用于在生物信号测定用雷达中消除雷达采集信号随机噪声的方法及其装置与流程

1.本发明涉及在获得人体的生物信号期间利用微波多普勒雷达有效减少并消除从外部流入的各种振动噪声的方法及其装置。


背景技术：

2.通常，雷达作为传感技术的一种，可以准确测定与物体的距离及物体对于观测地点的相对速度。雷达装置通过向物体发射微波的电磁波并接收其物体反射的电磁波来进行工作。已处理的信号被转换为操作人员或雷达控制的周围装置能够使用的状态。利用雷达检测动作或生物信号等的技术正逐渐变得商业化。因此，存在用于在实际使用雷达的环境中解决因受到有可能产生的外部影响而导致雷达接收信号产生各种噪声问题的方案。
3.并且，多普勒雷达(doppler radar)应用电波的多普勒效应，基于朝向目标发射的雷达波的发射频率与反射频率之间的差异来检测移动的目标。用于气象雷达或飞机的自导航系统装置及军用雷达。在用于气象的情况下，测定云内部产生的风速变化。在用于自导航系统装置的情况下，通过测定电波到达地面的速度来计算当前位置。在用于军用雷达的情况下，主要使用脉冲多普勒雷达，这种脉冲多普勒雷达通常以单脉冲信号仅捕获、跟踪在地面及海平面上的反射波内移动的目标。
4.通常，在图1的利用现有的微波雷达测定生物信号的方法中，针对因心脏跳动、呼吸引起的人体振动或动作而产生多普勒效应通过采集数据来进行感测。
5.然而，在测定实际人体的生物信号过程中，将额外产生因人体的动作或肌肉的动作或周围环境要素引起的多普勒效应。因此，在图2中，在实际雷达感测的采集信号中，除生物信号数据外，随机噪声也会一并加载于存在生物信号的时间层面及频率层面上的相同区域。这种随机噪声因缺乏周期性而具有随着时间产生多种变化的特性，相反，生物信号具有维持规定周期模式的特性。因此，应进行通过计算与掺杂于人类心跳频谱区域的随机噪声的差异来区分的研究。
6.作为有关本发明的现有技术，专利文献1公开的目标的生物信息确定方法包括如下步骤：按照预定接收时间累积从要测定心跳的目标反射的雷达脉冲重叠的单帧来生成帧集(frame set)；通过分别对所生成的上述帧集所包含的单帧表示最大峰值的第一采样索引及作为与上述第一采样索引中的最大峰值相对应的采样索引的第二采样索引消除因上述目标的动作而产生上述最大峰值的转移区间的单帧；随着因上述目标的动作而产生上述最大峰值的转移区间的单帧被消除，针对空白区间所包含的帧集，应用通过检测不完整数据的周期性模式识别峰值频率的算法来确定上述目标的心跳频率，从上述目标反射的雷达脉冲为反映上述目标的动作的雷达信号，消除产生上述转移区间的部分的步骤包括如下步骤：分别针对上述帧集所包含的单帧提取表示最大峰值的第一采样索引；将在表示上述最大峰值的第一采样索引中最多的最大峰值相对应的采样索引确定为用于生成动作轮廓的基准的第二采样索引；利用上述第一采样索引与第二采样索引之间的差异来生成基于上述
目标动作的动作轮廓；以及利用上述动作轮廓排列上述帧集所包含的单帧。
7.并且，专利文献2公开了多载波多普勒雷达，在发射基带信号后，基于发射的基带信号被物体反射而返回的基带信号来测定多普勒，上述多普勒雷达作为上述基带信号利用包括多载波的基带信号，上述多普勒雷达包括信号处理部，通过傅立叶转换器将接收的基带信号转换为n个频率信号并将所转换的n个频率中选择任意m个频率信号，针对向所选择的m个频率信号乘以校准常数输出的m个频率信号分别提取相位值，针对向所提取的m个相位值分别乘以距离转换常数输出的m个距离信息应用过滤器计算输出的值。
8.现有技术文献
9.专利文献
10.专利文献1：韩国授权专利公报第10-1948386号(公告日：2019年02月14日)
11.专利文献2：韩国公开专利公报第10-2018-0010713号(公开日：2018年01月31日)


技术实现要素：

12.技术问题
13.为了解决上述问题，本发明的目的在于，在具有相对周期性的生物信号区域掺杂有随机噪声的情况下，可有效消除随机噪声。
14.并且，本发明的再一目的在于，通过微波雷达来改善以非接触方式测定生物信号的精确度。
15.解决问题的方案
16.为了实现上述目的，本发明提供的用于在生物信号测定用雷达中消除雷达采集信号随机噪声的方法包括：步骤(a)，随着中频信号发生器的压控振荡器(vco)通过从外部施加的电压v(t)生成规定周期的振荡频率并通过单个发射天线向动态目标的主要部位发送，通过n个接收天线接收被上述动态目标反射的信号和在动态目标周围产生的各种信号；步骤(b)，上述中频信号发生器从所接收的n个信号中生成各个多普勒中频信号；步骤(c)，通过模拟数字转换器将从上述中频信号发生器输入的多个多普勒中频信号分别转换为数字数据；步骤(d)，通过快速傅立叶变换器来使上述模拟数字转换器在单位时间内采集的数字信号构成以采样时间间隔具有符号的数据串并将上述数据串转换为多个索引(index)的频率分量符号串(symbol set)；步骤(e)，通过上述信号计算器的计算部计算将转换为频率分量符号串的多个索引符号相加为各个索引集并除以n个接收天线数量的值；以及步骤(f)，针对上述计算部计算得出的值，按照规定的基准阈值(threshold)对共同发生的周期信号与不共同的非周期信号的频谱分量的偏差进行分类来仅过滤周期信号。
17.并且，本发明提供的用于在生物信号测定用雷达中消除雷达采集信号随机噪声的装置包括：中频信号发生器，随着压控振荡器(vco，voltage controlled oscillator)通过从外部施加的电压v(t)生成规定周期的振荡频率并通过单个发射天线tx发送，从包括规定距离的动态目标的雷达信号采集区域反射的反射波被多个接收天线rx-1～rx-n分别接收，从所接收的n个信号生成多普勒中频信号；模拟数字转换器，用于将从上述中频信号发生器生成的n个模拟信号转换为数字信号；信号计算器，通过快速傅立叶变换器来使上述模拟数字转换器在单位时间内采集的数字信号构成以采样时间间隔具有符号的数据串并将所构成的数据串转换为索引(index)的频率分量符号串(symbol set)后，计算将多个索引符号
相加为各个索引集并除以n个接收天线rx数量的值；以及数字过滤信号处理器，针对上述计算部计算得出的值，按照规定的基准阈值(threshold)对共同发生的周期信号与不共同的非周期信号的频谱分量的偏差进行分类并过滤。
18.并且，在本发明中，上述接收天线rx-1～rx-n可按照能够从动态目标和除此之外的区域同时接收信号的位置及方向排列。
19.并且，在本发明中，上述数字过滤信号处理器可通过规定频带的带通滤波器(bpf)、高通滤波器(hpf)或低通滤波器(lpf)中的一个来按照基准阈值进行过滤。
20.发明的效果
21.本发明具有如下效果，即，在具有相对周期性的生物信号区域掺杂有随机噪声的情况下，可通过由单个发射部和多个接收部组成的非接触式生物信号测定用多普勒雷达有效减少并消除随机噪声来提高感测生物信号的精确度。
附图说明
22.图1为示出通常用于测定生物信号的雷达的概念的框图。
23.图2为作为生物信号分别示出心跳频谱和掺杂有随机噪声的心跳频谱的曲线图。
24.图3为示出本发明实施例的用于在生物信号测定用雷达中消除雷达采集信号随机噪声的装置的框图。
25.图4为示出本发明的用于在生物信号测定用雷达中消除雷达采集信号随机噪声的装置的结构图。
26.图5为示出本发明的用于在生物信号测定用雷达中消除雷达采集信号随机噪声的方法的流程图。
27.图6为示出本发明的用于在生物信号测定用雷达中消除雷达采集信号随机噪声的通过傅立叶转换表示多个索引的频率分量符号串的表。
28.图7为示出本发明的用于在生物信号测定用雷达中消除雷达采集信号随机噪声的装置中的微波多普勒雷达各个接收部的傅里叶转换结果频谱的曲线图。
具体实施方式
29.以下，参照附图说明本发明的用于在生物信号测定用雷达中消除雷达采集信号随机噪声的装置的实施例。
30.在图3及图4中，微波(microwave)多普勒雷达1的中频(intermediate frequency，中间频率)信号发生器10通过压控振荡器11(vco，voltage controlled oscillator)产生的振荡频率与接收的频率之间的差异来产生中频信号。中频信号发生器10包括发射天线，用于向外部发送从压控振荡器11输出的规定周期的振荡频率。而且，中频信号发生器10包括接收天线，用于接收从发射天线发送的信号，例如，接收被规定距离的动态目标，例如，人体反射的信号及从人体周围的雷达信号采集区域接收信号。其中，发射天线tx为单个，接收天线rx-1～rx-n为多个。优选地，接收天线rx-1～rx-n应按照能够从动态目标和除此之外的区域同时接收信号的适当位置及方向排列。
31.而且，在中频信号发生器10中，各个接收天线rx-1～rx-n结合有混频器m1～mn。混频器m1～mn通过压控振荡器11输出的振荡频率与各个接收天线rx-1～rx-n接收的n个信号
之间产生的差异来生成多普勒中频信号。
32.中频信号发生器10与用于收发信号的多普勒雷达收发器(tranceiver)具有相同结构，包括单个发射天线tx和多个接收天线rx-1～rx-n。因此，在中频信号发生器10中，随着压控振荡器11通过从外部施加的电压v(t)生成规定周期的振荡频率并通过单个发射天线tx发送，随着从包括规定距离的动态目标的雷达信号采集区域反射的反射波被多个接收天线rx-1～rx-n分别接收，在所接收的n个信号中生成多普勒中频信号。
33.模拟数字转换器20(analog/digital converter)用于将输入的模拟信号转换为数字信号输出，将中频信号发生器10产生的n个模拟信号分别转换为数字信号输出。在此情况下，为了将数字信号转换为频率符号，需执行快速傅立叶变换，因此，利用在单位时间内采集的数字信号的数据以采样时间间隔构成数据串。
34.信号计算器30包括快速傅立叶变换器(fft，fast fourier transformer)和计算部32。快速傅立叶变换器31将模拟数字转换器20在单位时间内采集的数字信号的数据串转换为频率分量的符号并将其构成n个频谱索引数据串。而且，计算部32用于计算将所构成的多个频谱索引符号相加为各个索引集并除以n个接收天线rx-1～rx-n数量的值。
35.数字过滤信号处理器40针对信号计算器30在单位时间内计算得出的值按照规定的基准阈值(threshold)对共同发生的周期信号与不共同的非周期信号的频谱分量的偏差进行分类并过滤。即，虽然共同发生的具有周期性的信号的计算结果维持在规定大小的值，而不共同的具有非周期性的信号被降低至非常小的值，因此，将大幅增加周期信号与非周期信号的频谱分量的偏差后，数字过滤信号处理器40按照适当的基准阈值进行分类及过滤来处理信号。作为以基准阈值进行过滤的滤波器，可适当选择使用规定频带的带通滤波器(bpf)或高通滤波器(hpf)或低通滤波器(lpf)等。
36.以下，针对具有上述结构的本发明的用于在生物信号测定用雷达中消除雷达采集信号随机噪声的方法进行说明。
37.首先，在图5中，中频信号发生器10的压控振荡器11通过从外部施加的电压v(t)生成规定周期的振荡频率并通过发射天线tx向动态目标的主要部位发送(步骤s1)。优选地，从发射天线tx发送的信号应朝向能够最有效采集作为动态目标的生物信号的人体部位发送。
38.被动态目标反射的信号和动态目标周围的各种信号由n个接收天线rx-1～rx-n接收(步骤s2)。在此情况下，n个接收天线rx-1～rx-n包括：接收天线rx-1，用于接收包含最多生物信号的信号；以及多个接收天线rx-2～rx-n，用于接收生物信号及包含人体的其他动作或在周围产生的音效等的信号。
39.从多个接收天线rx-1～rx-n接收的n个信号分别由中频信号发生器10生成为多普勒中频信号(步骤s3)。而且，模拟数字转换器20将从中频信号发生器10生成后输入的多个多普勒中频信号分别转换为各自的数字数据(步骤s4)。在多个接收天线rx-1～rx-n接收信号的期间内，在时间层面上，由于数字数据持续重复，因此，可实时按照单位时间连续采集数据。
40.随着模拟数字转换器20在单位时间内采集的数字信号被信号计算器30的快速傅立叶变换器31生成为以采样时间间隔具有符号的数据串，上述数据串被转换为多个索引(index)的频率分量符号(symbol set)(步骤s5)。
41.另一方面，多普勒中频信号的频谱转换通过以下过程实现。即，频率分量的频谱转换通过在规定时间内采集的时域信号中寻找周期性来将其转换为频率分量。因此，为了实现快速傅立叶变换而需要规定时间内采集的时域的数字采样数据。并且，采样时间间隔的符号为在时域中被采样为数字信号的原始信号分量的符号。例如，若采集30秒的时域信号数据并实现傅里叶转换，则表现在30秒内表示周期性的所有信号的频率分量的频谱。在此情况下，频谱曲线上的横轴成为频率轴，而这便是频谱索引。
42.多个索引如图6的表所示，多个接收信号通过快速傅立叶变换器31被转换为i(m)的频率分量符号串。而且，计算部32将从多个接收天线rx-1～rx-n分别获得的多个索引符号相加为各个索引i(1)、i(2)、i(3)、...i(m)集并计算除以接收天线rx-1～rx-n数量n的值(步骤s6)。
43.其中，n个接收天线rx-1～rx-n信号由n个频谱索引数据表示，计算由作为各个天线的相同频谱分量的索引集执行。而且，i(1)、i(2)、...i(m)表示实际频率(hz)分量，其符号数据表示频谱强度。
44.并且，在图7的频谱曲线图中，虽然共同发生的周期信号维持规定值，但是，不共同的非周期信号被降低至非常小的值，因此，可在周期信号与非周期信号之间产生频谱偏差。即，频率域索引i(m)集被计算为i(1)＝a1+b1+c1...(n)1、i(2)＝a2+b2+c2...(n)2、i(3)＝a3+b3+c3...(n)3、i(m)＝a(m)+b(m)+c(m)
…
(n)(m)等，若接收天线rx-1～rx-n的数量为n，则各个索引的计算结果为i(1)/n、i(2)/n、i(3)/n...i(m)/n。
45.而且，数字过滤信号处理器40针对计算部32计算的值按照规定基准的阈值(threshold)对共同发生的周期信号与不共同的非周期信号的频谱分量的偏差进行分类并仅过滤周期信号(步骤s7)。在此情况下，若以阈值为基准进行分类，则能够只留下高于基准点的值，而这将增加在时间层面上通常具有周期性分量的生物信号的可能性。
46.由此，可通过上述方法从各个接收天线rx-1～rx-n接收的数据中提取共同接收的部分并将不共同部分作为随机噪声进行过滤来消除。
47.如上所述，相比于现有的通过利用由单个收发部组成的生物信号测定用多普勒雷达测定生物信号的方法，本发明具有如下优点，即，可利用由单个发射部和多个接收部组成的生物信号测定用多普勒雷达有效消除生物信号区域所包含的随机噪声来改善以非接触方式感测生物信号的精确度。
48.在以上说明中，虽然参照特定实施例及附图说明了本发明，但是，对于本发明所属技术领域的普通技术人员显而易见的是，在不脱离发明要求保护范围的发明思想及范畴的前提下，可进行多种修改及更改。