[發明專利]基于毫米波的火場內人員定位與生命體征檢測裝置及方法

在審

• 申請號: 202011635182.1
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112698294A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 韓煒杰;岳克強;李文鈞;孫潔
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41;G01S13/32;G01S13/58;G01S13/62;G01V8/10
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 楊小凡

1.基于毫米波的火場內人員定位與生命體征檢測方法，其特征在于包括如下步驟：

S1，中央控制與處理模塊發出波形產生指令，控制DAC模塊發出連續調頻波；

S2，毫米波模塊從DAC模塊得到模擬信號，發射連續調頻波，接收回波信號后與發射信號進行混頻濾波處理，輸出放大后的差拍信號，即中頻信號；毫米波模塊發射線性調頻連續波，即TX信號，調頻脈沖帶寬為B，單個線性調制脈沖信號周期為T_C，接收反射波，即RX信號，由混頻器輸出中頻信號；

S4，中央控制與處理模塊通過中頻信號處理模塊對數據進行處理，得到人員定位與生命體征信息；包括如下步驟：

S41，檢測目標距離，RX信號作為TX信號時移之后的信號，s_τ是TX-chirp和RX-chirp的頻率之差，BW為調頻帶寬，τ為雷達到目標的往返時間，S為chirp相差的斜率，采用以下公式進行測距：

其中，d為檢測對象離波源的距離，對反射波進行FFT，在頻域譜中考察其相位，進而分析目標檢測物，需滿足如下關系：

頻域譜中對于不同距離的反射波形成多信號疊加的中頻信號，會產生多個峰值；

峰值對應的ω與物理離波源的距離成正比，根據檢測距離選取合適的范圍的ω，其與τ的對應關系如下：

ω＝Sτ

再由可估算出目標離波源的距離，得到可能為火場內人員的目標單位；

S42，檢測目標加速度，目標加速度檢測利用中頻信號的頻域譜進行解算，利用兩個相鄰的T_C的相位差求出在T_C內的目標移動的距離，計算方法如下：

ΔΦ為兩個相鄰的T_C之間的相位差，f_C為毫米波頻率，Δτ為兩次T_C中中頻信號相對的時間差，λ為毫米波波長，Δd為T_C內目標移動的距離；

初相位在頻域譜為峰值對應的ω，故可估計檢測目標的速度：

對中頻信號進行2D-FFT，即二維傅里葉變換：

定義n個周期T_C為一幀，即：

T_f＝nT_C

取該幀中各周期T_C的頻域譜中峰值對應的ω進行doppler-FFT，即多普勒-快速傅里葉變換，得到：

加速度根據相鄰幀之間的速度差/時間差求得：

下標n表示為不同物體的對應數據；a表示加速度；為速度差；ω表示doppler-FFT變換后峰值對應的相位；

S43，檢測目標到達角，采用一發多收的工作模式，目標到每個天線的差距離導致2D-FFT峰值的相位變化，利用該峰值來估計到達角，到達角計算：

d為2個RX天線之間的距離，d sin(θ)為2個RX天線接收的反射波的波程差，λ為波長，有如下約束：

采用與加速度檢測算法中類似算法，增加RX天線為N根，獲取N個相位構成的相位序列，在對相位序列進行2D-FFT，稱為angle-FFT，即角度-傅里葉變換，至此，頻域譜中出現n個峰值，n為大于0的整數，分別對應ω_n，有：

RX天線間隔越大，RX天線根數越多，角度分辨率越大，由上式可知最大角分辨率：

令θ＝0，即有：

其中，θres為最大角分辨率，在使用時，第1個RX天線與檢測目標在統一直線上，相同的角度差，當有一個為直射時，即θ＝0時，相位譜相差最大，即：

θ＝0＝＞cos(θ)_max

由最大角分辨率公式可知，此時Δω最大；

S44，生命體征檢測，毫米波雷達到達胸腔后產生調制后的回波，經混頻放大后得到與目標呼吸和心跳有關的中頻信號，對信號進行建模，分析中頻信號，從中頻信號中提取生命信號，采用的胸腔位移表達式如下：

R(t)＝αsin(2πf_rt)+βsin(2πf_ht)

其中，α、β表示人體呼吸、心跳分別造成的最大相對位移，f_r、f_t為呼吸頻率和心跳頻率；

S5，檢測到信息后，將現場數據傳回本地終端。