基于連續波的生命特征探測處理方法、系統及生命探測儀與流程

本發明涉及生命探測儀技術領域，尤其涉及的是一種基于連續波的生命特征探測處理方法、系統及生命探測儀。

背景技術：

生命信號的探測常用的有兩種方式：接觸式及非接觸式。相比接觸式的測量方法，非接觸式的測量手段有很多優點：能對人體的生命信號進行較遠距離的探測；能在不同天氣和地形條件下進行測量；避免了佩戴電極片或者傳感器問題，這對于延長監測時間是具有重要意義的，使得長期連續監測成為了可能。因此，非接觸式的測量方式受到了越來越多的國家的重視，它可以實現對生命體的定位、數量識別以及生理信息的提取，在軍事行動、反恐斗爭、災后傷員搜索、醫療健康監護等領域有著廣泛的應用和重要的研究意義。

而現有的非接觸式生命信號探測方式按照使用設備及工作原理的不同，又可分為：光波檢測、紅外檢測及超聲檢測三種。

而現有的三種非接觸式檢測方法皆有不同的不足之處：

光流法計算復雜且抗噪能力較差，需要相應的硬件支持，不適合復雜環境條件下的人體生理信息檢測；紅外成像技術易受環境溫度影響，不具有穿透性；而超聲雖然能夠在一定程度上鑒定病癥的特征，但被測者身上的衣服會對聲波造成散射和吸收，并且衣服材質不同，檢測結果也會存在差異，同時超聲在空氣傳播中衰減較大。

因此，現有技術還有待于改進和發展。

技術實現要素：

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種探測距離遠、檢測靈敏度高及測速精度高，且生命特征信號處理簡單的基于連續波的生命特征探測處理方法、系統及生命探測儀。

本發明的技術方案如下：

一種基于連續波的生命特征探測處理方法，其中，所述基于連續波的生命特征探測處理方法包括：

步驟A：生命探測儀發射連續波信號照射生命體，接收由生命體反射的回波信號，并根據所發射連續波信號及回波信號得到基帶信號；

步驟B：數據采集卡將所得到的基帶信號轉換為數字信號；

步驟C：計算機對所轉換數字信號進行濾波后提取其中呼吸信號波形，并計算呼吸率。

優選地，所述的基于連續波的生命特征探測處理方法，其中，所述步驟A具體包括：

步驟A1：振蕩器發射頻率為24GHz的連續波信號；

步驟A2：將連續波信號分為兩路，一路為發射信號，通過發射天線發射出去；另一路分流為I通道信號及Q通道信號，其中，I通道信號通過I通道進入I通道混頻器，Q通道信號經90°移相后通過Q通道進入Q通道混頻器；

步驟A3：接收天線接收生命體反射的回波信號；

步驟A4：I通道混頻器及Q通道混頻器分別將所接收的回波信號與I通道信號及Q通道信號混頻，得到I通道混頻信號及Q通道混頻信號；

步驟A5：前置放大器分別對I通道混頻信號及Q通道混頻信號進行濾波放大處理以得到I基帶信號及Q基帶信號。

優選地，所述的基于連續波的生命特征探測處理方法，其中，所述步驟B具體為：

數據采集卡分別將所得到的I基帶信號及Q基帶信號轉換為第一數字信號及第二數字信號。

優選地，所述的基于連續波的生命特征探測處理方法，其中，所述步驟C具體包括：

步驟C1：高通濾波器分別將第一數字信號及第二數字信號進行高通濾波；

步驟C2：低通濾波器分別對高通濾波后的第一數字信號及第二數字信號進行低通濾波；

步驟C3：分別提取低通濾波后第一數字信號及第二數字信號中的呼吸信號波形，并對所提取呼吸信號波形在LabVIEW環境下進行波峰波谷檢測；

步驟C4：根據所檢測到相鄰的兩個波峰或波谷計算瞬時呼吸率。

優選地，所述的基于連續波的生命特征探測處理方法，其中，所述基于連續波的生命特征探測處理方法還包括：

步驟D：對低通濾波后第一數字信號及第二數字信號進行時頻域分析及對比。

一種基于連續波的生命特征探測處理系統，其中，所述基于連續波的生命特征探測處理系統包括：

生命探測儀，用于發射連續波信號照射生命體，接收由生命體反射的回波信號，并根據所發射連續波信號及回波信號得到基帶信號；

與所述生命探測儀連接的數據采集卡，用于將所得到的基帶信號轉換為數字信號；

與所述數據采集卡連接的計算機，用于對所轉換數字信號進行濾波后提取其中呼吸信號波形，并計算呼吸率。

優選地，所述的基于連續波的生命特征探測處理系統，其中，所述生命探測儀具體包括：

振蕩器，用于發射頻率為24GHz的連續波信號；

與所述振蕩器連接的發射天線，用于將成為發射信號的部分連續波信號發射出去；

接收天線，用于接收生命體反射的回波信號；

與所述振蕩器及接收天線連接的I通道混頻器，用于將從另一部分連續波信號分流出來的I通道信號及所接收的回波信號混頻；

與所述振蕩器及接收天線連接的Q通道混頻器，用于將從另一部分連續波信號分流出來的Q通道信號及所接收的回波信號混頻；

與所述I通道混頻器及Q通道混頻器連接的前置放大器，用于分別對I通道混頻信號及Q通道混頻信號進行濾波放大處理以得到I基帶信號及Q基帶信號。

優選地，所述的基于連續波的生命特征探測處理系統，其中，所述數據采集卡具體用于：

分別將所得到的I基帶信號及Q基帶信號轉換為第一數字信號及第二數字信號。

優選地，所述的基于連續波的生命特征探測處理系統，其中，所述計算機具體包括：

高通濾波器，用于分別將第一數字信號及第二數字信號進行高通濾波；

與所述高通濾波器連接的低通濾波器，用于分別對高通濾波后的第一數字信號及第二數字信號進行低通濾波；

與所述低通濾波器連接的中央處理器，用于分別提取低通濾波后第一數字信號及第二數字信號中的呼吸信號波形，并對所提取呼吸信號波形在LabVIEW環境下進行波峰波谷檢測；以及根據所檢測到相鄰的兩個波峰或波谷計算瞬時呼吸率。

一種應用于如上任一項所述的基于連續波的生命特征探測處理方法的生命探測儀，其中，所述生命探測儀還包括：

用于提供工作電壓的供壓源。

本發明所提供的基于連續波的生命特征探測處理方法，由于采用了首先利用生命探測儀發射連續波信號照射生命體，接收由生命體反射的回波信號，并根據所發射連續波信號及回波信號得到基帶信號；然后通過數據采集卡將所得到的基帶信號轉換為數字信號；最后利用計算機對所轉換數字信號進行濾波后提取其中呼吸信號波形，并計算呼吸率的方式；利用連續波探測生命特征提高了探測距離、檢測靈敏度及測速精度；且使用計算機提取濾波后的呼吸信號波形并計算呼吸率，降低了生命特征信號的處理難度。

附圖說明

圖1是本發明中基于連續波的生命特征探測處理方法較佳實施例的主要流程示意圖。

圖2是本發明中基于連續波的生命特征探測處理系統較佳實施例的功能原理框圖。

圖3是本發明中生命探測儀較佳實施例的功能原理框圖。

具體實施方式

本發明提供一種基于連續波的生命特征探測處理方法、系統及生命探測儀，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

如圖1所示，本發明提供了一種基于連續波的生命特征探測處理方法，所述基于連續波的生命特征探測處理方法包括：

S100、生命探測儀發射連續波信號照射生命體，接收由生命體反射的回波信號，并根據所發射連續波信號及回波信號得到基帶信號。

本發明實施例中，生命探測儀優選為連續波雷達，連續發射電磁波的雷達稱為連續波雷達；連續波雷達技術基于微多普勒分析和信號處理技術，該技術原理為連續波雷達發射的電磁波束照射到生命體（尤其是人體）目標(將生命體看作均勻剛體，不考慮電磁波在人體內的傳播）后，根據多普勒效應，由于體表微動凈速度為零，反射的回波信號是經過相位調制的后向散射信號，該信號的相位調制程度與體表微動幅度成正比于是把回波信號混頻解調便可得到包含生命參數信息的信號即基帶信號。

傳統連續波雷達頻段選取存在著一個矛盾：發射頻率越高，那么檢測靈敏度越高，但是檢測距離與穿透能力會下降；相反，發射頻率越低，則檢測靈敏度越低，但是檢測距離與穿透力會提高。

本發明實施例中，為了解決連續波雷達頻段選取的矛盾，選擇生命體的呼吸信號進行檢測與處理，減少了檢測過程中復雜障礙物的影響因素，降低了檢測穿透力的要求。

具體實施時，優選24GHz單頻的連續波雷達作為信號收發前端即生命探測儀。該雷達采用平面微帶陣列天線結構，發射與接收同體，外形十分小巧，在工作中不僅省電，且易集成于各種電路。

由于采用了連續波雷達，簡化了生命特征探測過程中的傳感器結構，降低了生命特征探測成本及功耗較低，使得生命特征的探測更加容易實現；提高了基于連續波的生命特征探測處理方法的探測距離、檢測靈敏度及測速精度，且其過程無模糊效應，對動目標的區分能力強，發射機效率高，大功率器件功率利用系數高。

S200、數據采集卡將所得到的基帶信號轉換為數字信號。

具體實施時，優選數據采集卡為多通道數據采集卡，進一步優選為：擁有16路模擬輸入（單端通道路輸入，差分通道路輸入）、16位分辨率，有兩個位計數器且通過USB總線供電的多通道數據采集卡。

由于是對比較微弱的呼吸信號的提取，并且呼吸頻率比較低，需要采用較高分辨率的轉換器對由雷達得到的基帶數據進行模數轉換。

S300、計算機對所轉換數字信號進行濾波后提取其中呼吸信號波形，并計算呼吸率。

連續波雷達獲得的基帶信號經過數據釆集卡進行A/D轉換之后，通過USB接口送入計算機中，然后在LabVIEW環境下進行數字信號處理來提取呼吸信號波形以及計算呼吸率。

在LabVIEW環境下主要進行了兩級數字濾波、波峰波谷檢測、瞬時呼吸率的計算及波形顯示。

本發明所提供的基于連續波的生命特征探測處理方法，由于采用了首先利用生命探測儀發射連續波信號照射生命體，接收由生命體反射的回波信號，并根據所發射連續波信號及回波信號得到基帶信號；然后通過數據采集卡將所得到的基帶信號轉換為數字信號；最后利用計算機對所轉換數字信號進行濾波后提取其中呼吸信號波形，并計算呼吸率的方式；利用連續波探測生命特征提高了探測距離、檢測靈敏度及測速精度；且使用計算機提取濾波后的呼吸信號波形并計算呼吸率，降低了生命特征信號的處理難度。

進一步地，所述S100具體包括：

S110、振蕩器發射頻率為24GHz的連續波信號。

具體實施時，連續波雷達優選為波段雷達收發器IPS-155，優選雷達參數為平面微帶陣列天線結構，且發射與接收同體設置，外形小巧，通過設置以上參數，使得雷達在工作中不僅節省能耗，工作時間持久，且易集成于各種電路。

S120、將連續波信號分為兩路，一路為發射信號，通過發射天線發射出去；另一路分流為I通道信號及Q通道信號，其中，I通道信號通過I通道進入I通道混頻器，Q通道信號經90°移相后通過Q通道進入Q通道混頻器。

優選雷達結構包括：信號源組件、混頻輸出組件、信號收發組件及三者之間的連接電路。其中，信號源組件包括：用于發射連續電磁波的振蕩器及用于為雷達提供工作電壓的供壓源；混頻輸出組件包括：用于將發射信號（此處可指I通道信號及Q通道信號）及接受信號（此處可指回波信號）進行混頻的混頻器及用于初步濾除干擾和噪聲信號，限制信號帶寬，以使連續波雷達避免傳感器遭受靜電損害的前置放大器；信號收發組件包括：用于發射部分連續波信號即發射信號出去以探測生命特征的發射天線，以及用于接收由生命體反射的回波信號的接收天線。

生命探測儀，此處指連續波雷達的管腳連接及供電優選，對雷達的供電，采用GPS-3303C直流電壓源提供+5V電壓，本發明實施例可簡化引腳設置，方便與后端電路如A/D轉換器等連接，由于有使能端的存在，可以控制雷達進行連續工作或者間斷工作，優選為將該引腳接地。

S130、接收天線接收生命體反射的回波信號。

S140、I通道混頻器及Q通道混頻器分別將所接收的回波信號與I通道信號及Q通道信號混頻，得到I通道混頻信號及Q通道混頻信號。

S150、前置放大器分別對I通道混頻信號及Q通道混頻信號進行濾波放大處理以得到I基帶信號及Q基帶信號。

進一步地，所述S200具體為：

數據采集卡分別將所得到的I基帶信號及Q基帶信號轉換為第一數字信號及第二數字信號。

進一步地，所述S300具體包括：

S310、高通濾波器分別將第一數字信號及第二數字信號進行高通濾波。

生命探測儀獲得的I基帶信號及Q基帶信號經數據采集卡進行數模轉換即A/D轉換后，分別或同時通過USB接口導入計算機中，通過高通濾波器去除基線漂移及直流成分，優選為橢圓濾波器。

根據呼吸頻率范圍0.2Hz至0.5Hz，去除該范圍以外的噪聲，以便更清晰的分辨生命體的呼吸特征，并根據生命體的呼吸特征判斷該生命體當前所在位置及健康狀況等。

具體實施時，高通濾波器參數優選為：濾波器階數為4階，采樣頻率為100Hz，通帶截止頻率為0.15Hz，通帶波紋為0.1dB，阻帶截止頻率為0.01Hz，阻帶衰減為95dB。

S320、低通濾波器分別對高通濾波后的第一數字信號及第二數字信號進行低通濾波。

對高通濾波后的第一數字信號及第二數字信號進行低通濾波主要是為去除噪聲及高頻干擾，通過該步驟可去掉直流偏置以及呼吸信號頻帶外的噪聲干擾，以得到純凈的呼吸信號，為進一步的提取呼吸信號波形及計算呼吸率奠定基礎。

低通濾波器參數優選為：濾波器階數為9階，采樣頻率為100Hz，通帶截止頻率為0.6Hz，通帶波紋為0.1dB，阻帶截止頻率為0.8Hz，阻帶衰減為76dB。

S330、分別提取低通濾波后第一數字信號及第二數字信號中的呼吸信號波形，并對所提取呼吸信號波形在LabVIEW環境下進行波峰波谷檢測。

在LabVIEW環境下，優先采用WA Multiscale Peak Detection這個VI模塊來對呼吸波形進行波峰波谷的檢測。該模塊是采用小波分解的方法來完成檢測，其精度較高，由于呼吸信號幅值比較微弱，在進入VI該模塊前，我們需要對其進行放大，以方便檢測，另外需要設定判斷是否為波峰或者波谷的門限值，該值決定了波峰波谷檢測的準確性。該模塊最終輸出的是波峰或者波谷的位置、幅值以及總的數量。

S340、根據所檢測到相鄰的兩個波峰或波谷計算瞬時呼吸率。

在獲得了呼吸信號的波峰波谷信息（包括幅值、時間位置、以及總的數量）之后，便可以根據兩個波峰（波谷）之間的間隔來獲取瞬時呼吸率，其計算公式如下：

；

在該公式中，fres代表瞬時的呼吸率，單位是次/分鐘，而S1，S2分別是當前波峰時間位置和上一個波峰時間位置。

除上述方式外，也可以在一分鐘的時間內，通過統計波峰（波谷）的個數來獲取平均呼吸率。例如在60秒的時間內，波峰檢測模塊統計出總共有20個波峰，那么平均呼吸率為20次/分鐘。

進一步地，所述基于連續波的生命特征探測處理方法還包括：

S400、對低通濾波后第一數字信號及第二數字信號進行時頻域分析及對比。

對采集的基帶信號進行濾波處理，過濾帶外噪聲，去除直流偏置和基線漂移，然后對所得到數據進一步處理。具體為：由于基帶信號包括I、Q兩路，則分別對兩路信號在MATLAB中進行了時頻域的分析，并進行了對比；分析時采用穩定時的數據，每路為6000點。

如圖2所示，本發明還提供了一種基于連續波的生命特征探測處理系統，所述基于連續波的生命特征探測處理系統包括：

生命探測儀100，用于發射連續波信號照射生命體，接收由生命體反射的回波信號，并根據所發射連續波信號及回波信號得到基帶信號，具體如上述方法實施例所述；

與所述生命探測儀連接的數據采集卡200，用于將所得到的基帶信號轉換為數字信號，具體如上述方法實施例所述；

與所述數據采集卡連接的計算機300，用于對所轉換數字信號進行濾波后提取其中呼吸信號波形，并計算呼吸率，具體如上述方法實施例所述。

進一步地，所述生命探測儀具體包括：

振蕩器，用于發射頻率為24GHz的連續波信號，具體如上述方法實施例所述；

與所述振蕩器連接的發射天線，用于將成為發射信號的部分連續波信號發射出去，具體如上述方法實施例所述；

接收天線，用于接收生命體反射的回波信號，具體如上述方法實施例所述；

與所述振蕩器及接收天線連接的I通道混頻器，用于將從另一部分連續波信號分流出來的I通道信號及所接收的回波信號混頻，具體如上述方法實施例所述；

與所述振蕩器及接收天線連接的Q通道混頻器，用于將從另一部分連續波信號分流出來的Q通道信號及所接收的回波信號混頻，具體如上述方法實施例所述；

與所述I通道混頻器及Q通道混頻器連接的前置放大器，用于分別對I通道混頻信號及Q通道混頻信號進行濾波放大處理以得到I基帶信號及Q基帶信號，具體如上述方法實施例所述。

進一步地，所述數據采集卡具體用于：

分別將所得到的I基帶信號及Q基帶信號轉換為第一數字信號及第二數字信號，具體如上述方法實施例所述。

進一步地，所述計算機具體包括：

高通濾波器，用于分別將第一數字信號及第二數字信號進行高通濾波，具體如上述方法實施例所述；

與所述高通濾波器連接的低通濾波器，用于分別對高通濾波后的第一數字信號及第二數字信號進行低通濾波，具體如上述方法實施例所述；

與所述低通濾波器連接的中央處理器，用于分別提取低通濾波后第一數字信號及第二數字信號中的呼吸信號波形，并對所提取呼吸信號波形在LabVIEW環境下進行波峰波谷檢測；以及根據所檢測到相鄰的兩個波峰或波谷計算瞬時呼吸率，具體如上述方法實施例所述。

進一步地，所述計算機還用于：

對低通濾波后第一數字信號及第二數字信號進行時頻域分析及對比，具體如上述方法實施例所述。

如圖3所示，本發明還提供一種應用于如上任一項所述的基于連續波的生命特征探測處理方法的生命探測儀，所述生命探測儀包括：

振蕩器110，用于發射頻率為24GHz的連續波信號，具體如上述方法實施例所述；

與所述振蕩器連接的發射天線120，用于將成為發射信號的部分連續波信號發射出去，具體如上述方法實施例所述；

接收天線130，用于接收生命體反射的回波信號，具體如上述方法實施例所述；

與所述振蕩器及接收天線連接的I通道混頻器140，用于將從另一部分連續波信號分流出來的I通道信號及所接收的回波信號混頻，具體如上述方法實施例所述；

與所述振蕩器及接收天線連接的Q通道混頻器150，用于將從另一部分連續波信號分流出來的Q通道信號及所接收的回波信號混頻，具體如上述方法實施例所述；

與所述I通道混頻器及Q通道混頻器連接的前置放大器160，用于分別對I通道混頻信號及Q通道混頻信號進行濾波放大處理以得到I基帶信號及Q基帶信號，具體如上述方法實施例所述；

以及用于提供工作電壓的供壓源170，具體如上述方法實施例所述。

應當理解的是，本發明的應用不限于上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，例如所述連續波雷達的參數設置等，所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。