一种基于调频连续波毫米波雷达的睡眠监控方法、装置和雷达系统与流程

本发明涉及信息通信技术领域，尤其涉及一种基于调频连续波毫米波雷达的睡眠监控方法、装置和雷达系统。

背景技术：

随着生活节奏的加快，人们的生活压力越来越大，越来越多的人处于亚健康状态，失眠人群逐渐增多。同时，随着社会老龄化问题的日益凸显，越来越多空巢老人的健康问题，尤其是心脑血管等慢性疾病以及突发性疾病受到广泛关注。因此，如何在室内环境中对人体的呼吸、心跳等健康指标进行实时监测，如何确定人是否进入深度睡眠等情况，成为关注人体健康需要考虑的问题。目前，很多产品已经通过嵌入雷达的照明设备对室内人体的健康信息进行检测。一些现有的检测方法只是对雷达接收的回波信息进行简单判断。一些检测方法利用驻波形式提取检测信号，即要求收发信号的频率完全相同。一些检测方法在检波时需要使用两个固定距离的功率检波器。一些检测方法在检测微小位移时需要通过相角变化进行判断。

现有技术存在的问题是：

1、对雷达接收的回波信息进行简单判断，决策方法粗糙，对于人体呼吸以及心跳的检测精度较差。

2、利用驻波形式提取检测信号，即要求收发信号的频率完全相同，因此对于信号的频率稳定度要求较高。

3、检波时需要使用两个固定距离的功率检波器，既要求距离精度，又消耗更多资源。

4、在检测微小位移时需要通过相角变化进行判断，因此对相角测量精度要求较高。

技术实现要素：

本发明实施例提出的一种基于调频连续波毫米波雷达的睡眠监控方法、装置和雷达系统，具有实时检测功能，提高检测准确度。

第一方面，本发明实施例提供一种基于调频连续波毫米波雷达的睡眠监控方法，具体包括：

通过调频连续波毫米波雷达采集无人状态下目标空间的第一反射信号和在有人状态下目标空间的第二反射信号；

将第一反射信号和所述第二反射信号分别与本振信号进行混频以获取第一混频信号和第二混频信号；其中，本振信号为调频连续波毫米波雷达自产生的一个时刻与发射信号同频率的信号；

根据第一混频信号和第二混频信号，获取目标人物的呼吸频率、心跳频率和翻身信息。

进一步地，根据第一混频信号和第二混频信号，获取目标人物的呼吸频率和心跳频率的步骤包括：

从低通滤波器提取所述第一混频信号和第二混频信号的差频信号；

对目标空间的第一混频信号的差频信号做fft频谱分析，记录目标空间完整的频谱信息作为频谱初值sa1；

对目标空间的第二混频信号的差频信号做fft频谱分析，记录目标空间和目标人物完整的频谱信息作为频谱值sa2；

提取目标人物的频谱信息sa，记录频谱信息sa幅频特性的最大峰值频率f0，其中sa＝sa2–sa1；

将最大峰值频率f0处的幅频和相频信息进行快速傅立叶变换以获得幅度频谱sv，求出最大峰值频率f0对应距离处物体的速度信息，获得目标人物的呼吸速度谱线f1和心跳速度谱线f2；

记录目标人物两次出现呼吸速度谱线f1的开始时刻之间的时间间隔δt1，求出所述目标人物呼吸频率为1/δt1；

记录两次目标人物的心跳速度谱线f2的开始时刻之间的时间间隔δt2，求出目标人物心跳频率1/δt2。

更进一步地，呼吸速度谱线和心跳速度谱线均为所述幅度频谱sv的峰值谱线且f1<f2。

更进一步地，获取所述目标人物的翻身信息的步骤包括：

检测所述幅度频谱sv是否存在f1和f2之外的第三根峰值谱线f3；

若有，则判断是否满足f1<f2<f3；

若是，则判定目标人物出现翻身信息。

进一步地，将调频连续波毫米波雷达设置于室内空间的天花板上或高处墙壁上对室内空间的目标人物的睡眠进行监测。

进一步地，目标人物的呼吸频率或心跳频率处于预先设定的危险阈值时，生成报警消息；警报消息通过无线通讯被发送至调频连续波毫米波雷达关联的用户终端。

进一步地，当目标空间内存在两个目标人物时，判断调频连续波毫米波雷达与两个目标人物的距离差大于距离分辨率l；若是，获得两个目标人物对应的呼吸频率、心跳频率和翻身信息；其中，l＝c/2b。

第二方面，本发明实施例提供一种基于调频连续波毫米波雷达的睡眠监控装置，包括处理器，具体包括：

信号采集模块，用于通过调频连续波毫米波雷达采集无人状态下目标空间的第一反射信号和在有人状态下目标空间的第二反射信号。

混频信号模块，用于将所述第一反射信号和所述第二反射信号分别与本振信号进行混频以获取第一混频信号和第二混频信号；其中，本振信号为调频连续波毫米波雷达自产生的一个时刻与发射信号同频率的信号。

数据提取模块，根据所述第一混频信号和第二混频信号，获取所述目标人物的呼吸频率、心跳频率和翻身信息。

所述数据提取模块还用于：

从低通滤波器提取第一混频信号和第二混频信号的差频信号。

对目标空间的第一混频信号做fft频谱分析，记录目标空间完整的频谱信息作为频谱初值sa1。

对目标空间的第二混频信号做fft频谱分析，记录目标空间和目标人物完整的频谱信息作为频谱值sa2。

提取目标人物的频谱信息sa，记录频谱信息sa幅频特性的最大峰值频率f0，其中sa＝sa2–sa1。

将最大峰值频率f0处的幅频和相频信息进行快速傅立叶变换以获得幅度频谱sv，求出所述最大峰值频率f0对应距离处物体的速度信息，获得目标人物的呼吸速度谱线f1和心跳速度谱线f2；其中，呼吸速度谱线和心跳速度谱线均为幅度频谱sv的峰值谱线且f1<f2。

记录目标人物两次出现呼吸速度谱线f1的开始时刻之间的时间间隔δt1，求出目标人物呼吸频率为1/δt1。

记录两次所述目标人物的心跳速度谱线f2的开始时刻之间的时间间隔δt2，求出所述目标人物心跳频率1/δt2。

判断模块，用于检测幅度频谱sv是否存在f1和f2之外的第三根峰值谱线f3；

若有，则判断是否满足f1<f2<f3；

若是，则判定目标人物出现翻身信息。

监测模块，用于将调频连续波毫米波雷达设置于室内空间的天花板上或高处墙壁上，对室内空间的所述目标人物的睡眠进行监测。

警报生成与发送模块，目标人物的呼吸频率或心跳频率处于预先设定的危险阈值时，生成报警消息；警报消息通过无线通讯被发送至所述调频连续波毫米波雷达关联的用户终端。

第三方面，本发明实施例提供一种基于调频连续波毫米波雷达的睡眠监控系统，包括接收发天线、发射天线、外围电路、调频连续波毫米波雷达传感器、无线模块以及处理器，所述处理器执行如本发明实施例第一方面中所述的方法。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例提供的一种基于调频连续波毫米波雷达的睡眠监控方法及装置和雷达系统，通过对发射信号和接收信号混频的方式提取检测信号，电路设计简单、硬件消耗资源少、节省成本。

本发明的检测信号主要提取收发信号的频率差，不要求收发信号的频率完全一致，而且在判断人体的呼吸频率以及心跳时通过对多个扫频段进行快速傅立叶变换，从而提取速度峰值信息，因此对于信号的频率稳定度和相角精度有一定容忍度，而且测量精度高。

本发明可以同时检测两人及多人的呼吸频率、心跳频率以及翻身情况等信息，从而实现多人的睡眠监测。

本发明能够在检测人体呼吸频率、心跳，以及翻身的统计情况的基础上，结合不同应用场景，不同的健康指数标准，检测人体的慢性疾病、突发性疾病，以及突发性状况。从而通过扩展本发明方法可以实现多种不同功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种基于调频连续波毫米波雷达的监控睡眠方法的一个实施例的流程示意图。

图2是本发明提供数据获取方法的一个实施例的流程示意图。

图3是本发明提供的判断翻身信息的流程示意图。

图4是本发明提供的一种基于调频连续波毫米波雷达的监控睡眠装置的结构示意图。

图5为本发明提供的频谱图sv。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明第一实施例：

参见图1至图3，图1是本发明提供的一种基于调频连续波毫米波雷达的监控睡眠方法的一个实施例的流程示意图。图2是本发明提供数据获取方法的一个实施例的流程示意图。图3是本发明提供的判断翻身信息的流程示意图。本发明提供了一种基于调频连续波毫米波雷达的监控睡眠方法，可以通过该方法实现雷达监测模块，应用于各种常用的家居设备中，其应用环境可以是卧室、厨房、浴室等各种室内场景。在该方法的基础上，可以将呼吸频率、心跳等与人体的正常指标进行比较，从而实时检测人体的健康状况，同时还可以及时检测到人体发生突发性状况，比如窒息、心跳停止等，并通过无线模块或其他通信方法进行及时的报警处理。本发明实施例提供一种基于调频连续波毫米波雷达的监控睡眠方法，具体包括以下步骤：

s10，通过调频连续波毫米波雷达采集无人状态下目标空间的第一反射信号和在有人状态下目标空间的第二反射信号。

调频连续波毫米波雷达安装在调频连续波毫米波雷达设置于室内空间的天花板上或高处墙壁上，调频连续波毫米波雷达通过发射天线向外发射调频连续波这里称作发射信号，被发射至受测目标的电磁波经过无人状态下目标空间和有人状态下目标空间分别会产生反射信号，该两组反射信号通过调频连续波毫米波雷达的接收天线接收称为接收信号(或回波信号、反射信号)，从而进入与调频连续波毫米波雷达相连的后续信号处理电路。毫米波雷达使用毫米波(millimeterwave)通常毫米波是指30～300ghz频域(波长为1～10mm)的，毫米波是一种介于红外光波和微波频段之间的电磁波。

s20，将第一反射信号和第二反射信号分别与本振信号进行混频以获取第一混频信号和第二混频信号。

混频工作由电路的混频器完成，实际是一个信号的乘法器，即对混频器两个输入端的两路信号进行乘法操作，这两路信号分别是雷达接收到的反射信号，以及本振信号。其中，本振信号是指雷达电路自己产生的一个时刻与发射信号同频率的信号，由本地振荡器产生。

s30，根据第一混频信号和第二混频信号，获取目标人物的呼吸频率、心跳频率和翻身信息。

在本实施例中，通过调频连续波毫米波雷达在接收到第一反射信号和第二反射信号后，便可进行分析而至少得到目标人物的位置、移动速度以及频谱信息等信息，并且通过上述信息计算出目标人物的呼吸频率、心跳频率以及翻身信息对目标人物睡眠进行监测。更具体地，参考图2和图3，所述获取目标人物的呼吸频率、心跳频率和翻身步骤可以包括：

s31，从低通滤波器提取第一混频信号和第二混频信号的差频信号。

s32，对目标空间的第一混频信号做fft频谱分析，记录目标空间完整的频谱信息作为频谱初值sa1。

s33，对目标空间的第二混频信号做fft频谱分析，记录目标空间和目标人物完整的频谱信息作为频谱值sa2。

低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。

频谱分析，即把信号的时域信息通过频域特征进行观察分析，通常采用fft(fastfouriertransformation)也就是快速傅里叶变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的，fft运算公式如下：

其中，

如果用频谱图表示的话，其横坐标是频率值，纵坐标是不同频率点对应的幅度值，该幅度可以表征在此频率下信号的能量，这样就可以看到频谱图是不同的频率下具有不同的幅度，而在差频信号的幅度频谱上，其对应的幅度值应该高于其他频率点很多，其他频率点对应的幅度为周围环境的噪声信号，通过查找频谱中最大值的方式从而确定出此刻的时间和该频率。

s34，提取目标人物的频谱信息sa，记录频谱信息sa幅频特性的最大峰值频率f0，其中sa＝sa2–sa1。

s35，将最大峰值频率f0处的幅频和相频信息进行快速傅立叶变换以获得幅度频谱sv，求出所述最大峰值频率f0对应距离处物体的速度信息，获得目标人物的呼吸速度谱线f1和心跳速度谱线f2。

呼吸速度谱线和心跳速度谱线均为幅度频谱sv的峰值谱线且f1<f2。根据频谱图sv计算速度的公式为：其中，fd表示频谱中峰值谱线对应的频率，fc表示载波频率，c表示电磁波传播的速度。

s36，记录目标人物两次出现呼吸速度谱线f1的开始时刻之间的时间间隔δt1，求出目标人物呼吸频率为1/δt1。

s37，记录两次所述目标人物的心跳速度谱线f2的开始时刻之间的时间间隔δt2，求出所述目标人物心跳频率1/δt2。

a32,检测幅度频谱sv是否存在f1和f2之外的第三根峰值谱线f3；

a33,若有，则判断是否满足f1<f2<f3；

a34,若是，则判定目标人物出现翻身信息。

具体参考图5，横坐标表示频率，纵坐标表示幅度。

无论是呼吸谱线f1还是心跳谱线f2或者是翻身信息谱线f3都是会在频谱图附近出现尖峰，例如，图5所示35000对应的尖峰为f3,17000对应的尖峰为f2,15000对应的尖峰为f1。通过设定翻身信息谱线门限25000，然后根据超过门限的频谱的频率依次确定呼吸频谱、心跳频谱以及翻身信息谱线。

所述调频连续波毫米波雷达还能监测两个目标人物的呼吸频率、心跳频率和翻身信息。

当所述目标空间内存在两个目标人物时，判断所述调频连续波毫米波雷达与两个目标人物的距离差大于距离分辨率l；若是，获得所述两个目标人物对应的呼吸频率、心跳频率和翻身信息。

选择合适的安装位置(侧边墙壁高处或侧边天花板)，保证检测两个目标人物到调频连续波毫米波雷达的距离差大于一定值l(该值可以通过公式计算，l＝c/2b，其中c表示电磁波在真空中的传播速度，b表示发射信号的带宽，例如，24ghz的调频连续波雷达，当发射信号的带宽是250mhz时，l的值是60cm)，通过上述步骤，利用检测信号频谱的多个峰值信息实现多个目标人物检测。

本发明第二实施例：

在本发明第一实施例的基础上，本发明第二实施例可以在目标人物的呼吸频率或心跳频率处于预先设定的危险阈值时，通过网络连接通知与该调频连续波毫米波雷达相关联的用户终端，以便相关联的用户终端即时获知目标人物出现异常的情形，防止出现更为糟糕的后果。可以理解的是，该网络连接可以是有线网络连接，也可以是无线网络连接。在此不做限定。在某些情况下，也可以通过设置警报模块，以在判断被监控对象发生跌倒情形时，即时发出警报，例如蜂鸣等声音，提醒同屋内的人可以快速做出反应。

本发明实施例还可以根据获得的最大峰值频率f0，通过公式s＝c·f0·tw/2·bw计算得到人体相对于雷达的距离s，其中，c为电磁波在空气中的传播速度，bw为信号的扫频带宽，tw为信号的扫频时间。根据室内场景中床、浴缸等相对于雷达的距离与s进行比较可以得到目标人物是否处于异常位置，并结合目标人物的呼吸频率、心跳频率等信息判断人体是否处于摔倒或其他疾病突发情况，从而进行及时的报警处理。

本发明第三实施例：

在第一个实施例的基础上，参照图3，图3是本发明提供的一种基于调频连续波毫米波雷达的跌倒监测装置的结构示意图。本发明第三实施例提供一种基于调频连续波毫米波雷达的跌倒监测装置，包括处理器，所述处理器包括：

信号采集模块10，用于通过调频连续波毫米波雷达采集无人状态下目标空间的第一反射信号和在有人状态下目标空间的第二反射信号。

混频信号模块20，用于将所述第一反射信号和所述第二反射信号分别与本振信号进行混频以获取第一混频信号和第二混频信号；其中，本振信号为调频连续波毫米波雷达自产生的一个时刻与发射信号同频率的信号。

数据提取模块30，根据所述第一混频信号和第二混频信号，获取所述目标人物的呼吸频率、心跳频率和翻身信息。

所述数据提取模块还用于：

从低通滤波器提取第一混频信号和第二混频信号的差频信号。

对目标空间的第一混频信号做fft频谱分析，记录目标空间完整的频谱信息作为频谱初值sa1。

对目标空间的第二混频信号做fft频谱分析，记录目标空间和目标人物完整的频谱信息作为频谱值sa2。

提取目标人物的频谱信息sa，记录频谱信息sa幅频特性的最大峰值频率f0，其中sa＝sa2–sa1。

将最大峰值频率f0处的幅频和相频信息进行快速傅立叶变换以获得幅度频谱sv，求出所述最大峰值频率f0对应距离处物体的速度信息，获得目标人物的呼吸速度谱线f1和心跳速度谱线f2；其中，呼吸速度谱线和心跳速度谱线均为幅度频谱sv的峰值谱线且f1<f2。

记录目标人物两次出现呼吸速度谱线f1的开始时刻之间的时间间隔δt1，求出目标人物呼吸频率为1/δt1。

记录两次所述目标人物的心跳速度谱线f2的开始时刻之间的时间间隔δt2，求出所述目标人物心跳频率1/δt2。

判断模块40，用于检测幅度频谱sv是否存在f1和f2之外的第三根峰值谱线f3；

若有，则判断是否满足f1<f2<f3；

若是，则判定目标人物出现翻身信息。

监测模块50，用于将调频连续波毫米波雷达设置于室内空间的天花板上或侧边墙壁高处，对室内空间的所述目标人物的睡眠进行监测。

警报生成与发送模块60，目标人物的呼吸频率或心跳频率处于预先设定的危险阈值时，生成报警消息；警报消息通过无线通讯被发送至所述调频连续波毫米波雷达关联的用户终端。

成年人呼吸次数在每分钟16－20次，老年人通常呼吸频率超过24次/分，称为呼吸过速，而低于12次/分，就称为呼吸过缓，这都是异常的状态设定为危险阈值。

心跳是指正常人安静状态下每分钟心跳的次数，也叫安静心跳，一般为60～100次/分，超过120次/分，低于50次/分，这都是异常的状态设定为危险阈值。

无线通讯可例如通过互联网(包括云端服务)、蓝牙通信、近场通信(nearfliedcommunication，ffc)或者无线保真(wirelessfidelity，wifi)通信等方式无线连线于调频连续波毫米波雷达关联的用户终端，用户终端通过智能手机、个人数字助理(personaldigitalassistant，pad)、个人数字助理手机、平板计算机和pc机实施监测被监护对象情况。

本发明第四实施例提供一种基于调频连续波毫米波雷达的监测系统，包括接收发天线、发射天线、外围电路、调频连续波毫米波雷达传感器以及处理器，所述处理器执行如第一实施例或第二实施例中所述的方法，例如图1所示的步骤s10。

接收天线和发射天线就是用于发送电磁波和接收电磁波的天线，外围电路就是用于检测人体跌倒情况而在调频连续波毫米波雷达传感器外围所搭建的电路。

本实施例采用的调频连续波毫米波雷达传感器采用：调频连续波雷达传感器：将24ghz选为发射频率，利用发送与接收信号的频率差，通过公式计算出物体运动的速度。经过参考信号与回波信号的混频，通过对混频信号的二维fft的频谱分析，根据峰值谱线所在频率的正负，可识别物体的运动方向(远离或靠近)。fmcw雷达传感器：如果要测量一个参数【距离】，如静态物体到传感器的距离，那么选用线性升坡或降坡作为发射频率的时间相关函数就足够了，并定期重复这些坡，以期得到可能的平均值。根据延迟效应的计算公式可以得到物体的距离。

需说明的是，本实施例公开的处理器的各模块均可由硬件实现，处理器的示例可以是基于x86的处理器、精简指令集计算(risc)处理器、专用集成电路(asic)处理器、复合指令集计算(cisc)处理器、中央处理器(cpu)、显示并行指令计算(epic)处理器、超长指令字(vliw)处理器和/或电路的其他处理器，在此不再赘述。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。