基于短時傅里葉變換的隔墻人體運動檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種隔墻人體運動檢測方法，更具體地說是一種基于短時傅里葉變換的隔墻人體運動檢測方法。
【背景技術】
[0002]—般視距內的人體檢測，可以使用諸如紅外、攝像機等光電設備來進行檢測。這些技術常見于藝術館和銀行的入侵檢測中。但是這些技術有很大的局限性，無法勝任對于石木質、混凝土等非透明介質墻體(或遮蔽物)后方物體的檢測，所以采用的檢測技術需具有透視效果。目前具有透視效果的檢測技術常見有基于X射線和超聲波回波等方式，可是這幾種透視技術都不能很好地適應目前對于穿墻人體檢測的需求。X射線屬于高能量射線，雖然能夠穿透墻體，但是對人體有很大的傷害;而超聲波回波對分層的介質有比較大的衰減。綜上所述，采用對墻體有良好穿透性、對人體傷害可以忽略不計的特定頻率電磁波作為隔墻人體運動檢測的發射信號具有很好的可行性。電磁波作為發射信號，可穿透木門、混凝土墻等非金屬介質，實現對墻后運動目標的探測。
[0003]在防暴和緊急救援等特殊行動中，能否有效探測出房間內或墻壁后的人體運動信息將對作戰和救援產生重大的影響，可以大幅度地減少傷亡人數。因此，能夠對墻壁、木門等非金屬、透明介質后方物體的檢測技術受到了越來越多的關注。
[0004]傳統的穿墻超寬帶雷達雖然能夠實現隔墻人體運動的檢測，但是其占用大量的帶寬，發射功率大，且有非常大的天線陣列。而占用帶寬小，發射功率低、體積較小的無線通信設備來實現隔墻人體運動檢測具有非常大的挑戰性，要在強噪聲下實現弱目標的檢測。目前關于這種便攜式設備實現的隔墻人體運動檢測方法的技術有待深入研究與探討。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種基于短時傅里葉變換的隔墻人體運動檢測方法，能夠有效地提尚檢測準確性。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種基于短時傅里葉變換的隔墻人體運動檢測方法，該方法包括以下步驟:
[0007]步驟I，在墻的一側布置第一發射機、第二發射機和接收機;首先第一發射機發送原始信號，接收機接收信號后，第二發射機發送同樣的原始信號，接收機接收信號;然后通過兩次接收的信號計算第二發射機的預編碼信號；最后兩臺發射機同時發射信號，第一發射機發送原始信號，第二發射機發送預編碼信號；
[0008]步驟2，接收機接收到兩臺發射機同時發送的疊加后的信號，并對接收到的信號按時間進行均勻分割；
[0009]步驟3，對步驟2分割的每段信號進行短時傅里葉變換，得到一個短時傅里葉變換矩陣AmXn，m代表傅里葉變換(FFT)的頻率點個數，η是根據窗函數大小以及重疊數計算得到的每段信號的時間點個數，矩陣中的元素Alj表示在i頻率，j時間點的短時傅里葉變換值；
[0010]步驟4，對步驟3得到的短時傅里葉變換矩陣Amxn進行方差統計，即計算每個時間點上所有頻率點對應的短時傅里葉變換值的方差最終得到這段信號所有時間點上的方差向量VlXn;
[001 1 ] 步驟5，計算方差向量VlXn的極差值Vrange，即Vrange = Vmax-Vmin，Vmax為方差向量VlXn中的最大值，Vmin為方差向量V1Xn中的最小值；
[0012]步驟6，分別根據步驟1-5計算隔墻有人運動時的極差值^range和隔墻無人運動時的極差值V^ange ；重復多次確定檢測判斷閾值σ，O滿足V" range〈0〈V range ；
[0013]步驟7，在進行隔墻人體運動檢測時，根據步驟1-5計算一段信號的極差值Vrange，并與步驟6得到的閾值σ比較，如果Vrange>o，則檢測為該段信號上隔墻有人體在運動;反之則為該段信號上隔墻無人運動;對步驟2分割的每段信號重復該步驟，從而給出隔墻人體運動的時刻以及運動的劇烈程度。
[0014]優選地，所述第一發射機、第二發射機和接收機在同一水平面上等距排列，且與墻面距離相等。
[0015]本發明提出的基于短時傅里葉變換的隔墻人體運動檢測方法，可自主適應不同的環境，檢測準確性高、誤判率低。與現有技術相比，本發明具有如下優勢:
[0016]1.采用短時傅里葉變換進行信號處理，相比傳統的時域分析，檢測的準確率更高，誤判率更低，同時檢測靈敏度也更高；
[0017]2.可以實現實時檢測，根據接收到的信號進行相應的信號處理，并實時給出檢測的結果；
[0018]3.可以適應不同的環境以及不同的人體運動模式，而不用事先針對環境以及運動模式的改變而進行相應的改變；
[0019]4.檢測盲區小，在有效的檢測區域都可以實現檢測。
【附圖說明】
[0020]圖1是發射機和接收機的流程圖；
[0021 ]圖2是基于短時傅里葉變換的信號處理流程圖；
[0022]圖3是隔墻靜止的方差圖；
[0023]圖4是隔墻人體運動的方差圖。
【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0025]本發明給出了一種基于短時傅里葉變換的隔墻人體運動檢測方法，信號的發送和接收過程如圖1所示，所用到的是兩臺發射機和一臺接收機。首先，第一發射機發送信號，接收機接收到信號;其次第二發射機發送與第一發射機同樣的信號，接收機接收到信號;然后根據兩次接收到的信號，計算出預編碼后的信號;最后讓兩臺發射機同時發送信號，接收機接收信號。這里第一發射機還是發送原來的信號，而第二發射機則是發送剛剛計算出來的預編碼后的信號。
[0026]在上述信號發送與接收的基礎上，本發明所述的檢測方法，如圖2所示，包括以下步驟:
[0027]步驟I，首先讓接收機和兩臺發射機放在墻的一側運行一段時間，接收機將接收到來自墻后以及墻這邊的多種反射信號疊加的信號；
[0028]步驟2，對接收到的信號按時間進行均勻分割，將其分割成一段段的小信號，這里具體分割成Is的信號數據；
[0029]步驟3，對分割后的每段小信號進行短時傅里葉變換(STFT)STFT(t，ω) = Js(t’)ω (t’-t)e—Pt’dt’，得到一個短時傅里葉變換矩陣Amxn，該矩陣的行數m代表了使用多少點的傅里葉變換(FFT)，即有多少個頻率點；而矩陣的列數η則是根據窗函數大小以及重疊數計算得到的每段小信號的時間點個數。所以該變換矩陣不僅與頻率有關，而且與時間也有關，矩陣中的元素Alj表示在i頻率，j時間點的短時傅里葉變換值；
[0030]步驟4，由于隔墻靜止與隔墻人體運動的短時傅里葉變換存在顯著的區別，采用方差統計的方法來分析短時傅里葉變換的變化趨勢。具體是對每列進行方差統計，即計算每個時間點上所有頻率點對應的短時傅里葉變換值的方差Vj，它反映了在當前時刻在所有頻率點上的波動情況。計算完每列的方差后可以得到這段信號所有時間點上的方差向量V1Xn;[0031 ] 步驟5，計算方差向量VlXn的極差值Vrange，即Vrange = Vmax-Vmin，Vmax為方差向量VlXn中的最大值，Vmin為方差向量V1Xn中的最小值；
[0032]步驟6，分別根據步驟1-5計算隔墻有人運動時的極差值^range和隔墻無人運動時的極差值V^ange ；重復多次確定檢測判斷閾值σ，O滿足V" range〈0〈V range ；
[0033]步驟7，在進行隔墻人體運動檢測時，根據步驟1-5計算一段信號的極差值Vrange，并與步驟6得到的閾值σ比較，如果Vrange>o，則檢測為該段信號上隔墻有人體在運動;反之則為該段信號上隔墻無人運動;對步驟2分割的每段信號重復該步驟，從而給出隔墻人體運動的時刻以及運動的劇烈程度。
[0034]本發明中的檢測判斷閾值是根據隔墻靜止下與隔墻人體運動多次實驗得出的，該閾值具有可靠性，可以適應不同的環境以及不同的運動模式。
[0035]本發明采用帶寬小、發射功率低的發射機即可實現隔墻人體運動，并可保證檢測精度。相比于傳統穿墻超寬帶雷達那樣占用大量的帶寬、高發射功率及非常大的天線陣列，本發明具有顯著優勢。
[0036]實施例
[0037]將兩臺發射機和一臺接收機布置在墻的一側，運動人體在墻的另一側隨意地行走。兩臺發射機和接收機在同一水平面上等距排列，且與墻面距離相等。實驗的墻體為25cm厚的混凝土墻，其衰減為20dB。發射機的帶寬為IMHz，發射功率為10mW，發射頻率為
2.4GHz，包含3個定向天線。為了讓運動模式更加簡單且有規律，定義了兩種運動模式，I)平行于墻面行走和2)垂直墻面行走。
[0038]圖3和圖4展示隔墻靜止和隔墻有人體運動的一段時間內的方差圖，從圖中可以看出靜止時的方差波動較小，其極差也相對較小；而反觀運動時，其方差發生明顯的波動，其極差也較大。
[0039]根據本發明方法，對隔墻人體運動的檢測率可達90%，相對于傳統穿墻超寬帶雷達占用大量的帶寬、高發射功率，本發明方法在窄帶寬和低發射功率的條件下也具有較高的檢測精度。
【主權項】
1.一種基于短時傅里葉變換的隔墻人體運動檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟I，在墻的一側布置第一發射機、第二發射機和接收機;首先第一發射機發送原始信號，接收機接收信號后，第二發射機發送同樣的原始信號，接收機接收信號;然后通過兩次接收的信號計算第二發射機的預編碼信號；最后兩臺發射機同時發射信號，第一發射機發送原始信號，第二發射機發送預編碼信號； 步驟2，接收機接收到兩臺發射機同時發送的疊加后的信號，并對接收到的信號按時間進行均勻分割； 步驟3，對步驟2分割的每段信號進行短時傅里葉變換，得到一個短時傅里葉變換矩陣AmXn，m代表傅里葉變換(FFT)的頻率點個數，η是根據窗函數大小以及重疊數計算得到的每段信號的時間點個數，矩陣中的元素^表示在i頻率，j時間點的短時傅里葉變換值； 步驟4，對步驟3得到的短時傅里葉變換矩陣Amxn進行方差統計，即計算每個時間點上所有頻率點對應的短時傅里葉變換值的方差最終得到這段信號所有時間點上的方差向量VlXn; 步驟5，計算方差向量VlXn的極差值Vrange，即Vrange = Vmax-Vmin，Vmax為方差向量VlXn中的最大值，Vmin為方差向量V1Xn中的最小值； 步驟6，分別根據步驟1-5計算隔墻有人運動時的極差值Vrange^P隔墻無人運動時的極差值V^ange;重復多次確定檢測判斷閾值σ，σ滿足V" range〈0〈V range ； 步驟7，在進行隔墻人體運動檢測時，根據步驟1-5計算一段信號的極差值Vrange3，并與步驟6得到的閾值σ比較，如果Vrange>o，則檢測為該段信號上隔墻有人體在運動;反之則為該段信號上隔墻無人運動;對步驟2分割的每段信號重復該步驟，從而給出隔墻人體運動的時刻以及運動的劇烈程度。2.根據權利要求1所述的一種基于短時傅里葉變換的隔墻人體運動檢測方法，其特征在于，所述第一發射機、第二發射機和接收機在同一水平面上等距排列，且與墻面距離相等。
【專利摘要】本發明公開了一種基于短時傅里葉變換的隔墻人體運動檢測方法，該方法首先通過接收機接收來自發射機預編碼后的信號波形；其次將接收到的信號分割成一段段信號，并對每段信號進行短時傅里葉變換得到變換矩陣，然后計算變換矩陣的方差向量，最后通過計算方差向量的極差，并與閾值比較從而檢測墻后是否有人體運動。本發明采用短時傅里葉變換解決了強噪聲環境下的弱目標檢測問題，能有效地檢測隔墻人體運動與否，極大地提高了隔墻人體運動檢測的準確性。
【IPC分類】A61B5/11
【公開號】CN105708471
【申請號】CN201610041301
【發明人】張志浩, 史治國, 陳積明, 程鵬, 王 琦, 孫優賢
【申請人】浙江大學