一种基于生物雷达的监控系统的制作方法

1.本发明涉及监控技术领域，具体是指一种基于生物雷达的监控系统。


背景技术：

2.随着年龄增长，人体各项生理机能退化严重，老年人很容易发生跌倒，导致身体受到严重的伤害。近年来，随着国内人口老龄化越来越严重，主要针对老年人的跌倒检测系统正受到越来越多的关注。
3.中国人口中老人所占的比例越来越大，老人的健康问题正受到越来越多的关注。根据世界卫生组织的统计，每年在65岁及以上的老人中大约有28-35％的人会跌倒至少一次，这一比例在70岁以上的老人中会增加到32-42％，随着年龄的增长，身体机能的退化，老人跌倒的频率也会增加。跌倒已经成为导致老人死亡和意外伤害的主要因素之一。因此跌倒检测技术对于保护老人的身体健康具有很大的积极意义，正受到越来越多厂家的关注。当前可以应用在跌倒检测上的技术方案主要有加速度传感器，加速度传感器通常集成在智能手表或手环中，比如在applewatch中已经集成了通过加速度传感器来检测跌倒的功能，它需要用户佩戴才能实现检测。摄像头进行跌倒检测需要光线足够，同时摄像头和被检测人之间没有物体遮挡，并且用户对摄像头可能存在的隐私泄露风险比较担心。


技术实现要素：

4.本发明要解决上述技术问题，提供一种基于生物雷达的监控系统。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
6.一种基于生物雷达的监控系统，包括感知系统、数据处理模块、数据分析模块和预警系统；
7.所述感知系统包括生物雷达、摄像头和语音箱，所述生物雷达支持水平和垂直方向各120度的视角，所述生物雷达三根发射和四根接收的天线；
8.所述数据处理模块对感知系统收集的数据进行预处理；
9.所述数据分析模块结合预处理的数据对方向分析和速度估计，通过目标的坐标进行对比对跌倒进行测试，得出跌倒判定，在通过所述预警系统进行报警。
10.优选地，所述感知系统收集图像、声音、心率、呼吸和距离。
11.优选地，每根所述接收天线的adc数据进行1d加窗和1d快速傅立叶变换。
12.优选地，所述方向分析为静态载波去除，在ods水平方向四根接收天线上计算空间相关矩阵，最后通过caponbf生成距离和水平方向热图，通过二维cfar，在上一步生成的距离和水平方向热图上检测出目标点，所述目标点上计算所有接收天线上的空间相关矩阵，然后通过垂直方向的bf生成目标在垂直方向的热图，最后在这个热图上通过峰值搜索获得目标的垂直角度。
13.优选地，所述目标点的参数包括距离、水平角、垂直角和速度。
14.优选地，所述数据处理模块包括通过确定片区和降噪处理对预处理可见光图像进
行处理。
15.采用以上结构后，本发明具有如下优点：
16.本系统与常用的加速度传感器和摄像头相比，基于生物雷达的跌倒检测系统具有非接触式，全天候工作和隐私友好等优点。本系统可以准确地测量出室内人员的高度变化，并快速地检测出跌倒的发生。本系统具有反应快，准确度高，误报率低的特点，能广泛应用于浴室，卧室，养老院等室内场景的老年人跌掉检测。
17.上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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的附图。
19.图1是本发明的系统图。
20.图2是本发明发射天线的摆放图。
21.图3是本发明发射天线的范围图。
具体实施方式
22.下面详细描述本技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
23.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
24.下面结合全文对本发明做进一步的详细说明。
25.结合附图1-图3，一种基于生物雷达的监控系统，包括感知系统、数据处理模块、数据分析模块和预警系统；
26.所述感知系统包括生物雷达、摄像头和语音箱，所述生物雷达支持水平和垂直方向各120度的视角，所述生物雷达三根发射和四根接收的天线；
27.所述数据处理模块对感知系统收集的数据进行预处理；
28.所述数据分析模块结合预处理的数据对方向分析和速度估计，通过目标的坐标进行对比对跌倒进行测试，得出跌倒判定，在通过所述预警系统进行报警。
29.所述感知系统收集图像、声音、心率、呼吸和距离。
30.每根所述接收天线的adc数据进行1d加窗和1d快速傅立叶变换。
31.所述方向分析为静态载波去除，在ods水平方向四根接收天线上计算空间相关矩
阵，最后通过caponbf生成距离和水平方向热图，通过二维cfar，在上一步生成的距离和水平方向热图上检测出目标点，所述目标点上计算所有接收天线上的空间相关矩阵，然后通过垂直方向的bf生成目标在垂直方向的热图，最后在这个热图上通过峰值搜索获得目标的垂直角度。
32.所述目标点的参数包括距离、水平角、垂直角和速度。
33.所述数据处理模块包括通过确定片区和降噪处理对预处理可见光图像进行处理。
34.生物雷达首先对雷达回波信号进行时-频域的联合变换，然后从中提取出和跌倒有关的若干特征，最后通过模型分类器来判断是否跌倒。
35.生物雷达可以支持水平和垂直方向各120度的视角(fov)，有利于检测人的高度，pcb板上集成了三根发射，四根接收的短距离patch天线(大约可以在12到15米范围内检测到人)，它的天线和波形配置，如图2所示，三根发射天线布置成l形，不同发射天线之间间隔a，四根接收天线布置成一个2x2的方形，不同接收天线之间间隔/2，这样的天线布局可以使用3t4rtdmmimo波形配置，由tx1、tx2和tx3在时间上轮流发射chirp，rx1/2/3/4作为接收天线，通过虚拟天线算法，将rx1/2/3/4在连续三个chirp周期内的接收天线数据联合使用，虚拟出图3中，右半部分的1t12r的天线阵列以获取更高的角度分辨率，这个虚拟天线阵列在水平和垂直方向各有4根天线，可以实现大约30度左右的水平和垂直角度分辨率。
36.水平方向分析：
37.首先进行静态载波去除，然后在ods水平方向4根天线上计算空间相关矩阵，最后通过caponbf生成距离和水平方向热图。
38.距离和水平方向分析：
39.通过二维cfar，在上一步生成的距离/水平方向热图上检测出目标点。
40.垂直方向bf和垂直角度估计：
41.首先在上一步得到的每个(距离，水平角)的目标点上计算所有接收天线上的空间相关矩阵，然后通过垂直方向的bf生成目标在垂直方向的热图，最后在这个热图上通过峰值搜索获得目标的垂直角度。
42.速度估计分析
43.首先对于上一步得到的每个(距离，水平角，垂直角)目标点计算空间bf向量，然后用这个bf向量对目标距离bin进行空间滤波并计算doppler谱，最后在这个doppler谱上通过峰值搜索来获得目标的速度。在这一步之后，我们就获得了一个包含目标(距离，水平角，垂直角，速度)的点云。
44.根据上一步产生的点云信息，通过grouptracking算法进行目标聚类，并对目标进行跟踪和预测。在这一步之后，我们将获得一个跟踪目标的列表，列表中的每个目标都包含(空间位置，速度，加速度)信息。
45.工作原理：
46.天线在垂直方向有120度的视角，结合垂直角度估计算法，可以检测出物体在垂直方向的角度。对于室内距离雷达比较近的人员，的点云输出可以清楚地显示出人的轮廓。当一个人站在雷达前方大约1米的位置时，从雷达输出的点云中可以看出人的头，肩膀，手和腿的大致轮廓。从这些丰富的点云信息中，我们可以提取出人的高度，并进行跌倒检测。
47.为了提高跌倒检测的性能，希望雷达能够安装在2米的高度，下倾角30度。这样雷
达的主波束斜向下能照射到成年人的头，躯干和脚，可以形成比较丰富的点云。考虑到跌倒检测主要针对浴室，卧室，养老院等相对有限的空间，对于雷达的最远检测距离并没有太高的要求，一般能覆盖到7m左右就可以了。人在室内的运动速度不会太快，所以对于雷达最大检测速度的要求也不高。但是需要雷达有高的速度分辨率。因为主要是通过速度信息来区别人和室内其他的静止物体(比如桌子，床等)，速度分辨率越高雷达就越容易把人从室内复杂的环境中提取出来，并生成更多的点云(这非常有利于通过点云高度进行跌倒检测)。
48.通过上面介绍的雷达安装方式和参数，运行算法程序，当人在雷达前运动的时候能够获得比较多的点云，同时通过grouptracker可以跟踪到人的运动轨迹，从这些信息中我们可以计算出人的高度。人在跌倒的过程中，有一个高度快速下降的过程。当我们在获得了连续一段时间内人的高度信息后，通过比较人在不同时刻的高度差就能判断出有没有跌倒。
49.通过对点云信息和grouptracker输出的跟踪信息进行处理，来实现跌倒检测。跌倒检测算法在每个frame的tracker结束后运行一次。
50.和常用的加速度传感器，摄像头相比，基于生物雷达的跌倒检测系统具有非接触式，全天候工作和隐私友好等优点。本系统可以准确地测量出室内人员的高度变化，并快速地检测出跌倒的发生。本系统具有反应快，准确度高，误报率低的特点，能广泛应用于浴室、卧室和养老院等室内场景的老年人跌掉检测。
51.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，全文中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于生物雷达的监控系统，其特征在于，包括感知系统、数据处理模块、数据分析模块和预警系统；所述感知系统包括生物雷达、摄像头和语音箱，所述生物雷达支持水平和垂直方向各120度的视角，所述生物雷达三根发射和四根接收的天线；所述数据处理模块对感知系统收集的数据进行预处理；所述数据分析模块结合预处理的数据对方向分析和速度估计，通过目标的坐标进行对比对跌倒进行测试，得出跌倒判定，在通过所述预警系统进行报警。2.根据权利要求1所述的一种基于生物雷达的监控系统，其特征在于：所述感知系统收集图像、声音、心率、呼吸和距离。3.根据权利要求1所述的一种基于生物雷达的监控系统，其特征在于：每根所述接收天线的adc数据进行1d加窗和1d快速傅立叶变换。4.根据权利要求1所述的一种基于生物雷达的监控系统，其特征在于：所述方向分析为静态载波去除，在ods水平方向四根接收天线上计算空间相关矩阵，最后通过caponbf生成距离和水平方向热图，通过二维cfar，在上一步生成的距离和水平方向热图上检测出目标点，所述目标点上计算所有接收天线上的空间相关矩阵，然后通过垂直方向的bf生成目标在垂直方向的热图，最后在这个热图上通过峰值搜索获得目标的垂直角度。5.根据权利要求4所述的一种基于生物雷达的监控系统，其特征在于：所述目标点的参数包括距离、水平角、垂直角和速度。6.根据权利要求1所述的一种基于生物雷达的监控系统，其特征在于：所述数据处理模块包括通过确定片区和降噪处理对预处理可见光图像进行处理。

技术总结
本发明涉及一种基于生物雷达的监控系统，包括感知系统、数据处理模块、数据分析模块和预警系统；所述生物雷达三根发射和四根接收的天线；所述数据分析模块结合预处理的数据对方向分析和速度估计，通过目标的坐标进行对比对跌倒进行测试，得出跌倒判定，在通过所述预警系统进行报警，采用以上结构后，本发明具有如下优点：本系统与常用的加速度传感器和摄像头相比，基于生物雷达的跌倒检测系统具有非接触式，全天候工作和隐私友好等优点。本系统可以准确地测量出室内人员的高度变化，并快速地检测出跌倒的发生。本系统具有反应快，准确度高，误报率低的特点，能广泛应用于浴室、卧室和养老院等室内场景的老年人跌掉检测。老院等室内场景的老年人跌掉检测。老院等室内场景的老年人跌掉检测。


技术研发人员：高军峰
受保护的技术使用者：苏州雷佳达健康科技有限公司
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/8/13