基于毫米波雷达的人体感知方法及其系统与流程

本发明涉及居家环境下的生物信号检测领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的人体感知方法及其系统。
背景技术：
：随着科技技术的快速发展，智能家居已经深入至普通家庭。智能家居中的设备大多都是感知设备周围人员分布情况然后执行相应操作。目前，比较主流的实现感知周围人员分布的传感器包括红外传感器、微波传感器和电场传感器。红外传感器是应用非常广泛的人体传感器之一，可以实现高灵敏度的运动人体感知和静止人体感知，但是由于居家环境中常有热源、冷热风吹动等，会造成红外传感器错误感知现象，且误报率较高。微波传感器是基于多普勒原理实现对运动物体的感知，能较好的分辨运动人体特征，但是针对静止人员、飘动中的窗帘或其他物体难以分辨，容易造成误检或漏检。电场传感器是通过分布电容的微小变化来得到周围电场信息实现对人体感知，由于人体电场分布离散性较大，使电场传感器的可靠性及探测距离相对较弱。技术实现要素：本发明目的在于提供一种检测灵敏度高且同时对运动人员和静止人员均能准确感知的基于毫米波雷达的人体感知方法及其系统。本发明的目的是提供一种基于毫米波雷达的人体感知方法通过以下技术方案实现的：一种基于毫米波雷达的人体感知方法，包括如下步骤：(1)通过雷达发射雷达信号，并接收雷达回波后解析得到回波信号；(2)取M个回波信号得到样本序列{X}，样本序列{X}中包含目标多普勒信息和微多普勒信息；(3)对样本序列{X}做归一化处理后再做离散傅里叶变换得到频域序列{XF}；(4)频域序列{XF}在指定频域范围{FM}内获取最大值XFmax；并将最大值XFmax与设置的阈值XTH进行比较，若XFmax≥XTH，则有运动信息目标，并获取运动信息；反之则没有运动信息目标；(5)从频域序列{XF}中获取第一个数据XF0，填充到数据序列{Y}中，连续填充N个数据；(6)对数据序列{Y}做归一化处理后再做离散傅里叶变换得到频域数据序列{YF}；(7)频域序列{YF}在指定频域范围{FB}内获取最大值YFmax；并将最大值YFmax与设置的阈值YTH进行比较，若YFmax≥YTH，则有生理信息目标，并获取生理信息；反之则没有生理信息目标；(8)结合运动信息目标和生理目标信息判断当前环境中是否人员存在以及人员状态。进一步地，步骤(1)中所述雷达信号采用单频连续雷达信号。进一步地，步骤(4)中所述指定频域范围{FM}为-1.6KHz～+1.6KHz；所述运动信息包括速度、方向和强度，所述运动信息是通过公式(Ⅰ)计算得出：fd＝2.vd/c×f0(Ⅰ)式中，fd为XFmax对应频率值，vd为目标运动速度，c为光速，f0为雷达发射信号频率。进一步地，步骤(7)中所述指定频域范围{FB}为0.2Hz～0.5Hz；所述生理信息为人体呼吸信息，其呼吸运动反映在雷达回波信号的表达式为公式(II)，从而得到呼吸信号频率与雷达回波信号频率调制频率一致：式中，S(t)为雷达回波信号，A为回波信号幅度，为回波信号瞬时相位，x(t)为呼吸引起的胸壁运动。本发明还一目的在于提供一种一种基于毫米波雷达的人体感知系统，包括雷达模块和信息处理模块，所述雷达模块用于发送发射雷达信号并接收回波后解析得到回波信号，所述信息处理模块用于控制电磁波信号的产生、发射以及接收回波信号和回波信号的处理后得出运动信息目标和生理信息目标，根据运动信息目标和生理信息目标获得是人员以及人员状态。进一步地，所述雷达模块包括射频通道、以及与射频通道连接的发射天线和接收天线，所述射频通道内设有压控振荡器、功率放大器、低噪声放大器、混频器和滤波模块，压控振荡器分别与功率放大器和混频器连接，功率放大器与发射天线连接，混频器还分别与低噪声放大器和滤波模块连接，低噪声放大器与接收天线连接，滤波模块和信息处理模块连接。进一步地，所述信息处理模块包括依次连接的ADC单元、信号处理单元、主控单元和发射信号控制单元，所述ADC单元和滤波模块连接，发射信号控制单元与压控模块连接。进一步地，所述信号处理单元包括获取运动信息目标和生理信息目标，获取运动信息目标是指先取M个回波信号得到样本序列{X}，样本序列{X}中包含目标多普勒信息和微多普勒信息；再对样本序列{X}做归一化处理后，再做离散傅里叶变换得到频域序列{XF}；最后频域序列{XF}在频域范围内获取最大值XFmax；并将最大值XFmax与设置的阈值XTH进行比较，若XFmax≥XTH，则有运动信息目标，反之则没有运动信息目标；获取生理信息目标是指先从频域序列{XF}中获取第一个数据XF0，填充到数据序列{Y}中，连续填充N个数据；；然后对数据序列{Y}做归一化处理后再做离散傅里叶变换得到频域数据序列{YF}；最后频域序列{YF}在频域范围内获取最大值YFmax；并将最大值YFmax与设置的阈值YTH进行比较，若YFmax≥YTH，则有生理信息目标，反之则没有生理信息目标。进一步地，所述发射天线和接收天线均包括1个。本发明具有以下有益效果：(1)采用单频连续的毫米波雷达信号检测室内的多普勒信号(运动信息)和微多普勒信号(生理信息)，以实现运动目标检测和生理目标检测，从而实现人员和人员状态感知；(2)通过对多组回波信号先归一化处理后再离散傅里叶变换后进行频域检测，实现运动目标及运动状态(速度、方向)感知；(3)对多组第一次离散傅里叶变换后的频域数据先归一化处理后再离散傅里叶变换后进行频域检测，实现生理目标及生理状态(平静、急促)感知；(4)发射功率小、系统成本低、结构简单。附图说明图1为本发明方法的流程示意图。图2为本发明运动目标感知示意图。图3为本发明生理目标感知示意图。图4为本发明系统的结构示意图。图5为本发明运动信息目标波形图。图6为本发明生理信息目标波形图。图中标记：10、信号处理模块；11、主控单元；12、发射信号控制单元；13、ADC单元；14、信息处理单元；20、射频通道；21、压控振荡器；22、功率放大器；23、低噪声放大器；24、混频器；25、滤波模块；31、发射天线；32、接收天线。具体实施方式实施例1如图1～3所示，本实施例提供了基于毫米波雷达的人体感知方法包括如下步骤：(1)通过雷达发射雷达信号，并接收回波后解析得到回波信号；所述雷达信号通过雷达模块以及与雷达模块连接的发射天线发射的，所述雷达信号为24GHz单频连续的毫米波信号，单频连续的毫米波信号对于运动目标具有良好的探测灵敏度，接收处理增益高，具备良好的穿透能力，保证对多种家居环境下人体目标的信息获取能力。所述回波信号是通过与雷达模块连接的接收天线接收，回波信号是雷达信号遇到人员或者其他移动物体产生的反射波信号。家居环境下人体运动速度范围约为1m/s～10m/s，且运动幅度远大于认人体呼吸所带来的胸壁运动，人体呼吸运动的频率为0.2Hz～0.5Hz，运动幅度相对较小。雷达回波信号被接收天线接收后需做解调滤波处理，得到含有多普勒信号(运动信息)和微多普勒信息(生理信息)的回波信号；所述发射天线和接收天线采用相同配置的天线，雷达参数配置见表1。表1雷达参数配置(2)取M个回波信号得到样本序列{X}，样本序列{X}中包含目标多普勒信息和微多普勒信息；M为1024、2028或者其他，ADC采样频率为20kpbs。(3)对样本序列{X}做归一化处理后再做离散傅里叶变换得到频域序列{XF}；为保证离散傅里叶变换运算快捷，先对样本序列{X}做归一化处理，然后再进行第一次离散傅里叶变换DFT，获得频域序列{XF}。(4)频域序列{XF}在频域范围{FM}内获取最大值XFmax；并将最大值XFmax与设置的阈值XTH进行比较，若XFmax≥XTH，则有运动信息目标，反之则没有运动信息目标；所述频域范围{FM}为-1.6KHz～+1.6KHz，该频域范围内对用的运动目标的运动速度为-10.0m/s～+10.0m/s；阈值XTH与雷达信号参数有关，根据本实施例提供的雷达参数所述阈值XTH为40。若有运动目标信号，输出C1＝1，反之则输出C1＝0。(5)从频域序列{XF}中获取第一个数据XF0，并将第一个数据XF0填充到数据序列{Y}，连续获取N个第一个数据XF0；因为人体呼吸运动的频率为0.2Hz～0.5Hz，由于第一次离散傅里叶变换累积时间短，数据量较小，不能很好的判断出是否有生理信号，因此将第一次离散傅里叶变换后的低频数据再进行二次累积，从频域序列{XF}中获取第一个数据XF0构成一个新的频域数据序列{Y}。(6)对数据序列{Y}做归一化处理后再做离散傅里叶变换，得到频域数据序列{YF}，通过在数据序列{YF}内一定频域范围检测最大值比较，即可判断是否有生理目标存在。(7)频域序列{YF}在频域范围{FB}内获取最大值YFmax；并将最大值YFmax与设置的阈值YTH进行比较，若YFmax≥YTH，则有生理信息目标，反之则没有生理信息目标；所述频域范围{FB}为0.2Hz～0.5Hz；阈值YTH与雷达信号参数有关，根据本实施例提供的雷达参数所述阈值YTH为100。若有运动目标信号，输出C2＝1，反之则输出C2＝0。(8)结合运动信息目标和生理目标信息判断当前环境中是否有人员存在以及人员状态，当检测到人员存在时，可以通过运动信息目标获取运动速度及方向信息，判断人员处于无序运动、接近、远离运动状态；通过微多普勒信息，可以判断当前人体基本生理状态(平静、急促)；通过将两种参量进行综合判断，可以得到人体目标更准确的运动状态，从而辅助家居实施更智能化的环境感知及应用。具体见表2所示。表2是否有人员存在及人员状态检测结果C1C2状态说明100无人员在现场无运动目标，无呼吸目标201人员处于静止或睡眠状态无运动目标，有呼吸目标310存在非人员运动目标有运动目标，无呼吸目标411存在人员，且处于运动状态有运动目标，有呼吸目标通过运动信息目标获取运动速度及方向信息，运动信息包括速度、方向和强度，所述运动信息是通过公式(Ⅰ)计算得出：fd＝2.vd/c×f0(Ⅰ)式中，fd为XFmax对应频率值，vd为目标运动速度，c为光速，f0为雷达发射信号频率，f0＝24GHz。通过生理信息目标获取生理信息，生理信息为人体呼吸信息，其呼吸运动反映在雷达回波信号的表达式为公式(II)，从而得到呼吸信号频率与雷达回波信号频率调制频率一致：式中，S(t)为雷达回波信号，A为回波信号幅度，为回波信号瞬时相位，x(t)为呼吸引起的胸壁运动。实施例2如图3所示，本实施例提供的基于毫米波雷达的人体感知系统包括雷达模块和信息处理模块，所述雷达模块用于发送发射雷达信号并接收回波后解析得到回波信号，所述信息处理模块用于控制电磁波信号的产生、发射以及接收回波信号和回波信号的处理后得出运动信息目标和生理信息目标，根据运动信息目标和生理信息目标获得是人员以及人员状态。所述雷达模块包括压控振荡器(VCO)21、功率放大器(PA)22、低噪声放大器(LNA)23、混频器24、滤波模块25、发射天线31和接收天线32。所述压控振荡器(VCO)21、功率放大器(PA)22、低噪声放大器(LNA)23、混频器24和滤波模块25构成射频通道20，具体结构是压控振荡器(VCO)21分别与功率放大器(PA)22和混频器24连接，混频器24分别与低噪声放大器(LNA)23和滤波模块25连接，功率放大器(PA)22与发射天线31连接，低噪声放大器(LNA)23与接收天线32连接，所述压控振荡器(VCO)21用于产生本振信号，本振信号通过功率放大器(PA)22放大后再通过发射天线31发射，发射天线31发射的电磁波信号波段为单频连续的毫米波，能够很好适应0～20米范围内人体目标的检测，且可有效穿透玻璃、衣物等非金属介质。电磁波信号遇到人体目标后形成回波信号，回波信号被接收天线32接收后经低噪声放大器(LNA)23放大处理后进入混频器24，混频器24将接收的回波信号和本振信号进行混频处理，实现对回波信号的解调，再将解调后的信号发送给滤波模块25进行滤波去噪，具体的雷达参数见表1。所述信息处理模块包括依次连接的ADC单元13、信号处理单元、主控单元11和发射信号控制单元12，所述ADC单元13和滤波模块25连接，用于接收经过滤波去燥后的回波信号，并将回波信号经过模数转换采样后发送给信息处理单元14，信息处理单元14对回波信号进行获取运动信息目标和生理信息目标，主控单元11作为运算核心和控制核心，协调各个单元之间的工作；所述发射信号控制单元12与压控振荡器(VCO)21连接，用于控制压控振荡器(VCO)21产生本振信号，进而控制雷达模块发射电磁波信号，实现对人员及人员状态的检测。获取运动信息目标是指先取M个回波信号得到样本序列{X}，样本序列{X}中包含目标多普勒信息和微多普勒信息；再对样本序列{X}做归一化处理后再做离散傅里叶变换得到频域序列{XF}；最后频域序列{XF}在频域范围{FM}内获取最大值XFmax；并将最大值XFmax与设置的阈值XTH进行比较，若XFmax≥XTH，则有运动信息目标，反之则没有运动信息目标；所述频域范围{FM}为-1.6KHz～+1.6KHz，该频域范围内对用的运动目标的运动速度为-10.0m/s～+10.0m/s；阈值XTH与雷达信号参数有关，根据本实施例提供的雷达参数所述阈值XTH为40。若有运动目标信号，输出C1＝1，反之则输出C1＝0。获取生理信息目标是指先从N个频域序列{XF}中获取N个第一个数据XF0，并构成一个数据序列{Y}；然后对数据序列{Y}做归一化处理后再做离散傅里叶变换得到频域数据序列{YF}；最后频域序列{YF}在频域范围{FB}内获取最大值YFmax；并将最大值YFmax与设置的阈值YTH进行比较，若YFmax≥YTH，则有生理信息目标，反之则没有生理信息目标；所述频域范围{FB}为0.2Hz～0.5Hz；阈值YTH与雷达信号参数有关，根据本实施例提供的雷达参数所述阈值YTH为100。若有运动目标信号，输出C2＝1，反之则输出C2＝0。结合运动信息目标和生理目标信息获得是人员以及人员状态，当检测到人员存在时，可以通过运动信息目标获取运动速度及方向信息，判断人员处于无序运动、接近、远离运动状态；通过微多普勒信息，可以判断当前人体基本生理状态(平静、急促)；通过将两种参量进行综合判断，可以得到人体目标更准确的运动状态，从而辅助家居实施更智能化的环境感知及应用。具体见表2所示。通过运动信息目标获取运动速度及方向信息，运动信息包括速度、方向和强度，所述运动信息是通过公式(Ⅰ)计算得出。通过生理信息目标获取生理信息，生理信息为人体呼吸信息，其呼吸运动反映在雷达回波信号的表达式为公式(II)，从而得到呼吸信号频率与雷达回波信号频率调制频率一致。将实施例1提供的感知方法和实施例2提供的感知系统用于具体的室内进行人员及人员状态的感知，进一步说明本实施例的效果。图5为进行运动信息目标检测后输出波形图，其中图5(a)表示室内无运动目标时的频域范围(-1.6KHz～+1.6KHz)的最大值XFmax没有超过设定的所述阈值XTH为40，图5(b)当室内有人在轻微运动时输出波形，此时最大值XFmax超过所述阈值XTH为40，且根据公式(Ⅰ)可计算出运动速度、方向。对应频率值fd为58.6Hz，对应运动速度v为0.37m/s，运动方向为接近雷达方向。图6是经过数据累积并进行生理信息目标检测输出波形图，其中图6(a)为无人情况下在人体呼吸频率范围(0.2Hz～0.5Hz)内进行最大值YFmax搜索及判别的频域范围的波形中最大值YFmax没有超过设置所述阈值YTH为100；图6(b)为有人存在时其最大值YFmax超过设置所述阈值YTH为100，判断为有人存在。以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3