一种基于脉冲相干雷达的心率检测方法及系统

本发明涉及心率监测，具体涉及一种基于脉冲相干雷达的心率检测方法及系统。

背景技术：

1、心率监测是评估人体健康状况和生理负荷的重要指标之一。在健康状况评估、运动和健身指导、睡眠质量评估情绪管理和疾病管理等领域都具有重要应用。通过实时监测心率，我们能够更好地了解自身的健康状况，并采取相应的措施来维护和改善健康。雷达心率监测技术的基本原理是利用雷达设备向目标人体发送无线电波，接收并分析其反射信号，从中提取出心率信息。基于雷达的心率监测技术是一种非接触式监测方式，无需直接接触人体，相较于传统心率监测方式(如心电图或光学传感器)具有更高的便捷性和舒适性，可以实现长时间的监测，并且不受环境光照和干扰的影响，具备较强的适应性。由于通过脉冲相干雷达获取的人体目标反射信号存在多种信号成分，除心跳信号外还包含呼吸信号和身体微动等信号，其中心跳信号相对于其他信号非常微弱，因此需要通过高灵敏度的信号处理算法才能提取出准确的心率信息。

2、传统的心跳信号提取算法有以下方法：经验模态分解、小波变换和变分模态分解。由于脉冲相干雷达在抗干扰能力上不如调频连续波雷达，因此，这些常用于调频连续波雷达的信号分离方法在脉冲相干雷达上的应用效果有待提升。以下为这些现有方法存在的问题：

3、(1)经验模态分解通过迭代地寻找雷达信号中的局部极值点，并根据这些极值点构造固有模态函数。将雷达采集到的包含心率信息的信号分解成一系列振动模态，并从分解的模态中选择与心率相关的模态来计算心率。通过经验模态分解或其改进形式来实现pcr雷达心跳信号的提取容易出现模态混叠，即分解出的各个模态中包含不属于本模态信号的情况。

4、(2)小波变换通过选择适当的小波基函数对雷达信号进行分析，可通过阈值处理或其他方法选择与心率相关的小波系数并计算心率。使用小波变换来实现pcr雷达心跳信号提取的方法其性能依赖基函数的选择，自适应性较差，并且在时间和频率上的分辨率表现不佳。

5、(3)变分模态分解通过迭代来寻找雷达信号的调频模态，并在每次迭代中优化模态函数和频率估计，最后从分解到的调频模态中选择与心率相关的模态进行心率计算。相对于上述两种方法，该方法用于提取pcr雷达心跳信号，在性能上具有一定优势。然而，变分模态分解参数的选择对分解结果的准确性和稳定性有显著的影响，因此需要设计一种参数优化方法来提高分解的效果和鲁棒性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于脉冲相干雷达的心率检测方法及系统，该方法及系统有利于提高心率检测的准确度和稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于脉冲相干雷达的心率检测方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、通过脉冲相干雷达采集包含心率信息的胸腔起伏信号；

4、步骤s2、采用非线性插值对获得的胸腔起伏信号进行信号增强；

5、步骤s3、采用变分模态分解法对增强的胸腔起伏信号进行分离，提取心跳信息，求出心率；变分模态分解的参数设置采用优化算法自动获取。

6、进一步地，通过脉冲相干雷达采集胸腔起伏信号的具体方法为：

7、首先，利用脉冲相干雷达向目标人体发送无线电波，接收其反射信号并提取接收信号的相位信息；脉冲相干雷达发射一个脉冲所对应的接收信号表示如下：

8、

9、其中，p(t)为发射脉冲的包络，fc为发射脉冲的载波频率，ai和τi分别为经过目标反射后的接收脉冲信号的幅度和时延，i是接收到的反射脉冲的序号，l是经过静态消除后，接收信号所包含的反射目标数量；

10、测试目标与雷达的距离通过电磁波在空中传播的时间τi来确定：

11、

12、其中，c为电磁波在真空中传播的速度，即光速；εr为传播介质的相对介电常数；

13、当采用脉冲相干雷达采集待测目标的心率信息时，接收信号包含待测目标以及静态物体反射；通过静态消除，获取待测目标的活动信息，包括身体微动、胸腔振动以及腹部振动；在这些信号中，胸腔起伏所产生的反射强度较大，因此可提取反射信号中幅度最大的脉冲作为胸腔反射信号：

14、

15、式中，max(*)表示提取幅度最大的脉冲反射信号，aimax为反射信号中幅度最大的脉冲，τimax为反射信号中幅度最大的脉冲产生的时延；

16、为了获取胸腔的起伏信息，通过发射多个连续的脉冲实时检测待测目标胸腔与雷达的距离变化情况，考虑到胸腔起伏的幅度很小，通过检测胸腔反射信号x(t)的相位变化，提取τimax从而获取胸腔的起伏信息；脉冲相干雷达采集的胸腔起伏信号表示为：

17、

18、式中，y(t)为提取的最大相移信号，phase(*)表示的是取*的相位，n为脉冲相干雷达发射的连续脉冲数量，ts为连续脉冲的重复周期。

19、进一步地，采用非线性插值对胸腔起伏信号进行信号增强的具体方法为：

20、脉冲相干雷达采集的胸腔起伏信号y(t)为以ts为周期的离散信号，使用非线性插值的方法对提取的信号进行增强处理；该方法根据原始信号y(t)重构出各离散数值之间的插值函数sn(t)，再由这些插值函数重构出胸腔起伏信号s(t)；

21、

22、插值函数sn(t)需要满足以下条件：

23、sn(nts)＝y(nts),n∈[0,n-1]

24、sn((n+1)ts)＝y((n+1)ts),n∈[0,n-1]

25、s′n-1(nts)＝s′n(nts),n∈[1,n]

26、s″n-1(nts)＝s″n(nts),n∈[1,n]

27、s″′0(0)＝s″′1(ts),s″′n-2((n-1)ts)＝s″′n-1(nts)。

28、进一步地，经过增强后的胸腔起伏信号s(t)包含由呼吸、心跳以及其他因素引起的胸腔运动；为了更好地提取心跳信息，采用变分模态分解法对增强的胸腔起伏信号进行分离，其具体方法为：

29、将s(t)表示为：

30、s(t)＝sh(t)+sr(t)+snoise(t)

31、其中，sh(t)为心跳引起的相位变化，sr(t)为呼吸引起的相位变化，snoise(t)为噪声导致的相位变化；

32、使用k个窄带信号{mk}＝{m1(k),…,mk(t)}来重建胸腔振动信号，同时通过设计合适的约束条件来控制信号重建的准确性；构建如下的优化问题：

33、

34、

35、上式这个具有约束条件的优化问题的求解可进一步转换成以下的无约束优化问题的求解：

36、

37、其中，第一项评估与目标函数相关的窄带信号的带宽，第二项为重构约束条件，是为了评估重构信号与原始信号的相似程度，第三项将约束条件与目标函数结合在一起；{mk}＝{m1(k),…,mk(t)}，mk(t)为从原始信号分离出的窄带信号，其对应的中心频率{ωk}＝{ω1,…,ωk}，k为窄带信号的总数量，λ(t)为拉格朗日乘子，α为二次惩罚因子，δ(t)为狄拉克函数；

38、当参数k和α确定后，利用交替方向乘子迭代算法对上式进行求解，得到各个窄带信号以及对应的中心频率；经过交替寻优迭代后的mk、ωk和λ的表达式如下：

39、

40、

41、λn+1(ω)＝λn(ω)+γ(s(ω)-∑kmk(ω))

42、其中，mk(ω)、s(ω)和λ(ω)分别对应mk(t)、s(t)和λ(t)的傅里叶变换，γ为噪声容忍度，可根据信号分解的保真度要求进行设置；

43、参数k和α通过优化算法实现自动求解；构建以下优化问题确定：

44、v＝[k,α],

45、

46、

47、αk(j)＝h{mk(t)},

48、

49、其中，v为待求解的参数集合，k为待求解分解模态数量，mk(ω)是mk(t)的频域表达式，ak(j)是信号mk(t)经希尔伯特变换解调之后得到的包络信号；pk是通过计算αk的归一化形式得到的概率分布序列，j为mk(t)离散化的采样总点数；

50、采用改进的鲸鱼优化算法求解上述优化问题，通过优化搜索得到最佳的参数；首先，生成参数k和α的初始集合v，初始集合中的参数k和α通过以下方法进行初始化：

51、

52、

53、其中，k'i和α'i为经过伪随机器生成的初次参数，lk、uk、lα和uα分别为ki和αi设定的下界和上界，rand(0,1)为在0-1之间的随机数；

54、接着，通过迭代处理对生成的参数集合v进行更新，根据当前时刻的最优参数或随机参数对v进行更新，具体使用的更新测量表示如下：

55、

56、其中，(t1)和vi(t1+1)分别是参数集合v中第i个元素在t1和t1+1次迭代的参数，v*(t1)为第t1次迭代时参数集合v中最优秀的参数元素，vrand(t1)为第t1次迭代时参数集合v中随机的参数，r1和p是0-1的随机数，a是控制搜索的系数，具体的数学表达式如下：

57、a＝2c·r1-c

58、

59、其中，c为参数择优算法的收敛因子，r1为0-1的随机数；

60、为了防止参数在择优上陷入僵局，对参数集合v进行随机的位置更新；随机位置更新的模型如下：

61、v′i(t1+1)＝l+u-vrand(t1)

62、其中，l＝(lk,lα),u＝(uk,uα)分别为参数元素的下限和上限；通过比对随机位置更新前后的平均包络熵，选择更优秀的一方作为参数集合v(t1+1)中的元素。

63、进一步地，经过心跳信号分离处理后，根据人体心率的合理范围，选取相应的mk和ωk，即可求得到心率。

64、本发明还提供了一种基于脉冲相干雷达的心率检测系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法。

65、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种基于脉冲相干雷达的心率检测方法及系统，该方法及系统基于非线性插值进行信号增强，并通过基于改进的鲸鱼优化算法的变分模态分解法进行心跳信号分离处理，实现了利用脉冲相干雷达进行准确的心率检测，解决了现有方法使用脉冲相干雷达采集心率所面临的准确度低和稳定性差的问题，可用于设计基于脉冲相干雷达的实时非接触式心率监测设备。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。