雷達(dá)呼吸信號檢測技術(shù)研究

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摘要:本文主要研究線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達(dá)對呼吸信號的非接觸式跟蹤技術(shù)。首先由雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻連續(xù)波,采集含有人體生命體征信息的回波信號,然后進(jìn)行濾波得到差拍信號,提取差拍信號的相位信息并進(jìn)行展開,最后使用快速傅里葉變換來計算呼吸頻率。

關(guān)鍵詞:線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)；呼吸頻率監(jiān)測；非接觸式監(jiān)測；距離跟蹤

近年來,雷達(dá)技術(shù)在生產(chǎn)、生活等各個方面給人們提供了極大地便利。相較于傳統(tǒng)接觸式的生命體征檢測方法,非接觸式雷達(dá)傳感器在災(zāi)難救援、反恐響應(yīng)和緊急搜索等日常領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。本文采用LFMCW雷達(dá)進(jìn)行人體非接觸生命體征檢測[1],LFMCW雷達(dá)功耗低,具有較高的分辨率和系統(tǒng)集成度,且其目標(biāo)信息保存在接收相位中,硬件處理相對簡單,具有不可替代的優(yōu)勢。

1調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)原理

LFMCW雷達(dá)系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、發(fā)射天線、接收天線、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等,圖1為LFMCW雷達(dá)系統(tǒng)的簡化框圖。LFMCW雷達(dá)發(fā)射由信號發(fā)生器產(chǎn)生的線性調(diào)頻連續(xù)波信號,雷達(dá)信號在遇到目標(biāo)時被反射回來。正交接收機負(fù)責(zé)捕獲回波信號并與發(fā)射信號正交混合,通過濾波器后得到差拍信號,差拍信號再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后進(jìn)行后續(xù)信號處理。

2雷達(dá)信號建模

一個LFMCW波形周期內(nèi)發(fā)射信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為(1)其中ATX是發(fā)射信號的幅度,cf是發(fā)射信號的起始頻率,(t)是相位噪聲,B是帶寬,cT是鋸齒波信號的寬度,cBT代表發(fā)射信號頻率的變化率。假設(shè)tR是胸部的運動位移,0d是雷達(dá)傳感器到人體的距離,則從胸腔到雷達(dá)的距離0tdtRx,時間延遲ctxtd2,其中c為光速。記RXA為接收信號的幅值,則接收信號的表達(dá)式為(2)回波信號和傳輸信號由兩個正交的I/Q通道混合,然后通過低通濾波器得到差拍信號tSif,差拍信號的表達(dá)式為:差拍信號中估計由呼吸引起的幅度和頻率。

3信號處理流程

人類呼吸信號檢測的系統(tǒng)過程包括三個步驟:目標(biāo)定位、相位提取、估計呼吸頻率。對差拍信號進(jìn)行采樣后,對每個線性調(diào)頻信號進(jìn)行距離FFT得到一個矢量,并將其逐行放入矩陣中,構(gòu)造出N行(即N個連續(xù)調(diào)頻波)的距離-時間矩陣M[n,m],其中n1,1MmN,M為采樣數(shù)[2];具體流程如下:(1)在原始數(shù)據(jù)矩陣的每一行上執(zhí)行一次快速傅里葉變換(FFT),得到距離-時間矩陣M[m,n];(2)確定人體目標(biāo),對目標(biāo)信號進(jìn)行相位展開,并保證相位演化的絕對值不大于π;(3)使用快速傅里葉變換計算呼吸信號頻率。

4實驗環(huán)境設(shè)置及結(jié)果

本文將使用合肥華科電子技術(shù)研究所開發(fā)的HKH-11C接觸式呼吸傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行參照。雷達(dá)系統(tǒng)使用中心頻率為25GHz,帶寬為2GHz的調(diào)頻連續(xù)波信號進(jìn)行檢測。實驗過程中,受測者坐在距離雷達(dá)1m的位置,且保持平穩(wěn)呼吸。呼吸傳感器和LFMCW雷達(dá)所得的呼吸幅頻圖如圖2所示。由圖2可知,LFMCW雷達(dá)呼吸檢測結(jié)果為24次/分,與呼吸傳感器所測得的呼吸頻率相吻合,證明了本文方法的準(zhǔn)確性。

5結(jié)論

非接觸式生命體征監(jiān)測是短程雷達(dá)的一個新興應(yīng)用,LFMCW雷達(dá)體系結(jié)構(gòu)簡單,利用基于相位測量獲得的目標(biāo)的距離歷史,解調(diào)過程大大簡化了其硬件實現(xiàn),并且能夠從回波信號準(zhǔn)確有效的提取出呼吸信號,具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)

[1]沈建飛,陳益強,谷洋.基于時頻信息融合網(wǎng)絡(luò)的非干擾呼吸檢測方法[J].高技術(shù)通訊,2020,30(10):998-1009.

[2]楊國成,余慧敏.基于區(qū)域谷值雙層EEMD方法的超寬帶雷達(dá)生命信息檢測[J].通信技術(shù),2020,53(4):860-866.

作者：劉楚妍 楊天虹 王昕宇 劉宇 單位：沈陽航空航天大學(xué)