[發明專利]一種基于VMD的FMCW雷達生命信號檢測方法

在審

• 申請號: 202110441524.4
• 申請日: 2021-04-23
• 公開（公告）號: CN113116320A
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 吳旭;盧宇逍;肖鎮江;李連鳴
• 申請（專利權）人: 東南大學;網絡通信與安全紫金山實驗室
• 主分類號: A61B5/0205
• 分類號: A61B5/0205
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 任志艷

本發明提出了一種基于VMD的FMCW雷達生命信號檢測方法。首先，利用FMCW雷達采集原始數據，根據預處理后的信號每個調頻周期內的中頻相位獲取體表微動信息重建生命信號；其次，對提取的生命信號進行VMD分解，分解得到一系列本征模態分量；最后，對各模態分量進行頻譜分析，根據頻率和能量關系得到分離后的呼吸和心跳信號。本發明將VMD引入FMCW雷達信號處理算法，能抵抗噪聲干擾，提高算法的魯棒性和實時性。

技術領域

本發明涉及雷達信號處理領域，更具體而言，為一種基于VMD的FMCW雷達生命信號檢測方法。

背景技術

呼吸，心跳等生理參數是人體生命健康狀況的重要判據，故而對呼吸心跳參數的檢測在生物醫學領域具有重要意義。傳統的接觸式檢測方法由于需要借助電極等媒介接觸體表存在局限性和不便利性，而非傳統的基于光學、熱學的非接觸方式易受環境因素影響。相比之下，基于雷達的非接觸式檢測方法不易受環境因素的影響，應用范圍更廣。目前生命信號檢測領域常用的雷達有兩種，分別是連續波雷達和超寬帶雷達。其中超寬帶雷達雖然距離分辨率高，但其硬件結構復雜，設備體積大造價昂貴，而連續波體制基礎上的調頻連續波雷達(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)結構簡單、成本低、功耗低，且兼具超寬帶雷達高距離分辨率和連續波雷達高速度分辨率的檢測優勢，可檢測出毫米級微動信號，適用于生命信號(呼吸及心跳信號)的檢測，兼具穩定性和精確性。因此，基于FMCW的生命信號檢測在醫療護理、健康監測、目標搜尋等領域具有較大的應用價值。

FMCW雷達通過對人體體表微動的檢測提取生命信號。而該生命信號接近零頻，較為微弱，且在實際檢測中，易受噪聲影響。為了精確檢測生命信號，并分離呼吸信號和心跳信號，要求使用高精度的信號處理方法實現。而傳統的信號處理方法在生命信號檢測中適用性有限：由于心跳和呼吸信號頻率范圍接近，采用離散傅里葉變換(DFT)無法達到要求的分辨率；數字濾波器只能抑制固定頻帶的噪聲，因此僅僅使用濾波的方法去噪效果不佳；而一般的時頻分析方法如短時傅里葉變換(STFT)法仍是以傅里葉變換為基礎的全局性分析，且對多頻率分量的信號分辨力有限；小波變換則面臨基函數的選擇問題，自適應性較差；而經驗模態分解(EMD)作為一種自適應的時頻分析方法，具有自適應濾波特性，在工程中已得到廣泛應用，但經驗模態分解及其衍生算法對噪聲抗性較差，依賴數字濾波器的前置處理，且算法的遞歸結構導致其復雜度高，不利于實時實現。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種基于VMD的FMCW雷達生命信號檢測方法，具有精度高，抗噪聲干擾能力強的優勢。

本發明的一種基于VMD的FMCW雷達生命信號檢測方法，所述生命信號是指代表呼吸和心跳的合成信號，VMD是指變分模態分解Variational mode decomposition，本發明的具體步驟如下：

步驟1，FMCW雷達采集原始數據，FMCW雷達發射信號S_Tx和回波信號S_R混頻后，得到中頻信號。

步驟2，根據中頻信號的相位提取體表微動位移信息，重建生命信號；

步驟3，采用VMD對步驟2中得到的生命信號進行處理，分離出預設數量為K的IMF分量(內涵模態分量Intrinsic Mode Functions)和一個殘差。

步驟4，對步驟3所得的各個模態分量的波形圖進行頻譜分析，得到呼吸心跳時域和頻域特征。

有益效果：本發明提出了一種基于變分模態分解的FMCW雷達生命信號檢測方法，能夠高精度地分離并檢測人體的呼吸和心跳信號，抵抗噪聲干擾，提高算法的魯棒性，同時VMD的非遞歸性有效減小了計算量，便于系統的實時實現。

附圖說明

圖1是基于變分模態分解的FMCW雷達生命信號檢測方法的系統框圖