CN117075094A - 一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法及装置，包括以下步骤：人体生命特征建模；监测雷达向监测区域内发射线性调频连续波的发射信号，同时不间断地捕获人体反射回来的回波信号；分析雷达的发射信号、回波信号以及差拍信号，提取人体生命特征数据；实时生命体征信息检查；分离心跳信号和呼吸信号，分别对心跳信号和呼吸信号进行频率计算。本发明通过测量接收信号与发射信号的相对频率关系来测量人体生命体征信号，提高了人体生命体征信号检测的实时性和准确性；通过基于FFT、自相关、峰值间隔的谱估计的置信参数提取心跳信号和呼吸信号的数据，大大提高了人体存在的感应探测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及智能实时监护技术领域，具体为一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法及装置。
背景技术
目前探测房间内是否有人存最常见三种方式，分别是被动热释电红外传感、微波探测、摄像头；其中被动热释电红外传感、微波探测可以用于移动人体探测，但当人体处于静止状态时候无法探测，且环境因素影响很大，往往导致探测精度不够，误报可能性大；摄像头通过AI分析可以精准的分析环境中是否有人，但是在应用上常常不被人接受，涉及到这样那样的隐私问题。
发明内容
针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法及装置，以解决背景技术中提到的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
本发明基于毫米波雷达的人体存在感应探测器，在探测人体探测方便具有一下优势环境适应性强、高精度、简单和安全。
本发明提供一种智能生命体征监护方法，包括以下步骤：
S1、人体生命特征建模；人体心跳的速率在一个稳定的范围内是周期变化的，将心跳近似于正弦振动模型；呼吸是胸腔的扩张与收缩完成的，同样类似于正弦振动，也可近似为正弦振动模型，其起伏的幅度约为0.1～0.5mm；由于心跳呼吸频率不一样，可以视为基于人体的心跳和呼吸都是近似正弦振动，心跳频率和呼吸频率不同，心跳振动和呼吸振动存在相位延迟，设人体相对于雷达处于静止状态，可对人体生命特征建模；
S2、监测雷达通过发射天线向监测区域内发射线性调频连续波的发射信号，同时通过接收天线不间断地捕获人体反射回来的回波信号；
S3、通过分析雷达的发射信号、回波信号以及差拍信号，提取出人体生命特征数据，包括心跳数据和呼吸数据；
通过分析差拍信号的信息，提取出人体生命特征数据；
在慢时间维上R(t)为常数R(mT)，对φb求关于慢时间t的导数得其信号参数如下：
中心频率：
初始相位：
得知多个发射周期的初始相位信息表达式为：
其中，N为发射的线性调频信号周期数，则提取快时间维的初始相位信息，获得人体心肺信号；
S4、实时生命体征信息检查；分离心跳信号和呼吸信号，分别对心跳信号和呼吸信号进行频率计算。
进一步的，所述S4步骤之后还包括：通过对提取的生命体征数据与正常的生命体征数值范围进行比较，综合分析判断被观察者的健康和压力水平，了解心率和呼吸频率从而快速提示某些突发的致命疾病。
进一步的，所述S3步骤的所述提取快时间维的初始相位信息的方法包括：
对φb(m)进行适当的相移，进行解卷绕操作，由多个发射周期的初始相位信息表达式得知，两个快时间维的相位变化为：
Δφ＝4π/λ(ΔR)，λ＝8.6mm，-1mm＜ΔR＜1mm，则-π/2＜Δφ＜π/2，
对相位变化不满足Δφ的相位点进行解卷绕操作。
进一步的，所述S4步骤的对心跳信号进行频率计算的方法包括：对心跳信号的数据进行移动损毁判断，然后对心跳信号的数据分别进行基于FFT、自相关、峰值间隔的谱估计，并计算出FFT、自相关、峰值间隔的谱估计的置信参数，然后根据心跳信号的数据的置信参数进行判断最终取值。
进一步的，所述对心跳信号的数据进行移动损毁判断的方法包括：丢弃对于波的能量超过设定阈值的心跳数据的段，以避免过大的运动所带的能量影响最终计算的准确性。
进一步的，所述S4步骤的对呼吸信号进行频率计算的方法包括：在基于FFT计算心率的过程中，检测并滤除呼吸产生的一次谐波，并对结果进行中值滤波，对于呼吸信号的数据进行FFT和峰值间隔的谱估计，并计算出FFT和峰值间隔的谱估计的置信参数，然后根据呼吸信号的数据的置信参数判断最终取值。
一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测装置，通过所述感应探测方法制得。
进一步的，所述感应探测装置还包括雷达，所述雷达包括收发天线、射频前端模块和MCU逻辑处理器。
进一步的，MCU处理器生成一个线性调频脉冲信号经射频前端模块通过TX天线发射电磁波信号，然后通过RX天线同步接收目标反射后的回波信号，经射频前端模块反馈给MCU处理器，由MCU处理器完成上述方法运算逻辑处理。
附图说明
图1是本发明一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法的工作流程图；
图2是本发明实施例的线性调频连续波回波的差拍信号时域图；
图3是本发明实施例的心跳呼吸信号提取流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种实施方式，提供一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法，如图1-3所示，包括如下步骤：
S1、人体生命特征建模；心跳和呼吸频率是人体心肺功能的重要指标，对于一般人体而言，心跳每分钟大约60至100次，而呼吸则是15至30次。如遇突发疾病或是人体剧烈运动之后，心跳次数可能达到120次每分钟，呼吸则会增至60次每分钟。在很多的医学影像中可以观察到人体心脏的跳动过程，这种运动模式类似于振动的伸缩，其伸缩的幅度约为0.01～0.2mm；人体心跳的速率在一个稳定的范围内是周期变化的，将心跳近似于正弦振动模型；呼吸是胸腔的扩张与收缩完成的，同样类似于正弦振动，也可近似为正弦振动模型，其起伏的幅度约为0.1～0.5mm；由于心跳呼吸频率不一样，可以视为基于人体的心跳和呼吸都是近似正弦振动，心跳频率和呼吸频率不同，心跳振动和呼吸振动存在相位延迟，设人体相对于雷达处于静止状态，可对人体生命特征建模；其中，建立如下模型
R(t)＝R0+Ah·sin(2πfht)+Ab·sin(2πfb+θ)
其中，R0为雷达与人体之间的距离，第二项为呼吸部分，第三项为心跳部分，Ah和Ab分别为心跳和呼吸的振动幅度，fh和fb分别为心跳和呼吸的频率值，θ是心跳的初始相位；
S2、监测雷达通过发射天线向监测区域内发射线性调频连续波的发射信号，同时通过接收天线不间断地捕获人体反射回来的回波信号；
将雷达正对人体，距离R0放置，所述监测雷达的扫频段在第m个信号重复周期内的发射信号表示为：
其中，T为发射调频信号的时间间隔，f0是雷达载频，φ0为发射信号初始相位；u＝B/T，B为调频带宽，则距离为R(t)的点目标产生的回波延时为τ(t)，其回波信号表示为：
其中，Kr为目标反射系数，τ(t)＝R(t)/C；接收的回波信号经过与发射信号混频、相干解调后，差拍信号表示为：
S3、通过分析雷达的发射信号、回波信号以及差拍信号，提取出人体生命特征数据，包括心跳数据和呼吸数据；
通过分析差拍信号的信息，提取出人体生命特征数据；
在慢时间维上R(t)为常数R(mT)，对φb求关于慢时间t的导数得其信号参数如下：
中心频率：
初始相位：
得知多个发射周期的初始相位信息表达式为：
其中，N为发射的线性调频信号周期数，则提取快时间维的初始相位信息，获得人体心肺信号；
对φb(m)进行适当的相移，进行解卷绕操作，由多个发射周期的初始相位信息表达式得知，两个快时间维的相位变化为：
Δφ＝4π/λ(ΔR)，λ＝8.6mm，-1mm＜ΔR＜1mm，则-π/2＜Δφ＜π/2，
对相位变化不满足Δφ的相位点进行解卷绕操作。
S4、实时生命体征信息检查；分离心跳信号和呼吸信号，分别对心跳信号和呼吸信号进行频率计算，通过对提取的生命体征数据与正常的生命体征数值范围进行比较，综合分析判断被观察者的健康和压力水平，了解心率和呼吸频率从而快速提示某些突发的致命疾病。
对心跳信号的数据进行移动损毁判断，然后对心跳信号的数据分别进行基于FFT、自相关、峰值间隔的谱估计，并计算出FFT、自相关、峰值间隔的谱估计的置信参数，然后根据心跳信号的数据的置信参数进行判断最终取值，丢弃对于波的能量超过设定阈值的心跳数据的段，以避免过大的运动所带的能量影响最终计算的准确性，在基于FFT计算心率的过程中，检测并滤除呼吸产生的一次谐波，并对结果进行中值滤波，对于呼吸信号的数据进行FFT和峰值间隔的谱估计，并计算出FFT和峰值间隔的谱估计的置信参数，然后根据呼吸信号的数据的置信参数判断最终取值。
一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测装置，通过上述感应探测装置制备方法制得，所述感应探测装置还包括雷达，所述雷达包括收发天线、射频前端模块和MCU逻辑处理器，MCU处理器生成一个线性调频脉冲信号经射频前端模块通过TX天线发射电磁波信号，然后通过RX天线同步接收目标反射后的回波信号，经射频前端模块反馈给MCU处理器，由MCU处理器完成上述方法运算逻辑处理。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、人体生命特征建模；基于人体的心跳和呼吸都是近似正弦振动，心跳频率和呼吸频率不同，心跳振动和呼吸振动存在相位延迟，设人体相对于雷达处于静止状态，可对人体生命特征建模；
S2、监测雷达通过发射天线向监测区域内发射线性调频连续波的发射信号，同时通过接收天线不间断地捕获人体反射回来的回波信号；
S3、通过分析雷达的发射信号、回波信号以及差拍信号，提取出人体生命特征数据，包括心跳数据和呼吸数据；
通过分析差拍信号的信息，提取出人体生命特征数据；
在慢时间维上R(t)为常数R(mT)，对求关于慢时间t的导数得其信号参数如下：
中心频率：
初始相位：
得知多个发射周期的初始相位信息表达式为：
其中，N为发射的线性调频信号周期数，则提取快时间维的初始相位信息，获得人体心肺信号；
S4、实时生命体征信息检查；分离心跳信号和呼吸信号，分别对心跳信号和呼吸信号进行频率计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法，其特征在于，所述S4步骤之后还包括：通过对提取的生命体征数据与正常的生命体征数值范围进行比较，综合分析判断被观察者的健康和压力水平，了解心率和呼吸频率从而快速提示某些突发的致命疾病。
3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法，其特征在于，所述S3步骤的所述提取快时间维的初始相位信息的方法包括：
对φb(m)进行适当的相移，进行解卷绕操作，由多个发射周期的初始相位信息表达式得知，两个快时间维的相位变化为：
Δφ＝4π/λ(ΔR)，λ＝8.6mm，-1mm＜ΔR＜1mm，则-π/2＜Δφ＜π/2，
对相位变化不满足的相位点进行解卷绕操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法，其特征在于，所述S4步骤的对心跳信号进行频率计算的方法包括：对心跳信号的数据进行移动损毁判断，然后对心跳信号的数据分别进行基于FFT、自相关、峰值间隔的谱估计，并计算出FFT、自相关、峰值间隔的谱估计的置信参数，然后根据心跳信号的数据的置信参数进行判断最终取值。
5.根据权利要求4所述的一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法，其特征在于，所述对心跳信号的数据进行移动损毁判断的方法包括：丢弃对于波的能量超过设定阈值的心跳数据的段，以避免过大的运动所带的能量影响最终计算的准确性。
6.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测方法，其特征在于，所述S4步骤的对呼吸信号进行频率计算的方法包括：在基于FFT计算心率的过程中，检测并滤除呼吸产生的一次谐波，并对结果进行中值滤波，对于呼吸信号的数据进行FFT和峰值间隔的谱估计，并计算出FFT和峰值间隔的谱估计的置信参数，然后根据呼吸信号的数据的置信参数判断最终取值。
7.一种基于毫米波雷达的人体存在的感应探测装置，其特征在于：通过权利要求1-6任意一项所述的感应探测装置制备方法制得。
8.根据权利要求7所述的感应探测装置，其特征在于：所述感应探测装置还包括雷达，所述雷达包括收发天线、射频前端模块和MCU逻辑处理器。
9.根据权利要求8所述的感应探测装置，其特征在于：MCU处理器生成一个线性调频脉冲信号经射频前端模块通过TX天线发射电磁波信号，然后通过RX天线同步接收目标反射后的回波信号，经射频前端模块反馈给MCU处理器，由MCU处理器完成上述方法运算逻辑处理。
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