[發明專利]基于分數階傅里葉變換和小波變換的多普勒心率估計方法

有效

• 申請號: 201910574142.1
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110269642B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 丁一鵬;余廈蒞;許雪梅
• 申請（專利權）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

本發明公開了一種基于分數階傅里葉變換和小波變換的多普勒心率估計方法，包括以下步驟：S1.對解調后的回波信號分別進行不同階數的分數階傅里葉變換，形成二維分數階平面；S2.根據呼吸信號、高階呼吸諧波的峰值在平面內的分布規律，依次識別和抑制呼吸信號、高階呼吸諧波，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，利用所得小波系數在時間軸上的累加得到小波頻譜圖，完成實時心率估計。本發明不僅可以保證多普勒生命體征檢測系統的非接觸和低廉和簡潔性和探測實時性，還可以抑制呼吸諧波干擾，此外心率估計精度高、實時性強，在基于多普勒雷達的非接觸式生命信號檢測領域中具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于非接觸式生命信號檢測技術領域，具體涉及一種基于分數階傅里葉變換和小波變換的多普勒心率估計方法。

背景技術

近年來，隨著雷達技術的快速發展，基于多普勒雷達的非接觸式生命信號檢測越來越廣泛地應用于醫療、安全監測、災難救援、家庭健康監護等領域。多普勒雷達可以通過相位調制效應檢測人體心肺運動引起的微運動，進而獲取心肺運動參數。其提供了一種非侵入式、便捷、適用性廣的生命信號檢測手段，為特殊場景下的生命信號檢測創造了可能。其中，心跳頻率可用于判斷有無生命體存在，且能反映人體是否產生病理變化，是最令人關注的生命信號之一。然而，將多普勒心率檢測應用到實際的過程中，仍存在許多問題需解決。首先，多普勒心率檢測對人體目標的運動十分敏感。由于目標運動幅度遠大于目標心肺運動引起的胸壁振動幅度，因此心率檢測會受到嚴重干擾。其次，呼吸信號的高階諧波也會對心率檢測產生干擾。由于正常的人體呼吸頻率范圍約0.13～0.4Hz，心跳頻率范圍約0.83～3.3Hz，因此呼吸信號的高階諧波會對心跳信號的提取產生干擾，當心跳信號與呼吸信號的高階諧波在頻域上接近或重疊時，可能會錯誤地將呼吸諧波選作心跳信號。最后，許多應用場景要求實時檢測心跳信號，這也是最重要的待解決問題之一。由于實時檢測要求至少每5秒檢測一次心率，這導致能利用的信息量較少，且短時間間隔下的頻率分辨率有限，嚴重影響了心率檢測精度。

為了克服上述困難，學者們針對多普勒心率檢測做了大量的研究。針對多普勒心率檢測中的零點檢測問題，有學者提出了一種復信號解調技術[1]，并基于這種復信號解調，提出了一種人體隨機運動抵消技術，以消除人體隨機運動對非接觸式生命體征檢測的嚴重影響，但該方法會產生諧波。隨后，有學者利用最小均方誤差代價函數的方法[2]，首先估計各個諧波的復系數，從包含心跳和呼吸諧波信號的混合信號中減去諧波信號，從而得到心跳信號，該方法適合靜止狀態下人體的呼吸和心跳信號分離。此外，有學者提出了一種變時窗技術[3]，能在短周期時窗內快速提取目標心率，該方法利用2～5秒范圍內的多個不同數據長度下的快速傅里葉變換來提高頻譜分辨率，提高了心率檢測的精確度，但在呼吸幅度較大時，心率檢測精度會下降。因此，迫切需要研究一種基于多普勒雷達的能抗呼吸諧波干擾的實時心率估計算法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能抑制呼吸諧波干擾、估計精度高、實時性強的基于分數階傅里葉變換和小波變換的多普勒心率估計方法。

為了達到上述目的，本發明提供以下技術方案：基于分數階傅里葉變換和小波變換的多普勒心率估計方法，包括以下步驟：

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

S2.根據呼吸信號、高階呼吸諧波的峰值在平面內的分布規律，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，利用所得小波系數在時間軸上的累加得到小波頻譜圖，并完成實時心率估計。

在一個具體實施方式中，步驟S1中，具體包括：

解調后的回波信號x(t)可表示為：