一種基於改進廣義s變換的人體目標運動狀態識別方法
2023-09-11 19:42:55
專利名稱：一種基於改進廣義s變換的人體目標運動狀態識別方法
技術領域：
本發明涉及一種雷達生命探測技術的人體目標運動狀態識別方法，利用改進的廣義S變換從人體運動目標雷達回波中提取微都卜勒特徵，實現對目標不同運動狀態的識別。
背景技術：
生命探測和識別技術是近代迅速發展的一項新技術，其技術類型根據傳感器的不同可以分為光學探測、聲學探測、紅外探測和雷達探測四種。光學生命探測技術利用光反射進行生命探測，通過廢墟堆積層中的空隙或專用鑽機鑽孔，深入被困人員附近，確定生命體位置和生存狀態。但是光學技術在低照度條件下成像質量低，限制了其應用。聲學生命探測技術通過檢測和分析生命體的移動、敲擊和呼叫等信號，確定生命體的位置。但在嘈雜的環境中，目標發出的聲音信號微弱，很難確定探測信號的有效性和有效信號源的位置。紅外·探測技術利用人體的紅外輻射特性與周圍環境的紅外輻射特性不同的原理，以成像的方式把生命體目標與周圍環境分開，可對黑暗、濃煙環境進行搜索，且其具有夜視功能，不過因為其缺乏穿透障礙物的能力而受到一定的限制。雷達生命探測技術根據生命體活動對雷達回波產生微都卜勒調製的原理，利用合適的信號處理技術提取生命體微動參數，實現對生命體的探測和識別。雷達生命探測技術具有穿透力強、作用距離精確、抗幹擾能力強、探測靈敏度高等優點，且不易受到溫度、溼度、光照、現場地形等因素的影響，因此，利用雷達微都卜勒進行生命探測具有廣泛的應用前景和巨大的發展潛力。目標或目標的組成部分除質心平動以外的振動、轉動和加速運動等微小運動稱為微動，微動將會對雷達回波信號產生頻率調製，生成關於目標主體的都卜勒旁瓣，這種現象稱為微都卜勒效應。人體各部分肢體的運動不同，產生的微都卜勒調製也不同。人體目標雷達回波中的微都卜勒特徵包含了目標的運動和結構等信息，有效提取微都卜勒特徵可以反演目標的相關參數，可用於目標的探測、分類和識別。目前對於人體微都卜勒特徵的提取，大多採用短時傅立葉變換(STFT)和Wigner-Villy分布(WVD)方法。STFT使用一個固定的窗函數，窗函數一旦確定了以後，其形狀就不再發生改變，STFT的解析度也就確定了。如果要改變解析度，則需要重新選擇窗函數。STFT用來分析分段平穩信號或者近似平穩信號猶可，但是對於非平穩信號，當信號變化劇烈時，要求窗函數有較高的時間解析度；而波形變化比較平緩的時刻，主要是低頻信號，則要求窗函數有較高的頻率解析度。STFT不能兼顧頻率與時間解析度的需求。WVD有著非常高的解析度，但是由於人體各部分的不同運動會對雷達信號產生不同的頻率調製，因此其雷達回波存在多個分量，WVD在分析多分量信號時有交叉項幹擾的問題。S變換是由Stockwell等人，於1996年提出的一種特殊的加窗傅立葉變換，是對短時傅立葉變換(STFT)和小波變換的擴展
發明內容
為了解決人體目標雷達回波微都卜勒提取中，短時傅立葉變換解析度低，WVD存在交叉項幹擾的問題，本發明提出一種以改進廣義S變換方法提取微都卜勒為基礎的人體目標運動狀態識別方法。本發明的技術方案是對廣義S變換進行改進，在不犧牲高頻處解析度的條件下提升了低頻處的分辨能力，並保留更多的信號能量，使之更適用於人體微都卜勒提取，利用改進的廣義S變換從回波信號中提取目標微都卜勒特徵，實現對人體目標運動狀態的識另U。其具體步驟如下步驟一基於經驗數學參數和歐拉旋轉矩陣建立人體目標行走的空間模型；步驟二 針對連續波雷達信號建立人體行走目標的雷達回波模型；步驟三對廣義S變換進行改進，並利用改進的廣義S變換對回波進行時頻分析，提取回波信號微都卜勒特徵；
步驟四由時頻譜圖判斷人體目標運動狀態(慢速行走，正常行走，快速行走)。本發明目標狀態識別的優點①利用雷達進行人體運動目標探測具有穿透力強、作用距離精確、抗幹擾能力強、探測靈敏度高等優點，且不易受到溫度、溼度、光照、現場地形等因素的影響。②利用改進的廣義S變換進行人體運動目標微都卜勒提取具有良好的時頻解析度，並且對噪聲有較強的抑制能力。③對廣義S變換進行的改進，可以在不犧牲高頻處解析度的條件下提升低頻處的分辨能力，並保留更多的信號能量，使之更適用於人體微都卜勒提取。
圖I是基於改進廣義S變換的人體目標運動狀態識別的流程圖。圖2是人體行走時的時空特性示意圖。圖3是人體、關節與參考坐標系的關係示意圖。圖3A是在參考坐標系與肩關節坐標系、射關節坐標系的關係不意圖。圖3B是在參考坐標系與散關節坐標系、膝關節坐標系的關係不意圖。圖4A是快速行走(相對速度為3)時回波微都卜勒時頻譜圖。圖4B是正常行走(相對速度為I. 2)時回波微都卜勒時頻譜圖。圖4C是慢速行走(相對速度為O. 4)時回波微都卜勒時頻譜圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。參見圖I所示，本發明的一種基於改進廣義S變換的人體目標運動狀態識別方法，該人體目標運動狀態識別方法包括有下列處理步驟步驟一基於經驗數學參數和歐拉旋轉矩陣建立人體目標行走的空間模型；步驟二 針對連續波雷達信號建立人體行走目標的雷達回波模型；步驟三對廣義S變換進行改進，並利用改進的廣義S變換對回波進行時頻分析，提取回波信號微都卜勒特徵；步驟四由時頻譜圖判斷人體目標運動狀態(慢速行走，正常行走，快速行走)。
為了實現本發明的一種基於改進廣義S變換的人體目標運動狀態識別，下面對各個部分進行詳細說明( I)建立人體行走數學模型參見圖2所示，行走周期記為DJ即A )，單腳支撐期記為Dss (即Dss =O. 248Dc+0. 143)，雙腳支撐期記為 Dds (即 Dds = O. 252DC_0. 143)，則支撐期為 Ds = Dss+2Dds。假設人體行走的速度為V (單位為米/秒)，則相對行走速度為匕=1，其中，H是
髖關節S4到踝關節S6的垂直長度，長度單位為米。在本發明中，將相對行走速度Vk > I. 3定義為快速行走狀態；將相對行走速度O. 5 < Vk < I. 3定義為正常行走狀態；將相對行走速度Vk < O. 5定義為慢速行走狀態。根據Bolic和Thalmann等人提出的經驗數學參數(參考文獻The micro-DopplerEffect in Radar. Victor C. Chen. Library of Congress Cataloging-in—Publication
Data. 2011)，人體行走的步幅及 行走周期化=，單腳支撐期Dss =
0. 248Dc+0. 143，雙腳支撐期Dds = 0. 252Dc-0. 143，行走周期內相對時間G ~~ t為行走時間。參見圖3所示，本發明依據人體的構造並以各個關節進行人體模型的表徵，則包括有肩關節S1、射關節S2、腕關節s3、fi關節S4、膝關節S5和踩關節s6。肩膀編號記為1，肩膀的寬度記為Lsh ;大臂編號記為2，大臂的長度記為Lua ;小臂編號記為3，小臂的長度記為Lla ;髖骨編號記為4,髖骨的寬度記為Lhip ;軀幹編號記為5,軀幹的長度記為Lio ;大腿編號記為6,大腿的長度記為Luij ;小腿編號記為7,小腿的長度記為L1115參見圖3、圖3A、圖3B所示，建立人體參考坐標系，以水平面為XOY面，以脊椎底端O為原點，X軸為人體行進方向，Z軸垂直於地面，Y軸垂直於X軸和Z軸，構建右手直角坐標系O-XYZ。以肩關節S1為原點，建立肩關節S1在參考坐標系O-XYZ中的肩關節坐標系
51-X1Y1Zp以肘關節S2為原點，建立肘關節S2在參考坐標系O-XYZ中的肘關節坐標系
52-X2Y2Z2。以髖關節S4為原點，建立髖關節S4在參考坐標系O-XYZ中的髖關節坐標系
54-X4Y4Z4。以膝關節S5為原點，建立膝關節S5在參考坐標系O-XYZ中的膝關節坐標系
55-X5Y5Z5。肩關節坐標系S1-X1Y1Z1到參考坐標系O-XYZ的章動角記為Θ sh (簡稱為第一章動角 9sh)。肘關節坐標系S2-X2Y2Z2到肩關節坐標系S1-X1Y1Z1的章動角記為Θ el (簡稱為第二章動角θ ε1)。髖關節坐標系S4-X4Y4Z4到參考坐標系O-XYZ的章動角記為Θ hip(簡稱為第三章動角 0hip)。膝關節坐標系S5-X5Y5Z5到髖關節坐標系S4-X4Y4Z4的章動角記為Θ kn(簡稱為第四章動角Qkn)。在本發明中，肩關節坐標系S1-X1Y1Z1是以肩關節S1為原點，X1軸為大臂2繞肩關節S1擺動的切線方向，Z1軸為沿大臂向上方向，Y1軸方向與參考坐標系相同。在本發明中，肘關節坐標系S2-X2Y2Z2是以肘關節S2為原點，X2軸為小臂3繞肘關節S2擺動的切線方向，Z2軸沿小臂向上方向，Y2軸方向與參考坐標系相同。在本發明中，髖關節坐標系S4-X4Y4Z4是以髖關節S4為原點，X4軸為大腿6繞髖關節S4擺動的切線方向，Z4軸沿大腿向上方向，Y4軸方向與參考坐標系相同。在本發明中，膝關節坐標系S5-X5Y5Z5是以膝關節S5為原點，X5軸為小腿7繞膝關節S5擺動的切線方向，Z5軸沿小腿向上方向，Y5軸方向與參考坐標系相同。在基於經驗數學參數和歐拉旋轉矩陣建立人體目標行走的空間模型的處理步驟中，人體行走關係表不為(A)人體上肢運動為繞肩關節S1和肘關節S2的前後擺動，是指大臂2與軀幹5滿足章動角第一變化曲線0sh(tR) = 3-9. 88VeXcos(2 π tE)關係，Θ sh(tE)表示行走周期內相對時間&下的第一章動角0sh的變化曲線，Vk表示相對行走速度。依據章動角第一變化曲線Θ sh(tE) = 3-9. 88VeXcos(2 tE)可得肩關節坐標系S1-X1Y1Z1到人體參考坐標系O-XYZ的歐拉旋轉矩陣為
權利要求
1.一種基於改進廣義S變換的人體目標運動狀態識別方法，其特徵在於包括有下列步驟 步驟一基於經驗數學參數和歐拉旋轉矩陣建立人體目標行走的空間模型； 步驟二 針對連續波雷達信號建立人體行走目標的雷達回波模型； 在建立人體目標雷達回波模型過程中，設雷達發射單頻連續波為S(t)=exp (j X 2 π Xf0Xt), j 表示 s (t) = exp (j X 2 π Xf0Xt)為複數形式，s (t)為雷達發射信號，f0為載波頻率，t為行走時間；則雷達回波信號在經過與發射載頻的本振信號混頻後的 雷達回波關係為
2.根據權利要求I所述的基於改進廣義S變換的人體目標運動狀態識別方法，其特徵在於相對行走速度Vk > I. 3定義為快速行走狀態；將相對行走速度O. 5 < Vk < I. 3定義為正常行走狀態；將相對行走速度Vk < O. 5定義為慢速行走狀態。
3.根據權利要求I所述的基於改進廣義S變換的人體目標運動狀態識別方法，其特徵在於基於經驗數學參數和歐拉旋轉矩陣建立人體目標行走的空間模型的處理步驟中，人體行走數學模型中採用了依據人體的構造並以各個關節進行人體模型的表徵，則包括有肩關節S1、肘關節S2、腕關節S3、髖關節S4、膝關節S5和踝關節S6。
4.根據權利要求I所述的基於改進廣義S變換的人體目標運動狀態識別方法，其特徵在於基於經驗數學參數和歐拉旋轉矩陣建立人體目標行走的空間模型的處理步驟中，人體參考坐標系的建立，以水平面為XOY面，以脊椎底端O為原點，X軸為人體行進方向，Z軸垂直於地面，Y軸垂直於X軸和Z軸，構建右手直角坐標系O-XYZ ； 以肩關節S1為原點，建立肩關節S1在參考坐標系O-XYZ中的肩關節坐標系S1-X1Y1Zp 以肘關節S2為原點，建立肘關節S2在參考坐標系O-XYZ中的肘關節坐標系s2-x2Y2z2。
以髖關節S4為原點，建立髖關節S4在參考坐標系O-XYZ中的髖關節坐標系S4-X4Y4Z4。
以膝關節S5為原點，建立膝關節S5在參考坐標系O-XYZ中的膝關節坐標系s5-x5Y5z5。
5.根據權利要求I所述的基於改進廣義S變換的人體目標運動狀態識別方法，其特徵在於在基於經驗數學參數和歐拉旋轉矩陣建立人體目標行走的空間模型的處理步驟中，人體行走關係表不為 (A)人體上肢運動為繞肩關節S1和肘關節S2的前後擺動，是指大臂2與軀幹5滿足章動角第一變化曲線Θ sh(tE) = 3-9. 88VeXcos (2 tK)關係，Θ sh(tE)表示行走周期內相對時間&下的第一章動角0sh的變化曲線，Vk表示相對行走速度。依據章動角第一變化曲線Qsh (tE) = 3-9. 88Ve X cos (2 π tE)可得肩關節歐拉旋轉矩陣
全文摘要
本發明公開一種基於改進廣義S變換的人體目標運動狀態識別方法，屬於雷達生命探測和識別技術領域。本發明首先基於經驗數學參數和歐拉旋轉矩陣建立人體目標行走的空間模型，然後建立包含微都卜勒調製的雷達回波模型，通過採用改進的廣義S變換從回波信號中提取目標微都卜勒特徵，從而實現對人體目標運動狀態的識別。識別出慢速行走、正常行走和快速行走的三種具體目標狀態。
文檔編號G01S13/52GK102928835SQ20121038084
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月9日 優先權日2012年10月9日
發明者張耀天, 常亮, 劉佳佳, 楊凡 申請人:北京航空航天大學