[發(fā)明專利]基于分數(shù)階傅里葉變換和小波變換的多普勒心率估計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910574142.1
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110269642B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設計）人: 丁一鵬;余廈蒞;許雪梅
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學
• 主分類號: A61B8/02
• 分類號: A61B8/02
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 何方

1.一種基于分數(shù)階傅里葉變換和小波變換的多普勒心率估計方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1.對解調(diào)后的回波信號分別進行不同階數(shù)的分數(shù)階傅里葉變換，形成二維分數(shù)階平面；

S2.根據(jù)呼吸信號、高階呼吸諧波的峰值在平面內(nèi)的分布規(guī)律，依次識別呼吸信號、高階呼吸諧波，然后對呼吸信號、高階呼吸諧波進行抑制，并完成心跳信號的提取；

S3.基于小波變換的實時心率估計算法，對提取的心跳信號進行小波變換，利用所得小波系數(shù)在時間軸上的累加得到小波頻譜圖，并完成實時心率估計；

步驟S1中，具體包括：

解調(diào)后的回波信號x(t)可表示為：

式(1)中，j為虛數(shù)單位，λ為雷達發(fā)射信號的波長，為初始相位，w(t)為人體目標的胸壁運動，可以表示為：

式(2)中，m_h、ω_h、m_r、ω_r、分別為心跳和呼吸引起的胸壁運動的振幅、頻率、初始相位；

信號x(t)的p階分數(shù)階傅里葉變換可表示為：

其中，核函數(shù)可表示為：

式(4)中，α＝pπ/2，δ為沖激函數(shù)；

分別計算不同階數(shù)的分數(shù)階傅里葉變換，形成二維分數(shù)階平面(p,u)；

步驟S2中，具體包括：

所述呼吸信號、高階呼吸諧波的識別算法為：

由于心跳信號和呼吸信號的頻率是變化的，而高階呼吸諧波的頻率變化率的增長與呼吸信號的頻率變化率的增長相比，高階呼吸諧波的頻率變化率的增長是呼吸信號的頻率變化率的增長的倍數(shù)，因此心跳信號和呼吸信號在二維分數(shù)階平面上是分離的；

令心跳信號和呼吸信號在二維分數(shù)階平面上的峰值點分別為(p_h,u_h)和(p_i,u_i)，其中i為呼吸諧波的階數(shù)，p_i滿足以下關系：

∵

∴

其中，△f_i為i階呼吸諧波的頻率變化量，f_s為采樣頻率，u_i滿足以下關系：

∵

∴

其中，f_i為呼吸諧波信號的頻率，△t為信號長度，綜上，(p_i,u_i)在二維分數(shù)階平面上，以(1,0)為原點，近似地呈等比線性分布，在處理實測信號時，由于頻譜分辨率和噪聲干擾的影響，(p_i,u_i)的位置會有所偏移，因此(p_i,u_i)的位置由如下步驟確定：

(1)選取整個二維分數(shù)階平面的峰值點作為呼吸信號峰值點(p₁,u₁)；

(2)選取最接近點(2p₁,2u₁)的峰值點作為二階呼吸諧波峰值點(p₂,u₂)；

(3)當i2時，由以下公式計算出(p_i,u_i)的理論位置(p′_i,u′_i)：

u′_i＝2u_i-1-u_i-2

(4)選取最接近點(p′_i,u′_i)的峰值點作為i階呼吸諧波峰值點(p_i,u_i)；

所述呼吸信號、高階呼吸諧波的抑制算法為：

當同時提取多個信號分量時，強信號分量的能量泄漏會干擾弱信號分量的參數(shù)估計，為了提高算法的性能，結(jié)合CLEAN算法對呼吸信號及其高階呼吸諧波的抑制算法進行了改進：在p_i階分數(shù)階傅里葉變換域中，完成對i階呼吸諧波的抑制后，根據(jù)CLEAN算法，重新更正i-1階呼吸諧波和i階呼吸諧波峰值點位置。