一种基于毫米波雷达的卧床人员体征监测方法及系统与流程

本发明涉及雷达信号处理，具体是一种基于毫米波雷达的卧床人员体征监测方法及系统。

背景技术：

1、基于毫米波雷达的非接触式的生命体征监测技术可以在不接触生命体的前提下测量其呼吸、心跳等参数。相对于接触式生命体征监测技术，这种技术不会限制被监测对象的活动，也不会给被监测对象带来不适，特别适用于需要持续实时监测和长期监测的场景。

2、目前大部分基于毫米波雷达的非接触式的生命体征监测技术都是直接从雷达一维距离信号中选取信号来估计人体呼吸和心率。这种方法一方面需要存储一段时间内的全距离范围数据，然后进行呼吸心率提取，需要较大的存储空间和较长的处理时间，不适合在嵌入式设备上实现实时处理。另一方面，这种从雷达一维距离信号中选取信号来估计人体呼吸和心率的方法，无法抑制监测空间中其它方向物体带来的干扰。同时，这种方法没有充分挖掘信号的空间信息，容易使心跳信号淹没在背景噪声和身体其它部位的干扰中而无法稳定的监测心跳信号。

3、此外，目前主流的呼吸、心率提取方法主要是普估计方法，常用的有快速傅里叶变换、小波变换以及高分辨普估计方法(capon、music等)。快速傅里叶变换分辨率较低，难以获得精确的呼吸、心率估计结果。小波变换以及高分辨普估计方法算法复杂度较高，不适合在嵌入式设备上实现实时处理。

4、因此，如何利用毫米波雷达监测呼吸、心率体征，同时保障兼顾高准确度以及低复杂度的要求，是目前该领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了避免和克服现有技术中，毫米波雷达监测呼吸、心率体征的方法存在准确度和复杂度有待改善的技术问题，本发明提供了一种基于毫米波雷达的卧床人员体征监测方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明公开一种基于毫米波雷达的卧床人员体征监测方法，包括步骤：

4、s1.通过威力范围覆盖整张床的毫米波雷达发射调频连续波信号并接收回波信号，以此形成单次完整的收发过程；

5、s2.对每次收发过程中的回波信号数据进行快时间域处理，将回波信号数据从快时间维变换到距离维，然后对转换为距离维的回波信号数据进行数字波束形成处理，从而得到三维空间数据；

6、s3.在所述三维空间数据中筛选出监测区域lx×ly×lz内的空间数据，lx为床宽，ly为床长，lz为预设的人体卧床高度上限；

7、s4.将监测区域内的空间数据进行高度维合并以得到一个二维矩阵a；二维矩阵a的行、列分别具有m、n个单元，且分别对应床的宽度、长度方向；

8、s5.获取一个滑动的数据监测窗口的中心位置，利用所述数据监测窗口对二维矩阵a进行框选，以得到结构为(2l1+1,2l2+1)的二维矩阵b；其中，2l1+1、2l2+1分别为数据监测窗口的宽度和长度，二者分别对应二维矩阵a的第一、第二维度，且2l1+1≤m，2l2+1≤n；

9、s6.根据连续k个收发过程所得到的二维矩阵b构建结构为(2l1+1,2l2+1,k)的三维矩阵c；其中，k即雷达数据的慢时间维；

10、s7.从三维矩阵c中提取相位序列，根据相位序列提取呼吸信号和心跳信号，从而计算得到卧床人员的心率估计结果和呼吸率估计结果。

11、作为上述方案的进一步改进，步骤s7中，相位序列的提取过程为：

12、对三维矩阵c进行静物滤除，得到一个静物滤除后且结构为(2l1+1,2l2+1,k)的数据立方体c’；对数据立方体c’在慢时间维求取信号相位，然后对得到的相位进行解缠绕处理，得到(2l1+1)×(2l2+1)个相位序列，每个相位序列的长度为k。

13、作为上述方案的进一步改进，步骤s7中，心率估计结果的计算方法包括以下步骤：

14、s711.利用一个通频带为[0.8hz,2.0hz]的椭圆带通滤波器分别对(2l1+1)×(2l2+1)个相位序列进行滤波，提取出(2l1+1)×(2l2+1)个心跳信号分量；

15、s712.对(2l1+1)×(2l2+1)个心跳信号分量进行快速傅里叶变换以得到(2l1+1)×(2l2+1)个心跳信号分量的频谱；

16、s713.对(2l1+1)×(2l2+1)个心跳信号分量的频谱进行谱峰搜索操作，从而得到(2l1+1)×(2l2+1)个心跳信号分量的频率和功率；其中，对每个心跳信号分量的频谱进行谱峰搜索操作过程为：在每个心跳信号分量的频谱中搜索局部极大值点，并在所有局部极大值点中搜索最大值点，将该最大值点的频率和功率视作心跳信号分量的频率和功率；

17、s714.在(2l1+1)×(2l2+1)个心跳信号分量中选取功率最大的心跳信号分量作为最佳心跳提取位置，并选取最佳心跳提取位置的频率分量及其邻近两个位置的频率分量；

18、s715.将步骤s714中选取的三个频率分量求和后转换到时域，以重建心跳信号的时域序列，从而利用自相关算法估计心率，得到心率估计结果。

19、作为上述方案的进一步改进，步骤s715中，利用自相关算法估计心率的方法包括以下步骤：

20、(1)、对重建的心跳信号的时域序列求自相关，得到心跳信号自相关曲线；

21、(2)、计算心跳信号自相关曲线的峰值点间隔，求取峰值点间隔的均值即为心跳信号的周期；

22、(3)、对心跳信号的周期求倒数以得到心率估计结果，并将心率估计结果的时间单位转换至分钟，从而得到每分钟的心率估计结果。

23、作为上述方案的进一步改进，步骤s5中，数据监测窗口的中心位置的获取方式为：

24、在计算出心率估计结果之前，缓存初始的h个收发过程的二维矩阵a，并在慢时间维求方差，并在慢时间维求方差，搜索方差最大位置(px,qy)，(px,qy)即为数据监测窗口的初始中心位置；其中，h为大于1的整数；px表示数据监测窗口的初始中心位置在矩阵a中的第一维度坐标，qy表示数据监测窗口的初始中心位置在矩阵a中的第二维度坐标；

25、在计算得到心率估计结果后，记录设定时隙内的最佳心跳提取位置；若数据监测窗口的初始中心位置与设定时隙内的最佳心跳提取位置之间的偏差超过设定大小n，则将数据监测窗口的初始中心位置以设定速度v向最佳心跳提取位置移动，从而实时更新数据监测窗口的中心位置。

26、作为上述方案的进一步改进，所述设定大小n为2个单元，所述设定速度v为每10s移动1个单元。

27、作为上述方案的进一步改进，步骤s7中，呼吸率估计结果的计算方法包括以下步骤：

28、s721.利用一个通频带为[0.1hz,0.5hz]的椭圆带通滤波器分别对(2l1+1)×(2l2+1)个相位序列进行滤波，提取出(2l1+1)×(2l2+1)个呼吸信号分量；

29、s722.对(2l1+1)×(2l2+1)个呼吸信号分量进行快速傅里叶变换以得到(2l1+1)×(2l2+1)个呼吸信号分量的频谱；

30、s723.在(2l1+1)×(2l2+1)个呼吸信号分量的频谱中搜索峰值，得到(2l1+1)×(2l2+1)个呼吸信号分量的谱峰的频率和功率；

31、s724.在(2l1+1)×(2l2+1)个呼吸信号分量的谱峰中选取功率最大的谱峰，该谱峰对应的频率即为呼吸率估计结果。

32、作为上述方案的进一步改进，在步骤s724之后，还将呼吸率估计结果的时间单位转换至分钟，从而得到每分钟的呼吸率估计结果。

33、本发明还公开一种基于毫米波雷达的卧床人员体征监测系统，用于实现上述基于毫米波雷达的卧床人员体征监测方法；所述监测系统包括：雷达前端模块、数据处理模块。

34、雷达前端模块用于通过威力范围覆盖床的毫米波雷达发射调频连续波信号并接收回波信号，以此形成单次完整的收发过程；

35、数据处理模块包括波束形成单元、监测窗口跟踪单元、呼吸心跳估计单元；所述波束形成单元用于对每次收发过程中的回波信号数据进行快时间域处理，然后通过数字波束形成对转换为距离维的回波信号数据进行处理，从而得到三维空间数据；在三维空间数据中筛选出床上监测区域内的空间数据；将监测区域内的空间数据进行高度维合并以得到一个二维矩阵a；获取一个滑动的数据监测窗口的中心位置，利用所述数据监测窗口对二维矩阵a进行框选，以得到二维矩阵b；根据连续多个收发过程所得到的二维矩阵b构建三维矩阵c；所述呼吸心跳估计单元用于从三维矩阵c中提取相位序列，根据相位序列提取呼吸信号和心跳信号，从而计算得到卧床人员的心率估计结果和呼吸率估计结果。

36、作为上述方案的进一步改进，所述雷达前端模块中的毫米波雷达安装于床头上方的设定高度处；毫米波雷达采用时分多路复用的工作模式，且具有三根发射天线和四根接收天线；毫米波雷达的距离分辨率为6cm，且具有35个距离单元以覆盖整张床。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

38、1、本发明在毫米波采集回波信号的基础上，利用滑动窗口跟踪的方式，只需存储全距离段中以胸部为中心的小窗口内的数据，可在保证准确监测呼吸、心率的同时，降低数据存储量。此外，相对于在全距离段提取呼吸心率的方法，本发明只需在小窗口内进行呼吸心率提取，减少了数据处理量，提高了算法的实时性。

39、2、本发明充分利用雷达空间分辨力，通过数字波束形成技术抑制胸部位置的单个分辨单元内包含的背景噪声和外部干扰，提高信干噪比。然后通过在空域搜索最佳呼吸、心率提取点提取呼吸率和心率，提升了低信噪比和强干扰条件下的呼吸心率提取能力。

40、3、本发明提出的心率估计结果计算方法中，通过搜索心跳信号频谱的局部极大值，再搜索局部极大值中的最大值，避免了呼吸信号对心跳信号的干扰。然后将最佳心跳提取位置的频率分量及其邻近两个位置的频率分量求和后逆变换到时域再估计心率的方法，相对于直接的频域谱峰搜索方法，本发明在较低计算复杂度的前提下，提升了心率估计精度。