專利名稱：一種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及ー種應(yīng)用生物雷達(dá)檢測人體呼吸頻率的方法，特別是涉及ー種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，屬于安全、救援技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
生物雷達(dá)是伴隨著城市化的高速發(fā)展而發(fā)展出來的ー項(xiàng)新技術(shù)，城市作為現(xiàn)代文明的象征聚集了ー個(gè)區(qū)域大量的公共資源和社會資源，同時(shí)也聚集了大量的人口，數(shù)以百萬的人生活在有限的空間內(nèi)勢必會帶來很多安全上的問題，當(dāng)遇到如火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害，以及治安問題和反恐問題時(shí)，需要儀器來探測未知區(qū)域中的生命體信息，并且有時(shí)需 要穿透各種障礙物，這就促進(jìn)了生物雷達(dá)的研制與發(fā)展，生物雷達(dá)的應(yīng)用前景或者已經(jīng)有所應(yīng)用的領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面(I)災(zāi)害救援；(2)反恐斗爭；(3)醫(yī)學(xué)應(yīng)用；(4)安保應(yīng)用。由于人體呼吸頻率信號極其微弱，并且一般在檢測時(shí)干擾較大，所以利用雷達(dá)目標(biāo)的微多普勒特征對人體呼吸檢測是目前反恐、救援等生命體檢測領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。在現(xiàn)有的技術(shù)中，文獻(xiàn)名為“基于FFT頻域積累的非接觸生命參數(shù)信號檢測”(《第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)》，2003年，第24卷2期，172-175頁)，采用快速傅里葉變換將信號由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域后進(jìn)行積累，這種積累一般有兩種方式一種是增加信號在時(shí)域上的采樣長度，達(dá)到頻域積累的目的；另一種是選取不同時(shí)段內(nèi)相同長度的信號，分別進(jìn)行固定點(diǎn)數(shù)FFT變換，再將相應(yīng)頻率成分進(jìn)行累加，達(dá)到頻域累計(jì)的目的。這種方法沒有去除噪聲，只是通過將有用信號積累的方式使信噪比提高，但是需要長時(shí)間的積累才能達(dá)到理想效果，影響了生物雷達(dá)的實(shí)時(shí)性要求。文獻(xiàn)名為“Application of higher order spectra for the identificationof diabetes retinopathy stages，，(《Journal of Medical Systems》，2008 年，第 32 卷 6期，481-490頁)，采用ー低通濾波器，濾掉接收到的回波信號中的高頻成分，然后利用小波變換對其進(jìn)行小波分解，通過高階譜分析和FFT累積抑制掉信號中的高斯有色噪聲后進(jìn)入人體狀態(tài)識別，判斷出無人、有人時(shí)靜止和有人運(yùn)動(dòng)三種狀態(tài)。接收信號在進(jìn)行高階譜分析處理后為ー復(fù)諧波信號，利用SVD-TLS算法可由觀測值恢復(fù)復(fù)諧波信號中的有用信號，并由此可判斷出回波信號中是否含有生命信號及信號的強(qiáng)弱。文中描述了ー種去除生物雷達(dá)回波信號中噪聲的有效方法，但沒有提出如何檢測人體的呼吸頻率。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，其目的在于提供一種能夠應(yīng)用于生物雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜背景條件下對人體呼吸頻率進(jìn)行檢測的方法。技術(shù)方案本發(fā)明所述的ー種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，采取先對回波信號在一維距離域上做成像，在目標(biāo)像兩邊做截取，去除成像區(qū)域中的背景噪聲，僅保留有用的目標(biāo)數(shù)據(jù)，然后利用傅里葉變換可以得到成像區(qū)域中人體的呼吸頻率。該方法包括如下(I)、應(yīng)用生物雷達(dá)采集回波數(shù)據(jù)，雷達(dá)天線為收發(fā)一體式，發(fā)射頻率為800MHz-2504MHz，步進(jìn)頻率間隔為14. 2MHz，共發(fā)射121個(gè)頻率點(diǎn)信號，稱為ー組，并且ー組在一秒內(nèi)發(fā)射完畢，即每組信號的發(fā)射周期為Is ;(2)、在發(fā)射信號的同時(shí)接收回波信號，接收信號為一矢量值，即既有實(shí)部成分，又有虛部成分，將每組接收到的回波數(shù)據(jù)做傅里葉逆變換得到該組目標(biāo)的距離域ー維像；(3)、在距離域一維像峰值兩邊第一拐點(diǎn)處做截取，實(shí)現(xiàn)ー帶通濾波；(4)、將濾波后的每組數(shù)據(jù)做傅里葉正變換還原幅度、相位與頻率的關(guān)系；
(5)、將相位與頻率關(guān)系轉(zhuǎn)換為相位與采樣時(shí)間關(guān)系；出)、對于變換后的每組數(shù)據(jù)，計(jì)算其中相鄰兩頻率點(diǎn)的相位差值，每組中121個(gè)頻率點(diǎn)可以計(jì)算得到120個(gè)相位差數(shù)據(jù)；(7)、連續(xù)測量得到15組數(shù)據(jù)，并經(jīng)過上述處理后，將這些數(shù)據(jù)做傅里葉正變換得到呼吸頻率信息；(8)、在連續(xù)監(jiān)測生命體呼吸頻率時(shí)，每測量ー組信號后，與前面14組信號一起做上述計(jì)算，以此類推，實(shí)現(xiàn)生命體呼吸頻率信號長時(shí)間的監(jiān)測。步驟(3)中在峰值幅度一半以下尋找拐點(diǎn)。步驟(I)中生物雷達(dá)為超寬帶步進(jìn)變頻雷達(dá)。步驟(2)中接收信號為生物雷達(dá)天線端ロ處的反射系數(shù)。步驟(7)中15組數(shù)據(jù)需按順序拼接在一起，然后對這些數(shù)據(jù)做傅里葉正變換。優(yōu)點(diǎn)及效果本發(fā)明提出了一種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)、快速本發(fā)明采用三次快速傅里葉變換和一次截取就能實(shí)現(xiàn)測量人體呼吸頻率的目的；(2)、穩(wěn)定通過距離域?yàn)V波的方法可以把呼吸信號在噪聲中提取出來；(3)、有效當(dāng)目標(biāo)體振動(dòng)頻率小于IHz時(shí)，振動(dòng)信號幾乎附著在目標(biāo)的距離域ー維像上，當(dāng)在目標(biāo)的距離域ー維像峰值點(diǎn)兩邊較窄的區(qū)域內(nèi)做截取時(shí)振動(dòng)信息幾乎不會丟失，可通過這種方法檢測中不同距離上多個(gè)振動(dòng)點(diǎn)的信息。


圖I為生物雷達(dá)工作示意圖；圖2為本發(fā)明距離域?yàn)V波方法流程圖；圖3為目標(biāo)的距離域ー維像；圖4為回波相位的幅頻曲線；圖5為距離域做濾波后得到的回波相位的幅頻曲線。附圖標(biāo)記說明I、天線，2、成像區(qū)域，3、目標(biāo)，4、水平方向，5、垂直方向。
具體實(shí)施例方式
一種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，采取先對回波信號在一維距離域上做成像，在目標(biāo)像兩邊做截取，去除成像區(qū)域中的背景噪聲，僅保留有用的目標(biāo)數(shù)據(jù)，然后利用傅里葉變換可以得到成像區(qū)域中人體的呼吸頻率。該方法步驟如下(I)、應(yīng)用生物雷達(dá)采集回波數(shù)據(jù)，雷達(dá)天線為收發(fā)一體式，發(fā)射頻率為800MHz-2504MHz，步進(jìn)頻率間隔為14. 2MHz，共發(fā)射121個(gè)頻率點(diǎn)信號，稱為ー組，并且ー組在一秒內(nèi)發(fā)射完畢，即每組信號的發(fā)射周期為Is ;(2)、在發(fā)射信號的同時(shí)接收回波信號，接收信號為一矢量值，即既有實(shí)部成分，又有虛部成分，將每組接收到的回波數(shù)據(jù)做傅里葉逆變換得到該組目標(biāo)的距離域ー維像；(3)、在距離域一維像峰值兩邊第一拐點(diǎn)處(峰值幅度一半以下尋找拐點(diǎn))做截取，實(shí)現(xiàn)ー帶通濾波；(4)、將濾波后的每組數(shù)據(jù)做傅里葉正變換還原幅度、相位與頻率的關(guān)系；(5)、將相位與頻率關(guān)系轉(zhuǎn)換為相位與采樣時(shí)間關(guān)系；出)、對于變換后的每組數(shù)據(jù)，計(jì)算其中相鄰兩頻率點(diǎn)的相位差值，每組中121個(gè)頻率點(diǎn)可以計(jì)算得到120個(gè)相位差數(shù)據(jù)；(7)、連續(xù)測量得到15組數(shù)據(jù)，并經(jīng)過上述處理后，將這些數(shù)據(jù)做傅里葉正變換得到呼吸頻率信息；(8)、在連續(xù)監(jiān)測生命體呼吸頻率吋，每測量ー組信號后，與前面14組信號一起做上述計(jì)算，以此類推，實(shí)現(xiàn)生命體呼吸頻率信號長時(shí)間的監(jiān)測。上述步驟(I)中生物雷達(dá)為超寬帶步進(jìn)變頻雷達(dá)。上述步驟(2)中接收信號為生物雷達(dá)天線端ロ處的反射系數(shù)。上述步驟(7)中15組數(shù)據(jù)需按順序拼接在一起，然后對這些數(shù)據(jù)做傅里葉正變換。根據(jù)人體呼吸的特點(diǎn)，可將其看作是在距離雷達(dá)天線Rtl處做簡諧振動(dòng)，見式(I)
i = i^+ahsin( hi + ^h)(I)其中，t為時(shí)間；ah是呼吸的幅度，一般小于2cm; (^是呼吸信號的角頻率，coh =2 fh，一般人體呼吸頻率在15 45次/min之間；科是初始相位。由此，所對應(yīng)的呼吸頻率fh應(yīng)在O. 25 O. 75Hz之間。超寬帶步進(jìn)變頻連續(xù)波雷達(dá)某個(gè)頻率點(diǎn)的接收信號為其中SKec;,i的腳標(biāo)Rec表示接收、i表示第i個(gè)頻率點(diǎn)，μ ^是電磁波在傳播過程中的損耗，μ m是電磁波遇到障礙物以及人體所帯來的損耗，μκ為目標(biāo)散射系數(shù)(由目標(biāo)的雷達(dá)散射截面以及目標(biāo)所處位置的電磁波密度決定)，b為從發(fā)射到收到回波所用的時(shí)間。由目標(biāo)的位置可確定t的數(shù)值
tr = 2R/v0(3)其中Vtl為電磁波在介質(zhì)中傳播的速度。若假設(shè)b = 0，將式⑴和式(3)帶入式
(2)中可得
權(quán)利要求
1.一種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，其特征在于該方法步驟如下 (1)、應(yīng)用生物雷達(dá)采集回波數(shù)據(jù)，雷達(dá)天線為收發(fā)一體式，發(fā)射頻率為800MHz-2504MHz，步進(jìn)頻率間隔為14. 2MHz，共發(fā)射121個(gè)頻率點(diǎn)信號，稱為一組，并且一組在一秒內(nèi)發(fā)射完畢，即每組信號的發(fā)射周期為Is ; (2)、在發(fā)射信號的同時(shí)接收回波信號，接收信號為一矢量值，即既有實(shí)部成分，又有虛部成分，將每組接收到的回波數(shù)據(jù)做傅里葉逆變換得到該組目標(biāo)的距離域一維像； (3)、在距離域一維像峰值兩邊第一拐點(diǎn)處做截取，實(shí)現(xiàn)一帶通濾波； (4)、將濾波后的每組數(shù)據(jù)做傅里葉正變換還原幅度、相位與頻率的關(guān)系； (5)、將相位與頻率關(guān)系轉(zhuǎn)換為相位與采樣時(shí)間關(guān)系； (6)、對于變換后的每組數(shù)據(jù)，計(jì)算其中相鄰兩頻率點(diǎn)的相位差值，每組中121個(gè)頻率點(diǎn)可以計(jì)算得到120個(gè)相位差數(shù)據(jù)； (7)、連續(xù)測量得到15組數(shù)據(jù)，并經(jīng)過上述處理后，將這些數(shù)據(jù)做傅里葉正變換得到呼吸頻率信息； (8)、在連續(xù)監(jiān)測生命體呼吸頻率時(shí)，每測量一組信號后，與前面14組信號一起做上述計(jì)算，以此類推，實(shí)現(xiàn)生命體呼吸頻率信號長時(shí)間的監(jiān)測。
2.一種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，其特征在于步驟(3)中在峰值幅度一半以下尋找拐點(diǎn)。
3.一種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，其特征在于步驟(I)中生物雷達(dá)為超寬帶步進(jìn)變頻雷達(dá)。
4.一種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，其特征在于步驟(2)中接收信號為生物雷達(dá)天線端口處的反射系數(shù)。
5.一種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，其特征在于步驟(7)中15組數(shù)據(jù)需按順序拼接在一起，然后對這些數(shù)據(jù)做傅里葉正變換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于距離域?yàn)V波的人體呼吸頻率檢測方法，屬于安全、救援領(lǐng)域，采取先對回波信號在一維距離域上做成像，在目標(biāo)像兩邊做截取，去除成像區(qū)域中的背景噪聲，僅保留有用的目標(biāo)數(shù)據(jù)，然后利用傅里葉變換可以得到成像區(qū)域中人體的呼吸頻率。本發(fā)明方法可快速實(shí)現(xiàn)測量人體呼吸頻率的目的，通過距離域?yàn)V波的方法可以穩(wěn)定地把呼吸信號在噪聲中提取出來，可有效檢測不同距離上多個(gè)振動(dòng)點(diǎn)的信息，適于推廣應(yīng)用。
文檔編號A61B5/08GK102657530SQ20121012610
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者任建, 姚麗, 李邦宇, 許會, 車新生 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)