一种毫米波雷达微多普勒侧带保真处理方法及系统与流程

本发明涉及毫米波雷达探测与雷达回波信号处理，尤其涉及一种毫米波雷达微多普勒侧带保真处理方法及系统。

背景技术：

1、调频连续波毫米波雷达能够通过发射线性调频连续波并接收目标及环境形成的回波信号，获得目标相对于雷达的距离信息和径向速度信息，可应用于室内人体动作感知、姿态监测及跌倒检测等场景。现有毫米波雷达信号处理方法通常对采集的原始回波数据进行距离维傅里叶变换和多普勒维傅里叶变换，以生成按照时间帧排列的距离－多普勒rd序列，再采用帧间相减、背景估计消除、恒虚警检测或阈值滤波等方式抑制静态背景成分，并根据处理后的多普勒频谱或时频特征进行人体动作分析。

2、例如，授权公告号为cn114814775b的中国发明专利公开了一种基于resnet网络的雷达跌倒检测方法。所述基于resnet网络的雷达跌倒检测方法将雷达采集的数据按照时间顺序重构为距离维、多普勒维和时间维的三维数据，对距离维和多普勒维分别进行加窗及傅里叶变换，得到各时间帧对应的距离－多普勒rd频谱；将当前时间帧的距离－多普勒rd频谱与前一时间帧的距离－多普勒rd频谱相减，得到去静态距离－多普勒rd频谱；随后对所述去静态距离－多普勒rd频谱进行绝对值归一化，并将各时间帧的数据沿距离维合并后进行阈值滤波，对超过阈值范围的数据予以保留，对低于阈值范围的数据予以滤除，再将处理结果重构为用于跌倒检测的多普勒时间图像。

3、在实际室内应用环境中，墙体、金属柜、实验台及其他固定物体会形成稳定散射和多径反射，所形成的背景回波通常集中在零多普勒或低速多普勒附近。与此同时，人体下蹲、缓慢移动或小幅摆动等动作产生的低速主体运动成分也可能分布在靠近零多普勒的区域；人体四肢局部运动产生的微多普勒侧带通常具有持续时间较短、rd单元值较低且分布于主体运动多普勒成分外侧的特点。不同物理来源的回波成分可能在距离－多普勒rd序列中发生位置重叠或能量混叠。

4、采用相邻时间帧相减、背景估计消除或阈值滤波对距离－多普勒rd序列进行处理时，通常依据帧间差值、背景估计值或信号强度阈值对相应频谱成分进行筛选。当背景抑制程度较大或滤波阈值较高时，靠近零多普勒的低速主体运动成分以及rd单元值较低的微多普勒侧带可能与稳定背景成分一并被削弱或滤除；当背景抑制程度较小或滤波阈值较低时，稳定散射和多径反射产生的背景回波又可能在处理后的距离－多普勒rd序列中残留。因此，现有处理方式难以同时兼顾稳定静态及多径背景的抑制与低速主体运动成分、弱微多普勒侧带的保留。

5、此外，恒虚警检测、能量峰值检测和距离峰值连续性检测能够用于确定人体目标所在的距离－多普勒区域或动作发生的候选时间范围，但人体目标感兴趣区域内部仍可能同时包含稳定静态及多径背景、低速主体运动成分和弱微多普勒侧带。仅根据目标检测结果对人体目标感兴趣区域内的频谱成分实施背景抑制，仍难以根据不同rd单元对应回波成分的运动状态和时间变化特征确定相应的背景抑制程度，容易造成有效人体动态回波被误抑制。

6、因此，现有技术需要解决的主要技术问题是：如何在室内稳定散射和多径反射干扰下，对调频连续波毫米波雷达的距离－多普勒rd序列进行背景抑制时，降低低速主体运动成分和弱微多普勒侧带被误抑制或滤除的程度。

技术实现思路

1、为了解决前述技术问题，本发明的目的在于提供一种毫米波雷达微多普勒侧带保真处理方法及系统。本发明通过在人体目标感兴趣区域和动作候选时间窗内将rd单元划分为零多普勒静态及多径区、主体运动区和微多普勒侧带区，根据背景散射估计、时间稳定度和能量变化率生成静态背景可信度门控图，利用针对弱微多普勒侧带或低速主体运动生成的微多普勒侧带保真因子反向调制所述静态背景可信度门控图，并结合非负动态残差、处理后rd单元值最低保留约束或有效门控值上限约束，以兼顾稳定静态及多径背景的抑制与低速主体运动成分、弱微多普勒侧带的保留。

2、本发明公开了一种毫米波雷达微多普勒侧带保真处理方法，包括：

3、采集调频连续波毫米波雷达的原始回波数据并生成距离－多普勒rd序列；

4、根据距离－多普勒rd序列确定人体目标感兴趣区域和动作候选时间窗，计算对应rd单元的时间稳定度和能量变化率；

5、依据多普勒频率、时间稳定度和能量变化率，将rd单元划分为零多普勒静态及多径区、主体运动区和微多普勒侧带区；

6、由零多普勒静态及多径区生成背景散射估计，结合背景散射估计、时间稳定度和能量变化率生成静态背景可信度门控图；

7、依据微多普勒侧带区内rd单元的短时能量增强、正负速度响应交替、多普勒扩展宽度及与动作候选时间窗的同步关系中的至少一种，或依据主体运动区内rd单元的径向速度及连续出现状态，生成微多普勒侧带保真因子；

8、以微多普勒侧带保真因子反向调制静态背景可信度门控图，得到有效门控图；

9、以有效门控图对距离－多普勒rd序列进行背景抑制，得到背景抑制序列，生成距离－多普勒rd序列相对于背景散射估计的非负动态残差，组合背景抑制序列与非负动态残差，得到候选输出序列；

10、对微多普勒侧带保真因子达到保真保护阈值的rd单元执行处理后rd单元值最低保留约束或有效门控值上限约束，输出动态微多普勒rd特征。

11、优选地，原始回波数据包括按照时间帧采集的多接收通道复数采样数据，生成距离－多普勒rd序列包括：

12、按照时间帧序号、线性调频脉冲序号、采样点序号和接收通道序号，对多接收通道复数采样数据进行重排；

13、在采样点序号维对重排后的多接收通道复数采样数据执行距离维傅里叶变换，在线性调频脉冲序号维执行多普勒维傅里叶变换；

14、对多普勒维变换结果执行频谱中心化处理，使零多普勒单元位于多普勒维中心，并根据频谱中心化处理结果的幅值、功率或对数幅值中的一种生成非负线性幅值，对非负线性幅值进行归一化，将归一化结果作为距离－多普勒rd序列中各rd单元的处理前rd单元值。

15、优选地：

16、人体目标感兴趣区域根据恒虚警检测结果、距离维能量峰值和距离峰值连续性中的至少一种确定；

17、动作候选时间窗根据人体目标感兴趣区域内的能量变化、距离峰值连续时间和多普勒扩展宽度变化中的至少一种确定；

18、零多普勒静态及多径区根据rd单元位于零多普勒邻域、时间稳定度不小于稳定度阈值以及能量变化率不大于变化率阈值中的至少两项确定；

19、主体运动区根据距离峰值连续性、径向速度位于预设主体运动速度区间以及主体能量峰值持续时间不小于主体持续时间阈值中的至少一项确定；

20、微多普勒侧带区位于主体运动区沿正多普勒方向和负多普勒方向的外侧，并根据短时能量增量不小于能量增量阈值、多普勒扩展宽度增量不小于宽度增量阈值、正负速度响应交替以及对应响应时间区间与动作候选时间窗重叠中的至少两项确定。

21、优选地，生成背景散射估计、时间稳定度和能量变化率包括：

22、沿时间帧方向对零多普勒静态及多径区内各rd单元的rd单元值进行均值计算、中值计算或滑动估计，得到背景散射估计；

23、根据滑动时间窗内各rd单元的rd单元值的方差或变异系数，得到时间稳定度；

24、根据相邻时间帧之间的rd单元值之差、滑动时间窗内的短时能量差或归一化能量变化量，得到能量变化率。

25、优选地，静态背景可信度门控图中各rd单元的静态背景可信度门控值按照下式确定：

26、

27、其中，表示多普勒单元和距离单元对应的静态背景可信度门控值，表示多普勒单元，表示距离单元，表示背景散射估计的归一化值，表示时间稳定度的归一化值，表示能量变化率的归一化值，表示背景散射估计对应的非负门控权重，表示时间稳定度对应的非负门控权重，表示能量变化率对应的非负门控权重。

28、优选地，生成微多普勒侧带保真因子包括：

29、对于微多普勒侧带区内的rd单元，按照下式确定侧带保真评分：

30、

31、其中，表示时间帧、多普勒单元和距离单元对应的侧带保真评分，表示时间帧，表示多普勒单元，表示距离单元，表示短时能量增强评分，表示正负速度响应交替评分，表示多普勒扩展宽度评分，表示与动作候选时间窗的同步评分，、、和的取值均位于0至1之间，表示短时能量增强评分对应的非负保真权重，表示正负速度响应交替评分对应的非负保真权重，表示多普勒扩展宽度评分对应的非负保真权重，表示同步评分对应的非负保真权重，且、、和中的至少一个大于0；

32、对于微多普勒侧带区以外的rd单元，将侧带保真评分设置为零；

33、将主体运动区内同时满足下列条件的rd单元确定为满足低速运动保护条件：径向速度绝对值不大于低速径向速度阈值，并且距离峰值连续帧数不小于连续帧数阈值或者主体能量峰值持续时间不小于持续时间阈值；

34、对于满足低速运动保护条件的rd单元，将低速运动保护标记设置为1，对于不满足低速运动保护条件的rd单元，将低速运动保护标记设置为0；

35、按照下式确定微多普勒侧带保真因子：

36、

37、其中，表示时间帧、多普勒单元和距离单元对应的微多普勒侧带保真因子，表示时间帧，表示多普勒单元，表示距离单元，表示侧带保真评分，表示低速运动保护权重且，表示低速运动保护标记。

38、优选地，有效门控图中各rd单元的有效门控值按照下列任一计算式确定：

39、

40、或者，

41、

42、其中，表示时间帧、多普勒单元和距离单元对应的有效门控值，表示时间帧，表示多普勒单元，表示距离单元，表示静态背景可信度门控值，表示微多普勒侧带保真因子，表示侧带保真调制系数，且。

43、优选地，生成非负动态残差并执行处理后rd单元值最低保留约束或有效门控值上限约束包括：

44、按照下式确定非负动态残差：

45、

46、其中，表示时间帧、多普勒单元和距离单元对应的非负动态残差，表示时间帧，表示多普勒单元，表示距离单元，表示距离－多普勒rd序列中的处理前rd单元值，表示背景散射估计；

47、按照下式确定候选输出序列中各rd单元的候选输出值：

48、

49、其中，表示时间帧、多普勒单元和距离单元对应的候选输出值，表示处理前rd单元值，表示有效门控值，表示非负动态残差，表示非负动态残差增强系数且；

50、对于微多普勒侧带保真因子达到保真保护阈值的rd单元，采用下列任一方式确定处理后rd单元值，其中，表示微多普勒侧带保真因子，表示保真保护阈值且：

51、按照下式执行处理后rd单元值最低保留约束：

52、

53、其中，表示时间帧、多普勒单元和距离单元对应的处理后rd单元值，表示候选输出值，表示最低保留比例且，表示处理前rd单元值；

54、或者，按照下式确定上限约束门控值：

55、

56、其中，表示时间帧、多普勒单元和距离单元对应的上限约束门控值，表示有效门控值，表示有效门控值上限且；

57、并按照下式确定处理后rd单元值：

58、

59、其中，表示处理后rd单元值，表示处理前rd单元值，表示上限约束门控值，表示非负动态残差增强系数，表示非负动态残差；

60、对于微多普勒侧带保真因子低于保真保护阈值的rd单元，按照下式确定处理后rd单元值：

61、

62、其中，表示处理后rd单元值，表示候选输出值。

63、优选地：

64、对每一rd单元，统计动作候选时间窗内微多普勒侧带保真因子连续达到保真保护阈值的时间帧数量；

65、当时间帧数量不小于连续保护帧数阈值时，生成对应rd单元的时间连续性保护标记，并在时间连续性保护标记对应的连续时间帧内，持续执行处理后rd单元值最低保留约束或有效门控值上限约束；

66、动态微多普勒rd特征包括按时间帧排列的处理后rd单元值，以及零多普勒静态及多径区的分区标记、主体运动区的分区标记、微多普勒侧带区的分区标记、静态背景可信度门控图、有效门控图、微多普勒侧带保真因子和时间连续性保护标记中的至少一种。

67、有鉴于此，本发明还提供一种毫米波雷达微多普勒侧带保真处理系统，包括调频连续波毫米波雷达收发组件以及与调频连续波毫米波雷达收发组件连接的雷达信号处理器，雷达信号处理器包括：

68、距离－多普勒rd序列生成模块，用于获取调频连续波毫米波雷达收发组件接收的原始回波数据，对原始回波数据进行距离维傅里叶变换和多普勒维傅里叶变换，生成距离－多普勒rd序列；

69、目标区域定位模块，用于根据距离－多普勒rd序列确定人体目标感兴趣区域和动作候选时间窗；

70、多普勒物理语义分区模块，用于在人体目标感兴趣区域和动作候选时间窗内计算各rd单元的时间稳定度和能量变化率，并依据多普勒频率、时间稳定度和能量变化率，将rd单元划分为零多普勒静态及多径区、主体运动区和微多普勒侧带区；

71、静态背景可信度门控模块，用于根据零多普勒静态及多径区生成背景散射估计，并根据背景散射估计、时间稳定度和能量变化率生成静态背景可信度门控图；

72、微多普勒侧带保真因子生成模块，用于根据微多普勒侧带区内rd单元的短时能量增强、正负速度响应交替、多普勒扩展宽度及与动作候选时间窗的同步关系中的至少一种，或者根据主体运动区内rd单元的径向速度及连续出现状态，生成微多普勒侧带保真因子；

73、有效门控调制模块，用于利用微多普勒侧带保真因子反向调制静态背景可信度门控图，得到有效门控图；

74、动态残差处理模块，用于根据有效门控图对距离－多普勒rd序列执行背景抑制，得到背景抑制序列，生成距离－多普勒rd序列相对于背景散射估计的非负动态残差，并将背景抑制序列与非负动态残差组合，得到候选输出序列；

75、侧带保真处理模块，用于对微多普勒侧带保真因子达到保真保护阈值的rd单元执行处理后rd单元值最低保留约束或有效门控值上限约束；

76、动态特征输出模块，用于根据经侧带保真处理模块处理后的rd单元值生成动态微多普勒rd特征。

77、采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

78、1.本发明在人体目标感兴趣区域和动作候选时间窗内对rd单元进行多普勒物理语义分区，根据背景散射估计、时间稳定度和能量变化率生成静态背景可信度门控图，并利用微多普勒侧带保真因子对所述静态背景可信度门控图进行反向调制，从而针对稳定静态及多径背景、低速主体运动和弱微多普勒侧带施加不同的处理强度，降低采用统一门控或统一阈值时有效人体动态回波被误抑制的概率。

79、2.本发明根据短时能量增强、正负速度响应交替、多普勒扩展宽度以及与动作候选时间窗的同步关系生成微多普勒侧带保真因子，并结合处理后rd单元值最低保留约束，对满足保真保护条件的弱微多普勒侧带限制最大衰减程度。在本实施例的拍手动作测试中，微多普勒侧带保留指标由未采用微多普勒侧带保真保护时的0.490提高至0.655。

80、3.本发明根据主体运动区内rd单元的径向速度、距离峰值连续状态及主体能量峰值持续状态生成低速运动保护标记，并将所述低速运动保护标记并入微多普勒侧带保真因子，以降低靠近零多普勒的低速主体运动成分所受到的背景抑制强度。在本实施例的下蹲动作测试中，低速主体运动保留指标由未采用低速运动保护时的0.25提高至0.87。

81、4.本发明在根据有效门控图进行背景抑制的基础上，将处理前rd单元值与背景散射估计之间的非负差值作为非负动态残差，并将所述非负动态残差与背景抑制序列组合，使相对于背景基准增加的有效动态分量得到补充，避免负差值对人体动态回波产生反向抵消。

82、5.本发明输出的动态微多普勒rd特征除可以包括处理后rd单元值外，还可以包括零多普勒静态及多径区、主体运动区和微多普勒侧带区的分区标记、静态背景可信度门控图、有效门控图、微多普勒侧带保真因子及时间连续性保护标记，从而保留各rd单元的物理语义和处理状态，便于后续特征识别、特征学习、行为识别及结果可视化。