劉文奎 馬駿驍 傅海鵬

（1. 天津大學(xué)微電子學(xué)院，天津 300072；2. 中國空間技術(shù)研究院，北京 100081）

引 言

生命體征探測一直是實時監(jiān)測的研究熱點，諸如醫(yī)療監(jiān)護、輔助駕駛等[1-3]. 其中監(jiān)測生命體的呼吸和心跳信息能夠反應(yīng)生命體的健康狀況[4-5].目前，接觸式生命體征探測由于其高檢測精度被廣泛使用. 然而，由于容易受到設(shè)備和電極影響，接觸式生命體征探測的發(fā)展受到限制[6]；非接觸式生命體征探測，尤其是基于多普勒雷達的生命體征探測，因其在獲得生命體征信息方面具有獨特的優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用. 其不需要電極且設(shè)備不需要直接接觸生命體，不易受外界環(huán)境的干擾，且可以檢測到生命體的微小運動. 目前，許多提高檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的實驗方案被提出，例如，為了消除檢測過程中出現(xiàn)的探測零點問題，文獻[1]提出了一種正交結(jié)構(gòu)的雷達系統(tǒng)，但存在I/Q幅度和相位的不平衡問題，需要添加額外的I/Q補償模塊. 文獻[7-8]提出了一種具有信道選擇的正交雷達結(jié)構(gòu)來避免探測零點問題，但是該結(jié)構(gòu)僅限制于單信道精度.文獻[9]提出了一種雙邊帶傳輸外差結(jié)構(gòu)，以消除在傳統(tǒng)的外差結(jié)構(gòu)中對正交本振(local oscillator,LO)信號和若干濾波的需求，但是惡化了探測零點問題.

本文提出了一種基于多普勒雷達的新型并發(fā)雙頻段混合下變頻生命體征探測系統(tǒng)，其具有兩個不同載波頻率的傳感器用于探測生命體征以避免探測零點問題. 與傳統(tǒng)的多普勒雷達生命體征探測系統(tǒng)相比，該結(jié)構(gòu)可以降低直流偏移和1/f噪聲，且沒有鏡像干擾，同時避免了采用正交結(jié)構(gòu)雷達接收機帶來的I/Q不平衡問題，提高了探測精度，并可以節(jié)省成本. 另外，雙頻段雙通道的探測結(jié)果之間可以相互驗證，因此可以保證探測結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 探測零點

圖1為單頻段單通道連續(xù)波(continuous wave,CW)多普勒雷達的基本原理結(jié)構(gòu).

圖1 CW多普勒雷達基本原理框圖Fig. 1 Basic block diagram of continuous wave Doppler radar

如圖1所示，對于CW雷達探測系統(tǒng)而言，其發(fā)射信號可以表示為T(t)=cos(2πft+φ(t))，其中f為載波頻率，φ(t)為振蕩器的相位噪聲.L0為探測距離，x(t)為心肺移動的距離. 當(dāng)檢測生命體征信號時，生命體征的信息將會被調(diào)制到載波信號中，則此時所得到的接收信號為R(t). 當(dāng)接收信號R(t)與本振信號進行下混頻時，就會得到一個基帶信號B(t).

式中：λ為信號波長；初始相位θ=4πL0/λ+θ0，θ0為反射面上的相移；Δφ(t)為剩余相位噪聲. 文獻[10]表明近距離探測，由于距離的相關(guān)性影響，Δφ(t)的影響可以忽略.

當(dāng)θ是π/2的奇數(shù)倍且胸腔位移x(t)遠小于信號波長λ時，基帶輸出可以近似為

可以看出，基帶輸出與心肺活動的位移成正比.

如果θ是π/2的偶數(shù)倍且胸腔位移x(t)遠小于信號波長λ時，基帶輸出可以近似為

可以看出，基帶的輸出存在零點，并且這個零點的出現(xiàn)是當(dāng)本振信號與接收信號同相或者反相時. 從前面的推導(dǎo)中可以看出探測零點與θ取值有關(guān)，當(dāng)θ等于kπ (k為自然數(shù))，即出現(xiàn)探測零點時，經(jīng)過化簡，此時目標(biāo)的探測距離L0與信號的波長λ相關(guān)：

當(dāng)探測距離為λ/4時，探測零點就會出現(xiàn)，導(dǎo)致解調(diào)信號不良，嚴(yán)重影響探測的精確度. 為消除探測零點的影響，本文提出雙頻段的檢測方式，頻率分別為f1(2.05 GHz)和f2(1.64 GHz). 由式(5)可知，其探測零點分別出現(xiàn)在約3.7kcm和4.6kcm處.

對于生命體征信號而言，心肺移動的距離可以簡化為單頻段正弦信號，即x(t)=sin(wvt)，忽略生命體征信號的幅度時，wv為生命體征信號的頻率.將x(t)帶入式(2)中，可得

根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)，式(6)可以改寫為

式(7)是單路基帶信號分解的情況，可以看出，初始相位θ存在于基帶信號的奇偶次諧波分量中，影響著探測系統(tǒng)的零極點條件，進而影響心跳檢測的準(zhǔn)確度.

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

雙頻段多普勒雷達探測系統(tǒng)的工作頻率為f1和f2，如果當(dāng)其中的一路載波信號處于其自身的λ/4距離時，則解調(diào)不出有用的呼吸和心跳信息；而此時另一路載波信號并非處于自身的λ/4距離，則可以獲得有用的生命體征信息. 如圖2所示是本文提出的雙頻段多普勒雷達結(jié)構(gòu)圖. 系統(tǒng)工作的兩個頻率分別由兩個獨立的鎖相環(huán)芯片產(chǎn)生. 在距離生命體L0處同時發(fā)射兩個載波信號，當(dāng)?shù)竭_生命體時，兩個載波信號將由呼吸和心跳引起的胸腔位移x(t)進行相位調(diào)制. 攜有調(diào)制信息的回波信號被接收后，經(jīng)過放大、混頻、濾波后得到基帶信號.

圖2 雙頻段多普勒雷達結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 The structure of dual-band Doppler radar

本設(shè)計采用雙頻段是為了解決探測零點問題，從而提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性. 因此，為了驗證方案的可行性，提出了如圖2所示的并發(fā)雙頻段混合下變頻收發(fā)機結(jié)構(gòu). 由理論分析可知，在λ/4探測距離時，單頻段單通道檢測會導(dǎo)致探測零點的產(chǎn)生；但是如果采用雙頻段雙通道檢測，則能夠避免探測零點的影響. 此外，在非λ/4探測距離時，理論上，雙通道是可以獲得相同的測試結(jié)果，并且兩個檢測結(jié)果之間可以相互驗證以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性.

頻譜規(guī)劃對收發(fā)機而言是非常重要的，尤其是接收機需要同時處理兩路回波信號的情況. 針對提出的接收機結(jié)構(gòu)，考慮接收機第一次混頻的結(jié)果和第二次混頻的要求以及兩路載波信號之間的三階互調(diào)情況，得到兩路載波信號頻率之間的關(guān)系式：

根據(jù)式(8)，并結(jié)合雙頻段功率放大器的頻段范圍以及各頻率點的功率放大情況，得出兩個載波信號之間的關(guān)系為f1=5/4(f2)，進而確定載波信號f1和f2的頻率分別為2.05 GHz和1.64 GHz.

發(fā)射機模塊由鎖相環(huán)、功率分配器、功率合成器、雙頻段功率放大器和發(fā)射天線構(gòu)成. 兩個獨立的鎖相環(huán)分別產(chǎn)生固定頻率為f1和f2的載波信號，同時兩個鎖相環(huán)芯片共享一個晶振. 在實際設(shè)計電路印刷電路板(printed circuit board, PCB)布線時，晶振的信號輸出端到兩個鎖相環(huán)芯片參考信號輸入端的走線長度要相等，以避免信號的傳輸延遲. 功率分配器的作用是將產(chǎn)生的載波信號分成兩路頻率相同、功率減半的載波信號，其中一路用作發(fā)射機的發(fā)射信號，另一路用作接收機的本振信號. 功率合成器將由兩個功率分配器產(chǎn)生的兩路發(fā)射信號合成一路，然后經(jīng)過一個雙頻段功率放大器進行功率放大，最后由發(fā)射天線進行發(fā)射.

接收機模塊由接收天線、低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、低通濾波器和帶通濾波器構(gòu)成.

由圖2可知，兩個回波信號同時被處理，載波頻率為f1的回波信號經(jīng)過了一次直接下變頻，載波頻率為f2的回波信號則經(jīng)過了兩次下變頻. 選擇低噪聲放大器時，要注意其噪聲系數(shù)、輸出功率和線性度等. 接收機的噪聲系數(shù)主要取決于接收機前端的低噪聲放大器模塊，所以選擇時需注意噪聲系數(shù)的大小. 當(dāng)兩個回波信號同時進入混頻器1中進行第一次下變頻后，將會獲得兩個主要信號（基帶信號I1和中頻信號）. 為了滿足后續(xù)對基帶信號的處理和二次混頻的需求，需選擇一款同時對基帶信號和中頻信號具有放大功能的中頻放大器. 經(jīng)過中頻放大器后，一路信號經(jīng)過低通濾波器1之后得到基帶信號I1，另一路信號通過帶通濾波器2后，再進入混頻器2中與本振信號2進行第二次下變頻，經(jīng)過低通濾波器2濾除高頻干擾后得到基帶信號I2. 用數(shù)據(jù)采集卡直接對基帶信號I1和I2進行采集，最后在MATLAB中進行數(shù)據(jù)處理，將會解調(diào)出呼吸和心跳信息.

2 仿真及特性分析

2.1 ADS仿真參數(shù)設(shè)置

為驗證所提出的并發(fā)雙頻段混合下變頻結(jié)構(gòu)的可行性，在ADS中按照圖2進行系統(tǒng)搭建. 由于ADS中相位調(diào)制模塊只能調(diào)制一個信號，無法同時給兩路信號進行調(diào)制，因此兩個發(fā)射信號需分別進行相位調(diào)制.

在ADS中，呼吸和心跳信息分別由兩對正弦信號SRC4與SRC6，SRC3與SRC5進行模擬，公式中的θ用移相器來模擬. 根據(jù)呼吸和心跳的幅度范圍，呼吸的幅度mr設(shè)為0.8 mm[11-12]，頻率為0.35 Hz；心跳的幅度mh設(shè)置為0.16 mm[13-14]，頻率為1.2 Hz.兩個載波頻率分別為2.05 GHz和1.64 GHz，第一次混頻時的本振信號為2.05 GHz，第二次混頻時的本振信號為1.64 GHz的1/4，即410 MHz.

為了能更準(zhǔn)確地驗證所提結(jié)構(gòu)的可行性，其中仿真系統(tǒng)中各仿真模塊的參數(shù)均是根據(jù)所選元器件的參數(shù)指標(biāo)設(shè)置的. 表1是擬選擇的系統(tǒng)架構(gòu)中器件參數(shù)列表.

圖3是根據(jù)表1所示的元器件模塊參數(shù)在ADS中搭建的系統(tǒng)仿真圖.

圖3 ADS系統(tǒng)仿真圖Fig. 3 System simulation diagram in ADS

表1 電路系統(tǒng)擬用元器件參數(shù)Tab. 1 The intended component list of circuit system

2.2 仿真結(jié)果分析

由前面的理論分析可知，對于一個探測信號而言，當(dāng)其回波信號與本振信號的相位是同相或者180°時，就會有探測零點的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)換成探測距離后，即目標(biāo)物距離雷達每λ/4探測距離就會出現(xiàn)探測零點. 根據(jù)公式 θ?4πL0/λ可以將λ/4探測距離轉(zhuǎn)換為回波信號與本振信號之間的相位差，即可以通過改變相位模塊來仿真實測距離情況.

2.2.1 2.05 GHz的λ1/4距離仿真實驗

當(dāng)f1=2.05 GHz的載波信號處在λ1/4距離處時，即本振信號與回波信號相位相同或者均為180°時，對于f2=1.64 GHz的信號而言，其本振信號與回波信號的相位為300°或者150°，仿真結(jié)果如圖4所示.

由仿真結(jié)果可知：針對通道I1，此時為盲點，解調(diào)不出有效的生命體征信息；通道I2為最優(yōu)點，可以得到有效的生命體征信息.

圖4 2.05 GHz載波信號在λ1/4距離處兩個通道的仿真結(jié)果Fig. 4 Simulation results of two channels at λ1/4 distance with 2.05 GHz carrier signal

2.2.2 1.64 GHz的λ2/4距離仿真實驗

當(dāng)f2=1.64 GHz的載波信號處在λ2/4距離處時，即本振信號與回波信號相位相同或者均為180°時，對于f1=2.05 GHz的信號而言，其本振信號與回波信號的相位為72°或者216°，仿真結(jié)果如圖5所示.

由圖5的仿真結(jié)果可知：通道I1為最優(yōu)點，能夠解調(diào)出有效的生命體征信息；通道I2為盲點，解調(diào)不出有效的生命體征信息.

圖5 1.64 GHz載波信號在λ2/4距離處兩個通道的仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation results of two channels at λ2/4 distance with 1.64 GHz carrier signal

上述兩個仿真實驗表明，提出的并發(fā)雙頻段混合下變頻收發(fā)機結(jié)構(gòu)能夠有效避免探測零點的影響，當(dāng)探測系統(tǒng)處于λ/4距離時能夠正常工作. 仿真結(jié)果證明，所提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有更好的性能.

2.2.3 非λ/4距離仿真實驗

此次實驗是為了驗證當(dāng)探測距離均不處于兩個載波信號的λ/4距離處時該系統(tǒng)的探測情況. 在ADS中對f1=2.05 GHz信號設(shè)置其回波信號與本振信號的相位為90°，此時f2=1.64 GHz信號的本振信號和回波信號的相位為75°，圖6是仿真結(jié)果.

由圖6的仿真結(jié)果可知，兩個載波信號均不在其λ/4距離處時，兩個探測信號均能得到有效的呼吸和心跳信息. 此時，通道I1和I2處于最優(yōu)點和盲點之間，因此兩路所得結(jié)果一致，表明該系統(tǒng)處于非λ/4距離時，得到的兩個探測結(jié)果之間可以相互驗證，從而保證探測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性.

圖6 非λ/4距離處兩個通道的仿真結(jié)果Fig. 6 Simulation results of two channels when the detection signal is not at a distance of λ/4

本文是通過改變θ值來進行模擬仿真的，但實際θ值與理論θ值是有偏差的. 由式(7)可知，當(dāng)出現(xiàn)偏差Δθ時，通過三角變換，影響的是基帶信號的幅值大小，并且在ADS中進行了仿真驗證. 如果θ偏差在10°內(nèi)，則基帶信號的幅值變化在3.5%以內(nèi)，對心肺信息的提取沒有影響，因此方法是可靠的.

3 結(jié) 論

本文針對基于多普勒雷達的生命體征探測系統(tǒng)中的探測零點問題進行了分析，并提出了一種新型的并發(fā)雙頻段混合下變頻結(jié)構(gòu)的收發(fā)機系統(tǒng).為驗證所提出系統(tǒng)的可行性，在ADS中進行了仿真驗證，通過三個仿真實驗證實了該系統(tǒng)在解決探測零點問題的可行性，同時也表明了該系統(tǒng)雙頻段雙通道檢測結(jié)果之間可以相互驗證，從而可以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性. 后面將通過具體的實驗來驗證所提系統(tǒng)的可行性，并進一步向集成的生命體征雷達探測芯片方向發(fā)展.