CN201936324U - 超声微多普勒人体步态特征提取装置 - Google Patents
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Abstract
一种超声微多普勒人体步态特征提取装置，由发射波形发生模块，功率放大器，超声发射传感器，超声接收传感器，低噪声放大，接收处理模块以及微型计算机构成；其中，微型计算机、发射波形发生模块，功率放大器和超声发射传感器依次连接；超声接收传感器，低噪声放大，接收处理模块以及微型计算机依次连接。本实用新型采用超声波收发传感器作为人体步态特征信号的提取装置，可以实现对一定距离外行人进行步态特征提取；在特征采集时不需要事先告知被监测人进行配合，并且不需要被检测人接触提取装置，因而具有非强迫性和可接受性，同时具有较低的成本。
Description
技术领域：
本实用新型属于一种生物认证设备，特备涉及一种超声微多普勒人体步态特征提取装置，该装置能够通过测量人体对超声波的反射引起的超声波变换来实现对人体行走步态特征的提取。
背景技术：
当前在社会生活中越来越离不开生物认证技术，应用较多的生物认证方法包括虹膜、人脸、指纹、DNA等方法，这些方法主要应用于在非常近的距离下(或者需要触摸)实现对人的身份识别。步态是指人体自然行走时的方式，是一种复杂的并且是具有较强个体特性的人体独有行为特征，通过对人体行走步态的检测和分析提取这一独有生物特征，将可实现在一定距离下对人的识别。
通过对人体行走步态特征检测和提取，可以为进一步实现基于人体步态特征的生物识别技术打下较好的基础。这一技术可以实现在一定距离下对人体的检测和分类，人体步态特征具有不可掩盖性和非接触性，可以应用于对重点区域的监视和可疑人物的检测，在医学上还可通过分析人体行走步态的变化实现对相关疾病的诊断以及肢体康复治疗领域，在竞技体育方面可用于对运动员的运动状态特征分析以提高运动员的运动水平。
超声微多普勒人体步态特征提取装置可通过向人体目标发射超声波，超声波遇到人体时产生反射，反射的超声波的变化表征了目标的一些信息。当人体相对提取装置发生位移运动时，超声波的频率会发生偏移，这一现象称为多普勒效应。
人体行走过程中旋转手臂和腿产生人体移动，使人体各部分相对超声波提取装置发生了距离变化，因此超声波提取装置照射人体时，行走人体的躯干、手臂、腿的运动产生的反射超声波中包含了微细多普勒频率的变化。这些微细多普勒频率特征反映了人体步态特征。我国采用超声波实现对人体步态特征的提取研究还未见报道。
发明内容：
本实用新型的目的就在于提供一种超声微多普勒人体步态特征提取装置，该装置采用超声波收发传感器作为人体步态特征信号的提取装置，可以实现对一定距离外行人进行步态特征提取，并且具有非强迫性和可接受性，同时具有较低的成本。
如上构思，本实用新型的技术方案是：一种超声微多普勒人体步态特征提取装置，其特征在于：由发射波形发生模块，功率放大器，超声发射传感器，超声接收传感器，低噪声放大，接收处理模块以及微型计算机构成；其中，微型计算机、发射波形发生模块，功率放大器和超声发射传感器依次连接；超声接收传感器，低噪声放大，接收处理模块以及微型计算机依次连接。
上述发射波形产生模块由89C51单片机、数模转换电路、带通滤波器以及信号放大电路组成；89C51单片机通过并口与数模转换电路连接，数模转换电路与带通滤波器连接，带通滤波器与信号放大器相连接；89C51单片机通过两个串口与微型计算机连接。
上述接收处理模块由信号滤波及放大器模块、模数转换电路以及89C51单片机构成；超声回波信号经低噪声放大后进入信号滤波与放大器模块，信号滤波与放大器模块与模数转换电路相连接，模数转换电路与89C51单片机相连接，89C51单片机通过串口与微型计算机相连接，同时单片机还通过数字接口与发射波形产生模块的单片机相连。
本实用新型的工作原理是：根据需要被监视环境的空间状况，将超声波微多普勒人体步态特征提取装置安装在能够使超声波探测器覆盖主要检测区域，使之波束能够覆盖来往行走人员，超声波微多普勒人体步态特征提取装置通过微型计算机控制发射波形产生模块采用单片机产生超声波所需振荡频率信号并经过数字模拟转换电路形成模拟振荡信号，经过功率放大送入超声波发射传感器，超声发射传感器实现电到超声的转换并传播出去，当空间传播的超声波遇到行走的人体时产生反射超声波，反射超声波被超声波接收传感器接收实现超声波到电信号的转换，电信号被低噪声放大器放大送入接收处理模块，在接收处理模块中实现对信号的进一步放大和滤波，消除噪声的影响，并且实现信号的模拟数字转换放大混频接收通道模块对微弱的回波信号进行低噪声放大下变频成为低频信号并进行滤波放大，经过放大的回波信号送入信号处理模块进行进一步的滤波处理和放大以适应模拟数字转换器的要求，经过模拟数字转换器将模拟信号转换为数字信号，由单片机实现对模数转换电路的控制并实现数据的整理，按照串口通信的格式送入微型计算机，在微型计算机中对串口数据进行读取，并将原始数据进行存储形成原始数据文件以备查询，并且对原始数据实现时频频谱分析，频谱分析将读取由发射波形发生模块的数字脉冲作为频率基准参考，实现对步态特征的检测和提取，将提取出的步态特征进行存储形成特征文件并在计算机显示屏上显示相关特征数据。可以提取的特征主要包括人体行走周期，手臂摆动速度、腿部摆动速度等特征，微型计算机记录和存储这些特征为后续的人体步态检测和识别打下基础。
本实用新型采用超声波收发传感器作为人体步态特征信号的提取装置，可以实现对一定距离外行人进行步态特征提取。本装置在特征采集时不需要事先告知被监测人进行配合，并且不需要被检测人接触提取装置，因而具有非强迫性和可接受性，同时具有较低的成本；本装置提取的特征为可靠的身份识别打下了良好的基础。
附图说明：
图1是本实用新型的原理框图。
图2是发射波形产生模块框图。
图3是接收处理模块框图。
图4是微型计算机数据处理流程图。
具体实施方式：
如图1所示：一种超声微多普勒人体步态特征提取装置，它由发射波形发生模块，功率放大器，超声发射传感器，超声接收传感器，低噪声放大，接收处理模块以及微型计算机构成；其中，微型计算机、发射波形发生模块，功率放大器和超声发射传感器依次连接；超声接收传感器，低噪声放大，接收处理模块以及微型计算机依次连接。
如图2所示：上述发射波形产生模块由89C51单片机、数模转换电路、带通滤波器以及信号放大电路组成；89C51单片机通过并口与数模转换电路连接，数模转换电路与带通滤波器连接，带通滤波器与信号放大器相连接；89C51单片机通过两个串口与微型计算机连接。
如图3所示：上述接收处理模块由信号滤波及放大器模块、模数转换电路以及89C51单片机构成；超声回波信号经低噪声放大后进入信号滤波与放大器模块，信号滤波与放大器模块与模数转换电路相连接，模数转换电路与89C51单片机相连接，89C51单片机通过串口与微型计算机相连接，同时单片机还通过数字接口与发射波形产生模块的单片机相连。
本专利实现上采用89C51单片机实现两路30-40kHz频率的高稳定数字脉冲振荡信号，一路数字脉冲振荡信号送入接收处理模块作为微计算机数据分析的频率基准，另一路数字脉冲振荡信号经过数字模拟转换电路DAC0832实现模拟振荡信号，连接功率放大器进行功率放大，功率放大器的输出信号驱动超声发射传感器并由超声发射传感器实现电声转换将超声信号辐射出去。当遇到人体时产生反射，超声波接收传感器接收人体反射超声波实现超声到电信号的转换并连接到低噪声放大实现对微弱电信号的放大，低噪声放大连接到接收处理模块，接收处理模块实现对信号的放大和滤波，滤波器采用有源带通滤波器，滤波器的带宽的设置与超声发射信号频率相对应，在滤除噪声的同时保证超声反射信号的频率通过，经过滤波的模拟信号经过模拟数字转换电路实现数字化，89C51单片机通过并行数字接口与模数转换电路相连接，并控制该电路的工作，将转换的数字信号进行预处理后通过串口与微型计算机进行数据传输，在微型计算机中对串口数据进行读取，并将原始数据进行存储形成原始数据文件以备查询，并且对原始数据实现时频频谱分析，频谱分析将读取由发射波形发生模块的数字脉冲作为频率基准参考，采用的时频分析方法包括短时傅里叶变换，伪平滑WVD分布以及分数阶傅里叶变换方法，再进行时频分析后实现对步态特征的检测和提取，可以提取的特征主要包括人体行走周期，手臂摆动速度、腿部摆动速度等特征，微型计算机记录和存储这些特征为后续的人体步态检测和识别打下基础。将提取出的步态特征进行存储形成特征文件并在计算机显示屏上显示相关特征数据。
上述超声发射传感器和超声接收传感器应采用大功率、窄波束的超声换能器，比如可采用超声波传感器TCF22-118TR1。
上述模拟数字转换器可采用14位A/D器件，采样率高于100kHz，比如可采用AD公司的模拟数字转换器AD7940。
Claims (3)
1.一种超声微多普勒人体步态特征提取装置，其特征在于：由发射波形发生模块，功率放大器，超声发射传感器，超声接收传感器，低噪声放大，接收处理模块以及微型计算机构成；其中，微型计算机、发射波形发生模块，功率放大器和超声发射传感器依次连接；超声接收传感器，低噪声放大，接收处理模块以及微型计算机依次连接。
2.根据权利要求1所述的超声微多普勒人体步态特征提取装置，其特征在于：上述发射波形产生模块由89C51单片机、数模转换电路、带通滤波器以及信号放大电路组成；89C51单片机通过并口与数模转换电路连接，数模转换电路与带通滤波器连接，带通滤波器与信号放大器相连接；89C51单片机通过两个串口与微型计算机连接。
3.根据权利要求1所述的超声微多普勒人体步态特征提取装置，其特征在于：上述接收处理模块由信号滤波及放大器模块、模数转换电路以及89C51单片机构成；超声回波信号经低噪声放大后进入信号滤波与放大器模块，信号滤波与放大器模块与模数转换电路相连接，模数转换电路与89C51单片机相连接，89C51单片机通过串口与微型计算机相连接，同时单片机还通过数字接口与发射波形产生模块的单片机相连。
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