CN116058820A - 基于雷达的生命体征监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于雷达的生命体征监测方法及系统，其中的基于雷达的生命体征监测方法，包括以下步骤：基于雷达产生调频连续波信号，产生的信号一路朝向监测目标发送，另一路与获得的回波信号混合，依次经滤波和数模转换得到数字信号；根据监测目标与雷达的距离，将数字信号经相位展开后得到相位差分，根据设定频段的带通滤波器分离出呼吸信号和心跳信号，经后处理得到监测目标的呼吸速率和心率。采用调频连续波雷达向受试者发出雷达信号，心跳和呼吸引起人体胸壁微运动，利用雷达信号对这部分信号进行调制，将捕捉到的回波信号与发射信号混合，经处理后得到所需的心跳和呼吸数据，从而以非接触的方式实现生命体征监测。
Description
技术领域
本发明涉及雷达监测技术领域，具体为基于雷达的生命体征监测方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
生命体征是生命活动存在和质量的重要标志，已被证明是评估人体健康状况最重要的项目之一，传统的生命体征监测通常基于可穿戴设备实现，需要与受试者紧密接触，因而存在一定局限性。例如当受试者是婴儿、睡眠障碍、皮肤病患者或严重烧伤患者时，可穿戴设备难以实现其生命体征监测功能，并且容易引发监测对象的的情况恶化。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供基于雷达的生命体征监测方法及系统，采用调频连续波雷达向受试者发出雷达信号，心跳和呼吸引起人体胸壁微运动，利用雷达信号对这部分信号进行调制，将捕捉到的回波信号与发射信号混合，经处理后得到所需的心跳和呼吸数据，从而以非接触的方式实现生命体征监测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供基于雷达的生命体征监测方法，包括以下步骤：
基于雷达产生调频连续波信号，产生的信号一路朝向受试者发送，另一路与获得的回波信号混合，依次经滤波和数模转换得到数字形式的中频信号；
中频信号经距离傅里叶变换获得受试者与雷达的距离，根据得到的距离提取受试者所在位置处中频信号的相位，经相位展开后进行相位差分处理，并经设定频段的滤波处理分离出呼吸信号和心跳信号，经后处理得到受试者的呼吸速率和心率。
数字信号经距离傅里叶变换得到待测目标与雷达的距离，具体为：
混合经滤波处理和数模转换得到数字形式的中频信号，中频信号经距离傅里叶变换之后得到距离信号，距离信号峰值所处的位置为待测目标与雷达的距离；
其中，受试者所在位置处中频信号的相位，为受试者胸腔壁受呼吸和心跳影响产生微运动信号的相位。
根据得到的距离提取受试者位置处中频信号的相位，具体为：
根据angle函数提取目标距离单元上复数矩阵的相位角弧度值，取值为-π到π。
通过angle函数得到的相位值是每个复数的相位角值，得到实际连续的相位变化，需要对相位进行解缠绕，具体为：
当前后两个相位的差值大于π时，将相位差值减去2π得到正确的相位；
当前后两个相位的差值小于-π时，将相位差值加上2π得到正确的相位。
相位差分处理，具体为：
利用后一帧与前一帧的相位做差，将相位中的常数项抵消，相位整体去除了偏移。
经设定频段的滤波处理分离出呼吸信号和心跳信号，经后处理得到受试者的呼吸速率和心率，包括：
利用0.1-0.6Hz带通滤波器分离出呼吸信号，经谱估计处理后得到受试者的呼吸速率；
利用0.8-4.0Hz带通滤波器分离出心跳信号，并确定运动损失部分，将不属于运动损失部分的信号通过有效值缓冲区和谱估计处理，得到受试者的心率数据。
本发明的第二个方面提供实现上述方法所需的系统，包括：
发送模块，被配置为：基于雷达产生调频连续波信号，产生的信号一路朝向受试者发送，另一路与获得的回波信号混合；
接收模块，被配置为：获得监测目标返回的回波信号；
处理模块，被配置为：混合信号依次经滤波和数模转换得到数字形式的中频信号，中频信号经距离傅里叶变换获得受试者与雷达的距离，根据得到的距离提取受试者所在位置处中频信号的相位，经相位展开后进行相位差分处理，并经设定频段的滤波处理分离出呼吸信号和心跳信号，经后处理得到受试者的呼吸速率和心率。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于雷达的生命体征监测方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，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计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的基于雷达的生命体征监测方法中的步骤。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
由于心跳和呼吸引起人体胸壁的微运动，则采用调频连续波(frequencymodulated continuous wave,FMCW)雷达可以对这些微运动产生的信号进行调制，将捕捉到的调制回波信号与发射的信号混合，经滤波处理得到中频信号，再转换为数字信号经相位展开后分离出呼吸信号和心跳信号，经过后处理得到监测目标的呼吸速率和心率，从而在不接触人体的情况下实现生命体征监测。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的基于雷达的生命体征监测时的场景示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的基于雷达的生命体征监测时的场景示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的实现生命体征监测的雷达内部架构示意图；
图4是本发明一个或多个实施例提供的生命体征监测系统的工作过程示意图；
图5是本发明一个或多个实施例提供的生命体征监测时的信号处理流程示意图；
图6-图10均是本发明一个或多个实施例提供的实现驾驶员生命体征监测的实验数据示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。
正如背景技术中所描述的，传统的生命体征监测通常基于可穿戴设备实现，需要与受试者紧密接触，因而存在一定局限性，在受试者无法佩带可穿戴设备时，传统的生命体征监测无法产生效果。
因此以下实施例给出基于雷达的生命体征监测方法及系统，能够以非接触的方式实现生命体征监测。
实施例一：
如图1-图5所示，基于雷达的生命体征监测方法，包括以下步骤：
基于雷达产生调频连续波信号，产生的信号一路朝向受试者发送，另一路与获得的回波信号混合，依次经滤波和数模转换得到数字形式的中频信号；
中频信号经距离傅里叶变换获得受试者与雷达的距离，根据得到的距离提取受试者所在位置处中频信号的相位，经相位展开后进行相位差分处理，并经设定频段的滤波处理分离出呼吸信号和心跳信号，经后处理得到受试者的呼吸速率和心率。
具体的：
如图1所示，采用调频连续波(frequency modulated continuous wave,FMCW)雷达，该雷达装有发射线性FM信号的信号发生器。由于心跳和呼吸引起人体胸壁的微运动，则可以利用雷达对这些微运动产生的信号进行调制，然后将其反射产生回声信号。将捕捉到的调制回波信号与正交发射的信号进行混合。利用低通滤波器滤除高频信号，得到IF信号。通过模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)对IF信号进行采样并转换为数字信号进行后续的数字信号处理(digital signal processing,DSP)。
本实施例中，如图4所示，合成器(Synth)产生雷达信号后分为两路，一路经发送端TX朝向受试者发送，另一路发送的信号与通过接收端RX获得的回波信号混合，经低通滤波器得到中频信号(IF信号)，依次经ADC和DSP处理后在界面上显示。
FMCW雷达发出的单个chirp可表示为：
式中AT为发射信号幅值，fc为线性调频信号的起始频率，S＝B/Tc表示频率的变化率，B为带宽，Tc为脉冲持续时间，
为相位噪声。
假设x(t)为呼吸、心跳导致的胸壁位移，d0为雷达与被测者之间的距离，胸壁与雷达之间的距离可以表示为R(t)＝x(t)+d0。因此，时间延迟为td＝2R(t)/C，其中C为光速。接收信号xR(t)就可以导出为：
其中AR为接收到信号的幅值。
将发射信号和接收信号通过两个正交I/Q信道进行混合，然后通过低通滤波器得到IF信号SIF(t)。
其中方程的第三项由于对应的相位很小(约为10-6左右)而可以忽略不计，此外，由于距离依赖效应，第一个近似方程中剩余的相位噪声项
也可以忽略不计。第二个近似方程中相位的第一项是通过使用2R(t)/C替换td和忽略x(t)t得到的。
因此，chirp中IF信号SIF(t)的频率f0是固定的，其幅度与目标到雷达的距离d0成正比，初始相位
随胸壁位移x(t)变化而变化。
本实施例中，如图2所示，将毫米波雷达固定于座椅后方一定距离处，并将其采集的数据传输至上位机pc中，完成信号处理的同时实时显示受试者的生命体征。
如图5所示，通过Range-FFT(距离傅里叶变换)得到被测目标的距离信号，选择目标的距离块并跟踪，同时从Range-FFT中提取相位，依次经相位展开和相位差分后分离出呼吸信号与心跳信号。
具体的：
1.目标距离：将IF(中频)信号(此时的中频信号为数字形式)进行距离傅里叶变换之后得到距离信号，距离信号峰值所处的位置即待测目标(本实施例为受试者因呼吸和心跳影响产生微运动的胸腔)距雷达的距离；
2.相位提取：提取目标位置处中频信号的相位。本实施例利用用MA TLAB中的angle函数来求取目标距离单元上复数矩阵的相位角弧度值，其取值为-π到π。
3.相位展开：也称相位解缠绕，通过angle函数得到的相位值是每个复数的相位角值。
但是对于连续的相位，angle函数并不能识别，故想要得到实际连续的相位变化，需要对相位进行解缠绕。
解缠绕算法为：当前后两个相位的差值大于π时，将相位差值减去2π得到正确的相位；当前后两个相位的差值小于-π时，将相位差值加上2π得到正确的相位。
4.相位差分：理想状态下，人体与目标保持相对静止，相位的变化仅由人体胸腔的微动来调制。但是由于雷达与目标之间的初始(绝对)距离会使得相位中产生一个常数项，这会导致展开后的相位整体会出现向上或者向下的趋势。因此要获得呼吸和心跳导致的时变信号，需要对常数相位进行去除。本实施例采用对相位进行差分处理来去除偏移。相位差分处理是用后一帧与前一帧的相位做差，由于每一帧的相位都含有相同的常数项相位，因此做差之后就可以将相位中的常数项抵消，相位整体也因此去除了偏移。相位的差分处理还有一个优势是可以增强心跳信号。
5.信号滤波及频率估计：本实施例中，利用0.1-0.6Hz带通滤波器分离出呼吸信号，经谱估计处理后得到受试者的呼吸速率；利用0.8-4.0Hz带通滤波器分离出心跳信号，并确定运动损失部分，将不属于运动损失部分的信号通过有效值缓冲区和谱估计处理，得到受试者的心率数据。
上述信号处理流程简洁，精确度高，鲁棒性强，程序运行速度快，契合实时处理对有限处理时间的要求。
实验：
图6和图7分别为测试人员1和测试人员2在保持正常呼吸的情况下的测试结果图，测试人员距离雷达0.5米左右，共有两名测试人员分别进行测试，如图6和图7所示，此时的测试人员1的呼吸为18次/分钟，心跳为68次/分钟，测试人员2的呼吸为12次/分钟，心跳为54次/分钟，在检测过程中能够流畅显示呼吸和心跳信号波形、胸腔位移变化以及目标的一维距离图。
图8和图9分别为测试人员1和测试人员2在保持正常呼吸情况下的测试结果图，两名测试人员距离雷达0.8米，此时的测试人员1的呼吸为13次/分钟，心跳为80次/分钟，测试人员2的呼吸为14次/分钟，心跳为80次/分钟，在检测过程中能够流畅显示呼吸和心跳信号波形、胸腔位移变化以及目标的一维距离图。
图10为测试人员1屏住呼吸时的测试结果图，如图所示此时被测人员的呼吸为0，呼吸波形的变化很小趋于零值，但心跳波形依然清晰，由于屏住呼吸，所以此时被测者的胸腔位移是由人体的心跳导致，而由人体心跳造成的胸腔位移远小于呼吸造成的，因此从图10中可以看到此时胸腔的位移在测试人员从正常呼吸转换屏住呼吸的过程中，胸腔的位移变化量也逐渐变小。
通过以上的测试，证明所设计的方法能够稳定地运行，能够得到所需要的呼吸和心跳频率等重要地信息。与接触传感器设备(智能手环)的结果进行了比较，实验结果表明，生命体征的检测准确率高于96％。
实施例二：
实现上述方法的系统，包括：
发送模块，被配置为：基于雷达产生调频连续波信号，产生的信号一路朝向受试者发送，另一路与获得的回波信号混合；
接收模块，被配置为：获得监测目标返回的回波信号；
处理模块，被配置为：混合信号依次经滤波和数模转换得到数字形式的中频信号，中频信号经距离傅里叶变换获得受试者与雷达的距离，根据得到的距离提取受试者所在位置处中频信号的相位，经相位展开后进行相位差分处理，并经设定频段的滤波处理分离出呼吸信号和心跳信号，经后处理得到监测目标的呼吸速率和心率。
本实施例中，系统可以形成如图3所示的架构，其中，处理模块形成DSP子系统，发送模块和接收模块形成射频和模拟子系统，包括有TX1和TX2两个发送端，RX1-RX4四个接收端，发送端通过合成器与斜坡发生器连接；接收端依次经低通滤波器和ADC处理器连接在数字前端上，合成器产生的信号一路经发送端输出，另一路与接收端返回的信号混合共同进入低通滤波器中。
实施例三：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的基于雷达的生命体征监测方法中的步骤。
实施例四：
本实施例提供了一种计算机设备，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计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的基于雷达的生命体征监测方法中的步骤。
以上实施例二至四中涉及的各步骤或模块与实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于雷达的生命体征监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于雷达产生调频连续波信号，产生的信号一路朝向受试者发送，另一路与获得的回波信号混合，依次经滤波和数模转换得到数字形式的中频信号；
中频信号经距离傅里叶变换获得受试者与雷达的距离，根据得到的距离提取受试者所在位置处中频信号的相位，经相位展开后进行相位差分处理，并经设定频段的滤波处理分离出呼吸信号和心跳信号，经后处理得到受试者的呼吸速率和心率。
2.如权利要求1所述的基于雷达的生命体征监测方法，其特征在于，中频信号经距离傅里叶变换获得受试者与雷达的距离，具体为：
混合经滤波处理和数模转换得到数字形式的中频信号，中频信号经距离傅里叶变换之后得到距离信号，距离信号峰值所处的位置为受试者与雷达的距离。
3.如权利要求1所述的基于雷达的生命体征监测方法，其特征在于，受试者所在位置处中频信号的相位，为受试者胸腔壁受呼吸和心跳影响产生微运动信号的相位。
4.如权利要求1所述的基于雷达的生命体征监测方法，其特征在于，根据得到的距离提取受试者所在位置处中频信号的相位，具体为：
根据angle函数提取目标距离单元上复数矩阵的相位角弧度值，取值为-π到π。
5.如权利要求4所述的基于雷达的生命体征监测方法，其特征在于，通过angle函数得到的相位值是每个复数的相位角值，当得到实际的连续相位变化，对相位进行解缠绕，具体为：
当前后两个相位的差值大于π时，将相位差值减去2π得到正确的相位；
当前后两个相位的差值小于-π时，将相位差值加上2π得到正确的相位。
6.如权利要求1所述的基于雷达的生命体征监测方法，其特征在于，相位差分处理，具体为：
利用后一帧与前一帧的相位做差，将相位中的常数项抵消，相位整体去除了偏移。
7.如权利要求1所述的基于雷达的生命体征监测方法，其特征在于，经设定频段的滤波处理分离出呼吸信号和心跳信号，经后处理得到监测目标的呼吸速率和心率，包括：
利用0.1-0.6Hz带通滤波器分离出呼吸信号，经谱估计处理后得到受试者的呼吸速率；
利用0.8-4.0Hz带通滤波器分离出心跳信号，并确定运动损失部分，将不属于运动损失部分的信号通过有效值缓冲区和谱估计处理，得到受试者的心率数据。
8.基于雷达的生命体征监测系统，其特征在于，包括：
发送模块，被配置为：基于雷达产生调频连续波信号，产生的信号一路朝向受试者发送，另一路与获得的回波信号混合；
接收模块，被配置为：获得监测目标返回的回波信号；
处理模块，被配置为：混合信号依次经滤波和数模转换得到数字形式的中频信号，中频信号经距离傅里叶变换获得受试者与雷达的距离，根据得到的距离提取受试者所在位置处中频信号的相位，经相位展开后进行相位差分处理，并经设定频段的滤波处理分离出呼吸信号和心跳信号，经后处理得到受试者的呼吸速率和心率。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述权利要求1-7任一项所述的基于雷达的生命体征监测方法中的步骤。
10.一种计算机设备，其特征在于，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计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的基于雷达的生命体征监测方法中的步骤。
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|---|---|---|---|---|
| CN116687357A (zh) * | 2023-08-07 | 2023-09-05 | 亿慧云智能科技（深圳）股份有限公司 | 基于毫米波雷达的睡眠监测方法、装置、设备及存储介质 |
| CN117064349A (zh) * | 2023-08-17 | 2023-11-17 | 德心智能科技(常州)有限公司 | 毫米波雷达与智能床联动的姿态控制方法及系统 |
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2023
- 2023-02-13 CN CN202310119718.1A patent/CN116058820A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116687357A (zh) * | 2023-08-07 | 2023-09-05 | 亿慧云智能科技（深圳）股份有限公司 | 基于毫米波雷达的睡眠监测方法、装置、设备及存储介质 |
| CN116687357B (zh) * | 2023-08-07 | 2023-10-20 | 亿慧云智能科技（深圳）股份有限公司 | 基于毫米波雷达的睡眠监测方法、装置、设备及存储介质 |
| CN117064349A (zh) * | 2023-08-17 | 2023-11-17 | 德心智能科技(常州)有限公司 | 毫米波雷达与智能床联动的姿态控制方法及系统 |
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