本發明是一種FMCW寬帶生命探測雷達呼吸和心跳信號提取算法，涉及雷達生命探測技術和信號處理領域，具體為一種基于小波變換和雙系數LMS自適應濾波的FMCW寬帶生命探測雷達呼吸和心跳信號提取算法。

背景技術：

基于頻率調制連續波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)寬帶雷達的多生命探測系統可穿透非金屬介質(磚墻、廢墟與衣服等)而且不易受環境溫度、熱物體的影響，較好地解決了激光、紅外探測效果受溫度影響嚴重、遇物體阻擋失效及誤報率高的問題，也克服了超聲探測效果受環境雜物反射干擾及水、冰與泥土阻擋失效等問題。FMCW寬帶生命探測雷達能在較遠距離非接觸檢測多個人體的生命特征信號(主要包括呼吸和心跳信號)，可廣泛應用于災后救援(探測廢墟、瓦礫、建筑物下是否有活的生命體存在)，以及應用于重度燒傷患者、傳染病患者、嬰幼兒和老人的臨床動態監護以及睡眠質量監測等。

在非接觸式生命體征檢測方面，FMCW寬帶雷達同時具有超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)雷達對距離的分辨力和連續波(Continuous Wave,CW)多普勒雷達對速度的分辨力，從而可區分多個目標并提取目標的微動信息(如呼吸和心跳)，而且FMCW雷達可以做到體積小、重量輕、功耗低、實時處理，因此，FMCW寬帶雷達是非接觸生命雷達探測系統的優先選擇。到目前為止，雷達生命探測技術尚未完全解決多個靜止人體目標的識別問題。多靜止目標探測識別技術是國際生命探測領域的一個新的研究方向和難點，該技術是雷達生命探測的關鍵技術，制約著雷達生命探測儀的廣泛應用。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本發明目的是提供一種FMCW寬帶生命探測雷達呼吸和心跳信號提取算法，以解決上述背景技術中提出的問題,本發明使用方便，便于操作，穩定性好，可靠性高。

為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現：一種FMCW寬帶生命探測雷達呼吸和心跳信號提取算法，包括以下步驟：

(1)通過發射機和寬帶天線向掩埋在廢墟中或藏匿在墻體后的多個人體目標發射FMCW信號，反射的回波信號經人體生命活動引入的微動調制，從而導致一些參數發生改變，通過對攜帶有人體生命體征信號的寬帶雷達回波信號進行放大、下變頻、解線調頻、正交化、濾波一系列處理，從回波中解調和分離出有用的生理信息，從而探測出在廢墟、瓦礫、建筑物下或墻體后是否有活的生命體存在；

(5)發射信號在數字域和經由高速數據采集卡得到的中頻數字接收信號進行解線調頻處理，對不同延遲時間信號進行脈沖壓縮，從而得到差頻信號，對差頻信號進行數字正交化處理，將實信號轉換成復信號，采集I個發射周期回波的復數域信號，在距離維加漢寧窗，進行距離維FFT變換，得到

再求絕對值，得到一維距離像利用恒虛警檢測器檢測目標潛在的距離單元

n(＝1,2,…,N)，

對FFT變換結果的第n(＝1,2,…,N)個距離單元進行相位解調，然后減去第n個距離單元相位的直流分量，再經滑動平均和低通濾波后進行頻譜分析；

(6)在經過步驟(2)后，判斷頻譜峰值位置是否落在呼吸頻率范圍內，如果落在呼吸頻率范圍內則進行下面的分析，否則認為該距離單元為雜波所在單元，經過本輪判斷剩下個距離單元待處理，根據信號的采樣頻率f_s設計合適的分解層數w，進行w層小波分解，取最高層低頻系數重構呼吸信號要求分解層數w能夠使得重構信號包含平均呼吸的頻率范圍；

利用基于雙系數LMS自適應濾波方法分別提取第n個目標的心跳信號，當得到估計的心跳信號后，分析其頻譜，判斷頻譜峰值位置是否落在心跳頻率范圍內，如果是則認為該距離單元存在生命目標，否則認為該距離單元為雜波所在單元，經過本輪判斷最終存在L(≤N)個生命目標，同時確定這個L個生命目標的位置。

進一步地，在步驟(2)中，通過漢寧窗抑制頻譜旁瓣。

進一步地，在步驟(3)中，在判斷頻譜峰值位置時，呼吸頻率范圍在0.15-0.5Hz之間。

進一步地，在步驟(4)中，在判斷頻譜峰值位置時，心跳頻率范圍在0.9-1.6Hz之間。

進一步地，在步驟(3)中，濾波器的輸入為

第個目標的生命特征混合信號估計的第n個目標的呼吸干擾記為從混合信號中減去得到估計的心跳信號為參考信號為呼吸信號主頻瞬時標記濾波器系數通過雙系數aⁿ(i)和bⁿ(i)進行更新；

對第個目標生命特征信號，減去直流分量，再經滑動平均和低通濾波，得到對小波重構的呼吸信號進行峰值檢測，找到波峰處，記為呼吸信號主頻瞬時標記假設第k個波峰所在呼吸信號周期內呼吸信號頻率不變，但各個呼吸信號周期的呼吸頻率可以是不同的；若信號的采樣頻率為f_s，則第n個目標的呼吸信號基波的瞬時頻率和相位分別為：

然后建立呼吸信號諧波數學模型：

通過求第n個目標重構呼吸信號的頻譜峰值，找到重構呼吸信號的主頻頻率，記為檢測頻譜中的倍頻處是否存在峰值，根據倍頻峰值的個數，確定諧波次數M，于是，第n個目標的呼吸干擾建模為：

其中和是第m個諧波的幅度和相位，通過三角函數變換，幅度和相位可轉化為同相和正交分量(即和)的幅度變量和和是濾波器系數，通過LMS方法不斷更新；

將同相分量和正交分量寫成向量的形式：

將所有諧波對應系數和寫成向量的形式，其中T為轉置：

于是第n個目標的呼吸干擾信號記為：

然后設定變化的搜索步長因子，自適應濾波的搜索步長因子隨諧波次數增加而遞減，第m次諧波所用步長為

將所有諧波的步長寫成對角矩陣的形式：

最后利用LMS自適應濾波器估計第n個目標呼吸干擾的所有諧波系數。

設初始雙系數均為0向量，于是估計的呼吸干擾信號為：

估計的心跳信號為：

迭代更新的雙系數分別為：

如果呼吸干擾的高次諧波和心跳信號的頻率接近則心跳信號的幅度會有所衰減，但是頻率成分不會改變，對后續的心率分析沒有影響，反之，高次諧波和心跳信號的頻率差則自適應濾波不會影響心跳信號的幅度。

進一步地，在進行滑動平均時，參與平均的信號點數為25。

進一步地，在進行低通濾波時，低通濾波截止頻率為4Hz。

進一步地，采用三點二次插值法求第n個目標重構呼吸信號的頻譜峰值。

一種FMCW寬帶生命探測雷達系統，包括發射單元、接收單元、信號處理單元和無線信號傳輸單元，所述發射單元主要由數據采集卡、數模轉換器、波形產生器、頻率調制器、本地振蕩器、混頻器、帶通濾波器、射頻放大器和寬帶發射天線構成；所述接收單元主要由寬帶接收天線、低噪放大器、本地振蕩器、混頻器、帶通濾波器、中頻放大器、數據采集卡和模數轉換器構成；所述信號處理單元通過FPGA信號處理和控制器實現包括解線調頻處理、信號正交化、濾波、FFT、多目標信號提取以及心跳呼吸信號分離運算；所述無線信號傳輸單元主要由藍牙通信設備、WiFi通信設備以及計算機終端構成。

本發明的有益效果：本發明的一種FMCW寬帶生命探測雷達呼吸和心跳信號提取算法，能夠同時獲取多人的呼吸和心跳信號，通過使用Coiflets小波，相比于傳統的頻域濾波，該小波能夠很好地保持重構呼吸信號的邊界和能量，尤其是對短時間信號的處理尤為明顯，采用基于雙系數LMS自適應濾波算法濾除呼吸信號的高次諧波，且該自適應濾波算法不需要額外的參考信號，由于算法中采用了遞減的搜索步長因子，能夠在濾除呼吸信號諧波的同時較好地保留心跳信號，通過選擇合適的初始步長因子，基于雙系數LMS自適應濾波方法能夠快速收斂到心跳信號，而且在較長的時間里保持較小的穩態失調，使得最終分離的心跳信號在長時間內頻率成分更加準確。

附圖說明

圖1為FMCW寬帶雷達多生命監護系統的整體框圖；

圖2為FMCW寬帶生命探測雷達的整體信號處理流程圖；

圖3為基于雙系數LMS自適應濾波算法估計心跳信號的框圖；

具體實施方式

為使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。

請參閱圖1、圖2和圖3，一種FMCW寬帶生命探測雷達呼吸和心跳信號提取算法，包括以下步驟：

(1)通過發射機和寬帶天線向掩埋在廢墟中或藏匿在墻體后的多個人體目標發射FMCW信號，反射的回波信號經人體生命活動引入的微動調制，從而導致一些參數發生改變，通過對攜帶有人體生命體征信號的寬帶雷達回波信號進行放大、下變頻、解線調頻、正交化、濾波一系列處理，從回波中解調和分離出有用的生理信息，從而探測出在廢墟、瓦礫、建筑物下或墻體后是否有活的生命體存在；

(2)發射信號在數字域和經由高速數據采集卡得到的中頻數字接收信號進行解線調頻處理，對不同延遲時間信號進行脈沖壓縮，從而得到差頻信號，對差頻信號進行數字正交化處理，將實信號轉換成復信號，采集I個發射周期回波的復數域信號，在距離維加漢寧窗，進行距離維FFT變換，得到

再求絕對值，得到一維距離像利用恒虛警檢測器檢測目標潛在的距離單元

n(＝1,2,…,N)，

對FFT變換結果的第n(＝1,2,…,N)個距離單元進行相位解調，然后減去第n個距離單元相位的直流分量，再經滑動平均和低通濾波后進行頻譜分析；

(3)在經過步驟(2)后，判斷頻譜峰值位置是否落在呼吸頻率范圍內，如果落在呼吸頻率范圍內則進行下面的分析，否則認為該距離單元為雜波所在單元，經過本輪判斷剩下個距離單元待處理，根據信號的采樣頻率f_s設計合適的分解層數w，進行w層小波分解，取最高層低頻系數重構呼吸信號要求分解層數w能夠使得重構信號包含平均呼吸的頻率范圍；

(4)利用基于雙系數LMS自適應濾波方法分別提取第n個目標的心跳信號，當得到估計的心跳信號后，分析其頻譜，判斷頻譜峰值位置是否落在心跳頻率范圍內，如果是則認為該距離單元存在生命目標，否則認為該距離單元為雜波所在單元，經過本輪判斷最終存在L(≤N)個生命目標，同時確定這個L個生命目標的位置。

在步驟(2)中，通過漢寧窗抑制頻譜旁瓣。

在步驟(3)中，在判斷頻譜峰值位置時，呼吸頻率范圍在0.15-0.5Hz之間。

在步驟(4)中，在判斷頻譜峰值位置時，心跳頻率范圍在0.9-1.6Hz之間。

在步驟(3)中，濾波器的輸入為

第個目標的生命特征混合信號估計的第n個目標的呼吸干擾記為從混合信號中減去得到估計的心跳信號為參考信號為呼吸信號主頻瞬時標記濾波器系數通過雙系數aⁿ(i)和bⁿ(i)進行更新；

對第個目標生命特征信號，減去直流分量，再經滑動平均和低通濾波，得到對小波重構的呼吸信號進行峰值檢測，找到波峰處，記為呼吸信號主頻瞬時標記假設第k個波峰所在呼吸信號周期內呼吸信號頻率不變，但各個呼吸信號周期的呼吸頻率可以是不同的；若信號的采樣頻率為f_s，則第n個目標的呼吸信號基波的瞬時頻率和相位分別為：

然后建立呼吸信號諧波數學模型：

通過求第n個目標重構呼吸信號的頻譜峰值，找到重構呼吸信號的主頻頻率，記為檢測頻譜中的倍頻處是否存在峰值，根據倍頻峰值的個數，確定諧波次數M，于是，第n個目標的呼吸干擾建模為：

其中和是第m個諧波的幅度和相位，通過三角函數變換，幅度和相位可轉化為同相和正交分量(即和)的幅度變量和和是濾波器系數，通過LMS方法不斷更新；

將同相分量和正交分量寫成向量的形式：

將所有諧波對應系數和寫成向量的形式，其中T為轉置：

于是第n個目標的呼吸干擾信號記為：

然后設定變化的搜索步長因子，自適應濾波的搜索步長因子隨諧波次數增加而遞減，第m次諧波所用步長為

將所有諧波的步長寫成對角矩陣的形式：

最后利用LMS自適應濾波器估計第n個目標呼吸干擾的所有諧波系數。

設初始雙系數均為0向量，于是估計的呼吸干擾信號為：

估計的心跳信號為：

迭代更新的雙系數分別為：

如果呼吸干擾的高次諧波和心跳信號的頻率接近則心跳信號的幅度會有所衰減，但是頻率成分不會改變，對后續的心率分析沒有影響，反之，高次諧波和心跳信號的頻率差則自適應濾波不會影響心跳信號的幅度。

在進行滑動平均時，參與平均的信號點數為25，在進行低通濾波時，低通濾波截止頻率為4Hz，采用三點二次插值法求第n個目標重構呼吸信號的頻譜峰值。

作為本發明的一個實施例，包括一種FMCW寬帶生命探測雷達系統，包括發射單元、接收單元、信號處理單元和無線信號傳輸單元，所述發射單元主要由數據采集卡、數模轉換器、波形產生器、頻率調制器、本地振蕩器、混頻器、帶通濾波器、射頻放大器和寬帶發射天線構成；所述接收單元主要由寬帶接收天線、低噪放大器、本地振蕩器、混頻器、帶通濾波器、中頻放大器、數據采集卡和模數轉換器構成；所述信號處理單元通過FPGA信號處理和控制器實現包括解線調頻處理、信號正交化、濾波、FFT、多目標信號提取以及心跳呼吸信號分離運算；所述無線信號傳輸單元主要由藍牙通信設備、WiFi通信設備以及計算機終端構成。

能夠同時獲取多人的呼吸和心跳信號，通過使用Coiflets小波，相比于傳統的頻域濾波，該小波能夠很好地保持重構呼吸信號的邊界和能量，尤其是對短時間信號的處理尤為明顯，采用基于雙系數LMS自適應濾波算法濾除呼吸信號的高次諧波，且該自適應濾波算法不需要額外的參考信號，由于算法中采用了遞減的搜索步長因子，能夠在濾除呼吸信號諧波的同時較好地保留心跳信號，通過選擇合適的初始步長因子，基于雙系數LMS自適應濾波方法能夠快速收斂到心跳信號，而且在較長的時間里保持較小的穩態失調，使得最終分離的心跳信號在長時間內頻率成分更加準確。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點,對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。