[发明专利]生命探测雷达中的呼吸与心跳信号的提取方法及装置

说明书

【技术领域】

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种生命探测雷达中的呼吸与心跳信号的提取方法及装置。

【背景技术】

穿墙生命探测雷达融合了雷达和生物医学工程技术，可穿透非金属介质(如砖墙、废墟等)，非接触式、远距离检测到人体的呼吸和心脏跳动等信息，广泛应用于震后救援、特殊病人监护以及反恐斗争等领域。

穿墙生命探测雷达的基本原理是：发射机通过振荡器产生连续波信号cos(2πf₀t)，由发射天线向目标辐射，连续波信号穿透非金属障碍物，遇到目标后返回。回波信号经过接收天线进入低噪声放大器，混频解调后再进行预处理，射频干扰和杂波干扰则被过滤掉，得到基带信号，基带信号经过数模转换后送入信号处理单元，信号处理单元提取出呼吸和心跳信号。如果目标是人体，则由人的呼吸和心跳共同引起的胸腔周期性的运动将导致回波信号产生一个相移，相当于对回波进行了调制。其中回波信号的表达式为：

R(t)＝cos[2πf₀t-4πd₀/λ-4πx(t)/λ+Φ(t-2d₀/c)]

其中，f0为载波频率，λ为载波波长，c为光速，φ(t)为发射机的相位噪声，d0为雷达-目标距离；x(t)＝Δ₁cos(ω₁t)+Δ₂cos(ω₂t)，代表胸腔运动，Δ₁Δ₂ω₁ω₂分别为呼吸和心跳信号的幅度与频率。经过混频解调，得到基带信号为：

B(t)＝cos[θ+4π[Δ₁cos(ω₁t)+Δ₂cos(ω₂t)]/λ+ΔΦ(t)]

式中θ是距离d₀产生的恒定相移，ΔΦ(t)是总的剩余相位噪声。基带信号携带呼吸和心跳信息。对B(t)进行贝塞尔展开，可知B(t)中包含m₁ω₁+m₂ω₂(m₁，m₂为任意整数)组成的谐波分量。经过进一步的滤波和信号处理便可以得到代表呼吸与心跳信息的ω₁、ω₂分量。

雷达接收机采集的人体回波复合信号具有非平稳特征，随机性强，复合信号中心跳信号收到了呼吸运动和体表微动回波信号的压制和干扰，使检测系统无法检测出规则的心跳信号，因此，必须才去有效的信号处理方法将呼吸和心跳信号分离，提取出比呼吸信号能力小得多的心跳信号。

目前的呼吸和心跳信号提取方法通常基于数字滤波技术或快速傅立叶变换(FFT)从频域上入手，因而呼吸信号谐波干扰和目标信号非平稳特性的影像未得到很好解决。通常需采用自适应处理的方法，将提取的呼吸信号作为参考输入，与同时携带呼吸、心跳频率成分的信号进行自适应处理，从而实现消除呼吸谐波干扰，检测出心跳波形的目的。但该方法的前提是必须对呼吸信号基频做精确估计，才能达到理想的结果。也有运用小波变换理论对检测信号进行分析，以求从混合信号中提取规律性较强的心跳信号，但如何选择恰当的小波基函数是难点，并且基函数选定后，不能随输入信号的变化而改变，不具备自适应性。

在实际应用中，呼吸与心跳信号究竟是以何种关系形成是我们选择信号处理关键所在。线性非时变系统比较容易分析，具有精确的数学解析表达式，同时还可以设计出各种线性非时变系统，用以实现各种信号处理功能。线性非时变系统满足叠加原理，在分离加法合成的信号时特别有用。对于占据不同频段的两个信号分量，可用一个线性滤波器在时域上实现分离。然而，雷达接收信号受系统非线性影像，会经常遇到不属于相加性组合的信号，若单处的依靠线性滤波来分离和处理这些信号分量，无法达到预期效果。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种更精确的生命探测雷达中的呼吸与心跳信号的提取方法。

一种生命探测雷达中的呼吸与心跳信号的提取方法，包括以下步骤：对雷达接收信号进行预处理；对预处理后的信号进行经验模态分解，得到有限个固有模态函数；对分解出的每个固有模态函数进行快速傅立叶变换；分别计算每个固有模态函数对应的总能量、呼吸频带能量和心跳频带能量；根据所述总能量与呼吸频带能量、心跳频带能量之间的比值关系选取对应的固有模态函数分别重构呼吸和心跳信号。

其中，所述对雷霆接收信号进行预处理的步骤为：对雷达接收信号低通滤波，滤除高频噪声。