CN109239706A - 一种基于毫米波的人体检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于毫米波的人体检测方法，包括步骤：毫米波雷达天线阵列模块发射信号并接收回波信号；处理所述回波信号得到各时刻的目标物理信息，所述目标物理信息包括目标高度；根据各时刻得到的目标高度来获得目标高度变化速度；若所述目标高度低于第一高度阈值且所述目标高度变化速度高于高度变化速度阈值，判断所述目标摔倒。本发明基于毫米波雷达技术检测人体是否摔倒，解决了在某些场景中人体出现异常状况而摔倒，但因不易发现而错过抢救时间的问题，实现了人体摔倒发现及时、准确的技术效果。同时，本实施例的方法为用户解决了现有技术中必须随身携带设备的问题。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波雷达技术领域，尤其是基于毫米波的人体检测方法及装置。
背景技术
随着生活水平和医学技术的不断提高，人口不断老龄化的问题日益突出。尤其一些独居的老人，子女为生活忙于奔波无暇照顾他们，一个人在家若发生危险如摔倒很难被人及时发现。
目前，市面上已出现了相关的产品及技术，但都要求使用者必须随身携带。比如申请号为201520522827.9的中国专利，公开了一种摔倒定位报警智能腕带，通过将摔倒定位装置如加速度采集芯片镶嵌在腕带内，再通过通信模块实现对老人摔倒情况向外发布。该技术要求老人必须随身携带，因此在老人忘记佩戴或是不适合佩戴该智能腕带的情况下得不到保障。
毫米波雷达工作在毫米波段。通常毫米波是指30～300GHz频段(波长为1～10mm)。毫米波导引头具有体积小、质量轻、空间分辨率高、抗干扰等优点，在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。
在现有技术中，毫米波雷达多用在安检领域或汽车雷达领域。例如申请号为201110335134.5的中国专利公开的就是一种人体安检系统结合频分和空分技术避免对向外辐射干扰的扫描方法。再如申请号为201210059717.4的中国专利公开的就是智能车载防撞毫米波雷达系统。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明的目的是提供一种基于毫米波的人体检测方法及装置，以解决上述现有技术中个人因摔倒没有被发现而未得到及时救治的问题，实现了及时发现危险的目的。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于毫米波的人体检测方法，包括步骤：
毫米波雷达天线阵列模块发射信号并接收回波信号；
处理所述回波信号得到各时刻的目标物理信息，所述目标物理信息包括目标高度；
根据各时刻得到的目标高度来获得目标高度变化速度；
若所述目标高度低于第一高度阈值且所述目标高度变化速度高于高度变化速度阈值，判断所述目标摔倒。
优选的，还包括步骤：
若所述目标高度高于第一高度阈值而低于第二高度阈值，且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，判断所述目标的状态为坐着或半蹲着。
优选的，还包括步骤：
若所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，判断所述目标的状态为直立。
优选的，所述目标物理信息还包括目标位置，当所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，且目标位置变化时，判断所述目标为行走。
优选的，当判断所述目标摔倒时，发出报警信号。
本发明还提供一种基于毫米波的人体检测装置，包括：
毫米波雷达天线阵列模块，用于持续发射信号和接收回波信息；
信号处理模块，与毫米波雷达天线阵列模块相连，用于处理回波信号；
数据处理模块，与所述信号处理模块相连，用于根据处理后的回波信号来获得各时刻目标物理信息，所述目标物理信息包括目标高度；
特征判断模块，与信号数据处理模块相连，根据各时刻得到的目标高度来获得目标高度变化速度，若所述目标高度低于第一高度阈值且所述目标高度变化速度高于第一速度阈值，判断所述目标摔倒。
优选的，还包括：
若所述目标高度高于第一高度阈值而低于第二高度阈值，且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，所述特征判断模块判断所述目标的状态为坐着或半蹲着。
优选的，还包括步骤：
若所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，所述特征判断模块判断所述目标的状态为直立。
优选的，所述目标物理信息还包括目标位置，当所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，且目标位置变化时，所述特征判断模块判断所述目标为行走。
优选的，还包括一报警模块，当判断所述目标摔倒时，发出报警信号。
本发明基于毫米波雷达技术检测人体是否摔倒，解决了在某些场景如私密的或偏僻场所中人体出现异常状况而摔倒，但因不易发现而错过抢救时间的问题，实现了人体摔倒发现及时、准确的技术效果。同时，本实施例的方法为用户解决了现有技术中必须随身携带设备的问题。
附图说明
图1是本发明实施例一种基于毫米波的人体检测方法的流程示意图；
图2是本发明实施例一种基于毫米波的人体检测装置的模块示意图；
图3是本发明实施例一种基于毫米波的人体检测装置的硬件电路图。
具体实施方式
为了使本领域相关技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施方式的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。
实施例一
根据本发明的一个实施例，如图1所示，一种基于毫米波的人体检测方法，包括步骤：
步骤S100，毫米波雷达天线阵列模块发射信号并接收回波信号；
步骤S200，处理所述回波信号得到各时刻的目标物理信息，所述目标物理信息包括目标高度；
步骤S300，根据各时刻得到的目标高度来获得目标高度变化速度；
步骤S400，若所述目标高度低于第一高度阈值且所述目标高度变化速度大于高度变化速度阈值，判断所述目标摔倒。
优选的，在步骤S200中得到各时刻的目标物理信息之前，先判断所述回波信号中是否存在散射点，若存在散射点说明在毫米波雷达检测区域内有目标，若不存在散射点说明在毫米波雷达检测区域内无目标。当毫米波雷达检测区域内有目标时，再通过处理回波信息获得目标物理信息。这样降低了设备的处理压力，使得数据处理的效率更高。
在本发明中，所阐述的目标就是毫米波雷达检测的人体。
另外，优选的，当判断所述目标摔倒时，发出报警信号。
在本实施例中，第一高度阈值优选为用户根据自身的身体特征来预先设置，或者可以根据人类躺下的一般特征设定，比如50公分。
毫米波雷达天线阵列模块包括发射信号单元的前端和接收信号单元的前端。发射信号单元的前端向外发射毫米波，接收信号单元的前端接收回波。发射信号单元的前端向外发射一毫米波信号，该毫米波信号被目标反射后再由接收信号单元的前端接收。根据这毫米波脉冲信号从发射到接收回波所需时间得到目标离毫米波的距离。发射信号单元的前端和接收信号单元的前端分别包括水平角度阵列和俯仰角度阵列。俯仰角度阵列用于测量目标的最高点与毫米波雷达天线阵列模块形成的俯仰角。结合俯仰角及目标与毫米波雷达天线阵列模块的距离来获得目标的高度。
目标高度变化速度是指目标高度变化值除去变化所用的时间。比如目标是人，目标最高点就是人的头顶。假如人从站立到躺下，目标高度变化速度就是人从站立到躺下这一过程中人的头顶的高度变化除以躺下所用的时间。优选的，高度变化速度阈值也可以由用户自己预先设定。
本实施例利用毫米波雷达技术，探测待测目标各时刻的高度，再计算高度变化的速度，当高度变化速度超过高度变化速度阈值时，则判断该目标摔倒。本实施例的方法适合应用于家庭、或容易滑倒但不易被发现的场景。例如，在浴室中，浴室地面湿滑且浴室场所私密，如果人在浴室中不慎滑倒，将很难被人发现，在此种状态下人可能会因施救不及时而出现生命危险。利用本实施例的方法，当毫米波雷达检测到人体从站立瞬间倒下，则说明用户摔倒了并马上向外报警，因此用户可以得到及时抢救。再例如，现在老龄化问题越来越严峻，孤寡老人越来越多，若出现突然晕倒的情况但没人发现将会非常危险。同样的，利用本实施例的方法，可以在第一时间向外发出警报，老人也可以在第一时间排除危险。本实施例的方法，只要在应用场所安装一台简易便捷的设备就能实现，而不需要用户随身携带，这样为用户省去了随身携带的麻烦。
本实施例基于毫米波雷达技术检测人体是否摔倒，解决了在某些场景如私密的或偏僻场所中人体出现异常状况而摔倒，但因不易发现而错过抢救时间的问题，实现了人体摔倒发现及时、准确的技术效果。同时，本实施例的方法为用户解决了现有技术中必须随身携带设备的问题。
实施例二
另外，在实施例一的基础上，本实施例二还可以包括步骤：若所述目标高度高于第一高度阈值而低于第二高度阈值，且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，判断所述目标的状态为坐着或半蹲着。
在本实施例中，第二高度阈值可以由用户预先设置，也可以根据生活中一般情况来设定，如140公分。
利用本实施例的方法，来检测用户更多的动作，以便更准确地了解用户的状态，在发生意外时及时向外报警。
另外，在本实施例的基础上，还可以包括步骤：
若所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，判断所述目标的状态为直立。此处直立包括站立或行走。
优选的，本实施例的目标物理信息还可以包括目标位置，当所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，且目标位置变化时，判断所述目标为行走。
实施例三
如图2所示，本发明另一实施例，一种基于毫米波的人体检测装置，包括：
毫米波雷达天线阵列模块10，用于发射信号和接收回波信息；
信号处理模块20，与毫米波雷达天线阵列模块10相连，用于处理回波信号；
数据处理模块30，与所述信号处理模块20相连，用于根据处理后的回波信号来获得各时刻目标物理信息，所述目标物理信息包括目标高度；
特征判断模块40，与数据处理模块30相连，根据各时刻得到的目标高度来获得目标高度变化速度，若所述目标高度低于第一高度阈值且所述目标高度变化速度高于高度变化速度阈值，判断所述目标摔倒。
在本实施例中，第一高度阈值优选为用户根据自身的身体特征来预先设置，或者可以根据人类躺下的一般特征设定，比如50公分。
毫米波雷达天线阵列模块10包括发射信号单元的前端和接收信号单元的前端。发射信号单元的前端向外发射毫米波，接收信号单元的前端接收回波。发射信号单元的前端向外发射一毫米波信号，该毫米波信号被目标反射后再由接收信号单元的前端接收。信号处理模块20对该毫米波信号进行处理，包括去噪声、傅立叶变换等。数据处理模块30再根据这毫米波脉冲信号从发射到接收回波所需时间得到目标离毫米波的距离。另外，发射信号单元的前端和接收信号单元的前端分别包括水平角度阵列和俯仰角度阵列。俯仰角度阵列测量目标的最高点与毫米波雷达天线阵列模块形成的俯仰角，数据处理模块30再结合目标与毫米波雷达天线阵列模块的距离来获得目标的高度。
目标高度变化速度是指目标高度变化值除去变化所用的时间。比如目标是人，目标最高点就是人的头顶。假如人从站立到躺下，目标高度变化速度就是人从站立到躺下这一过程中人的头顶的高度变化除以躺下所用的时间。
优选的，高度变化速度阈值也可以由用户自己预先设定。
数据处理模块30根据目标的高度变化和所用时间获得目标高度变化速度，再将所述目标高度变化速度发至特征判断模块40。特征判断模块40将目标高度变化速度与高度变化速度阈值作对比，当高度变化速度大于高度变化速度阈值时，则判断此目标摔倒。
另外，优选的，当判断所述目标摔倒时，发出报警信号。
图3是本实施例各模块的硬件示意图，只是用来说明本实施例，并非用于限定范围。如图3所示，毫米波雷达天线阵列模块10包括发射信号单元的前端和接收信号单元的前端即图3中所示的天线及数模转换部件(D/A，A/D)。信号处理模块20由FPGA(现场可编程门阵列)组成，具体包括天线发送接收控制单元(Antenna transmit andreceive control)、距离快速傅里叶变换单元(Range FFT)、去杂波/多普勒快速傅里叶变换/恒虚警率单元(Cluster Remove/Doppler FFT/CFAR)、来波角计算单元(Detection OfArrival)等。数据处理模块30和特征判断模块40由ARM处理器组成，包括坐标位置和速度计算单元(X/Y/Zposition and velocity calculate)、分类算法(ClassifyAlgorithm)。
毫米波雷达天线阵列模块10的发射波形为FMCW信号，信号参数由FPGA进行配置和控制。FPGA还实现信号和数据处理，其中距离快速傅里叶变换单元针对每一个chirp(线性调频信号)进行，获取目标的径向距离；去杂波去除静态目标对探测的影响，只保留动目标；多普勒快速傅里叶变换是为了计算运动目标的速度信息；恒虚警率的作用是去除噪声对目标的影响，只保留目标的速度和距离信息；来波角计算单元通过天线阵列的布阵方式形成的相位差异计算平面角和俯仰角。Arm模块主要实现数据处理算法，包括位置信息计算、速度计算和分类算法。分类结果出来后，上报最终人体姿态结果。
本实施例利用毫米波雷达技术，探测待测目标各时刻的高度，再计算高度变化的速度，当高度变化速度超过第一速度阈值时，则判断该目标摔倒。本实施例的方法适合应用于家庭、或容易滑倒但不易被发现的场景。例如，在浴室中，浴室地面湿滑且浴室场所私密，如果人在浴室中不慎滑倒，将很难被人发现，在此种状态下人可能会因施救不及时而出现生命危险。利用本实施例的装置，当毫米波雷达检测到人体从站立瞬间倒下，则说明用户摔倒了并马上向外报警，因此用户可以得到及时抢救。再例如，现在老龄化问题越来越严峻，孤寡老人越来越多，若出现突然晕倒的情况但没人发现将会非常危险。同样的，利用本实施例的装置，可以在第一时间向外发出警报，老人也可以在第一时间排除危险。本实施例的方法，只要在应用场所安装一台简易便捷的设备就能实现，而不需要用户随身携带，这样为用户省去了随身携带的麻烦。
实施例四
本实施例在实施例三的基础上，还包括：若所述目标高度高于第一高度阈值而低于第二高度阈值，且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，所述特征判断模块判断所述目标的状态为坐着或半蹲着。
在本实施例中，第二高度阈值可以由用户预先设置，也可以根据生活中一般情况来设定，如140公分。
利用本实施例的方法，来检测用户更多的动作，以便更准确地了解用户的状态，在发生意外时及时向外报警。
另外，在本实施例的基础上，还可以包括若所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，所述特征判断模块判断所述目标的状态为直立。此处直立包括站立或行走。
优选的，所述目标物理信息还包括目标位置，当所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，且目标位置变化时，所述特征判断模块判断所述目标为行走。
以上仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于毫米波的人体检测方法，其特征在于，包括步骤：
毫米波雷达天线阵列模块发射信号并接收回波信号；
处理所述回波信号得到各时刻的目标物理信息，所述目标物理信息包括目标高度；
根据各时刻得到的目标高度来获得目标高度变化速度；
若所述目标高度低于第一高度阈值且所述目标高度变化速度高于高度变化速度阈值，判断所述目标摔倒。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的人体检测方法，其特征在于，还包括步骤：
若所述目标高度高于第一高度阈值而低于第二高度阈值，且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，判断所述目标的状态为坐着或半蹲着。
3.根据权利要求2所述的一种基于毫米波的人体检测方法，其特征在于，还包括步骤：
若所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，判断所述目标的状态为直立。
4.根据权利要求3所述的一种基于毫米波的人体检测方法，其特征在于，所述目标物理信息还包括目标位置，当所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，且目标位置变化时，判断所述目标为行走。
5.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的人体检测方法，其特征在于，当判断所述目标摔倒时，发出报警信号。
6.一种基于毫米波的人体检测装置，其特征在于，包括：
毫米波雷达天线阵列模块，用于持续发射信号和接收回波信息；
信号处理模块20，与毫米波雷达天线阵列模块10相连，用于处理回波信号；
数据处理模块30，与所述信号处理模块20相连，用于根据处理后的回波信号来获得各时刻目标物理信息，所述目标物理信息包括目标高度；
特征判断模块，与信号数据处理模块相连，根据各时刻得到的目标高度来获得目标高度变化速度，若所述目标高度低于第一高度阈值且所述目标高度变化速度高于第一速度阈值，判断所述目标摔倒。
7.根据权利要求6所述的一种基于毫米波的人体检测装置，其特征在于，还包括：若所述目标高度高于第一高度阈值而低于第二高度阈值，且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，所述特征判断模块判断所述目标的状态为坐着或半蹲着。
8.根据权利要求7所述的一种基于毫米波的人体检测装置，其特征在于，还包括步骤：
若所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，所述特征判断模块判断所述目标的状态为直立。
9.根据权利要求8所述的一种基于毫米波的人体检测装置，其特征在于，所述目标物理信息还包括目标位置，当所述目标高度高于第二高度阈值且目标高度变化速度小于高度变化速度阈值，且目标位置变化时，所述特征判断模块判断所述目标为行走。
10.根据权利要求6所述的一种基于毫米波的人体检测装置，其特征在于，还包括一报警模块，当判断所述目标摔倒时，发出报警信号。
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