[发明专利]毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法

说明书

一种毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法，属于雷达信号处理领域。首先，建立生命体征信号的基本模型，对雷达回波I/Q数据进行处理；其次，提出目标距离单元的选择方法，然后通过扩展的差分‑交叉相乘算法、一阶差分和滤波处理得到了人体目标的相位信息，进而通过带通滤波提取并分离呼吸、心跳信号；最后，通过短时傅里叶变换算法计算出人体目标的呼吸率和心率，实现对生命体征信号的监测。本发明可以有效锁定人体胸腔反射目标的所在距离单元，进而较准确地提取人体目标的相位，以实现对人体呼吸心跳信号的长时间监测。

技术领域

本发明涉及雷达信号处理的技术领域，尤其涉及一种毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法的技术领域。

背景技术

随着物联网技术的不断发展，近年来健康监测设备逐步智能化、网联化，在医疗、居家养老、智慧交通等多个场景下得到广泛应用。当前，人体呼吸、心跳等生命体征信号的监测设备大多为接触式设备，如电子血压测量计、智能手环、心电图仪等，其具有应用广、成本低、测量精度高等特点，但长时间的电极依附以及较繁杂的线束可能影响用户的日常生活。因此，需要一种对人体影响较小的非接触式设备，能够实现对人体生命体征信号的长时间监测。

毫米波雷达相比于传统的接触式生命体征监测设备和光学、红外技术，具有全天候工作能力强、覆盖范围大等优点，应用前景广阔。调频连续波（frequency modulatedcontinuous wave，FMCW）雷达体制，因其带宽大、分辨率高、电磁波发射流程简单且功率较小，故拥有微小信号的检测能力，非常适合于对人体呼吸和心跳信号的测量场景。

但是，当前使用FMCW毫米波雷达对人体生命体征信号监测主要有两个问题：

一是人体目标的锁定。在实际的人体目标测量场景中会存在距离单元相近的杂波及噪声的影响，因此需要一种准确度较高的目标距离单元的选择机制。

二是目标相位的提取以及呼吸率和心率的解算。因此需要采用合适的相位解调算法和非平稳信号的时频分析方法。

发明内容

本发明目的是提供一种毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法，有效锁定人体胸腔反射目标的所在距离单元，进而较准确地提取人体目标的相位，以实现对人体呼吸心跳信号的长时间监测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种毫米波雷达生命体征信号提取和测量方法，包括如下步骤：

步骤S1、调整毫米波雷达与人体目标之间的相向放置，雷达波束主要照射人体胸腔部位；毫米波雷达发射线性调频信号；建立毫米波雷达探测生命体征信号的基本模型；

步骤S2、读取雷达回波I/Q数据并进行处理；

步骤S3、通过谱峰搜索选择人体目标的距离单元；

步骤S4、提取人体目标的相位信息；

步骤S5、通过带通滤波分离呼吸和心跳信号；

步骤S6、对呼吸和心跳信号进行短时傅里叶变换，通过谱峰搜索确定其频率值，得到并绘制呼吸率和心率曲线。

优先的是，本发明步骤S1中建立毫米波雷达探测生命体征信号的基本模型，具体过程为：

步骤S11，确定毫米波雷达发射线性调频信号：

其中，为发射信号的振幅，为起始频率，为调频斜率，为调频带宽，为调频周期，为随机初始相位，为虚数单位，为时间；

步骤S12，将步骤S11中得到的雷达发射线性调频信号中的一部分作为本振信号送入混频器中，另一部分由天线向空间中辐射，遇到人体目标产生后向散射，再由天线接收形成目标回波信号，表达式为：

其中，为回波信号的时延，为光速，为雷达与目标之间的距离，为传播衰减因子，表示反射附加相移；

步骤S13，将步骤S12中得到的目标回波信号经混频器后与本振信号进行混频处理，忽略高次方项及附加相移后，得到中频信号表达式如下：