晏宇 張麗 鄧又豪 楊森

摘要：隨著科技的發(fā)展，呼吸監(jiān)測(cè)的設(shè)備也越來(lái)越精密，也越來(lái)越被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療及日常生活方面。臨床上的呼吸、心率檢測(cè)有多種方法，如速度式呼吸測(cè)量法容積式呼吸測(cè)量法觸診式心率測(cè)量法心電心音、光電式脈搏心率測(cè)量法等.但這些檢測(cè)方法主要依靠附著于人體的接觸式傳感器電極等來(lái)獲取信息，需要直接或間接地接觸人體，由于其對(duì)檢測(cè)對(duì)象的束縛和條件限制，因而制約了其應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：呼吸頻率檢測(cè);微帶天線;毫米波傳感器;多普勒雷達(dá)

一、設(shè)計(jì)背景

本次課程設(shè)計(jì)的題目是基于微帶天線陣列的呼吸頻率檢測(cè)，呼吸頻率檢測(cè)儀在我們的生活中應(yīng)用是十分普遍的，但是加了微帶天線陣列的非接觸呼吸頻率檢測(cè)儀具有更好的輻射方向性性，也就具有更大的應(yīng)用潛力。因?yàn)殡S著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)谑芤嬗诳萍歼M(jìn)步所帶來(lái)的的便利的同時(shí)，生活節(jié)奏不斷加快，來(lái)自于內(nèi)心與外部的壞境壓力不斷增大，從而引發(fā)了各類相關(guān)疾病。而呼吸頻率的變化能反映人體生理狀況的好壞，因此呼吸頻率的監(jiān)測(cè)對(duì)于健康監(jiān)護(hù)具有重要意義。目前毫米波雷達(dá)技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，比如人體心跳呼吸頻率檢測(cè)。根據(jù)毫米波雷達(dá)的人體心跳呼吸頻率提取算法研究，證實(shí)了可以將毫米波技術(shù)落實(shí)到具體的設(shè)備上，推動(dòng)其應(yīng)用與發(fā)展。這種基于微帶天線陣列的呼吸頻率檢測(cè)儀，不僅可以在家里面使用，隨時(shí)檢測(cè)家人的呼吸情況;還可以用于醫(yī)療方面，檢測(cè)患有呼吸疾病患者的呼吸狀況。這種非接觸式的檢測(cè)儀就可以避免侵入人體，避免造成不適，可以更廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

二、設(shè)計(jì)目標(biāo)

利用微帶天線技術(shù)所具有的更好的輻射方向性與VB2xxA系列毫米波人體呼吸傳感器相結(jié)合，設(shè)計(jì)得到非接觸式的呼吸頻率檢測(cè)儀。這種檢測(cè)儀不僅能多方向接收呼吸波形，還能在大量環(huán)境和身體雜波中，提取身體起伏包含的呼吸波形，能檢測(cè)人體呼吸頻率和微動(dòng)點(diǎn)位置。然后基于呼吸波形，對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行特征提取和分析處理，以此來(lái)分析睡眠行為和質(zhì)量、監(jiān)測(cè)呼吸暫停;基于呼吸運(yùn)動(dòng)規(guī)律，監(jiān)測(cè)人體存在。

三、方案總體設(shè)計(jì)

本節(jié)主要根據(jù)所學(xué)知識(shí)和查找資料，對(duì)基于微帶天線陣列的呼吸頻率檢測(cè)儀進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，并且給出方案的硬件結(jié)構(gòu)框圖和原理圖，介紹該檢測(cè)儀的夠成基礎(chǔ)和具體能實(shí)現(xiàn)的原理。

1、方案硬件框圖

2、方案原理圖

采集原理：多普勒雷達(dá)發(fā)送一個(gè)符合該系統(tǒng)的連續(xù)波信號(hào)，接著雷達(dá)接收器接收經(jīng)過(guò)胸腔運(yùn)動(dòng)調(diào)制的正交回波信號(hào)，然后將接收到的回波信號(hào)進(jìn)行濾波、低噪聲放大、混頻以及解調(diào)等相關(guān)處理，最后借助USB轉(zhuǎn)串口的方式將接收的回波信號(hào)發(fā)送到PC端，并且在PC端利用呼吸檢測(cè)算法提取呼吸頻率，通過(guò)對(duì)頻率的分析來(lái)判定結(jié)果。采集原理：多普勒雷達(dá)發(fā)送一個(gè)符合該系統(tǒng)的連續(xù)波信號(hào)，接著雷達(dá)接收器接收經(jīng)過(guò)胸腔運(yùn)動(dòng)調(diào)制的正交回波信號(hào)，然后將接收到的回波信號(hào)進(jìn)行濾波、低噪聲放大、混頻以及解調(diào)等相關(guān)處理，最后借助USB轉(zhuǎn)串口的方式將接收的回波信號(hào)發(fā)送到PC端，并且在PC端利用呼吸檢測(cè)算法提取呼吸頻率，通過(guò)對(duì)頻率的分析來(lái)判定呼吸是否暫停。由于判斷呼吸是否暫停是根據(jù)呼吸頻率來(lái)判斷的，所以其中就會(huì)涉及到呼吸頻率的提取算法。呼吸頻率的提取算法部分主要分為信號(hào)校正、信號(hào)解調(diào)以及呼吸頻率的提取。由于幅值相位不一致及直流分量等原因在信號(hào)解調(diào)前需要對(duì)I、Q兩路進(jìn)行信號(hào)校正。校正后的I、Q信號(hào)采用胸腔運(yùn)動(dòng)速率解調(diào)的方法有效避免相位相纏問(wèn)題。最后采用加窗傅里葉變化的方法對(duì)呼吸頻率進(jìn)行提取，最終的到所需要的呼吸頻率信息。

3、方案功能

基于此方案構(gòu)成的非接觸式呼吸暫停檢測(cè)儀可以在不接觸人體的情況下來(lái)檢測(cè)呼吸頻率以及其他與呼吸有關(guān)的特征，以此來(lái)判定呼吸是否暫停等異?，F(xiàn)象。這種非接觸式呼吸暫停檢測(cè)儀與傳統(tǒng)的呼吸暫停檢測(cè)儀相比較，融合了雷達(dá)和微帶天線的技術(shù)，可以獲取最好的輻射方向性，可以檢測(cè)微弱的呼吸。

結(jié)束語(yǔ)：本實(shí)驗(yàn)研究的目的是探索一種在一定距離范圍內(nèi)、隔一定介質(zhì)（如衣服紗布等），不接觸人體，即非接觸式檢測(cè)心率、呼吸的技術(shù)理論和方法。相關(guān)研究表明，電磁波照射人體，其反射波中必然加載有人體的生理信息，人體微動(dòng)與回波幅度相位等之間具有相關(guān)性，而人體內(nèi)部的生理運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致人體表面微，本研究試圖檢測(cè)出呼吸、心跳所引起的人體表面微動(dòng)，從而進(jìn)一步提取呼吸信號(hào)。

參考文獻(xiàn)

[1]高冬冬.基于24GHz多普勒雷達(dá)的非接觸式呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[2]謬冬玉.基于連續(xù)波雷達(dá)的呼吸模式分類技術(shù)研究

[3]丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2003年

作者簡(jiǎn)介：

晏宇（1999-），女，漢，四川省攀枝花市，本科，研究方向：通信方向

張麗（1998-），女，漢，四川省綿陽(yáng)市，本科，研究方向：通信方向

鄧又豪（1998-）男，漢，四川省綿竹市，本科，研究方向：通信方向

楊森（1999-），女，漢，四川省成都市，本科，研究方向：通信方向