一种基于多普勒雷达心跳检测的频谱估计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113951856A(43)申请公布日2022.01.21(21)申请号202111190185.3(22)申请日2021.10.13(71)申请人浙江理工大学地址310018浙江省杭州市江干区下沙高教园白杨街道2号大街928号(72)发明人陈凯宇邹永洋顾敏明雷美珍(74)专利代理机构无锡市汇诚永信专利代理事务所(普通合伙)32260代理人朱晓林(51)Int.Cl.A61B5/024(2006.01)G01S13/88(2006.01)权利要求书3页说明书14页附图5页(54)发明名称一种基于多普勒雷达心跳检测的频谱估计方法(57)摘要本发明提出了一种基于多普勒雷达的非接触式精确心跳检测方法。首先，采用连续波多普勒雷达体征检测的原理捕捉人体心脏跳动引起的微弱胸腔位移引起的频移，即雷达向受试者通过发射端发射T(t)。随后T(t)信号的相位被受试者胸壁运动x(t)所调制，反射信号被雷达接收端所捕获；其次，反射信号经过前端的低噪声放大器后，得到基带信号，采用正交混频器解调基带信号，再经过增益放大器后，由反正切解调和接卷绕计算可得到胸壁信号；最后，胸壁模拟信号经过模数转换器得到数字信号x(t)，在数字信号处理后在PC端经过马勒特算法和匹配滤波算法分离提取心脏信号，再经过FTPR‑TWV算法后得到心跳频谱结果。CN113951856ACN113951856A权利要求书1/3页1.一种基于多普勒雷达心跳准确检测的频谱估计方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：采用多普勒雷达发射雷达信号获取回波信号，并用信号解调技术进行正交信号解调；步骤二：通过前端的低通滤波器进行杂波抑制和胸壁位移微分得到预处理后的胸壁位移信号；步骤三：胸壁信号经过模数转换器得到数字信号；步骤四：利用多频率分析算法实现呼吸信号与心跳信号的分离；步骤五：利用模板匹配算法恢复隐藏在呼吸信号中的心跳信号；步骤六：设计并采用频率时间相位回归技术与时间窗口变化技术相结合的算法估计心跳频谱；所述的获取回波信号的方法是：通过芯片上的雷达模块发射端发射频率为77GHz的毫米波T(t)到目标特征体处，雷达信号可表示为由频域中相移的变化来捕捉由呼吸和心跳引起的胸壁位移信号，反射信号R(t)被雷达接收端所捕获,反射信号可表示为：其中c为无线电的波速，λ＝c/f表示雷达波长；把R(t)近似看作经过2d0/c时间延迟并相位调制后的T(t)，反射信号R(t)再经过前端的低噪声放大器后，得到基带信号B(t)，其中，为常数相位偏移，与接收机本身参数以及d0相关；残余相位噪声简化为然后，由正交混频器(I/QMixer)解调基带信号B(t)，同相和正交信号分别表示为：再经过增益放大器后，由呼吸和心跳引起的胸壁信号x(t)由反正切解调和解卷绕技术计算可得，表达式如下：最后，模拟信号x(t)经过模数转换器得到数学信号x(t)，用于数字信号处理以及PC端心跳检测算法的开发；2CN113951856A权利要求书2/3页对得到的雷达所捕获的胸壁位移信号进行预处理，预处理步骤包括去除背景噪声和多项式趋势、带通滤波，多普勒雷达的前端采用了正交接收机结构，首先，通过正交信号解调技术获得相位，然后，根据与相位成正比的关系计算胸壁位移，将反正弦解调算法引入到正交信号的解调中，解调后的胸壁位移信号表示为：其中N是雷达原始信号的采样数，λ是多普勒雷达的波长，Φ[0]是初始相位，I[n]是基带的同相信号，Q[n]是正交信号，x[n]是胸壁位移信号；通过从原始胸壁位移中减去最佳拟合线来消除多项式趋势，预处理后的胸壁位移信号可表示为：多分辨率分析(MRA)建立了小波变换和数字滤波器之间的联系，基于多分辨率分析理论，采用基于最大重叠离散算法的MRA方法对多频段预处理胸壁位移信号进行分解，实现心跳和呼吸信号的初步分离；小波变换本质上是通过母小波ψ(t)的尺度和以为操作实现的多尺度分析，对于任意函2数f(t)∈L(R)，母小波的中心频率记为f0，则因此小波变换的时域形式可表示为：其中a是与频率信息对应的比例因子，b是与时空信息相关的位移因子，通过设置尺度参数a来改变窗口的形状，为心跳等较快的时间提供良好的时间分辨率，为呼吸较慢的事件提供出色的频率分辨率，这是小波变换的多分辨率特性；然而，连续小波变换基函数ψa，b(t)对于快速心率检测具有很大的计算冗余，通过对参数a和b进行离散化，转化为离散小波变换，计算效率大大提高，所以让得到离散小波的表达式为：使a0＝2，b0＝1，上述表达式可以简化为二次型小波，其表达式为：FTPR算法检测心跳信号的具体步骤如下：1)将心跳信号的时域表达式xh[n]经过转化变为xhwin[n]，即在时域中增加时间窗口可以有效的减少信号在频域中的