CN114533004A - 基于毫米波雷达的生命体征检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开属于毫米波技术领域，提供了一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法及系统，包括以下步骤：获取毫米波雷达的脉冲信号；对所获取的脉冲信号进行预处理，得到中频信号；对所述中频信号进行线性处理，计算所述毫米波雷达与被测目标之间的距离信息；根据所得到的距离信息，提取被测目标的雷达生命体征信号，检测生命体征。本公开采用毫米波雷达来监测生命体征信号以及距离信号，在不限制人活动及隐私安全的基础上，实现对人的生命体征参数以及距离信息的非接触监测。
Description
技术领域
本公开属于毫米波技术领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着社会经济的不断发展和社会信息化程度的不断提高，人们的物质生活水平不断提高，但随之而来的还有生活节奏加快，人们长期处于紧张的生活、工作环境中，加之缺乏必要锻炼，容易引起各种疾病，其中突发性心脏问题所引发的事故不断增多，越来越多的人开始关注自身的生命健康问题。与生命体征相关的参数(如心跳、呼吸信号等重要参数)被广泛应用在现代医疗保健领域、辅助驾驶领域等。在医疗方面，这些参数可以作为判断病人病情轻重的指标，为医生提供可靠的诊疗数据；在辅助驾驶方面，可根据其心跳、呼吸信号判断驾驶员是否疲劳驾驶，避免危险的发生，也可根据其判断车内是否有生命体，防止将婴儿以及宠物遗留在车内，而引发安全问题。
据发明人了解，目前现有的医疗监护设备多为基于心电图的技术与基于视觉的技术。
非接触式心电图测量使用电容性电极代替传统的粘性电极，不必直接与用户的皮肤接触；这些类型的传感器已嵌入到一系列不同的对象中，例如床、轮椅、驾驶员座椅等。尽管不如传统的基于电极的ECG更具侵入性，但它要求用户离传感器非常近(几厘米)，限制了其适用性。
基于视觉的心率测量已被广泛研究。在大多数这些方法中，首先在人体的各个部位上检测并跟踪感兴趣的区域。随着心脏跳动，血液流动会导致人体皮肤颜色发生细微变化，并且可以使用RGB相机捕获信息。红外摄像机也已用于心率检测，甚至可以从瞳孔波动中提取心跳信息。基于视觉的技术可以很好地完成诸如睡眠监测或带有网络摄像头的远程医疗等任务，并减轻了用户负担。但是，它们只能在视线条件下工作，并且会引起隐私问题。基于RGB的系统通常也仅限于照明良好的条件。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法及系统，采用毫米波雷达来监测生命体征信号以及距离信号，在不限制人活动及隐私安全的基础上，实现对人的生命体征参数以及距离信息的非接触监测。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，采用如下技术方案：
一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，包括以下步骤：
获取毫米波雷达的脉冲信号；
对所获取的脉冲信号进行预处理，得到中频信号；
对所述中频信号进行线性处理，计算所述毫米波雷达与被测目标之间的距离信息；
根据所得到的距离信息，提取被测目标的雷达生命体征信号，检测生命体征。
作为进一步的技术限定，在获取毫米雷达波的脉冲信号的过程中，通过毫米雷达波的信号发生器发射信号，当所发射的信号遇到待测目标后被发射，即得到毫米雷达波的脉冲信号。
作为进一步的技术限定，所述脉冲信号至少与毫米雷达波的带宽、频率变化以及振幅相关。
作为进一步的技术限定，所述预处理至少包括脉冲信号中的高频部分滤除。
作为进一步的技术限定，所述线性处理采用时域采样信号的快速傅里叶变换。
作为进一步的技术限定，所述脉冲信号和所示中频信号通过天线模块实现信号的发射、接收和存储；所述天线模块包括内设并行发射链的发射单元、内设并行信道的接收单元、内设晶体振荡器的时钟单元，以及存储单元。
作为进一步的技术限定，在提取生命体征的过程中，根据距离信息进行被测目标的中频信号相位的展开，将展开后的中频信号进行去噪处理，得到被测目标的生命体征信号。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种基于毫米波雷达的生命体征检测系统，采用如下技术方案：
一种基于毫米波雷达的生命体征检测系统，包括：
获取模块，被配置为获取毫米波雷达的脉冲信号；
处理模块，被配置为对所获取的脉冲信号进行预处理，得到中频信号；对所述中频信号进行线性处理，计算所述毫米波雷达与被测目标之间的距离信息；
检测模块，被配置为根据所得到的距离信息，提取被测目标的雷达生命体征信号，检测生命体征。
根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方案所述的基于毫米波雷达的生命体征检测方法中的步骤。
根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方案所述的基于毫米波雷达的生命体征检测方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开采用77GHZ毫米波雷达监测生命体征信号以及距离信号，在不限制人活动的基础上，实现非接触监测人的生命体征参数以及距离参数，并将有效的检测信息实时返回上位机。另外，毫米波雷达监测方案还具有响应速度更快，检测范围更广等优势。与传统的摄像头监护方案对比，该方案不易受烟雾等环境影响,成本更低，不涉及个人隐私问题，其测量的全过程满足无接触、无干扰、定位精度高、反应速度快、实时追踪能力强、隐私保护性好等特点，能够给人带来更舒适、便捷的智能化体验。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的基于毫米波雷达的生命体征检测方法的流程图；
图2是本公开实施例一中的基于毫米波雷达的生命体征检测方法的整体工作原理图；
图3是本公开实施例二中的基于毫米波雷达的生命体征检测系统的结构框图；
图4是本公开实施例三中的毫米波雷达的信号发生器的原理图；
图5是本公开实施例三中的实施基于毫米波雷达的生命体征检测方法的装置的结构示意图；
图6是本公开实施例三中的上位机显示的结构图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法。
如图1所示的一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，包括以下步骤：
获取毫米波雷达的脉冲信号；
对所获取的脉冲信号进行预处理，得到中频信号；
对所述中频信号进行线性处理，计算所述毫米波雷达与被测目标之间的距离信息；
根据所得到的距离信息，提取被测目标的雷达生命体征信号，检测生命体征。
以呼吸和心跳为例，本实施例针对基于毫米波雷达的生命体征检测方法展开详细的介绍，如图2所示，包括：
步骤S01：对ADC采样得到的中频信号进行快速傅里叶变换(fast Fouriertransform，简称FFT),得到被测目标的距离信息；
发射天线(TX)发射的线性调频脉冲信号遇到物体反弹后被接收天线(RX)接收这个过程中的传播时延(τ)可通过数学方法推导出方程式：
其中，d表示与被检测物体的距离，c表示光速。
调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，简称FMCW)雷达发射的线性调频脉冲信号可以表示为：
其中，fc表示线性调频信号的起始频率，B表示带宽，ATX表示传输信号的振幅，θ(t)表示相位噪声，Tc表示线性调频信号脉冲的宽度；B/tc表示线性调频信号的斜率，其代表频率的变化。
设R(t)为胸部运动位移，d0为雷达传感器到人体的距离，胸部到雷达的距离为x(t)＝R(t)+d0，时延为td＝2x(t)/c，其中c为光速。此时，接收到的信号为：
回波信号和传输信号通过两个正交的I/Q通道混合，然后通过低通滤波器得到一个中频信号SIF(t)
IF信号仅在TX线性调频脉冲和RX线性调频脉冲重叠的时段有效，两条线之间的距离是固定的，即IF信号包含一个频率恒定的单音信号。
FMCW雷达最大探测距离为：
其中，Fs表示采样率。将S＝B/Tc代入公式(5)得到
其中，Msamples＝FsTc是Tc周期内的采样点数。
根据奈奎斯特采样定理，确定FMCW雷达的理论距离分辨率为dres＝c/2B。可见，有效距离dmax与距离分辨率dres成正比。结合公式(5)和公式(6)，距离分辨率可描述为：
需要注意的是，实际实验中由于设备的原因，距离分辨率不可能达到理论值。同理，胸腔引起的振动频率也与1/Tm的采样帧率R(t)有关。奈奎斯特采样原理限制了最大振动频率，最小振动频率由FFT线性调频脉冲信号数N确定，从而给出实际的最大和最小频率：
步骤S02：根据目标所在的位置提取包含有被测目标呼吸和心跳的雷达生命信号并进行去噪处理；对目标信号进行相位展开，将相位展开后的信号通过滤波器去除环境噪声。
步骤S03：从提取得到的雷达生命信号中求出被测者的呼吸和心跳速率；将去除环境噪声的信号分别通过0.1～0.6Hz的带通滤波器和0.8～3Hz的带通滤波器获得呼吸波形和心跳波形。对获得的呼吸波形和心跳波形分别进行FFT谱估计得到目标的呼吸速率和心率。
实施例二
本公开实施例二介绍了一种基于毫米波雷达的生命体征检测系统。
如图3所示的一种基于毫米波雷达的生命体征检测系统，包括：
获取模块，被配置为获取毫米波雷达的脉冲信号；
处理模块，被配置为对所获取的脉冲信号进行预处理，得到中频信号；对所述中频信号进行线性处理，计算所述毫米波雷达与被测目标之间的距离信息；
检测模块，被配置为根据所得到的距离信息，提取被测目标的雷达生命体征信号，检测生命体征。
详细步骤与实施例一提供的基于毫米波雷达的生命体征检测方法相同，在此不再赘述。
实施例三
本公开实施例三介绍了一种基于毫米波雷达的生命体征检测装置。
一种基于毫米波雷达的生命体征检测装置，工作原理为：
(1)装置由5V、2.5A电源适配器供电，经过PMIC电源模块获得3.3V、2.3V、1.8V、1.2V电压，其中3.3V、1.2V电压直接为IWR1642芯片供电。PMIC电源模块产生的2.3V电压过LDO1电源模块电压降为1.8V后为IWR1642芯片供电。PMIC电源模块产生的1.8V电压过LDO2电源模块电压降为1.3V后为IWR1642芯片供电；
(2)IWR1642芯片内置时钟系统把晶振产生的40MHZ的输入信号变到76到81GHz的线性调频信号输出，由发射模块发射线性调频信号，线性调频信号遇到目标反射成回波信号，接收模块接收回波信号，
(3)将接收到的回波信号进行数据处理与数据存储工作，然后通过数据传输模块micro USB端口或60pin的连接器端口，连接电脑上位机，读取监测到的生命体征数据。
如图4所示，生命体征监测装置的毫米波雷达的信号发生器发射信号，发射信号遇到待测物体后被反射，由于呼吸和心跳会导致胸腔的震动，所反射的回波信号也会有所差异。由正交接收机捕获回波信号并与发射信号进行正交混合生成混频信号。采用低通滤波器滤除高频部分，得到中频信号。对每个线性调频信号进行ADC采样，生成时域采样信号，对时域采样信号进行距离FFT。在快速采样时间轴上以单线性调频信号进行FFT，以获得拍频信号的频谱。该光谱的峰值对应于不同距离的目标，称为距离FFT。在慢时轴上进行FFT，得到振动频率，称为振动FFT。每次线性调频信号结束都会记录并计算目标距离单元上的相位，由此计算出相位变化，得到相位差的集合。采集完一组数据后，借助上位机对保存的数据进行滤波和FFT处理，得到呼吸及心跳的时域及频域信息，经过计算得到心率和呼吸速率，并通过显示界面进行显示。
如图5所示，毫米波雷达的生命体征监测装置主要包括电源模块、IWR1642天线模块、按键模块和数据传输模块。
电源模块可再次分为PMIC电源模块、LDO1电源模块、LDO2电源模块。
(1)PMIC电源模块：由LP87524BRNFRQ1搭建PMIC电源电路。装置由5V、2.5A电源适配器供电，经过PMIC电源模块获得3.3V、2.3V、1.8V、1.2V电压，其中3.3V、1.2V电压直接为IWR1642芯片供电。
(2)LDO1电源模块：由TPS7A8101QDRBRQ1搭建的线性稳压电路。PMIC电源模块产生的2.3V电压过LDO1电源模块电压降为1.8V后为IWR1642芯片供电。
(3)LDO2电源模块：由TPS7A8801RTJR搭建的线性稳压电路。PMIC电源模块产生的1.8V电压过LDO2电源模块电压降为1.3V后为IWR1642芯片供电。
IWR1642天线模块主要负责雷达线性调频信号的发射和接收工作及数据存储工作，IWR1642天线模块可再次分为发射模块、接收模块、时钟模块以及存储模块。
(1)发射模块
IWR1642发射模块由两个并行发射链组成，每个发射链具有独立的相位和幅度控制。该装置支持MIMO雷达的二元相位调制和干扰抑制。每条发送链在PCB板上的天线端口上最多可以发送12.5dBm的数据。传输链还支持可编程回退，以进行系统优化。
(2)接收模块
IWR1642接收模块由4个并行信道组成。单个接收通道由LNA、混频器、中频滤波、A2D转换和抽取组成。四个接收通道可以同时运行，单个断电选项也可用于系统优化。与传统的纯实数接收机不同，IWR1642器件支持复杂的基带结构，使用正交混频器、双中频和ADC链为每个接收通道提供复杂的I和Q输出。IWR1642是用于快速线性调频信号系统的。带通中频率具有高于175kHz的可配置低截止频率，可支持高达5MHz的带宽。
(3)时钟模块
IWR1642芯片内置时钟系统把晶体振荡器产生的40MHZ的输入信号变到76到81GHz的线性调频信号输出。IWR1642内置一个振荡器电路、一个清除锁相环和射频合成器电路。射频合成器的输出经过一个X4乘法器处理，在76到81GHz频谱中创建所需的频率。时钟子系统也有内置的机制来检测晶体的存在和监测产生的时钟的质量。
(4)存储模块
由IWR1642芯片内置存储及外置QSPI FLASH模块构成，主要负责数据的存储与读取。
按键模块包括两个按键，一个复位按键，一个自定义按键可供后续调试应用。
数据传输模块包括micro USB端口和60pin的连接器端口，micro USB端口连接电脑上位机，上位机自动检测串口，60pin的连接器端口可以用来读取监测到的生命体征数据。
如图6所示，上位机界面主要包括显示模块、功能勾选模块、按键控制模块、串口显示模块。显示模块包括数字显示呼吸频率、心率部分和呼吸波形随时间变化坐标系、心跳波形随时间变化坐标系、胸腔位移随时间变化坐标系、目标距离随时间变化坐标系部分以及中途计算变量显示部分。功能勾选模块包括时域显示、频域显示、保存数据、加载配置、显示图和自动检测COM端口六部分。按键控制模块包括开始检测、暂停检测、结束检测、端口设置和程序刷新五部分。串口显示模块包括用户UART端口和数据端口两部分。
此处示例为基本处理及控制功能显示，如有其他处理方法及应用也可应用到该界面，此处勾选加载配置即可在Dos界面查看配置，勾选显示图即可在此实时显示波形，勾选自动检测COM端口可以看到软件已经检测到用户UART端口COM3和数据端口COM4，此时点击开始按键，按键变红，开始生命体征检测，可以从串口读取装置信号并获得经过电脑代码进行上述方法相关处理的波形数据以及处理过程中的中间变量，显示到上位机界面中
在本实施例中，毫米波雷达的生命体征监测装置的发射天线(TX)发射的线性调频信号遇到物体反弹，回波信号被接收天线(RX)接收进入IWR1642进行处理与暂存，通过micro USB端口将数据上传到电脑上位机，上位机自动检测串口，进行相关FFT与滤波处理计算得出呼吸、心跳、心率、距离等信息并进行实时的显示。
实施例四
本公开实施例四提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的基于毫米波雷达的生命体征检测方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于毫米波雷达的生命体征检测方法相同，在此不再赘述。
实施例五
本公开实施例五提供了一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的基于毫米波雷达的生命体征检测方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于毫米波雷达的生命体征检测方法相同，在此不再赘述。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取毫米波雷达的脉冲信号；
对所获取的脉冲信号进行预处理，得到中频信号；
对所述中频信号进行线性处理，计算所述毫米波雷达与被测目标之间的距离信息；
根据所得到的距离信息，提取被测目标的雷达生命体征信号，检测生命体征。
2.如权利要求1中所述的一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，在获取毫米雷达波的脉冲信号的过程中，通过毫米雷达波的信号发生器发射信号，当所发射的信号遇到待测目标后被发射，即得到毫米雷达波的脉冲信号。
3.如权利要求1中所述的一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，所述脉冲信号至少与毫米雷达波的带宽、频率变化以及振幅相关。
4.如权利要求1中所述的一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，所述预处理至少包括脉冲信号中的高频部分滤除。
5.如权利要求1中所述的一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，所述线性处理采用时域采样信号的快速傅里叶变换。
6.如权利要求1中所述的一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，所述脉冲信号和所示中频信号通过天线模块实现信号的发射、接收和存储；所述天线模块包括内设并行发射链的发射单元、内设并行信道的接收单元、内设晶体振荡器的时钟单元，以及存储单元。
7.如权利要求1中所述的一种基于毫米波雷达的生命体征检测方法，其特征在于，在提取生命体征的过程中，根据距离信息进行被测目标的中频信号相位的展开，将展开后的中频信号进行去噪处理，得到被测目标的生命体征信号。
8.一种基于毫米波雷达的生命体征检测系统，其特征在于，包括：
获取模块，被配置为获取毫米波雷达的脉冲信号；
处理模块，被配置为对所获取的脉冲信号进行预处理，得到中频信号；对所述中频信号进行线性处理，计算所述毫米波雷达与被测目标之间的距离信息；
检测模块，被配置为根据所得到的距离信息，提取被测目标的雷达生命体征信号，检测生命体征。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于毫米波雷达的生命体征检测方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于毫米波雷达的生命体征检测方法中的步骤。
Priority Applications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115240438A (zh) * | 2022-06-14 | 2022-10-25 | 常州工学院 | 一种用于判断儿童是否车内遗留的检测系统 |
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- 2022-01-13 CN CN202210036531.0A patent/CN114533004A/zh active Pending
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