基于多普勒雷達(dá)的非接觸式生命體征檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、微波多普勒雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)非接觸的生命體征檢測(cè)。用電磁波探測(cè)人體目標(biāo)時(shí)，由于人體心肺活動(dòng)，回波信號(hào)將發(fā)生多普勒效應(yīng)，運(yùn)用一定的信號(hào)處理方法，可提取出與心肺相關(guān)的生命體征信息?；诙嗥绽绽走_(dá)的生命體征檢測(cè)具有非接觸、穿透性等優(yōu)點(diǎn)，有潛力應(yīng)用于日常健康監(jiān)測(cè)、特殊人群監(jiān)護(hù)、醫(yī)療診斷、災(zāi)難救援及安防等領(lǐng)域。
　　生物雷達(dá)方面的研究主要包括傳感器系統(tǒng)研究和信號(hào)處理方法研究?jī)蓚€(gè)方面。前者通過(guò)改善雷達(dá)天線和收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)、采用先進(jìn)工藝和集成技術(shù)提高雷達(dá)信

2、號(hào)質(zhì)量，抑制噪聲;后者的目標(biāo)在于運(yùn)用算法從雷達(dá)信號(hào)中準(zhǔn)確提取生命體征指標(biāo)。目前，基于多普勒雷達(dá)的生命體征檢測(cè)研究中存在一些問(wèn)題需要解決，例如需要提高雷達(dá)系統(tǒng)的信噪比和抗干擾能力、線性地還原心肺活動(dòng)信息、實(shí)時(shí)處理雷達(dá)信號(hào)并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、從受到較強(qiáng)干擾的信號(hào)中提取心肺活動(dòng)的時(shí)域信息等等。本文主要面向家庭和醫(yī)療場(chǎng)所的健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，圍繞上述問(wèn)題展開(kāi)研究，主要工作、成果和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下:
　　(1)多普勒生物雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方案、信號(hào)鏈路與噪聲分

3、析。根據(jù)多普勒雷達(dá)原理和生命體征檢測(cè)的應(yīng)用需求，確定了生物雷達(dá)的工作模式、工作頻率和收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu);研究了雷達(dá)收發(fā)機(jī)鏈路的多項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，為數(shù)米范圍內(nèi)的體征檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)提供了依據(jù);結(jié)合雷達(dá)的噪聲模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定信噪比與檢測(cè)距離、目標(biāo)位移的關(guān)系，對(duì)實(shí)際噪聲的來(lái)源進(jìn)行了定位。這些方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)生物雷達(dá)的整體設(shè)計(jì)具有普遍意義。
　　(2)多普勒雷達(dá)傳感器的研制。研制工作包括微帶貼片天線、射頻收發(fā)電路、模擬信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集、人體振動(dòng)信號(hào)

4、的解調(diào)校準(zhǔn)。為了能夠真實(shí)還原人體目標(biāo)的微動(dòng)位移信息，采取了以下措施:采用24位ADC配合過(guò)采樣技術(shù)滿足動(dòng)態(tài)范圍和分辨率的要求;通過(guò)基于中心估計(jì)的校準(zhǔn)算法區(qū)分目標(biāo)的直流信息和系統(tǒng)、環(huán)境所產(chǎn)生的直流偏移;以正交解調(diào)的方式實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動(dòng)還原。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明本文研制的雷達(dá)傳感器可真實(shí)還原心肺活動(dòng)信息，滿足生命體征檢測(cè)的要求。
　　(3)實(shí)時(shí)心肺活動(dòng)檢測(cè)方法研究。該研究主要面向日常生理參數(shù)監(jiān)護(hù)，特別是持續(xù)監(jiān)護(hù)的需求，強(qiáng)調(diào)軟硬件的實(shí)時(shí)性、低功耗和

5、低成本。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算，采用了僅依賴較短時(shí)長(zhǎng)雷達(dá)信號(hào)的短時(shí)傅立葉變換(STFT)算法進(jìn)行時(shí)頻分析，通過(guò)頻譜插值提高心率和呼吸速率的分辨率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指示該實(shí)時(shí)算法對(duì)于心率測(cè)量具有7秒的延時(shí)和96％的準(zhǔn)確率，對(duì)于呼吸速率測(cè)量具有22秒的延時(shí)和接近100％的準(zhǔn)確率。
　　(4)精密生理參數(shù)提取方法研究。該研究主要針對(duì)醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的需求，側(cè)重心肺參數(shù)估計(jì)和提取的準(zhǔn)確性，并且分析心肺活動(dòng)的時(shí)域特征信息。采用連續(xù)小波變換、集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(E

6、EMD)相結(jié)合的方法進(jìn)行目標(biāo)心肺活動(dòng)信息提取，以及心率、呼吸速率、心率變異性參數(shù)估計(jì)研究。實(shí)驗(yàn)表明，雖然雷達(dá)信號(hào)受到干擾較多，但該方法測(cè)定心率、呼吸速率的準(zhǔn)確度可接近100％，并且可以有效測(cè)定基于時(shí)域信息的HRV參數(shù)。該工作發(fā)掘了生物雷達(dá)作為非接觸式檢測(cè)手段在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。
　　(5)多普勒雷達(dá)生命體征檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。搭建了多套多普勒雷達(dá)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性、便攜性和集成化等方面各有側(cè)重，分別滿足科學(xué)實(shí)驗(yàn)和家庭、醫(yī)