CN113267770B - 侦测系统及生命体的侦测方法 - Google Patents

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Abstract

一种生命体的侦测方法，包含接收回波信号，回波信号包含同相分量及正交分量，其中回波信号因生命体而产生；对回波信号进行前处理以获得前处理信号；依据前处理信号产生与同相分量及正交分量相关的共轭复数数据；对该共轭复数数据执行第一频域转换以产生多普勒频谱数据，其中多普勒频谱数据包含复数个正速度能量及复数个负速度能量；依据复数个正速度能量及复数个负速度能量产生合并多普勒频谱数据；对合并多普勒频谱数据执行第二时域至频域转换程序以产生频谱数据；及依据频谱数据判断是否侦测到生命体。

Description

侦测系统及生命体的侦测方法
技术领域
本发明关于目标侦测，特别是一种侦测系统及生命体的侦测方法。
背景技术
生物辨识为一种辨识人、动物等生物的重要技术，在入侵检测领域中获得广泛应用。雷达由于不受夜间环境、恶劣环境及不佳照明环境的影响而被应用于生物辨识技术中，然而在实作上仍无法正确快速地侦测生物。
发明内容
实施例提供一种生命体的侦测方法，包含接收回波信号，回波信号包含同相分量及正交分量，其中回波信号因生命体而产生；对回波信号进行前处理以获得前处理信号；依据前处理信号产生与同相分量及正交分量相关的共轭复数数据；对共轭复数数据执行第一时域至频域转换程序以产生多普勒频谱数据，其中多普勒频谱数据包含复数个正速度能量及复数个负速度能量；依据复数个正速度能量及复数个负速度能量产生合并多普勒频谱数据；对合并多普勒频谱数据执行第二时域至频域转换程序以产生频谱数据；及依据频谱数据判断是否侦测到生命体。
实施例提供另一种侦测系统，包含接收器、前处理电路及处理器。接收器用以接收回波信号，回波信号包含同相分量及正交分量，回波信号因生命体而产生。前处理电路耦接于接收器，用以对回波信号进行前处理以获得前处理信号。处理器耦接于前处理电路，用以依据前处理信号产生与同相分量及正交分量相关的共轭复数数据，对共轭复数数据执行第一时域至频域转换程序以产生包含复数个正速度能量及复数个负速度能量的多普勒频谱数据，依据多普勒频谱数据的复数个正速度能量及复数个负速度能量产生合并多普勒频谱数据，对合并多普勒频谱数据执行第二时域至频域转换程序以产生频谱数据，及依据频谱数据判断是否侦测到生命体。
附图说明
图1为本发明实施例中雷达侦测系统的模块图。
图2为图1的处理器的模块图。
图3为多普勒频谱图的示意图。
图4为合并多普勒频谱图的示意图。
图5为频谱图的示意图。
图6为本发明实施例中生命体的侦测方法的流程图。
【符号说明】
100 雷达侦测系统
100、120 天线
112 传送器
114 信号产生器
122 接收器
124 模拟数字转换器
126 前处理电路
130 处理器
131 复数信号解调单元
132 窗函数单元
133 第一时域至频域转换单元
134 合并单元
135 第二时域至频域转换单元
136 生命体征侦测单元
140 目标物体
c(m) 合并多普勒频谱数据
C(k) 频谱数据
I 拍频信号的同相分量
Q 拍频信号的正交分量
I’ 前处理信号的同相分量
Q’ 前处理信号的正交分量
Sct 控制信号
Se 回波信号
St 传送信号
So 输出信号
v,v* 共轭复数数据
v(m,n),v*(m,n) 分割后的共轭复数数据
Vp(m,p) 正速度能量
Vn(m,p) 负速度能量
600 生命体的侦测方法
S602至S614 步骤
具体实施方式
图1为本发明实施例中雷达侦测系统100的模块图。雷达侦测系统100可侦测生命体的生命体征，及可为调频连续波(frequency-modulated continuous wave,FMCW)雷达。生命体可为人类、宠物等，生命体征可为呼吸或心跳等。由于呼吸或心跳会使心脏或胸腔等身体部位以预定频率范围扩张或收缩，雷达侦测系统100可侦测目标物体140的移动特征以判断是否符合生命体征的型态，进而判断目标物体140是否为生命体。雷达侦测系统100可发射传送信号St及接收由目标物体140反射回来的回波信号Se，及依据回波信号Se判定目标物体140是否为生命体。雷达侦测系统100可包含天线110,120、传送器112、信号产生器114、接收器122、模拟数字转换器(analog to digital converter,ADC)124、前处理电路126及处理器130。天线110、传送器112、信号产生器114及处理器130可依序耦接。天线120、接收器122、模拟数字转换器124、前处理电路126及处理器130可依序耦接。
处理器130可透过控制信号Sct控制信号产生器114以产生调频连续波的基频信号，传送器112可将调频连续波的基频信号转换至预定射频频带(例如6GHz)的传送信号St，透过天线110发射传送信号St。调频连续波可为三角波、锯齿(saw-toothed)波、阶梯波、正弦波或其他波形。接收器122可透过天线120接收回波信号Se，及将回波信号Se和与传送信号St有关的信号，例如是传送信号St混频以产生拍频(beat)信号。拍频信号带有拍频信息，拍频信息表示回波信号Se及传送信号St之间频率的差值的一半。回波信号Se可包含同相分量及正交分量，拍频信号也可包含对应的同相分量I及正交分量Q。接收器122可将拍频信号分别与两个相差90度的振荡信号混频以获取拍频信号的同相分量I及正交分量Q。模拟数字转换器124可将取样频率设为默认取样频率，例如44kHz，及以默认取样频率对拍频信号的同相分量I及正交分量Q取样以产生数字化的同相分量I及正交分量Q。前处理电路126可对数字化的同相分量I及正交分量Q进行前处理程序以产生前处理后的同相分量I’及正交分量Q’。前处理程序可包含滤除高频噪声、降低取样频率、或移除直流成分以及其组合。前处理电路126可包含低通滤波器、降取样器(decimator)、平均电路或加法器以及其组合。低通滤波器可将数字化的同相分量I及正交分量Q的高频成分移除以产生滤波后的同相分量I及正交分量Q。降取样器可将数据的数量减低，例如利用将每秒44k个滤波后的同相分量I及正交分量Q降频80倍以产生每秒约550个降取样的同相分量I及正交分量Q。降取样数据可减低后续信号处理的运算量，及避免在后续滤波处理时，取样数量太大使滤波器难以处理，而造成信号失真及影响生命体的判断。同相分量I及正交分量Q中的直流成分可透过同相分量I及正交分量Q各自的平均值获得。平均电路可计算降取样的同相分量I及正交分量Q的平均值，例如计算128点移动平均以产生同相分量I的平均值及正交分量Q的平均值。加法器可将同相分量I的平均值由降取样的同相分量I中移除以产生同相分量I’，及将正交分量Q的平均值由降取样的正交分量Q中移除以产生正交分量Q’，藉以简化后续的复数信号解调程序及使复数信号解调程序不易受直流偏移的影响。在一些实施例中，前处理程序也可以由软件或软件及硬件的结合实现，及前处理程序由软件实现的部分可由处理器130执行及储存于雷达侦测系统100的内存中。
处理器130可依据同相分量I’及正交分量Q’侦测生命体的生命体征，及产生输出信号So以表示是否侦测到生命体。图2为处理器130的模块图。处理器130可包含依序耦接的复数信号解调(complex signal demodulation,CSD)单元131、窗函数单元132、第一时域至频域转换单元133、合并单元134、第二时域至频域转换单元135及生命体征侦测单元136。前述各单元皆可透过软件、硬件或其组合实现。
复数信号解调单元131可依据同相分量I’及正交分量Q’重建一对共轭复数数据v,v*，例如v＝I’+Q’，v*＝I’-Q’。在一些实施例中，v＝Q’+I’，v*＝Q’-I’。
窗函数单元132可使用窗函数以预定时间，例如是固定时间区间分割共轭复数数据v,v*以产生M组时间区间的N对共轭复数数据v(m,n),v*(m,n)，m、n为正整数，1≦m≦M，1≦n≦N。窗函数可具有固定长度，及可为矩形窗函数、汉明(Hamming)窗函数、汉尼(Hanning)窗函数或其他种类的窗函数。例如，窗函数单元132可使用窗函数以64个数据的固定长度分割复数数据v，其中复数数据v(2,32)表示第2组时间区间内的第32个复数数据。
第一时域至频域转换单元133可将复数数据v(m,n)进行第一时域至频域转换程序以产生第m时间区间内对应第p正速度的正速度能量Vp(m,p)，p为正整数，1≦p≦P，例如正速度能量Vp(2,32)表示第2时间区间内的第32个正速度能量。相似地，第一时域至频域转换单元133可将复数数据v*(m,n)进行第一时域至频域转换程序以产生第m时间区间内对应第p负速度的负速度能量Vn(m,p)。正速度能量Vp(m,p)及负速度能量Vn(m,p)可分别为正速度(例如是代表目标物体140接近)及负速度(例如是代表目标物体140远离)对应的能量。第一时域至频域转换程序可由短时傅立叶变换(short-time Fourier transform)、小波变换(wavelet transform)、希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform)或其中一种组合实现。在一些实施例中，P＝N，第一时域至频域转换单元133可输出正速度能量Vp(1,1)至Vp(M,N)及负速度能量Vn(1,1)至Vn(M,N)以供后续使用。正速度能量Vp(1,1)至Vp(M,N)及负速度能量Vn(1,1)至Vn(M,N)可称为多普勒频谱数据。处理器130可依据多普勒频谱数据产生多普勒频谱图(Doppler spectrogram)，如图3所示，其中横轴表示速度，纵轴表示时间，图中的颜色表示速度对应的能量。多普勒频谱图显示目标物体140的速度实质上在+1m/s至-1m/s之间振荡。
合并单元134可依据正速度能量Vp(m,p)及负速度能量Vn(m,p))执行合并运算以产生合并多普勒频谱数据c(m)。在一些实施例中，合并单元134可对正速度能量Vp(m,1)至Vp(m,P)及负速度能量Vn(m,1)至Vn(m,P)执行线性组合以产生合并多普勒频谱数据c(m)，例如合并单元134可将第m时间区间内的正速度能量Vp(m,1)至Vp(m,P)及负速度能量Vn(m,1)至Vn(m,P)累加以产生合并多普勒频谱数据c(m)。在另一些实施例中，合并单元134可依据正速度能量Vp(m,1)至Vp(m,P)及负速度能量Vn(m,1)至Vn(m,P)在第m时间区间的能量值的极值(例如是以最大的能量值的绝对值作为判断)产生合并多普勒频谱数据c(m)，例如合并单元134可判断第m时间区间内的正速度能量Vp(m,1)至Vp(m,P)及负速度能量Vn(m,1)至Vn(m,P)中的最大值，并将最大值做为合并多普勒频谱数据c(m)。
在一些实施例中，合并单元134可强化正速度能量Vp(m,p)及负速度能量Vn(m,p)以产生强化的正速度能量及强化的负速度能量，及依据强化的正速度能量及强化的负速度能量产生合并多普勒频谱数据c(m)。例如合并单元134可透过滤波器或其他信号处理方式对正速度能量Vp(m,p)及负速度能量Vn(m,p)施加非线性函数，例如对数函数以产生强化的正速度能量log(Vp(m,p))及强化的负速度能量log(Vn(m,p))。在一些实施例中，合并单元134可对强化的正速度能量及强化的负速度能量执行线性组合以产生合并多普勒频谱数据c(m)，例如将第m时间区间内强化的正速度能量log(Vp(m,1))至log(Vp(m,P))及强化的负速度能量log(Vn(m,1))至log(Vn(m,P))累加以产生合并多普勒频谱数据c(m)。在另一些实施例中，合并单元134可依据第m时间区间内强化的正速度能量及负速度能量的能量值的极值(例如是以最大的能量值的绝对值作为判断)产生合并多普勒频谱数据c(m)，例如合并单元134可判断第m时间区间内强化的正速度能量log(Vp(m,1))至log(Vp(m,P))及强化的负速度能量log(Vn(m,1))至log(Vn(m,P)中的最大值，并将最大值做为合并多普勒频谱数据c(m)。
在一些实施例中，合并单元134可对正速度能量Vp(m,p)及负速度能量Vn(m,p)执行正规化程序以产生正规化的正速度能量及正规化的负速度能量，及依据正规化的正速度能量及正规化的负速度能量产生合并多普勒频谱数据c(m)。例如合并单元134可将所有的正速度能量Vp(1,1)至Vp(M,P)以成比例的方式调整于预定的正速度能量范围之间以产生正规化的正速度能量Vp_norm(1,1)至Vp_norm(M,P)，将所有的负速度能量Vn(1,1)至Vn(M,P)以成比例的方式调整于预定的负速度能量范围之间以产生正规化的负速度能量Vn_norm(1,1)至Vn_norm(M,P)。正速度能量范围可介于0及预定最大正值之间，负速度能量范围可介于0及预定最小负值之间。在一些实施例中，合并单元134可对正规化的正速度能量Vp_norm(m,1)至Vp_norm(m,P)及正规化的负速度能量Vn_norm(m,1)至Vn_norm(m,P)执行线性组合以产生合并多普勒频谱数据c(m)，例如将第m时间区间内正规化的正速度能量Vp_norm(m,1)至Vp_norm(m,P)及正规化的负速度能量Vn_norm(m,1)至Vn_norm(m,P))累加以产生合并多普勒频谱数据c(m)。处理器130可依据合并多普勒频谱数据c(1)至c(M)产生合并多普勒频谱图对应的数据，合并多普勒频谱图可被产生并如图4所示，其中横轴表示时间，纵轴表示合并速度数据c(m)。合并多普勒频谱图显示目标物体140的合并能量实质上在正速度能量范围的最大值至负速度能量范围的最小值(也就是负速度能量绝对值的最大值)之间振荡。
在一些实施例中，合并单元134可在对正速度能量Vp(m,p)及负速度能量Vn(m,p)执行强化程序及/或正规化程序后，透过带通滤波器或低通滤波器滤除预定速度范围外的强化及/或正规化正速度能量及强化及/或正规化的负速度能量以产生滤波后的正速度能量及负速度能量，接着累加第m时间区间内的滤波后正速度能量及负速度能量以产生合并多普勒频谱数据c(m)。预定速度范围可例如为+1m/s至-1m/s。在一些实施例中，合并单元134可透过其他带通滤波器或低通滤波器滤除合并多普勒频谱数据c(m)中超出预定频率范围外的成分。预定频率范围可依据正常心跳率或正常呼吸率设定，例如成人的正常心跳率约为每分钟60至100次，成人的是正常呼吸率约为每分钟12至20次。
第二时域至频域转换单元135可将合并多普勒频谱数据c(m)进行第二时域至频域转换程序以产生频谱数据C(k)，k为正整数，1≦k≦K。频谱数据C(k)表示第k频段的能量，例如频谱数据C(2)表示第2频段的能量。第二时域至频域转换程序可由离散傅立叶变换或快速傅立叶变换实现。在一些实施例中，K＝M，第二时域至频域转换单元135可输出频段数据C(1)至C(M)。处理器130可依据频段能量C(1)至C(M)产生频谱图，如图5所示，其中横轴表示频率，纵轴表示能量。多普勒频谱图显示目标物体140的合并多普勒频谱数据c(1)至c(M)的较大频率成分约在0.75Hz、1.5Hz及3Hz。
生命体征侦测单元136可依据频谱数据c(1)至c(M)判断是否侦测到生命体。当频谱数据c(1)至c(M)的局部极大值在生命体征范围之内时，生命体征侦测单元136可判定侦测到生命体。当频谱数据c(1)至c(M)的局部极大值在生命体征范围之外时，生命体征侦测单元136可判定未侦测到生命体。生命体征范围可依据正常心跳率设定，例如设在1Hz至2Hz之间。生命体征范围也可依据正常呼吸率设定，例如设在0.2Hz至0.4Hz之间。生命体征侦测单元136可将生命体的侦测结果以输出信号So输出至雷达侦测系统100的输出装置例如显示器、打印机、喇叭等，或储存装置例如硬盘等。
雷达侦测系统100依据回波信号中的同相分量及正交分量产生共轭复数数据以获得目标物体的正速度信息及负速度信息，与侦测生命体的扩张和收缩，藉以正确且快速地判断目标物体是否为生命体。
图6为本发明实施例中生命体的侦测方法600的流程图。方法600可应用于雷达侦测系统100，及包含步骤S602至S614。步骤S602至S609用以产生多普勒频谱数据。步骤S610至S614用以依据多普勒频谱数据判定是否侦测到生命体。任何合理的技术变更或是步骤调整都属于本发明所揭露的范畴。以下使用雷达侦测系统100说明步骤S602至S614：
步骤S602：接收器122接收回波信号Se；
步骤S604：前处理电路126对回波信号Se进行前处理以获得前处理信号的同相分量I’及正交分量Q’；
步骤S606：复数信号解调单元131依据前处理信号的同相分量I’及正交分量Q’产生共轭复数数据v,v*；
步骤S608：窗函数单元132以窗函数分割共轭复数数据v,v*以产生共轭复数数据v(m,n),v*(m,n)；
步骤S609：第一时域至频域转换单元133对共轭复数数据v(m,n),v*(m,n)执行第一时域至频域转换程序以产生多普勒频谱数据的正速度能量Vp(m,n)及负速度能量Vn(m,n)；
步骤S610：合并单元134依据多普勒频谱数据的正速度能量Vp(m,n)及负速度能量Vn(m,n)产生合并多普勒频谱数据c(m)；
步骤S612：第二时域至频域转换单元135对合并多普勒频谱数据c(m)执行第二时域至频域转换程序以产生频谱数据C(k)；
步骤S614：生命体征侦测单元136依据频谱数据C(k)判断侦测到生命体。
步骤S602至S614可参考前述段落中相关叙述，在此不再赘述。侦测方法600依据回波信号中的同相分量及正交分量产生共轭复数数据以获得目标物体的正速度信息及负速度信息，与侦测生命体的扩张和收缩，藉以正确且快速地判断目标物体是否为生命体。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请权利要求范围所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种生命体的侦测方法，其特征在于，包含：
接收一回波信号，该回波信号包含一同相分量及一正交分量，其中该回波信号因一生命体而产生；
对该回波信号进行前处理以获得一前处理信号；
依据该前处理信号产生与该同相分量及该正交分量相关的共轭复数数据；
对该共轭复数数据执行一第一时域至频域转换程序以产生多普勒频谱数据，该多普勒频谱数据包含复数个正速度能量及复数个负速度能量；
依据该复数个正速度能量及该复数个负速度能量产生合并多普勒频谱数据；
对该合并多普勒频谱数据执行一第二时域至频域转换程序以产生频谱数据；及
依据该频谱数据判断是否侦测到该生命体。
2.如权利要求1所述的生命体的侦测方法，其特征在于，其中依据该复数个正速度能量及该复数个负速度能量产生该合并多普勒频谱数据包含：
对该复数个正速度能量及该复数个负速度能量执行一线性组合以产生该合并多普勒频谱数据。
3.如权利要求1所述的生命体的侦测方法，其特征在于，其中依据该复数个正速度能量及该复数个负速度能量产生该合并多普勒频谱数据包含：
依据该复数个该正速度能量及该复数个负速度能量在各个时间点的能量值的极值产生该合并多普勒频谱数据。
4.如权利要求1所述的生命体的侦测方法，其特征在于，其中依据该频谱数据判断是否侦测到该生命体包含：
当该频谱数据上的一局部极值在一生命体征范围之内时，判定侦测到该生命体。
5.如权利要求1所述的生命体的侦测方法，其特征在于，其中依据该复数个正速度能量及该复数个负速度能量产生该合并多普勒频谱数据包含：
强化该多普勒频谱数据的该复数个正速度能量及该复数个负速度能量以产生强化的复数个正速度能量及强化的复数个负速度能量；及
依据该强化的复数个正速度能量及该强化的复数个负速度能量产生该合并多普勒频谱数据。
6.如权利要求1所述的生命体的侦测方法，其特征在于，其中依据该多普勒频谱数据的该正速度能量及该负速度能量产生该合并多普勒频谱数据包含：
对该复数个正速度能量及该复数个负速度能量执行一正规化程序以产生正规化的复数个正速度能量及正规化的复数个负速度能量；及
依据该正规化的复数个正速度能量及该正规化的复数个负速度能量产生该合并多普勒频谱数据。
7.如权利要求1所述的生命体的侦测方法，其特征在于，另包含：
滤除该多普勒频谱数据上超出一速度范围之外的数据。
8.如权利要求1所述的生命体的侦测方法，其特征在于，其中该前处理包含滤除高频噪声、降低一取样频率、或移除一直流成分。
9.如权利要求1所述的生命体的侦测方法，其特征在于，其中该第一时域至频域转换程序为短时傅立叶变换程序。
10.如权利要求1所述的生命体的侦测方法，其特征在于，其中：
该第一时域至频域转换程序是一第一傅立叶变换程序，及该第二时域至频域转换程序是一第二傅立叶变换程序。
11.一种侦测系统，其特征在于，该侦测系统用以侦测一生命体，包含：
一接收器，用以接收一回波信号，该回波信号包含一同相分量及一正交分量，该回波信号因该生命体而产生；
一前处理电路，耦接于该接收器，用以对该回波信号进行前处理以获得一前处理信号；及
一处理器，耦接于该前处理电路，用以依据该前处理信号产生与该同相分量及该正交分量相关的共轭复数数据，对该共轭复数数据执行一第一时域至频域转换程序以产生包含复数个正速度能量及复数个负速度能量的多普勒频谱数据，依据该多普勒频谱数据的该复数个正速度能量及该复数个负速度能量产生合并多普勒频谱数据，对该合并多普勒频谱数据执行一第二时域至频域转换程序以产生频谱数据，及依据该频谱数据判断是否侦测到该生命体。
12.如权利要求11所述的侦测系统，其特征在于，其中该处理器用以对该复数个正速度能量及该复数个负速度能量执行一线性组合以产生该合并多普勒频谱数据。
13.如权利要求11所述的侦测系统，其特征在于，其中该处理器用以依据该多普勒频谱数据的该正速度能量及该负速度能量在各个时间点的能量值的极值产生该合并多普勒频谱数据。
14.如权利要求11所述的侦测系统，其特征在于，其中该处理器用以当该频谱数据上的一局部极值在一生命体征范围之内时，判定侦测到该生命体。
15.如权利要求11所述的侦测系统，其特征在于，其中该处理器用以强化该复数个正速度能量及该复数个负速度能量以产生强化的复数个正速度能量及强化的复数个负速度能量；及依据该强化的复数个正速度能量及该强化的复数个负速度能量产生该合并多普勒频谱数据。
16.如权利要求11所述的侦测系统，其特征在于，其中该处理器用以对该复数个正速度能量及该复数个负速度能量执行一正规化程序以产生正规化的复数个正速度能量及正规化的复数个负速度能量；及依据该正规化的复数个正速度能量及该正规化的复数个负速度能量产生该合并多普勒频谱数据。
17.如权利要求11所述的侦测系统，其特征在于，其中该处理器另用以滤除该多普勒频谱数据上超出一速度范围之外的数据。
18.如权利要求11所述的侦测系统，其特征在于，其中该第一时域至频域转换程序为短时傅立叶变换程序。
19.如权利要求11所述的侦测系统，其特征在于，其中该第一时域至频域转换程序是一第一傅立叶变换程序，及该第二时域至频域转换程序是一第二傅立叶变换程序。
20.如权利要求11所述的侦测系统，其特征在于，另包含：
对该合并多普勒频谱数据进行滤波以产生一滤波多普勒频谱数据；
其中对该合并多普勒频谱数据执行该第二时域至频域转换程序以产生该频谱数据包含：
对该滤波多普勒频谱数据执行该第二时域至频域转换程序以产生该频谱数据。
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