一种用于健康监测的信号处理方法及信号处理装置

本申请涉及信号处理方法及其装置，特别涉及基于调频连续波(fmcw)毫米波雷达的信号处理方法及其装置。

背景技术：

随着社会老龄化问题的日益凸显，空巢老人的健康问题，尤其是心脑血管等慢性疾病以及突发性疾病受到广泛关注。同时，随着生活节奏的加快，人们的生活压力变大，更多的人处于亚健康状态。因此，如何在室内环境中对人体的呼吸、心跳等健康指标进行实时监测，成为关注人体健康需要考虑的重要问题。现有的呼吸和心跳检测方法多为接触式检测，主要利用穿戴式传感器或粘贴式电极直接接触人体进行检测，检测过程会对测试者造成心理或生理约束，无法准确真实地反映测试者的生理变化情况。并且接触式检测有一定的应用限制，例如当皮肤损伤或其他不允许接触式测量的情况。

因此，需要提供一种改进的方法和装置来进行呼吸和心跳的检测。

技术实现要素：

根据一个实施例，本发明提供一种信号处理方法，用于以非接触的方式检测人的心跳频率。所述方法包括接收目标人物反射的雷达波反射信号；从所述雷达波反射信号中获得所述目标人物的震动相位信号；从所述震动相位信号中滤除呼吸信号谐波以获得相位信号；以及从所述相位信号中获得所述目标人物的心跳频率。

优选地，本发明的信号处理方法还包括通过带通滤波器对所述经过呼吸信号谐波滤除后得到的信号进行心跳带通滤波，滤出心跳信号所在频率范围内的相位信号；以及将所述经过心跳带通滤波后的相位信号进行频谱变换，得到心跳频率谱线。

优选地，所述频谱变换为啁啾z变换。

优选地，所述心跳频率谱线的波峰处的频率为所述心跳频率。

优选地，本发明的信号处理方法还包括混频所述雷达波反射信号和雷达波发射信号以得到中频信号；对所述中频信号进行数字正交化处理，将实信号转换成复信号，得到复数域回波信号；采集多个所述发射信号对应的复数域回波信号，存储为矩阵的行作为距离维，在所述距离维加窗，进行所述距离维的快速傅里叶变换；用恒虚警检测器检测所述目标人物潜在的距离单元，并确定所述目标人物的位置；以及对选取的一个预定的距离单元进行相位解缠绕，得到所述震动相位信号。

优选地，本发明的信号处理方法还包括对选取的所述预定距离单元的所述震动相位信号进行直流分量消除及背景噪声消除。

优选地，本发明的信号处理方法还包括通过带通滤波器对经过所述直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号进行呼吸带通滤波，滤出呼吸信号所在频率范围内的相位信号；将所述经过呼吸带通滤波后的相位信号进行频谱变换得到呼吸频率谱线；以及估计所述目标人物的呼吸频率，所述呼吸频率谱线的波峰处的频率为所述呼吸频率。

优选地，所述呼吸信号谐波滤除通过单延迟动目标检测抵消器进行，所述单延迟动目标检测抵消器的输出信号是输入信号和参考信号的差值，所述参考信号是比所述输入信号延迟一个周期的相位信号，所述周期是呼吸频率的倒数，输入信号是所述经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号。

优选地，所述调频连续波毫米波雷达的载波频段为77千兆赫兹至81千兆赫兹，距离分辨率为4厘米。

优选地，所述带通滤波器在进行所述心跳带通滤波时容许频率范围为0.8赫兹至4赫兹的信号通过。

优选地，所述带通滤波器在进行所述呼吸带通滤波时容许频率范围为0.1赫兹至0.6赫兹的信号通过。

优选地，本发明的信号处理方法还包括，当所述目标人物的心跳频率处于预先设定的异常阈值范围时，生成警报信号。

优选地，本发明的信号处理方法还包括，当所述目标人物的呼吸频率处于预先设定的异常阈值范围时，生成警报信号。

根据另一实施例，本发明提供一种信号处理装置，所述装置包括雷达信号接收器及耦接于所述雷达信号接收器的信号处理器。所述，雷达信号接收器被配置为接收目标人物反射的信号以得到所述目标人物的震动相位信号。所述信号处理器被配置为通过基于动目标检测的滤波器从所述震动相位信号中滤除呼吸信号谐波，以及从所述经过呼吸信号谐波滤除后得到的相位信号中估计所述目标人物的心跳频率。

优选地，本发明的信号处理装置还包括耦接于所述信号处理器的无线信号传输器，所述无线信号传输器被配置为当目标人物的心跳频率处于预先设定的异常阈值范围时，生成警报信号。

附图说明

各幅附图中，相同的标记指代结构相同或功能相似的部件或方法步骤。附图与下面的详细说明共同包含在说明书中，用以根据本发明描述各实施例并解释其技术方案、技术特征、实施方式及技术效果。

图1a至1c为根据本发明实施例信号处理方法流程图。

图2是经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号曲线图。

图3是经过呼吸带通滤波以及频谱变换后得到的呼吸频率谱线示意图。

图4是经过呼吸信号谐波滤除、心跳带通滤波以及频谱变换后得到的心跳频率谱线示意图。

图5是根据本发明实施例信号处理方法附加步骤的流程图。

图6是根据本发明实施例的信号处理装置的结构框图。

具体实施方式

可以理解，除了所描述的示例实施例之外，如本文附图中一般描述和示出的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，如结合附图所表示的示例实施例的以下更详细描述并非旨在限制所要求保护的实施例的范围，而仅仅是示例实施例的代表。

本说明书中对“一个实施例”、“另一个实施例”或“实施例”(或类似描述)的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等可以是指代相同的实施例，也可以是指代不同的实施例。

此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。在以下描述中，提供了许多具体细节以给出对实施例的透彻理解。相关领域的技术人员将认识到，在没有一个或多个具体细节的情况下，或在其他方法、组件、材料等的情况下，可以实施各种实施例。即在其他情况下，一些或所有已知的结构、材料或操作可以未被详细显示或描述。

本发明提供一种信号处理方法及装置，具体地，本发明提供一种基于调频连续波(fmcw)毫米波雷达的信号处理方法及装置，可用于获得目标物体，例如接受检测者的呼吸频率和心跳频率。该方法及其装置可以避免穿戴式测试仪器设备与检测者的物理接触，从而有助于消除穿戴式仪器设备给检测者带来的生理和心理的不适，以及由此带来的对检测者呼吸频率和心跳频率的影响。此外，本发明的方法及装置可以提供长时间、高精度的监测数据。

根据一个实施例，如图1a、图1b及图1c所示，本发明提供一种信号处理方法100。信号处理方法100包括接收目标人物反射信号的步骤102、对发射信号和接收信号进行混频的步骤104、进行数字正交化的步骤106、进行距离维快速傅里叶变换(fft)的步骤108、进行恒虚警检测的步骤110，以及进行相位解缠绕的步骤112，以得到目标人物的震动相位信号。信号处理方法100可以包括通过基于动目标检测的滤波器从震动相位信号中滤除呼吸信号谐波，以及从所述经过呼吸信号谐波滤除后得到的相位信号中估计所述目标人物的心跳频率。

优选地，信号处理方法100还包括对选取的一个预定距离单元的震动相位信号进行直流分量与背景噪声消除的步骤114、呼吸带通滤波的步骤116、呼吸频谱变换的步骤118、呼吸频率谱线的峰值检测的步骤120，以及呼吸频率估计的步骤122。信号处理方法100还可以包括用基于动目标检测的滤波器对经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号进行呼吸信号谐波滤除的步骤124。进一步地，信号处理方法100还可以包括对所述经过呼吸信号谐波滤除后得到的相位信号进行心跳带通滤波的步骤126、心跳频谱变换的步骤128、心跳频率谱线的峰值检测的步骤130，以及心跳频率估计的步骤132。附加地，信号处理方法100还可以包括当目标人物的呼吸频率或者心跳频率处于预先设定的异常阈值范围时，生成警报信息的步骤134，以及发送警报信号136的步骤。

根据一个实施例，信号处理方法100中的接收目标人物反射的信号(图框102)，可以通过fmcw毫米波雷达发射天线发射啁啾(chirp)信号。啁啾信号是一种频率随时间而改变的信号，例如频率随时间线性增加的正弦信号。目标人物反射该啁啾信号，而目标人物反射的信号通过接收天线接收。

信号处理方法100中的混频接收信号和发射信号以得到中频信号(图框104)，包括对中频信号进行数字正交化处理，将实信号转换成复信号，得到复数域回波信号(图框106)；采集多个与发射信号对应的复数域回波信号，存储为矩阵的行作为距离维，在距离维加窗，再进行距离维快速傅里叶变换(fft)(图框108)；用恒虚警检测器检测目标人物潜在的距离单元，并确定该目标人物的位置(图框110)；以及对选取的一个预定的距离单元进行相位解缠绕，得到目标人物的震动相位信号(图框112)。例如，可以得到目标人物胸腔的震动相位信号。

信号处理方法100可以包括对选取的一个预定距离单元的震动相位信号进行直流分量消除与背景噪声消除(图框114)。

信号处理方法100可以包括对经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号进行呼吸带通滤波，滤出呼吸信号所在频率范围内的相位信号(图框116)；将经过呼吸带通滤波后的相位信号进行频谱变换得到呼吸频率谱线(图框118)；对呼吸频率谱线进行峰值检测(图框120)；以及估计呼吸频率，呼吸频率谱线的波峰处的频率即为对应的呼吸频率(图框122)。

信号处理方法100可以包括用基于动目标检测(mti)的滤波器对经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号进行呼吸信号谐波滤除(图框124)。

信号处理方法100可以包括对经过呼吸信号谐波滤除后得到的相位信号进行心跳带通滤波，滤出心跳信号所在频率范围内的相位信号(图框126)；将经过心跳带通滤波后的相位信号进行频谱变换得到心跳频率谱线(图框128)；对心跳频率谱线进行峰值检测(图框130)；估计心跳频率，心跳频率谱线的波峰处的频率即为对应的心跳频率(图框132)。

在一个示例中，fmcw毫米波雷达发射天线指向目标人物并发射啁啾信号，例如频率随时间线性增加的正弦信号。发射信号表达式可以为：

s(t)＝exp{j(2πfct+πκt²)}

其中t表示快时间，fc表示雷达载频，κ表示调频斜率。

可以通过接收天线接收目标人物反射的信号。假设信号延迟时间为τ，则接收信号表达式为：

r(t)＝exp{j(2πfc(t-τ)+πκ(t-τ)²)}

混频接收信号与发射信号得到中频信号。接收信号与发射信号经过混频之后得到中频信号可以有以下公式表达：

其中λ表示波长，fb表示中频信号频率，b表示中频信号相位。

对中频信号进行数字正交化处理，将实信号转换成复信号，得到复数域回波信号。

采集多个发射啁啾信号对应的复数域回波信号，存储为矩阵的行作为距离维，在距离维加窗，再进行距离维快速傅里叶变换(fft)。

用恒虚警检测器检测目标人物潜在的距离单元，并确定该目标人物的位置。对选取的一个预定距离单元进行相位解缠绕，由于相位的变化跟距离的变化有关，

其中δb表示相位变化，δd表示距离变化，λ表示波长，从而可以得到目标人物胸腔的震动相位信号。fmcw毫米波雷达信号发射器可以正对目标人物的胸腔放置。fmcw毫米波雷达载波频段可以为77千兆赫兹至81千兆赫兹，距离分辨率可以达到4厘米。可选地，可以通过汉宁窗抑制频谱旁瓣。

对选取的一个预设距离单元的震动相位信号进行直流分量消除与背景噪声消除。直流分量消除可通过连续相邻相位值相减来实现,如以下公式表达：

另外，由目标空间中其他物体，如墙壁和家具等产生的背景噪声，其反射信号分量不随时间变化。因此，可以通过中值滤波进行背景噪声消除，如以下公式表达：

其中p是取中值的信号个数。经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号的一个示例如图2所示。

可以通过带通滤波器对经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号进行呼吸带通滤波，滤出呼吸信号所在频率范围内的信号。将经过呼吸带通滤波后的相位信号进行频谱变换得到呼吸频率谱线，对经过频谱变换后得到的呼吸频率谱线进行峰值检测，并估计呼吸频率，呼吸频率谱线的波峰处的频率即为对应的呼吸频率。

经过呼吸带通滤波以及频谱变换后得到的呼吸频率谱线如所图3示。在该示例中，呼吸频率谱线的波峰处的频率为8.562次/分钟。因此，可以估计对应的呼吸频率为8.562次/分钟。该示例中估计的呼吸频率(8.562次/分钟)与实际呼吸频率(9次/分钟)基本一致。带通滤波器是一种容许一定频率范围内的信号通过的电子滤波装置。在该示例中，带通滤波器的频率范围可以为0.1赫兹至0.6赫兹，即：带通滤波器在进行呼吸带通滤波时容许频率范围为0.1赫兹至0.6赫兹的信号通过。频谱变换是将时域信号变换为频域信号。频谱变换方法可以采用啁啾z变换(chirp-ztransform,czt)，czt是一种广义的z变换，能够在不增加样本点数的条件下提高分辨率。

在估计出呼吸频率后，可以通过基于动目标检测(movingtargetindicator,mti)的滤波器对经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号进行呼吸信号谐波滤除或呼吸信号谐波抵消。呼吸信号谐波的滤除可以通过滤波传递函数和输入信号频谱相乘来实现。输入信号为经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号。其中，k阶滤波传递函数为：

h(ω)＝(1-e^-jωt)^k＝(2jsin(ωt))^ke^jωkt/2

其中t是呼吸频率的倒数：1/fb。

可以通过动目标检测(mti)滤波器的单延迟动目标检测(mti)抵消器来进行呼吸信号谐波滤除。单延迟mti抵消器的输出信号是输入信号和参考信号的差值。输入信号为经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号。参考信号为比输入信号延迟一个周期t的相位信号。其中，t是呼吸频率的倒数：1/fb。呼吸信号的所有谐波分量周期均为t，因此经过单延迟mti抵消器滤波后，输入信号中的呼吸信号的所有谐波分量都能被滤除。

可以通过带通滤波器对经过呼吸信号谐波滤除后的信号进行心跳带通滤波，滤出心跳信号所在频率范围内的信号。再将经过心跳带通滤波后的相位信号进行频谱变换得到心跳频率谱线，对该心跳频率谱线进行峰值检测，并估计心跳频率，心跳频率谱线的波峰处的频率即为对应的心跳频率。图4示出经过呼吸信号谐波滤除、心跳带通滤波以及频谱变换后得到的心跳频率谱线的一个示例。在该示例中，心跳频率谱线的波峰处的频率为64.62次/分钟。因此可以估计对应的心跳频率为64.62次/分钟。该示例中估计的心跳频率(64.62次/分钟)与心电监测仪测得的心跳频率(63次/分钟)高度一致。带通滤波器是一种容许一定频率范围内的信号通过的电子滤波装置。在该示例中，带通滤波器的频率范围可以为0.8赫兹至4赫兹，即：带通滤波器在进行心跳带通滤波时容许频率范围为0.8赫兹至4赫兹内的信号通过。频谱变换是把时域信号变换为频域信号。频谱变换方法可以采用chirp-z变换(czt)。

表1列出根据本发明方法的呼吸频率和心跳频率的估计值、呼吸频率和心跳频率的参考值，以及相应的呼吸频率和心跳频率的相对误差率。呼吸频率的相对误差率的计算公式为|sesti-sref|/sref，其中sesti表示呼吸频率的本公开方法的估计值，sref表示呼吸频率的参考值。类似地，心跳频率的相对误差率的计算公式为|sesti-sref|/sref，其中sesti表示心跳频率的本公开方法的估计值，sref表示心跳频率的参考值。呼吸频率或心跳频率的参考值可以是使用其它方法(例如：心电监测仪)测量的相应的呼吸频率或心跳频率。如表1所示，可以计算出，呼吸频率的相对误差率为4.87％，心跳频率的相对误差率为2.57％。由此可见，本发明提供的基于fmcw毫米波雷达的信号处理方法能够获得准确的呼吸频率和心跳频率信息。

表1.根据本发明的呼吸频率和心跳频率的估计值、呼吸频率和心跳频率的参考值，以及相应的呼吸频率和心跳频率的相对误差率。

如图5所示，根据一个实施例，信号处理方法100还可以包括，当估计的目标人物的呼吸频率或心跳频率处于预先设定的异常阈值范围时，生成警报信息(图框134)；以及通过无线通讯发送警报信息至与fmcw毫米波雷达关联的用户终端(图框136)。正常的呼吸频率及心跳频率，一般成年人呼吸频率是6至30次/分钟，心跳频率是50至120次/分钟。因此，呼吸频率超过30次/分钟或低于6次/分钟，或者心跳频率超过120次/分钟或低于50次/分钟时，都属于异常状态。

在一个示例中，预先设定的呼吸频率的异常阈值范围可以为：超过30次/分钟或低于6次/分钟。预先设定的心跳频率的异常阈值范围可以为：超过120次/分钟或低于50次/分钟。当估计的目标人物的呼吸频率或者心跳频率处于预先设定的异常阈值范围(即：呼吸频率超过30次/分钟或低于6次/分钟，或者心跳频率超过120次/分钟或低于50次/分钟)时，可以生成警报信息。通过无线通讯发送警报信息至与fmcw毫米波雷达关联的用户终端，可以包括通过例如蓝牙通信或者无线保真(wi-fi)通信等方式无线连线于与fmcw毫米波雷达关联的用户终端。用户终端可以包括智能手机、个人数字助理(pad)和个人计算机(pc机)。可以使用用户终端实施监测目标人物(即被监护对象)的情况。

如图6所示，根据一个实施例，本公开提供一种基于fmcw毫米波雷达的信号处理装置500。信号处理装置500包括雷达信号收发器502、耦接于雷达信号接收器502的信号处理器504，以及耦接于信号处理器504的无线信号传输器506。

雷达信号收发器502可以用于发射调频连续波雷达信号以及接收经被测目标人物反射的雷达信号。

雷达信号接收器502可以包括发射模块和接收模块。发射模块可以包括数据采集卡、数模转换器、波形产生器、频率调制器、本地振荡器、混频器、带通滤波器、射频放大器和发射天线。接收模块可以包括接收天线、低噪放大器、本地振荡器、混频器、带通滤波器、中频放大器、数据采集卡和模数转换器。

信号处理器504可以用于对从雷达信号收发器502传来的发射信号和接收信号进行处理。信号处理器504对所述发射信号和接收信号进行混频、数字正交化、距离维快速傅里叶变换(fft)、恒虚警检测、相位解缠绕，得到目标人物的震动相位信号。信号处理器504通过基于动目标检测的滤波器从震动相位信号中滤除呼吸信号谐波，以及从所述经过呼吸信号谐波滤除后得到的相位信号中估计所述目标人物的心跳频率。具体地，信号处理器504对选取的一个预设距离单元的震动相位信号进行直流分量与背景噪声消除、呼吸带通滤波、呼吸频谱变换、呼吸频率谱线的峰值检测、呼吸频率估计。信号处理器504用基于动目标检测(mti)的滤波器对经过直流分量消除与背景噪声消除后得到的相位信号进行呼吸信号谐波滤除；对所述经过呼吸信号谐波滤除后得到的相位信号进行心跳带通滤波、心跳频谱变换、心跳频率谱线的峰值检测以及心跳频率估计。

信号处理器504可以包括现场可编程逻辑门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)信号处理和控制器。

无线信号传输器506可以用于当目标人物的呼吸频率或者心跳频率处于预先设定的危险阈值范围时，生成与发送警报消息。

无线信号传输器506可以包括蓝牙通信设备、wi-fi通信设备以及用户终端。

本公开提供的信号处理方法和装置可以实现对目标人物的非接触式的生命体征数据的监测，避免了佩戴式设备带来的生理和心理不适，并且可以提供长时间、高精度的监测数据，并且fmcw毫米波雷达可以做到体积小、重量轻、功耗低和实时处理，是非接触式生命体征数据监测装置的优先选择。在此基础上，结合不同的应用场景，检测人体的慢性疾病、突发性疾病以及突发性状况，从而通过扩展本发明的方法可以实现多种不同的功能。此外，雷达获取的人体回波信号会有较多的杂波和噪声，也会有呼吸和心跳之间的谐波影响，而传统的快速傅里叶变换(fft)方法集中度较低、分辨率较差，呼吸频率和心跳频率的检测准确率有限。本公开提供的信号处理方法和装置的一个有益效果在于通过chirp-z变换进行频谱分析，相比于快速傅里叶变换(fft)，能够在不增加样本点数的条件下得到更高的分辨率。另外，采用基于动目标检测(mti)的滤波器滤除呼吸信号的谐波分量，能够更加准确地获取对心跳频率的估计。

如本文所采用，除非另有明确说明，否则单数“一”和“一个”可以解释为包括复数“一个或多个”。

已经出于说明和描述的目的呈现了本公开，但是并非旨在穷举或限制。许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。已经选择和描述了示例实施例以便解释原理和实际应用，并且使得本领域普通技术人员能够理解本公开的各种实施例具有适合于预期的特定用途的各种修改。

因此，尽管这里已经参考附图描述了说明性示例实施例，但是应该理解，该描述不是限制性的，并且本领域普通技术人员可以在不脱离本申请的范围的情况下实现各种其他改变和修改。