基于短時(shí)傅里葉變換的隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，更具體地說(shuō)是一種基于短時(shí)傅里葉變換的隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]—般視距內(nèi)的人體檢測(cè)，可以使用諸如紅外、攝像機(jī)等光電設(shè)備來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。這些技術(shù)常見(jiàn)于藝術(shù)館和銀行的入侵檢測(cè)中。但是這些技術(shù)有很大的局限性，無(wú)法勝任對(duì)于石木質(zhì)、混凝土等非透明介質(zhì)墻體(或遮蔽物)后方物體的檢測(cè)，所以采用的檢測(cè)技術(shù)需具有透視效果。目前具有透視效果的檢測(cè)技術(shù)常見(jiàn)有基于X射線和超聲波回波等方式，可是這幾種透視技術(shù)都不能很好地適應(yīng)目前對(duì)于穿墻人體檢測(cè)的需求。X射線屬于高能量射線，雖然能夠穿透墻體，但是對(duì)人體有很大的傷害;而超聲波回波對(duì)分層的介質(zhì)有比較大的衰減。綜上所述，采用對(duì)墻體有良好穿透性、對(duì)人體傷害可以忽略不計(jì)的特定頻率電磁波作為隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的發(fā)射信號(hào)具有很好的可行性。電磁波作為發(fā)射信號(hào)，可穿透木門(mén)、混凝土墻等非金屬介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)墻后運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)。
[0003]在防暴和緊急救援等特殊行動(dòng)中，能否有效探測(cè)出房間內(nèi)或墻壁后的人體運(yùn)動(dòng)信息將對(duì)作戰(zhàn)和救援產(chǎn)生重大的影響，可以大幅度地減少傷亡人數(shù)。因此，能夠?qū)Ρ?、木門(mén)等非金屬、透明介質(zhì)后方物體的檢測(cè)技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。
[0004]傳統(tǒng)的穿墻超寬帶雷達(dá)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)隔墻人體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，但是其占用大量的帶寬，發(fā)射功率大，且有非常大的天線陣列。而占用帶寬小，發(fā)射功率低、體積較小的無(wú)線通信設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)具有非常大的挑戰(zhàn)性，要在強(qiáng)噪聲下實(shí)現(xiàn)弱目標(biāo)的檢測(cè)。目前關(guān)于這種便攜式設(shè)備實(shí)現(xiàn)的隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法的技術(shù)有待深入研究與探討。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于短時(shí)傅里葉變換的隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，能夠有效地提尚檢測(cè)準(zhǔn)確性。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種基于短時(shí)傅里葉變換的隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，該方法包括以下步驟:
[0007]步驟I，在墻的一側(cè)布置第一發(fā)射機(jī)、第二發(fā)射機(jī)和接收機(jī);首先第一發(fā)射機(jī)發(fā)送原始信號(hào)，接收機(jī)接收信號(hào)后，第二發(fā)射機(jī)發(fā)送同樣的原始信號(hào)，接收機(jī)接收信號(hào);然后通過(guò)兩次接收的信號(hào)計(jì)算第二發(fā)射機(jī)的預(yù)編碼信號(hào)；最后兩臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射信號(hào)，第一發(fā)射機(jī)發(fā)送原始信號(hào)，第二發(fā)射機(jī)發(fā)送預(yù)編碼信號(hào)；
[0008]步驟2，接收機(jī)接收到兩臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)送的疊加后的信號(hào)，并對(duì)接收到的信號(hào)按時(shí)間進(jìn)行均勻分割；
[0009]步驟3，對(duì)步驟2分割的每段信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到一個(gè)短時(shí)傅里葉變換矩陣AmXn，m代表傅里葉變換(FFT)的頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)，η是根據(jù)窗函數(shù)大小以及重疊數(shù)計(jì)算得到的每段信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)個(gè)數(shù)，矩陣中的元素Alj表示在i頻率，j時(shí)間點(diǎn)的短時(shí)傅里葉變換值；
[0010]步驟4，對(duì)步驟3得到的短時(shí)傅里葉變換矩陣Amxn進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)，即計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上所有頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的短時(shí)傅里葉變換值的方差最終得到這段信號(hào)所有時(shí)間點(diǎn)上的方差向量VlXn;
[001 1 ] 步驟5，計(jì)算方差向量VlXn的極差值Vrange，即Vrange = Vmax-Vmin，Vmax為方差向量VlXn中的最大值，Vmin為方差向量V1Xn中的最小值；
[0012]步驟6，分別根據(jù)步驟1-5計(jì)算隔墻有人運(yùn)動(dòng)時(shí)的極差值^range和隔墻無(wú)人運(yùn)動(dòng)時(shí)的極差值V^ange ；重復(fù)多次確定檢測(cè)判斷閾值σ，O滿足V" range〈0〈V range ；
[0013]步驟7，在進(jìn)行隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)時(shí)，根據(jù)步驟1-5計(jì)算一段信號(hào)的極差值Vrange，并與步驟6得到的閾值σ比較，如果Vrange>o，則檢測(cè)為該段信號(hào)上隔墻有人體在運(yùn)動(dòng);反之則為該段信號(hào)上隔墻無(wú)人運(yùn)動(dòng);對(duì)步驟2分割的每段信號(hào)重復(fù)該步驟，從而給出隔墻人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻以及運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。
[0014]優(yōu)選地，所述第一發(fā)射機(jī)、第二發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一水平面上等距排列，且與墻面距離相等。
[0015]本發(fā)明提出的基于短時(shí)傅里葉變換的隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，可自主適應(yīng)不同的環(huán)境，檢測(cè)準(zhǔn)確性高、誤判率低。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì):
[0016]1.采用短時(shí)傅里葉變換進(jìn)行信號(hào)處理，相比傳統(tǒng)的時(shí)域分析，檢測(cè)的準(zhǔn)確率更高，誤判率更低，同時(shí)檢測(cè)靈敏度也更高；
[0017]2.可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理，并實(shí)時(shí)給出檢測(cè)的結(jié)果；
[0018]3.可以適應(yīng)不同的環(huán)境以及不同的人體運(yùn)動(dòng)模式，而不用事先針對(duì)環(huán)境以及運(yùn)動(dòng)模式的改變而進(jìn)行相應(yīng)的改變；
[0019]4.檢測(cè)盲區(qū)小，在有效的檢測(cè)區(qū)域都可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的流程圖；
[0021 ]圖2是基于短時(shí)傅里葉變換的信號(hào)處理流程圖；
[0022]圖3是隔墻靜止的方差圖；
[0023]圖4是隔墻人體運(yùn)動(dòng)的方差圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]本發(fā)明給出了一種基于短時(shí)傅里葉變換的隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，信號(hào)的發(fā)送和接收過(guò)程如圖1所示，所用到的是兩臺(tái)發(fā)射機(jī)和一臺(tái)接收機(jī)。首先，第一發(fā)射機(jī)發(fā)送信號(hào)，接收機(jī)接收到信號(hào);其次第二發(fā)射機(jī)發(fā)送與第一發(fā)射機(jī)同樣的信號(hào)，接收機(jī)接收到信號(hào);然后根據(jù)兩次接收到的信號(hào)，計(jì)算出預(yù)編碼后的信號(hào);最后讓兩臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)送信號(hào)，接收機(jī)接收信號(hào)。這里第一發(fā)射機(jī)還是發(fā)送原來(lái)的信號(hào)，而第二發(fā)射機(jī)則是發(fā)送剛剛計(jì)算出來(lái)的預(yù)編碼后的信號(hào)。
[0026]在上述信號(hào)發(fā)送與接收的基礎(chǔ)上，本發(fā)明所述的檢測(cè)方法，如圖2所示，包括以下步驟:
[0027]步驟I，首先讓接收機(jī)和兩臺(tái)發(fā)射機(jī)放在墻的一側(cè)運(yùn)行一段時(shí)間，接收機(jī)將接收到來(lái)自墻后以及墻這邊的多種反射信號(hào)疊加的信號(hào)；
[0028]步驟2，對(duì)接收到的信號(hào)按時(shí)間進(jìn)行均勻分割，將其分割成一段段的小信號(hào)，這里具體分割成Is的信號(hào)數(shù)據(jù)；
[0029]步驟3，對(duì)分割后的每段小信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換(STFT)STFT(t，ω) = Js(t’)ω (t’-t)e—Pt’dt’，得到一個(gè)短時(shí)傅里葉變換矩陣Amxn，該矩陣的行數(shù)m代表了使用多少點(diǎn)的傅里葉變換(FFT)，即有多少個(gè)頻率點(diǎn)；而矩陣的列數(shù)η則是根據(jù)窗函數(shù)大小以及重疊數(shù)計(jì)算得到的每段小信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)個(gè)數(shù)。所以該變換矩陣不僅與頻率有關(guān)，而且與時(shí)間也有關(guān)，矩陣中的元素Alj表示在i頻率，j時(shí)間點(diǎn)的短時(shí)傅里葉變換值；
[0030]步驟4，由于隔墻靜止與隔墻人體運(yùn)動(dòng)的短時(shí)傅里葉變換存在顯著的區(qū)別，采用方差統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)分析短時(shí)傅里葉變換的變化趨勢(shì)。具體是對(duì)每列進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)，即計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上所有頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的短時(shí)傅里葉變換值的方差Vj，它反映了在當(dāng)前時(shí)刻在所有頻率點(diǎn)上的波動(dòng)情況。計(jì)算完每列的方差后可以得到這段信號(hào)所有時(shí)間點(diǎn)上的方差向量V1Xn;[0031 ] 步驟5，計(jì)算方差向量VlXn的極差值Vrange，即Vrange = Vmax-Vmin，Vmax為方差向量VlXn中的最大值，Vmin為方差向量V1Xn中的最小值；
[0032]步驟6，分別根據(jù)步驟1-5計(jì)算隔墻有人運(yùn)動(dòng)時(shí)的極差值^range和隔墻無(wú)人運(yùn)動(dòng)時(shí)的極差值V^ange ；重復(fù)多次確定檢測(cè)判斷閾值σ，O滿足V" range〈0〈V range ；
[0033]步驟7，在進(jìn)行隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)時(shí)，根據(jù)步驟1-5計(jì)算一段信號(hào)的極差值Vrange，并與步驟6得到的閾值σ比較，如果Vrange>o，則檢測(cè)為該段信號(hào)上隔墻有人體在運(yùn)動(dòng);反之則為該段信號(hào)上隔墻無(wú)人運(yùn)動(dòng);對(duì)步驟2分割的每段信號(hào)重復(fù)該步驟，從而給出隔墻人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻以及運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。
[0034]本發(fā)明中的檢測(cè)判斷閾值是根據(jù)隔墻靜止下與隔墻人體運(yùn)動(dòng)多次實(shí)驗(yàn)得出的，該閾值具有可靠性，可以適應(yīng)不同的環(huán)境以及不同的運(yùn)動(dòng)模式。
[0035]本發(fā)明采用帶寬小、發(fā)射功率低的發(fā)射機(jī)即可實(shí)現(xiàn)隔墻人體運(yùn)動(dòng)，并可保證檢測(cè)精度。相比于傳統(tǒng)穿墻超寬帶雷達(dá)那樣占用大量的帶寬、高發(fā)射功率及非常大的天線陣列，本發(fā)明具有顯著優(yōu)勢(shì)。
[0036]實(shí)施例
[0037]將兩臺(tái)發(fā)射機(jī)和一臺(tái)接收機(jī)布置在墻的一側(cè)，運(yùn)動(dòng)人體在墻的另一側(cè)隨意地行走。兩臺(tái)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一水平面上等距排列，且與墻面距離相等。實(shí)驗(yàn)的墻體為25cm厚的混凝土墻，其衰減為20dB。發(fā)射機(jī)的帶寬為IMHz，發(fā)射功率為10mW，發(fā)射頻率為
2.4GHz，包含3個(gè)定向天線。為了讓運(yùn)動(dòng)模式更加簡(jiǎn)單且有規(guī)律，定義了兩種運(yùn)動(dòng)模式，I)平行于墻面行走和2)垂直墻面行走。
[0038]圖3和圖4展示隔墻靜止和隔墻有人體運(yùn)動(dòng)的一段時(shí)間內(nèi)的方差圖，從圖中可以看出靜止時(shí)的方差波動(dòng)較小，其極差也相對(duì)較小；而反觀運(yùn)動(dòng)時(shí)，其方差發(fā)生明顯的波動(dòng)，其極差也較大。
[0039]根據(jù)本發(fā)明方法，對(duì)隔墻人體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)率可達(dá)90%，相對(duì)于傳統(tǒng)穿墻超寬帶雷達(dá)占用大量的帶寬、高發(fā)射功率，本發(fā)明方法在窄帶寬和低發(fā)射功率的條件下也具有較高的檢測(cè)精度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于短時(shí)傅里葉變換的隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟I，在墻的一側(cè)布置第一發(fā)射機(jī)、第二發(fā)射機(jī)和接收機(jī);首先第一發(fā)射機(jī)發(fā)送原始信號(hào)，接收機(jī)接收信號(hào)后，第二發(fā)射機(jī)發(fā)送同樣的原始信號(hào)，接收機(jī)接收信號(hào);然后通過(guò)兩次接收的信號(hào)計(jì)算第二發(fā)射機(jī)的預(yù)編碼信號(hào)；最后兩臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射信號(hào)，第一發(fā)射機(jī)發(fā)送原始信號(hào)，第二發(fā)射機(jī)發(fā)送預(yù)編碼信號(hào)； 步驟2，接收機(jī)接收到兩臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)送的疊加后的信號(hào)，并對(duì)接收到的信號(hào)按時(shí)間進(jìn)行均勻分割； 步驟3，對(duì)步驟2分割的每段信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到一個(gè)短時(shí)傅里葉變換矩陣AmXn，m代表傅里葉變換(FFT)的頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)，η是根據(jù)窗函數(shù)大小以及重疊數(shù)計(jì)算得到的每段信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)個(gè)數(shù)，矩陣中的元素^表示在i頻率，j時(shí)間點(diǎn)的短時(shí)傅里葉變換值； 步驟4，對(duì)步驟3得到的短時(shí)傅里葉變換矩陣Amxn進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)，即計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上所有頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的短時(shí)傅里葉變換值的方差最終得到這段信號(hào)所有時(shí)間點(diǎn)上的方差向量VlXn; 步驟5，計(jì)算方差向量VlXn的極差值Vrange，即Vrange = Vmax-Vmin，Vmax為方差向量VlXn中的最大值，Vmin為方差向量V1Xn中的最小值； 步驟6，分別根據(jù)步驟1-5計(jì)算隔墻有人運(yùn)動(dòng)時(shí)的極差值Vrange^P隔墻無(wú)人運(yùn)動(dòng)時(shí)的極差值V^ange;重復(fù)多次確定檢測(cè)判斷閾值σ，σ滿足V" range〈0〈V range ； 步驟7，在進(jìn)行隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)時(shí)，根據(jù)步驟1-5計(jì)算一段信號(hào)的極差值Vrange3，并與步驟6得到的閾值σ比較，如果Vrange>o，則檢測(cè)為該段信號(hào)上隔墻有人體在運(yùn)動(dòng);反之則為該段信號(hào)上隔墻無(wú)人運(yùn)動(dòng);對(duì)步驟2分割的每段信號(hào)重復(fù)該步驟，從而給出隔墻人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻以及運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于短時(shí)傅里葉變換的隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，其特征在于，所述第一發(fā)射機(jī)、第二發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一水平面上等距排列，且與墻面距離相等。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于短時(shí)傅里葉變換的隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，該方法首先通過(guò)接收機(jī)接收來(lái)自發(fā)射機(jī)預(yù)編碼后的信號(hào)波形；其次將接收到的信號(hào)分割成一段段信號(hào)，并對(duì)每段信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換得到變換矩陣，然后計(jì)算變換矩陣的方差向量，最后通過(guò)計(jì)算方差向量的極差，并與閾值比較從而檢測(cè)墻后是否有人體運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明采用短時(shí)傅里葉變換解決了強(qiáng)噪聲環(huán)境下的弱目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)題，能有效地檢測(cè)隔墻人體運(yùn)動(dòng)與否，極大地提高了隔墻人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
【IPC分類(lèi)】A61B5/11
【公開(kāi)號(hào)】CN105708471
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610041301
【發(fā)明人】張志浩, 史治國(guó), 陳積明, 程鵬, 王 琦, 孫優(yōu)賢
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)