一种室内定位检测系统及方法与流程

1.本发明涉及微波雷达技术领域，更具体地说，涉及一种室内定位检测系统及方法。


背景技术：

2.目前的微波雷达系统在完全实时处理人体活动及生命体征信号方面仍存在一定的局限性，如何以较低的成本提供足够的距离探测和位移监测精度是微波雷达传感器面临的最大挑战。当前几种主流的雷达架构包括多普勒(干涉)雷达、脉冲无线电超宽带(ir-uwb)雷达、调频连续波(fmcw)雷达和步进调频连续波(sfcw)雷达。多普勒雷达基于单音连续波(cw)来获取相位历史。由于其测量精度高，在位移测量中得到了广泛的应用，但它们很难探测到距离信息。虽然多个多普勒雷达配合到达角(aoa)算法可以估计运动目标的位置，但单个多普勒雷达难以在空间上区分多个目标，这限制了传统室内多普勒雷达传感器主要应用于生命体征监测和手势识别。
3.被动式感知，又称无设备感知(device-freesensing),是一种无需感知对象的主动参与感知过程的感知形式，通常靠侦测目标对环境带来的影响来实现感知。在一般的室内定位检测系统一般会布置两种雷达，定位雷达和动作探测雷达，定位雷达的作用是确定人员的位置，生命探测雷达用于检测人员的动作，但是同时布置两种雷达的成本较高，并且由于是两个不同的雷达分别定位信息和动作信息输入服务器，因此定位信息和动作信息需要对应，不能直接将定位信息和生命体征信息结合在一起，浪费了计算资源。
4.而且定位不够准确，探测距离也达不到预期的要求。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种室内定位检测系统及方法。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种室内定位检测方法，其中，包括以下步骤：步骤1，生成混沌信号，并将所述混沌信号分为两路，一路为第一探测信号，另一路为第一参考信号，并发射第一探测信号；步骤2，接收由第一探测信号反射形成的第一回波信号，确定是否存在人体目标，若接收到经人体目标反射形成的第一回波信号，则执行步骤3；步骤3，将第一回波信号与第一参考信号做互相关运算，计算出探测信号经由目标反射的往返时间，确定与人体目标的距离，并执行步骤4；步骤4，生成本振信号，将所述本振信号分为两路，一路为第二探测信号，另一路为第二参考信号，对第一探测信号和第二探测信号进行混频得到混频信号，混频信号从发射模块发出，然后执行步骤5；步骤5，接收第二探测信号经人员目标反射形成的第二回波信号，获取反映第二参考信号与第二回波信号差异的幅值和相位信息，通过第二探测信号的幅值和相位变化信息
进行短时傅里叶变换，获得时频矩阵图；步骤6，对时频矩阵图进行滤波：给时频矩阵中每一列非零元素设置一个特定阈值，判断该列的非零元素是否小于对应特定阈值，若小于，则将该非零元素置为0，若不小于，则保留该非零元素，所述特定阈值由该列非零元素最大值和最小值之和sum与自适应因子μ相乘得到；步骤7，对时间频率矩阵图进行相应的特征提取，通过分类器实现人体动作识别，判定人体目标是否跌倒。
7.优选的，所述步骤6中的自适应因子μ的计算方法为：计算矩阵一列中非零元素的最大值m、最小值m，预设一个自适应因子μ和阈值t，其中μ=m/m，t=μ1*（m+m），设置μ的初始值为μ0，计算出对应的阈值t0，且μ0=m/m，根据阈值t0对该列非零元素进行过滤，过滤方式为，大于t0的非零元素保留，小于t0的非零元素视为0，再计算过滤后的该列非零元素之和s，将μ0步进0.01，得到μ1，计算出对应的阈值t1，根据阈值t1对该列非零元素进行过滤，在计算过滤后的该列非零元素之和s
temp
，计算s与s
temp
的差分是否达到最大，若未达到最大，则μ1步进0.01，重复前述步骤，若达到最大，则输出μ。
8.优选的，所述第一回波信号通过超宽带接收天线接收，所述第二回波信号固态微波传感器接收。
9.优选的，通过人体目标的速度和加速值判断人体目标是否跌倒，若人体目标的速度和加速度值超过预设阈值，则判断人体目标跌倒，若判定人体目标跌倒，则向用户发出报警信息。
10.本发明还提供了一种室内定位检测系统，用于实现前述的室内定位检测方法，其特征在于，包括总服务器，和与所述总服务器连接的检测雷达，所述总服务器获取设计图纸，所述设计图纸包括房屋室内功能区分布：所述检测雷达包括信号发生模块、发射模块、超宽带接收模块、回波信号处理模块和微波传感器；所述信号发生模块用于发出混沌信号或由混沌信号和本振信号混频而成的混频信号，混频信号被分成探测信号和参考信号两路信号，所述探测信号输入到发射模块，所述参考信号输入到回波信号处理模块；所述发射模块用于将探测信号发射出去；所述超宽带接收模块用于接收探测信号经人员目标反射形成的第一回波信号，并将第一回波信号输入到回波信号处理模块；所述微波传感器用于接收经探测信号人员目标反射形成的第二回波信号，并将第二回波信号输入到回波信号处理模块；所述回波信号处理模块用于通过第一回波信号获取探测信号的往返时间数据和方向数据，并将前述数据输入总服务器；还用于通过第二回波信号获取探测信号的幅值和相位变化数据，并将该数据输入总服务器；所述总服务器通过往返时间数据和方向数据确定人体目标的位置，并对位置数据进行记录，获取一段时间内的人员目标的位置变化，获得人体目标的活动状态；所述总服务器通过第二探测信号的幅值和相位变化信息进行傅里叶变换，获得人体动作信息。
11.优选的，所述信号发生模块包括第一信号发生单元、第二信号发生单元、混频单
元、第一信号分路单元和第二信号分路单元；所述第一信号发生单元用于产生混沌信号，经第一信号分路单元分为两路信号，一路作为第一探测信号输入到混频单元，另一路作为第一参考信号输入到回波信号处理模块；所述第二信号发生单元用于产生本振信号，经第二信号分路单元分为两路信号，一路作为第二探测信号输入到混频单元，另一路作为第二参考信号输入到回波信号处理模块；所述混频单元用于对第一探测信号和第二探测信号进行混频得到混频信号，并将混频信号输入到发射模块。
12.优选的，所述回波信号处理器用于将第一回波信号与第一参考信号做互相关运算，计算出探测信号经由目标反射的往返时间；还用于将第二参考信号对第二回波信号进行干涉，并对干涉后的信号进行检波，将检测到幅值和相位变化信息传输到总服务器。
13.优选的，还包括解调器、功率放大器和低噪声放大器，所述功率放大器用于对混频信号进行功率放大，所述混频信号经过所述发射模块发出；所述探测信号照射到人员目标，受到反射而返回形成回波信号，超宽带接收模块接收的第一回波信号经过低噪声放大器放大后输入解调器，经过解调器解调后输入回波信号处理模块。
14.优选的，所述总服务器还连接有用于识别人体生命特征的识别雷达，所述识别雷达发射识别信号，所述识别信号经人员目标反射形成第三回波信号，所述识别雷达接收第三回波信号，并通过对第三回波信号的短时傅里叶变换获取时间频率矩阵图，对时间频率矩阵图进行相应的特征提取，获取人员目标的呼吸和心跳信息。
15.本发明的有益效果在于：通过图纸将室内划分为多个区域，将检测雷达放置在客厅房屋中间位置，红外摄像头和拾音器可见光摄像头布置在其他功能区内，检测雷达基于混沌电路产生的超宽带混沌信号作为雷达探测信号，具有距离分辨率高(可达到厘米级)、抗干扰能力强和探测精度高等优点，可以实现穿墙探测，在整个房屋内只需要布置一个检测雷达，并且雷达集成了定位探测和动作探测两种功能，因此相对于其他养老院室内检测系统成本低，并且通过本发明的雷达首先进行位置检测，只有在检测到人员位于室内时才会启动动作功能，红外摄像头和拾音器处于常闭状态，只有在检测到人员位于某一监测区域内才会启动对应的红外摄像头和拾音器，通过红外摄像头、拾音器、检测雷达和识别雷达对老人进行不同方面的健康检测，包括呼吸、心跳、体温、咳嗽频率和是否跌倒，十分全面，可以最大程度上获得老人的实时身体状况，减少老人的亲人的照顾难度，同时本发明也可以应用在养老院，可以同时监测多名老人的身体健康，减少养老院成本，减小老人和护工发生冲突的可能。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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附图：图1是本发明较佳实施例的室内定位检测系统的结构框图；图2是本发明较佳实施例的室内定位检测方法自适应因子μ计算流程图。
17.具体实施方式
18.为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
19.本发明较佳实施例的室内定位检测系统如图1所示，包括总服务器，和与总服务器连接的检测雷达，总服务器获取设计图纸，设计图纸包括房屋室内功能区分布：检测雷达包括信号发生模块、发射模块、超宽带接收模块、回波信号处理模块和微波传感器；信号发生模块用于发出混沌信号或由混沌信号和本振信号混频而成的混频信号，混频信号被分成探测信号和参考信号两路信号，探测信号输入到发射模块，参考信号输入到回波信号处理模块；发射模块用于将探测信号发射出去；超宽带接收模块用于接收探测信号经人员目标反射形成的第一回波信号，并将第一回波信号输入到回波信号处理模块；微波传感器用于接收经探测信号人员目标反射形成的第二回波信号，并将第二回波信号输入到回波信号处理模块；回波信号处理模块用于通过第一回波信号获取探测信号的往返时间数据和方向数据，并将前述数据输入总服务器；还用于通过第二回波信号获取探测信号的幅值和相位变化数据，并将该数据输入总服务器；总服务器通过往返时间数据和方向数据确定人体目标的位置，并对位置数据进行记录，获取一段时间内的人员目标的位置变化，获得人体目标的活动状态；总服务器通过第二探测信号的幅值和相位变化信息进行傅里叶变换，获得人体的动作信息。
20.通过图纸将室内划分为多个区域，将检测雷达放置在客厅房屋中间位置，红外摄像头和拾音器可见光摄像头布置在其他功能区内，检测雷达基于混沌电路产生的超宽带混沌信号作为雷达探测信号，具有距离分辨率高(可达到厘米级)、抗干扰能力强和探测精度高等优点，可以实现穿墙探测，在整个房屋内只需要布置一个检测雷达，并且雷达集成了定位探测和生命体征探测两种功能，因此相对于其他养老院室内检测系统成本低，并且通过本发明的雷达首先进行位置检测，只有在检测到人员位于室内时才会启动动作检测功能，红外摄像头和拾音器处于常闭状态，只有在检测到人员位于某一监测区域内才会启动对应的红外摄像头和拾音器，通过红外摄像头、拾音器、检测雷达和识别雷达对老人进行不同方面的健康检测，包括呼吸、心跳、体温、咳嗽频率和是否跌倒，十分全面，可以最大程度上获得老人的实时身体状况，减少老人的亲人的照顾难度，同时本发明也可以应用在养老院，可以同时监测多名老人的身体健康，减少养老院成本，减小老人和护工发生冲突的可能。
21.如图1所示，信号发生模块包括第一信号发生单元、第二信号发生单元、混频单元、第一信号分路单元和第二信号分路单元；第一信号发生单元用于产生混沌信号，经第一信号分路单元分为两路信号，一路作为第一探测信号输入到混频单元，另一路作为第一参考信号输入到回波信号处理模块；第二信号发生单元用于产生本振信号，经第二信号分路单元分为两路信号，一路作为第二探测信号输入到混频单元，另一路作为第二参考信号输入到回波信号处理模块；混频单元用于对第一探测信号和第二探测信号进行混频得到混频信
号，并将混频信号输入到发射模块；所述接收模块接收人员目标反射形成第一回波信号，回波信号处理模块采集第一回波信号，并将第一回波信号与第一参考信号做互相关运算，计算出探测信号经由目标反射的往返时间，从而获得人体目标的距离信息；所述微波传感器接收人员目标反射形成第二回波信号，回波信号处理模块对第二回波信号进行采集和存储，获取反映第二参考信号与第二回波信号差异的幅值和相位信息，通过对幅值和相位信号进行傅里叶变换，可获得人体的动作信息。
22.如图1所示，回波信号处理器用于将第一回波信号与第一参考信号做互相关运算，计算出探测信号经由目标反射的往返时间；还用于将第二参考信号对第二回波信号进行干涉，并对干涉后的信号进行检波，将检测到幅值和相位变化信息传输到总服务器；鉴于混沌信号的低相关性和固态微波传感器的单频谐振性，两路通道的系统间基本不受影响，能够同时实现位置和动作的探测。
23.如图1所示，还包括解调器、功率放大器和低噪声放大器，功率放大器用于对混频信号进行功率放大，混频信号经过发射模块发出；探测信号照射到人员目标，受到反射而返回形成回波信号，超宽带接收模块接收的第一回波信号经过低噪声放大器放大后输入解调器，经过解调器解调后输入回波信号处理模块。
24.总服务器还连接有用于识别人体生命体征的识别雷达，识别雷达发射识别信号，识别信号经人员目标反射形成第三回波信号，识别雷达接收第三回波信号，并通过对第三回波信号的短时傅里叶变换获取时间频率矩阵图，对时间频率矩阵图进行相应的特征提取，最后通过分类器实现人体生命体征识别；通过采集处理雷达数据能够智能的判断出在检测范围内目标的生命体征，一旦发生呼吸心跳异常的情况，能及时将信息反馈给家人或护理人员，具有检测范围广、精度高、反应及时且检测方便的优点。
25.如图1所示，总服务器获取人员目标距离和方位信息，通过设计图纸并确定人员目标所处的检测区域；总服务器判定人员目标处于异常状态需要通知用户时，将人员目标所处的检测区域信息和人员目标的生命特征信息一并发出。
26.如图1所示，总服务器根据设计图纸划分多个监测区域，任一监测区域内设有均与总服务器连接的红外摄像头和拾音器，红外摄像头用于拍摄人体目标所在的监测区域的红外图像并传输至总服务器；拾音器，用于接收声音并测量声压，将声压的测量结果转化为语音信号并传输至总服务器；总服务器，用于将人体目标和红外图像进行处理，获得人体目标的体温信息；还用于对语音信号进行特征提取，获取人体目标的声音信息；将接收到的声音信号，转换为pcm格式的语音信号进行记录；所述声音识别器122对pcm格式的语音信号端点检测，剔除非咳嗽信号，其余的信号作为候选咳嗽信号，对候选的咳嗽信号按帧提取特征，将其转换为特征向量序列。
27.本发明还提供了一种室内定位检测方法，基于前述的室内定位检测系统，包括以下步骤：步骤1，生成混沌信号，并将所述混沌信号分为两路，一路为第一探测信号，另一路为第一参考信号，并发射第一探测信号；步骤2，接收由第一探测信号反射形成的第一回波信号，确定是否存在人体目标，若接收到经人体目标反射形成的第一回波信号，则执行步骤3；
步骤3，将第一回波信号与第一参考信号做互相关运算，计算出探测信号经由目标反射的往返时间，确定与人体目标的距离，并执行步骤4；步骤4，生成本振信号，将所述本振信号分为两路，一路为第二探测信号，另一路为第二参考信号，对第一探测信号和第二探测信号进行混频得到混频信号，混频信号从发射模块发出，然后执行步骤5；步骤5，接收第二探测信号经人员目标反射形成的第二回波信号，获取反映第二参考信号与第二回波信号差异的幅值和相位信息，通过第二探测信号的幅值和相位变化信息进行短时傅里叶变换，获得时频矩阵图；步骤5，对时频图进行滤波：给时频矩阵中每一列非零元素设置一个特定阈值，判断该列的非零元素是否小于对应特定阈值，若小于，则将该非零元素置为0，若不小于，则保留该非零元素，所述特定阈值由该列非零元素最大最小值之和sum与自适应因子μ相乘得到。
28.步骤6，对时间频率矩阵图进行相应的特征提取，通过分类器实现人体动作识别，判定人体目标是否跌倒。
29.作时间频率矩阵图反映的是频率随时间的变化，能够体现局部时间内的频率信息，特别是由人体动作产生的微多普勒频率。将人体动作时间频率矩阵图作为神经网络的输入，利用不同动作的微多普勒频率信息，可以有效实现对不同动作的分类。通过短时傅里叶变换得到的时间频率矩阵图中含有很多的噪声和背景杂波，模糊了能量微弱的微多普勒特征，会导致分类准确率较低。因此，在输入神经网络之前需要对时间频率矩阵图进行降噪处理，增强时间频率矩阵图中的人体动作微多普勒特征。传统的去噪方法主要包括硬阈值滤波、主成分分析等。这些方法在去除时间频率矩阵图噪声时具有一-定的局限性。硬阈值滤波通过设定一个阈值门限，将噪声和背景杂波去除，保留了动作的微多普勒特征。对于复杂穿墙环境下得到的时间频率矩阵图而言，其中的噪声和背景杂波能量各不相同，硬阈值滤波的效果较差。同时由于时间频率矩阵图中的能量成分不具有低秩稀疏性，因此主成分分析法的处理效果不佳。
30.如图2所示，本发明采用自适应阈值法进行滤波，具体滤波的方法为，是给时间频率矩阵中每一列非零元素设置一个合适的阈值，将小于阈值的非零元素置为0，同时保留其他非零元素，实现滤波目的。相比于传统的硬阈值滤波方法，自适应阈值滤波更加精准，具体方法为：计算矩阵一列中非零元素的最大值m、最小值m，预设一个自适应因子μ和阈值t，其中μ=m/m，t=μ1*（m+m），设置μ的初始值为μ0，计算出对应的阈值t0，且μ0=m/m，根据阈值t0对该列非零元素进行过滤，过滤方式为，大于t0的非零元素保留，小于t0的非零元素视为0，再计算过滤后的该列非零元素之和s，将μ0步进0.01，得到μ1，计算出对应的阈值t1，根据阈值t1对该列非零元素进行过滤，在计算过滤后的该列非零元素之和s
temp
，计算s与s
temp
的差分是否达到最大，若未达到最大，则μ1步进0.01，重复前述步骤，若达到最大，则输出μ和t。
31.此时可以对该列矩阵非零元素滤波，其表达式为：不同于硬阈值滤波，本发明的阈值滤波将时间频率矩阵图看作是一个由不同频率
成分组成的二维时频矩阵，并充分利用了矩阵中每一处的非零元素值信息。由于时间频率矩阵图中含有的频率成分较为复杂，设置单一全局阈值进行滤波并不合适。因此需要根据不同时刻下的频率成分，自适应地设置当前阈值，消除当前时刻下的噪声和背景杂波。通过为每一时刻下的频率成分自适应设置相应阈值，就可以实现全局滤波。滤波后的时间频率矩阵图中噪声和背景杂波得到有效抑制，人体动作微多普勒特征得以突显。
32.红外摄像头拍摄人体目标所在的监测区域的红外图像并传输至总服务器，拾音器接收声音并测量声压，将声压的测量结果转化为语音信号并传输至总服务器；总服务器将人体目标红外图像进行处理，获得人体目标的体温信息，同时对语音信号进行特征提取，获取人体目标的声音信息。
33.若总服务器判断人体目标的呼吸、心跳或体温信息是否处于异常状态，若判定人体目标呼吸、心跳或体温不正常，向用户发出报警信息；根据提取出的声音信号与预先存储在咳嗽声进行对比，若检测到人体目标发出咳嗽声持续时间或频率异常，则向用户发出报警信息；总服务器通过识别雷达实现人体动作识别，若判定人体目标跌倒，则向用户发出报警信息。
34.本发明方案在居家老人检测方面达到更精准的探测，该系统能够实现在居家时，一套雷达探测系统就可以探测到老人在全家各个房间的位置状态，不会被房间隔离墙阻挡减弱探测信号的影响，并自动识别人体活动状态，且探测的精度更高，实现较大的监控范围。
35.混沌信号的超宽带穿墙雷达的性能.对目标的成像显示采用混沌信号的超宽带雷达,具有良好的距离分辨率和旁瓣压缩能力混沌信号的带宽范围大，实现基于超宽带混沌信号的穿墙雷达检测系统，系统能够对建筑墙后人体实现厘米级分辨率的距离定位，同时获得人体的呼吸和心跳信息，能够准确探测人体运动及状态，并自动区分人体的不同活动状态。通过总服务器系统获取的房屋室内功能区分布，可以通过监控或者显示系统准确获取老人所在的房间和区域，对于大型养老系统或者医院的大范围老人状态监控效果更好。
36.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。