信息是否满足相应预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，以基于相应的比较结果实现对与预设频率范围的频率相对应的动作的探测与识别。
2.根据权利要求1所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（B）中，采用短时傅立叶变换、小波变换以及希尔伯特黄变换之任一算法实施对所述时域数字信息编码的时频分析而生成所述时频数字信息编码。
3.根据权利要求2所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（B）中，采用短时傅立叶变换算法实施对所述时域数字信息编码的时频分析，即以相应时长对所述时域数字信息编码加窗，和对相应时间窗口的所述时域数字信息编码进行频域分析而形成对所述时域数字信息编码的时频分析，其中以相应时长对所述时域数字信息编码加窗所形成的至少一个时间窗口的时长大于等于1/3秒，以满足至少一次心跳的周期时长需求。
4.根据权利要求3所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（B）中，以相应时长对所述时域数字信息编码加窗所形成的至少一个时间窗口的时长大于等于3秒，以满足至少一次呼吸周期的时长需求。
5.根据权利要求4所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（B）中，以滑动时长对所述时域数字信息编码滑动加窗形成至少两个不同时长的时间窗口，以提高所述时频数字信息编码的频率成分在时域上的精度。
6.根据权利要求5所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（B）中，基于所述时频数字信息编码中满足一定幅度要求的最小频率成分反馈调节对所述时域数字信息编码的最大加窗时长，以自适应调节所述时域数字信息编码的最大加窗时长至与该频率成分的周期时长相对应的方式，降低所述时频数字信息编码的时延和保障所述时频数字信息编码在频域上的精度。
7.根据权利要求1所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（A）中，通过分时段数字化处理所述多普勒信号的方式生成一系列所述时域数字信息编码，则各所述时域数字信息编码对应于相应时段的所述多普勒信号在时域上的幅度信息，和在所述步骤（B）中，通过对各所述时域数字信息编码的频域分析生成一系列频域数字信息编码，以基于各所述频域数字信息编码在时域上的分布形成所述时频数字信息编码而等效形成对所述多普勒信号的时频分析，即各所述频域数字信息编码在时域上的分布分别对应一个时间窗口的所述时频数字信息编码，其中各时间窗口的时长对应于相应所述时域数字信息编码的时段长。
8.根据权利要求7所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（A）中，各时段具有大于等于1/3秒的时长，以满足至少一次心跳的周期时长需求。
9.根据权利要求8所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（A）中，各时段具有大于等于3秒的时长，以满足至少一次呼吸周期的时长需求。
10.根据权利要求9所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（A）中，通过对所述多普勒信号的分时段采样，或对采样的信号的分时段量化形成对所述多普勒信号的分时段数字化处理。
11.根据权利要求1所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（B）中，对所述时域数字信息编码的时频分析进一步包括频谱能量谱密度或功率谱密度计算步骤，即所述时频数字信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的能量密度信息或功率密度信息。
12.根据权利要求1至11中任一所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（C）中，至少一预设频率范围被设置处于小于等于3Hz的频率范围，以基于相应的比较结果实现对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和／或心跳动作的探测与识别。
13.根据权利要求12所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（C）中，比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否同时满足相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围，以在预设的频率范围处于小于等于3Hz的频率范围的状态，排除非连续的极低频动作对人体的呼吸动作和／或心跳动作的探测与识别的干扰。
14.根据权利要求13所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（C）中，预设至少两个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，和比较所调取的时间窗口的所述时频数字信息编码的频率成分以及对应频率成分的幅度信息是否分别满足各个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，以基于相应的比较结果实现对与不同预设频率范围的频率相对应的动作的混合探测与识别。
15.根据权利要求13所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理方法进一步包括步骤：
（D）比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息，并当所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分中存在频率和幅度同时在20%的误差范围内相同的频率成分时，设定或于所述预设频率范围剔除一窄频通道，以鉴于连续的极低频机械动作的高度一致性，识别或剔除连续的极低频机械动作干扰。
16.根据权利要求15所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中所述步骤（D）在所述步骤（C）之前被执行。
17.根据权利要求15所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，所述步骤（D）在所述步骤（C）执行期间被维持执行。
18.根据权利要求13所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理方法进一步包括步骤：
（E）以处于小于50Hz的频率范围内的目标频率范围对所述多普勒信号进行滤波处理，以滤除所述多普勒信号中目标频率之外的频率成分，从而滤除所述多普勒信号中的对应于高频电磁干扰的高频信号和对应于供电电网频率及其倍频频率的信号。
19.根据权利要求18所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（E）中，以小于25Hz的频率范围内的目标频率范围对所述多普勒信号进行滤波处理。
20.根据权利要求18所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（E）中，在对所述多普勒信号数字化处理之前对所述多普勒信号进行滤波处理，即所述步骤（E）在所述步骤（A）之前被执行。
21.根据权利要求18所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中在所述步骤（E）中，对所述时频数字信息编码进行滤波分析以形成对数字化形态的所述多普勒信号的滤波处理，即所述步骤（E）在所述步骤（A）之后被执行。
22.根据权利要求18所述的基于存在探测的多普勒信号处理方法，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理方法进一步包括步骤：
（F）放大处理所述多普勒信号，以使得所述多普勒信号的幅度满足所述步骤（A）中的采样要求。
23.基于存在探测的多普勒信号处理装置，其特征在于，包括：
一A／D转换单元，其中所述A／D转换单元包括一采样单元和一量化编码单元，其中所述采样单元对模拟信号形态的一多普勒信号采样，所述量化编码单元对采样的信号进行量化而生成一时域数字信息编码，则所述时域数字信息编码对应所述多普勒信号在不同时间点的幅度信息，其中所述多普勒信号为基于多普勒效应原理对应于一微波波束和所述微波波束被相应物体反射形成的一反射回波之间的频率／相位差异的一时频信号；
一时频分析单元，其中所述时频分析单元对所述时域数字信息编码进行时频分析以生成一时频数字信息编码，其中所述时频数字信息编码对应所述多普勒信号于不同时间窗口在频域上的幅度信息；以及
一比较单元，其中所述比较单元预设有至少一个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，其中所述比较单元调取至少一个时间窗口的所述时频数字信息编码，并比较所调取的时间窗口的所述时频数字信息编码的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否满足相应预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，以基于相应的比较结果实现对与预设频率范围的频率相对应的动作的探测与识别。
24.根据权利要求23所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述时频分析单元被设置采用短时傅立叶变换、小波变换以及希尔伯特黄变换之任一算法实施对所述时域数字信息编码的时频分析而生成所述时频数字信息编码。
25.根据权利要求23所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述采样单元被设置对多普勒信号分时段采样以形成对所述多普勒信号的分时段数字化处理而生成一系列的所述时域数字信息编码，其中所述时频分析单元被设置采用傅立叶变换对各所述时域数字信息编码的进行频域分析而生成一系列频域数字信息编码，以基于各所述频域数字信息编码在时域上的分布形成所述时频数字信息编码而等效形成对所述多普勒信号的时频分析，即各所述频域数字信息编码在时域上的分布分别对应一个时间窗口的所述时频数字信息编码，其中各时间窗口的时长对应于相应所述时域数字信息编码的时段长。
26.根据权利要求23所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述量化编码单元被设置对采样的信号进行分时段量化以形成对所述多普勒信号的分时段数字化处理而生成一系列的所述时域数字信息编码，其中所述时频分析单元被设置采用傅立叶变换对各所述时域数字信息编码的进行频域分析而生成一系列频域数字信息编码，以基于各所述频域数字信息编码在时域上的分布形成所述时频数字信息编码而等效形成对所述多普勒信号的时频分析，即各所述频域数字信息编码在时域上的分布分别对应一个时间窗口的所述时频数字信息编码，其中各时间窗口的时长对应于相应所述时域数字信息编码的时段长。
27.根据权利要求23至26中任一所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述比较单元的至少一预设频率范围被设置处于小于等于3Hz的频率范围，以基于相应的比较结果实现对作为人体生命特征动作的人体的呼吸动作和／或心跳动作的探测与识别。
28.根据权利要求27所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述比较单元被设置通过比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息是否同时满足相应预设频率范围和对应该频率范围的幅度范围的方式，在预设的频率范围处于小于等于3Hz的频率范围的状态，排除非连续的极低频动作对人体的呼吸动作和／或心跳动作的探测与识别的干扰。
29.根据权利要求28所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述比较单元预设有至少两个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围，并被设置通过比较所调取的时间窗口的所述时频数字信息编码的频率成分以及对应频率成分的幅度信息是否分别满足各个预设频率范围和对应该预设频率范围的幅度范围的方式，基于相应的比较结果实现对与不同预设频率范围的频率相对应的动作的混合探测与识别。
30.根据权利要求29所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述比较单元比较所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分以及对应各频率成分的幅度信息，并当所述时频数字信息编码的至少两个时间窗口的频率成分中存在频率和幅度同时在20%的误差范围内相同的频率成分时，设定或于所述预设频率范围剔除一窄频通道，以鉴于连续的极低频机械动作的高度一致性，识别或剔除连续的极低频机械动作干扰。
31.根据权利要求29所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理装置进一步包括一滤波单元，其中所述滤波单元被设置以处于小于50Hz的频率范围内的目标频率范围对所述多普勒信号进行滤波处理。
32.根据权利要求29所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理装置进一步包括一滤波单元，其中所述滤波单元被设置以小于25Hz的频率范围内的目标频率范围对所述多普勒信号进行滤波处理。
33.根据权利要求32所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述滤波单元被设置在所述采样单元对所述多普勒信号进行采样之前对所述多普勒信号进行滤波处理。
34.根据权利要求32所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述滤波单元被设置以对所述时频数字信息编码进行滤波分析的方式形成对所述多普勒信号的滤波处理。
35.根据权利要求32所述的基于存在探测的多普勒信号处理装置，其中所述基于存在探测的多普勒信号处理装置进一步包括一放大电路，其中所述放大电路被设置在所述采样单元对所述多普勒信号进行采样之前对所述多普勒信号进行放大处理，以使得所述多普勒信号的幅度满足所述采样单元的采样要求。
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