一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，属于雷达信号处理领域，具体为：首先，雷达对待测的目标人体发射线性的调频脉冲串信号并接收包含杂波的脉冲回波信号；通过去斜处理和离散组成采样矩阵；然后，对矩阵的每一行进行快速傅里叶变换，获取时间

【技术实现步骤摘要】
一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法


[0001]本专利技术属于雷达信号处理领域，具体是一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，实现了非接触的监测目标人员的呼吸和心跳状态以提供健康信息。

技术介绍

[0002]呼吸和心跳参数是人体心肺活动是否正常的重要判断依据，很多突发疾病的发生通常会导致人体的心肺活动发生异常，因此对呼吸和心跳参数进行实时监控，在医学监护领域具有非常重要的意义。
[0003]现有呼吸参数的检测方式为压力传感器法、容积式测量法和触诊测量法等，心跳参数的测量方法为心电图、指压脉搏测量法和心音法等，都属于接触式的测量方法，需要通过电极或传感器等与被测量者接触，但是在很多场合这些接触式的测量方法并不适用。
[0004]基于雷达的生命信号检测技术的基本原理为：雷达发射特定波形的电磁波，照射到运动的胸腔壁后产生回波，通过对经过人体胸腔壁多普勒调制后的回波进行解调，获得包含有呼吸和心跳参数的胸腔的位移信息。该技术可以实现长距离、非接触的检测，长时间监测下没有佩戴传感器的负担，可以用于医疗和监护等场景。
[0005]应用在生命信号检测领域的雷达体制主要有三种，分别为连续波(CW)雷达、脉冲超宽带(UWB)雷达和线性调频连续波(FMCW)雷达。连续波雷达系统简单，没有测距能力，因此对干扰和杂波的抵抗能力较弱，而且不能区分多个目标。UWB雷达和FMCW雷达能够通过距离分辨抑制一部分杂波的干扰，并区分多个不同距离上的目标；但UWB雷达对采样要求较高，相应的毫米波的产品比较昂贵；因此FMCW的毫米波雷达成为了不二之选。
[0006]但是，当前采用FMCW的毫米波雷达提取人体呼吸和心跳信号的方法，主要面临两个问题：
[0007]其一，FMCW雷达的距离选择性仍然不足以抑制所有杂波，比如和目标距离相同的杂波。由于感兴趣的目标人体运动包含在接收信号的相位中，因此对于一切非目标信号的杂波非常敏感，必须在不破坏目标信号的同时消除背景中的杂波信号，否则多普勒解调结果会出现严重错误。
[0008]其二，需要选择恰当的解调算法，正确有效地提取每一时刻包含在回波相位中的运动信息，并且在时间上还原成有意义的时域运动波形。人体胸腔运动是一种运动速度和方向不断改变的复杂运动，并且毫米波频段的雷达信号波长与呼吸运动的幅度接近，需要设计不同于低频频段雷达的解调方法。
[0009]此外，由于非接触测量容易受到外界和噪声干扰，因此解调算法需要具有足够的可靠性来克服这些影响因素，给出正确的目标胸腔运动以便从中提取出呼吸和心跳等感兴趣的信息，并分别估计二者的频率。

技术实现思路

[0010]针对上述问题，本专利技术提出了一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，能
够更好地抑制包含在目标信号中的杂波，更精确、可靠地解调人体胸腔微小运动，并在此基础上进行相应的呼吸和心跳波形分离，以及频率估计。
[0011]所述的基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，具体步骤如下：
[0012]步骤一、针对待测的目标人体，选用FMCW雷达对该目标人体发射M个线性的调频脉冲串信号；
[0013]步骤二、雷达接收包含人体目标回波信号和杂波的各脉冲回波信号；
[0014]步骤三、对雷达接收的各脉冲下的回波信号分别进行去斜处理，并采样为离散信号，将所有脉冲的离散信号组成采样矩阵；
[0015]步骤四、对采样矩阵的每一行分别进行快速傅里叶变换，获取时间
‑
距离像Rp(m,n)；
[0016]步骤五、将时间
‑
距离像Rp的每一列作为一个距离单元，利用星座图圆心消除所有距离单元的杂波；
[0017]步骤六、对每个距离单元附近的噪声功率进行计算，取平均值作为判断门限，采用单元平均恒虚警检测每个距离单元内存在的目标，并给出每个人体目标所在的距离单元。
[0018]步骤七、根据目标人体的位置，对目标人体进行多普勒解调；
[0019]步骤八、利用改进的经验模态分解算法EMD对解调结果进行呼吸和心跳分离，并重建波形；
[0020]步骤九、使用周期短时平均幅度差函数AMDF，对重建波形中单一的呼吸或心跳做周期估计；
[0021]步骤十、输出M个脉冲信号的呼吸心跳波形和实时频率估计；
[0022]包括分离后的呼吸和心跳时域波形；和AMDF估计的呼吸和心跳频率，完成了雷达对呼吸和心跳信号的时域波形和频率信息采集。
[0023]本专利技术的优点在于：
[0024]1)、一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，在进行人体运动提取时，传统方法直接进行慢时间上的横向滤波，会破坏目标信号中的直流分量，本专利技术基于复平面圆心估计原理进行杂波消除，能够在消除包含在运动回波中的杂波信号的同时，不影响目标的回波信号。
[0025]2)、一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，与传统方法直接解调相位相比，本专利技术采用信号自相关的微多普勒解调相位信息，能够降低目标人体随机运动对呼吸心跳提取的影响，具有更好的稳定性。同时算法更简单，降低了计算量。
[0026]3)、一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，采用AMDF对经过自相关多普勒相位解调后的呼吸和心跳一阶差分波形进行频率估计，与传统的自相关或FFT方法相，AMDF更适合具有单一周期和较多谐波的信号，而且计算量更低。
附图说明
[0027]图1为本专利技术雷达回波信号处理方法的流程图；
[0028]图2为本专利技术一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法流程图。
具体实施方式
[0029]下面结合实施例和附图，对本专利技术的实施方式做详细、清楚的描述。
[0030]本专利技术是一种基于FMCW毫米波雷达的人体呼吸心跳波形提取和频率估计方法，如图1所示，首先，雷达对目标人体发射线性的调频脉冲串信号并接收回波信号，通过对回波信号进行去斜滤波，并离散为采样矩阵，对矩阵中每一行分别进行FFT，得到时间
‑
距离像Rp(m,n)；对Rp的每一列作为一个距离单元，利用星座图圆心消除所有距离单元的杂波；采用CFAR检测每个距离单元内存在的目标，并给出每个人体目标所在的距离单元，并进行多普勒解调；采用改进EEMD算法进行呼吸和心跳波形的分离，最后使用AMDF对重建波形中单一的呼吸或心跳做周期估计；输出M个脉冲信号的呼吸心跳波形和实时频率估计；本专利技术通过优化杂波消除、多普勒解调和频率估计算法，提升了雷达在人体呼吸心跳波形检测和频率估计时的准确度，增加了相同发射功率下最大的有效探测距离。
[0031]所述的基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，如图2所示，具体步骤如下：
[0032]步骤一、针对待测的静止目标人体，选用FMCW雷达对该目标人体发射M个线性的调频脉冲串信号；
[0033]线性调频脉冲串信号的计算公式如下：
[0034][0035]t
m
为慢时间，表示发射第m个脉冲的时刻；t
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，其特征在于，具体步骤如下：首先，针对待测的目标人体，选用FMCW雷达对该目标人体发射M个线性的调频脉冲串信号；雷达接收的各脉冲回波信号包含人体目标回波信号和杂波；通过对各脉冲下的回波信号进行去斜处理和采样后，将所有脉冲的离散信号组成采样矩阵；然后，对采样矩阵的每一行分别进行快速傅里叶变换，获取时间
‑
距离像Rp(m,n)；并将时间
‑
距离像Rp的每一列作为一个距离单元，利用星座图圆心消除所有距离单元的杂波；接着、对每个距离单元的噪声功率进行计算，取平均值作为判断门限，采用单元平均恒虚警检测每个距离单元内存在的目标；最后、根据各距离单元内目标的位置进行多普勒解调，并利用改进的经验模态分解算法EMD对解调结果重建呼吸和心跳的分离波形；使用周期短时平均幅度差函数AMDF，对单一的呼吸或心跳做周期估计；最终输出M个脉冲信号的呼吸心跳波形和实时频率估计。2.如权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，其特征在于，所述M个线性的调频脉冲串信号计算公式如下：t
m
为慢时间，表示发射第m个脉冲的时刻；t
m
＝mT，T为脉冲信号的重复周期；m为慢时间的帧数，为快时间，表示雷达发射的电磁波传播以发射时刻t
m
为起点的时间；t为全时间；T
p
是脉冲的脉宽；exp(j2πf
c
t)为雷达发射线性调频信号的载频信号；γ是线性调频信号的调频系数，f
c
为线性调频信号的起始频率；c为光速。3.如权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，其特征在于，所述雷达收到的第m个脉冲的回波信号为人体目标信号和杂波信号的叠加：其中，人体目标的回波信号为：A
target
是目标人体胸腔的回波强度，R
m
为第m个脉冲下目标人体胸腔的起伏与雷达的径向距离；杂波信号表示为杂波信号表示为N
c
为产生杂波的散射中心数量，i表示第i个散射中心，A
i
是第i个散射中心的回波强度，R
i
为第i个散射中心到雷达的径向距离。4.如权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，其特征在于，所述采样矩阵的具体组成过程为：
首先，将接收到的第m个脉冲回波信号与发射信号共轭相乘进行去斜处理，计算公式为：然后，对去斜后的信号进行采样，针对第m个脉冲内的第n个频域采样点的离散信号为：N
s
表示每个脉冲的采样次数；T
s
表示采样间隔时间；最后，将每个脉冲均进行N
s
次采样，所有脉冲的所有采样点共同组成了M
×
N
s
的采样矩阵。5.如权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，其特征在于，所述时间
‑
距离像Rp(m,n)的计算公式为：n表示第n个频域采样点，亦即第n个距离单元；慢时间上的时间
‑
距离像Rp为M
×
N
s
的矩阵。6.如权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的人员呼吸心跳检测方法，其特征在于，所述利用星座图圆心消除所有距离单元的杂波具体为：首先计算慢时间序列x(m)，公式如下：然后，将慢时间序列x(m)绘制在复平面上构成星座图，则所有点都处在一个圆周上的不同位置，圆心坐标(a,b)代表的复向量a+jb为杂波对应的复幅度半径为信号对应的幅度|A
target
|；最后，在各距离单元的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏少明，张驰，王俊，王岩松，洪文衍，耿雪胤，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：