專利名稱：一種基于距離域濾波的人體呼吸頻率檢測方法
技術領域：
本發明主要涉及ー種應用生物雷達檢測人體呼吸頻率的方法，特別是涉及ー種基于距離域濾波的人體呼吸頻率檢測方法，屬于安全、救援技術領域。
背景技術：
生物雷達是伴隨著城市化的高速發展而發展出來的ー項新技術，城市作為現代文明的象征聚集了ー個區域大量的公共資源和社會資源，同時也聚集了大量的人口，數以百萬的人生活在有限的空間內勢必會帶來很多安全上的問題，當遇到如火災、地震等自然災害，以及治安問題和反恐問題時，需要儀器來探測未知區域中的生命體信息，并且有時需 要穿透各種障礙物，這就促進了生物雷達的研制與發展，生物雷達的應用前景或者已經有所應用的領域包括以下幾個方面(I)災害救援；(2)反恐斗爭；(3)醫學應用；(4)安保應用。由于人體呼吸頻率信號極其微弱，并且一般在檢測時干擾較大，所以利用雷達目標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域中的研究熱點。在現有的技術中，文獻名為“基于FFT頻域積累的非接觸生命參數信號檢測”(《第四軍醫大學學報》，2003年，第24卷2期，172-175頁)，采用快速傅里葉變換將信號由時域轉換到頻域后進行積累，這種積累一般有兩種方式一種是增加信號在時域上的采樣長度，達到頻域積累的目的；另一種是選取不同時段內相同長度的信號，分別進行固定點數FFT變換，再將相應頻率成分進行累加，達到頻域累計的目的。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，但是需要長時間的積累才能達到理想效果，影響了生物雷達的實時性要求。文獻名為“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入人體狀態識別，判斷出無人、有人時靜止和有人運動三種狀態。接收信號在進行高階譜分析處理后為ー復諧波信號，利用SVD-TLS算法可由觀測值恢復復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弱。文中描述了ー種去除生物雷達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。
發明內容
發明目的針對上述現有技術中存在的問題，本發明提出了一種基于距離域濾波的人體呼吸頻率檢測方法，其目的在于提供一種能夠應用于生物雷達，實現在復雜背景條件下對人體呼吸頻率進行檢測的方法。技術方案本發明所述的ー種基于距離域濾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，在目標像兩邊做截取，去除成像區域中的背景噪聲，僅保留有用的目標數據，然后利用傅里葉變換可以得到成像區域中人體的呼吸頻率。該方法包括如下(I)、應用生物雷達采集回波數據，雷達天線為收發一體式，發射頻率為800MHz-2504MHz，步進頻率間隔為14. 2MHz，共發射121個頻率點信號，稱為ー組，并且ー組在一秒內發射完畢，即每組信號的發射周期為Is ;(2)、在發射信號的同時接收回波信號，接收信號為一矢量值，即既有實部成分，又有虛部成分，將每組接收到的回波數據做傅里葉逆變換得到該組目標的距離域ー維像；(3)、在距離域一維像峰值兩邊第一拐點處做截取，實現ー帶通濾波；(4)、將濾波后的每組數據做傅里葉正變換還原幅度、相位與頻率的關系；
(5)、將相位與頻率關系轉換為相位與采樣時間關系；出)、對于變換后的每組數據，計算其中相鄰兩頻率點的相位差值，每組中121個頻率點可以計算得到120個相位差數據；(7)、連續測量得到15組數據，并經過上述處理后，將這些數據做傅里葉正變換得到呼吸頻率信息；(8)、在連續監測生命體呼吸頻率時，每測量ー組信號后，與前面14組信號一起做上述計算，以此類推，實現生命體呼吸頻率信號長時間的監測。步驟(3)中在峰值幅度一半以下尋找拐點。步驟(I)中生物雷達為超寬帶步進變頻雷達。步驟(2)中接收信號為生物雷達天線端ロ處的反射系數。步驟(7)中15組數據需按順序拼接在一起，然后對這些數據做傅里葉正變換。優點及效果本發明提出了一種基于距離域濾波的人體呼吸頻率檢測方法，具有如下優點(I)、快速本發明采用三次快速傅里葉變換和一次截取就能實現測量人體呼吸頻率的目的；(2)、穩定通過距離域濾波的方法可以把呼吸信號在噪聲中提取出來；(3)、有效當目標體振動頻率小于IHz時，振動信號幾乎附著在目標的距離域ー維像上，當在目標的距離域ー維像峰值點兩邊較窄的區域內做截取時振動信息幾乎不會丟失，可通過這種方法檢測中不同距離上多個振動點的信息。
圖I為生物雷達工作示意圖；圖2為本發明距離域濾波方法流程圖；圖3為目標的距離域ー維像；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。附圖標記說明I、天線，2、成像區域，3、目標，4、水平方向，5、垂直方向。
具體實施例方式
一種基于距離域濾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，在目標像兩邊做截取，去除成像區域中的背景噪聲，僅保留有用的目標數據，然后利用傅里葉變換可以得到成像區域中人體的呼吸頻率。該方法步驟如下(I)、應用生物雷達采集回波數據，雷達天線為收發一體式，發射頻率為800MHz-2504MHz，步進頻率間隔為14. 2MHz，共發射121個頻率點信號，稱為ー組，并且ー組在一秒內發射完畢，即每組信號的發射周期為Is ;(2)、在發射信號的同時接收回波信號，接收信號為一矢量值，即既有實部成分，又有虛部成分，將每組接收到的回波數據做傅里葉逆變換得到該組目標的距離域ー維像；(3)、在距離域一維像峰值兩邊第一拐點處(峰值幅度一半以下尋找拐點)做截取，實現ー帶通濾波；(4)、將濾波后的每組數據做傅里葉正變換還原幅度、相位與頻率的關系；(5)、將相位與頻率關系轉換為相位與采樣時間關系；出)、對于變換后的每組數據，計算其中相鄰兩頻率點的相位差值，每組中121個頻率點可以計算得到120個相位差數據；(7)、連續測量得到15組數據，并經過上述處理后，將這些數據做傅里葉正變換得到呼吸頻率信息；(8)、在連續監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算，以此類推，實現生命體呼吸頻率信號長時間的監測。上述步驟(I)中生物雷達為超寬帶步進變頻雷達。上述步驟(2)中接收信號為生物雷達天線端ロ處的反射系數。上述步驟(7)中15組數據需按順序拼接在一起，然后對這些數據做傅里葉正變換。根據人體呼吸的特點，可將其看作是在距離雷達天線Rtl處做簡諧振動，見式(I)
i = i^+ahsin( hi + ^h)(I)其中，t為時間；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，所對應的呼吸頻率fh應在O. 25 O. 75Hz之間。超寬帶步進變頻連續波雷達某個頻率點的接收信號為其中SKec;,i的腳標Rec表示接收、i表示第i個頻率點，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為目標散射系數(由目標的雷達散射截面以及目標所處位置的電磁波密度決定)，b為從發射到收到回波所用的時間。由目標的位置可確定t的數值
tr = 2R/v0(3)其中Vtl為電磁波在介質中傳播的速度。若假設b = 0，將式⑴和式(3)帶入式
(2)中可得
權利要求
1.一種基于距離域濾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)、應用生物雷達采集回波數據，雷達天線為收發一體式，發射頻率為800MHz-2504MHz，步進頻率間隔為14. 2MHz，共發射121個頻率點信號，稱為一組，并且一組在一秒內發射完畢，即每組信號的發射周期為Is ; (2)、在發射信號的同時接收回波信號，接收信號為一矢量值，即既有實部成分，又有虛部成分，將每組接收到的回波數據做傅里葉逆變換得到該組目標的距離域一維像； (3)、在距離域一維像峰值兩邊第一拐點處做截取，實現一帶通濾波； (4)、將濾波后的每組數據做傅里葉正變換還原幅度、相位與頻率的關系； (5)、將相位與頻率關系轉換為相位與采樣時間關系； (6)、對于變換后的每組數據，計算其中相鄰兩頻率點的相位差值，每組中121個頻率點可以計算得到120個相位差數據； (7)、連續測量得到15組數據，并經過上述處理后，將這些數據做傅里葉正變換得到呼吸頻率信息； (8)、在連續監測生命體呼吸頻率時，每測量一組信號后，與前面14組信號一起做上述計算，以此類推，實現生命體呼吸頻率信號長時間的監測。
2.一種基于距離域濾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。
3.一種基于距離域濾波的人體呼吸頻率檢測方法，其特征在于步驟(I)中生物雷達為超寬帶步進變頻雷達。
4.一種基于距離域濾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天線端口處的反射系數。
5.一種基于距離域濾波的人體呼吸頻率檢測方法，其特征在于步驟(7)中15組數據需按順序拼接在一起，然后對這些數據做傅里葉正變換。
全文摘要
本發明涉及一種基于距離域濾波的人體呼吸頻率檢測方法，屬于安全、救援領域，采取先對回波信號在一維距離域上做成像，在目標像兩邊做截取，去除成像區域中的背景噪聲，僅保留有用的目標數據，然后利用傅里葉變換可以得到成像區域中人體的呼吸頻率。本發明方法可快速實現測量人體呼吸頻率的目的，通過距離域濾波的方法可以穩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振動點的信息，適于推廣應用。
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 優先權日2012年4月26日
發明者任建, 姚麗, 李邦宇, 許會, 車新生 申請人:沈陽工業大學