邰凡彬，劉 云，周 雯，杭雪蓮，錢志成，劉繼軒，王星帥，馬家駒

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,江蘇 南京211106)

隨著現(xiàn)代社會對醫(yī)療健康愈加重視，基于雷達(dá)傳感的非接觸式生命體征探測技術(shù)已成為重要的技術(shù)之一[1]。相比于傳統(tǒng)的生命信號測量方式，采用雷達(dá)傳感系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要包括：非接觸的工作方式能夠減少準(zhǔn)備時(shí)間、避免二次傷害、測量數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定、全天候工作。上述優(yōu)點(diǎn)使得雷達(dá)傳感方式可被應(yīng)用于睡眠呼吸異常監(jiān)測、地震搜救等任務(wù)中[2-3]。

目前，國內(nèi)外對雷達(dá)系統(tǒng)在非接觸式生命體征探測應(yīng)用場景中的研究[4-6]主要分為兩個(gè)方向：一是采用數(shù)字信號處理與射頻系統(tǒng)相結(jié)合的方法提升系統(tǒng)性能；二是通過對射頻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來減小干擾信號對系統(tǒng)造成的影響。

研究人員在1 150 MHz頻段采用計(jì)算機(jī)控制的零平衡方法對未調(diào)制載波進(jìn)行對消，取得了周期性的微波心動(dòng)信號[7]。若采用更高的頻段，系統(tǒng)則具有更高的靈敏度和更低的信噪比[8]。通過增加探測天線的轉(zhuǎn)向角，能夠提高檢測的準(zhǔn)確率[9]。將采用正交解調(diào)方案的系統(tǒng)的探測數(shù)據(jù)映射到I/Q星座圖中，能夠?qū)崿F(xiàn)追蹤定位的功能[10]。采用低功耗六端口雷達(dá)能夠提取人在不同姿勢下的生命體征，并能恢復(fù)出周期性時(shí)域信號[11]。在多普勒雷達(dá)中，采用鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)能夠避免小角近似問題和空探測點(diǎn)問題[12]，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

本文基于多普勒雷達(dá)原理主要研究了復(fù)信號解調(diào)技術(shù)[13]，設(shè)計(jì)了一套基于復(fù)信號解調(diào)的多普勒生命體征探測雷達(dá)系統(tǒng)，用以探測呼吸速率和心跳速率兩項(xiàng)生命體征。該系統(tǒng)克服了探測中的空探測點(diǎn)問題和直流偏置的影響，從而避免了信號在解調(diào)過程中的直流補(bǔ)償，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)原理

多普勒雷達(dá)的基本原理是通過發(fā)射接收電磁波來探測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生的相移頻移等多普勒信息。對于生命體征探測雷達(dá)而言，具體工作就是解調(diào)由呼吸、心跳引起的胸腔振動(dòng)調(diào)制產(chǎn)生的多普勒信息。這些信號都能建模為胸腔運(yùn)動(dòng)對入射電磁波進(jìn)行調(diào)制，并返回給接收機(jī)[6]。本文研究的生命體征只包括心跳速率和呼吸速率。

1.1 單頻連續(xù)波多普勒雷達(dá)數(shù)學(xué)模型

本文所設(shè)計(jì)的非接觸式生命體征探測雷達(dá)主要由收(Rx)發(fā)(Tx)天線、射頻前端和數(shù)字信號處理單元組成，其中射頻前端輸出的基帶信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D Converter，ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由數(shù)字信號處理單元進(jìn)行處理。該系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 生命體征探測雷達(dá)總體架構(gòu)Figure 1. Overall architecture of vital sign detection radar

在本文涉及雷達(dá)工作條件下，電磁波可以看做為平面波，待測目標(biāo)的反射、入射信號的數(shù)學(xué)模型可以進(jìn)行合理簡化。該系統(tǒng)的發(fā)射信號可表示為

T(t)=cos[2πft+φ(t)]

(1)

其中，f表示載波頻率；φ(t)表示相位噪聲。由心跳或呼吸引起的胸腔振動(dòng)可表示為

x(t)=m·sin(ωt)

(2)

其中，m表示振動(dòng)幅度。當(dāng)發(fā)射信號T(t)射向距探測系統(tǒng)距離為d的待測對象的身體時(shí)，其相位信息受到調(diào)制，反射信號可近似表示成

(3)

其中，c和λ分別表示電磁波的傳播速度和波長。將發(fā)射信號T(t)作為本振信號與反射信號R(t)進(jìn)行下變頻，可得到基帶信號

(4)

其中，Δφ(t)=φ(t)-φ(t-2d/c)表示振蕩器的殘余相位噪聲；θ=4πd/λ+θ0主要由探測距離d和相位偏移θ0共同決定；反射面的相位偏移(約180°)、混頻器與天線之間的距離等因素共同決定了θ0。

1.2 空探測點(diǎn)問題

當(dāng)θ恰好是π/2的奇數(shù)倍時(shí)，由于x(t)?λ，所以基帶輸出信號可小角度近似為

(5)

此時(shí)，可獲得最佳的相位感知。基帶輸出信號約為周期性的胸腔移位分量x(t)與殘余相位噪聲Δφ(t)之和。

當(dāng)θ恰好是π的整數(shù)倍時(shí)，則基帶輸出信號約為

(6)

此時(shí)，基帶輸出信號不再與時(shí)變位移成線性關(guān)系，系統(tǒng)的感知能力降低。當(dāng)本振信號T(t)與反射信號R(t)同相或保持180°相位差時(shí)，便會產(chǎn)生空探測點(diǎn)問題。由于變量θ僅與系統(tǒng)和待測對象之間的距離d有關(guān)，因此每隔λ/4的探測距離便會出現(xiàn)一個(gè)空探測點(diǎn)。在ISM(Industrial Scientific Medical)頻段，系統(tǒng)采用2.45 GHz的工作頻率，則大約每3 cm會出現(xiàn)一個(gè)空探測點(diǎn)，并且難以通過調(diào)整收發(fā)系統(tǒng)的位置來避免該問題。

1.3 復(fù)信號解調(diào)

在近似解調(diào)的基礎(chǔ)上，采用正交混頻和復(fù)信號解調(diào)[4]的方式可以有效地避免空探測點(diǎn)問題。經(jīng)典的正交解調(diào)結(jié)構(gòu)接收機(jī)如圖2所示。

圖2 典型正交解調(diào)結(jié)構(gòu)接收機(jī)Figure 2. Typical quadrature demodulation structure receiver

將如圖2所示結(jié)構(gòu)的接收機(jī)應(yīng)用到本文研究的系統(tǒng)中，采用正交下變頻，兩路輸出通道的輸出信號I(t)和Q(t)可以分別重新表示成式(7)和式(8)。

(7)

(8)

當(dāng)θ+π/4為π的整數(shù)倍時(shí)，I通道信號將會面臨空探測點(diǎn)問題，對應(yīng)式(6)；而此時(shí)，θ-π/4將會是π/2的奇數(shù)倍，即Q通道信號剛好處于最佳的相位解調(diào)位置，對應(yīng)式(5)，反之亦然。在采用正交混頻的方案時(shí)，最糟糕的情況為θ是π的整數(shù)倍，此時(shí)θ+π/4和θ-π/4都是π/4的奇數(shù)倍，I/Q通道信號均不處于最佳探測位置，基帶輸出信號可以表示成

BI(t)=BQ(t)≈

(9)

只要x(t)?λ，則式(9)的一次項(xiàng)將遠(yuǎn)大于平方項(xiàng)，生命信號依舊會被探測到。

將相位差為90°的I/Q兩路基帶信號合成復(fù)數(shù)信號如式(10)所示。

C(t)=BI(t)+jBQ(t)=

(10)

復(fù)信號中總有一部分分量遠(yuǎn)離空探測點(diǎn)，這樣對復(fù)信號進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)變換就能夠從頻譜中得到生命體征信號的幅頻信息，從而克服小角近似過程中的空探測點(diǎn)問題。此外，I/Q兩路信號中存在的直流偏移量并不影響其它頻點(diǎn)的信息解調(diào)，避免了直流偏移的影響。

2 設(shè)計(jì)方案

本文提出的多普勒生命體征探測雷達(dá)系統(tǒng)由收發(fā)天線、射頻模擬電路、數(shù)字信號處理系統(tǒng)3個(gè)單元組成。生命體征探測雷達(dá)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 生命體征探測雷達(dá)系統(tǒng)框圖Figure 3. System block diagram of the vital sign detection radar

系統(tǒng)由壓控振蕩器產(chǎn)生頻率為2.45 GHz的射頻信號，信號經(jīng)功分器分為兩路：其中一路信號經(jīng)功率放大器放大后通過發(fā)射天線射向待測對象；另一路信號作為本振，與接收天線接收到的攜帶生命體征信息的反射信號進(jìn)行正交混頻，輸出兩路(I/Q)解調(diào)信號。這兩路信號經(jīng)中頻放大器后由ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后進(jìn)行快速傅里葉變換并將幅頻信息顯示出來，從而完成對生命體的呼吸速率和心跳速率的非接觸檢測。系統(tǒng)用到的核心器件如表1所示。

表1 生命體征探測雷達(dá)主要器件

2.1 天線及射頻電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用厚度h為0.508 mm，介電常數(shù)εr為3.55，正切角損耗tanδ為0.002 7的羅杰斯4003C板材。收發(fā)天線采用線極化的2×2矩形微帶貼片陣列天線，中心頻率f0=2.45 GHz。

壓控振蕩器選用Mini Circuits 公司的ROS-2490+芯片，通過電壓調(diào)諧可以產(chǎn)生2 280～2 490 MHz的射頻信號。產(chǎn)生的信號用Mini Circuits公司的BP2U1+功分器分成兩路：一路作為發(fā)射機(jī)的信號源；另一路作為接收機(jī)的本振，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的同步。

混頻器采用Analog Devices 公司的HMC8193 無源I/Q混頻器。該芯片可應(yīng)用于直流至4 GHz的下變頻輸出，直接輸出相位差為90°的兩路中頻信號?？紤]到混頻器的驅(qū)動(dòng)頻率以及信號在整個(gè)系統(tǒng)以及傳播路徑中的衰減，系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都需要選用Mini Circuits 公司的GALI-5+ 功率放大器，其最大輸出功率為18 dBm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 中頻模擬電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在理想情況下，混頻器輸出的I/Q兩路基帶信號應(yīng)該包含0.3 Hz和1.1 Hz左右的兩個(gè)有效頻率分量。在實(shí)際情況下，混頻器的輸出信號存在直流分量和交調(diào)信號干擾，因此還必須設(shè)計(jì)中頻模擬電路進(jìn)行處理。

系統(tǒng)選用Mini Circuits公司的射頻低通濾波器LFCG-1575+來濾除交調(diào)信號的干擾。該濾波器在射頻信號頻率大于1.96 GHz時(shí)，衰減達(dá)到10 dB，并且隨著頻率的提高，衰減也在提高。當(dāng)頻率達(dá)到3 GHz時(shí)，衰減達(dá)到最大約為61 dB。濾除射頻干擾的信號經(jīng)過一個(gè)10 μF的電容以隔離直流分量。系統(tǒng)選用TI公司的OPA189作為模擬低通濾波器的運(yùn)放，每一路基帶信號都經(jīng)過由2片OPA189組成的兩個(gè)無限增益多路反饋二階低通濾波器，最終的信號經(jīng)ADC采樣后進(jìn)行FFT變換得到頻譜信息。

2.3 數(shù)字信號處理單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的ADC轉(zhuǎn)換器為Xilinx ZYNQTM-7000擴(kuò)展式處理平臺ZedBoard開發(fā)板內(nèi)部集成的XADC模塊。該模塊包括兩個(gè)12 bit 、1 MSPS采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和相關(guān)的片上傳感器。由于生命信號的頻率通常小于3 Hz，依據(jù)奈奎斯特采樣定理，1 MSPS的采樣速率滿足設(shè)計(jì)要求。

信號經(jīng)XADC采樣后將數(shù)據(jù)通過串口傳至上位機(jī)，由MATLAB實(shí)現(xiàn)FFT變換，在進(jìn)行低通濾波并去除直流信號后輸出歸一化頻譜得到心跳、呼吸頻率。

3 系統(tǒng)加工及測試

3.1 系統(tǒng)加工調(diào)試

基于上述理論分析和設(shè)計(jì)方案，本文設(shè)計(jì)加工制作工作頻段在2.45 GHz的收發(fā)天線和射頻前端，并基于XADC和MATLAB設(shè)計(jì)了上位機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理。

將繪制完成的PCB(Printed Circuit Board)和配套腔體檢查無誤后投板生產(chǎn)。生產(chǎn)周期結(jié)束，將采購的器件焊接到PCB板中。調(diào)試完成后，用金屬腔體進(jìn)行封裝。兩路基帶信號通過同軸線與開發(fā)板上的XADC相連，并通過串口將采樣后的數(shù)字信號傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理。裝配好的系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖Figure 4. Physical diagram of the system

3.2 系統(tǒng)測試

待測對象位于系統(tǒng)正前方0.8 m處，保持靜止?fàn)顟B(tài)，勻速呼吸。此時(shí)人體中存在由呼吸和心跳引起的胸腔的微弱振動(dòng)。呼吸引起的胸腔振動(dòng)幅度約為5 mm[14-16]，而心跳對應(yīng)的振幅遠(yuǎn)小于胸腔的振幅。正常人呼吸速率約為18次·min-1，心跳速率約為70次·min-1。因此，系統(tǒng)正常工作時(shí)，在幅頻曲線上應(yīng)在0.3 Hz和1.2 Hz左右出現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰值，其分別對應(yīng)呼吸和心跳速率，其中呼吸峰值對應(yīng)的幅度應(yīng)明顯大于心跳對應(yīng)的幅度。

系統(tǒng)正常工作時(shí)的探測結(jié)果如圖5所示。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比上文空探測點(diǎn)問題的理論分析可知，當(dāng)I路信號感知能力下降時(shí)，Q路信號獲得了最佳的感知效果。對復(fù)信號進(jìn)行FFT變換，其結(jié)果平衡了I/Q兩路基帶信號的感知能力，從而解決了空探測點(diǎn)問題。從圖5中可以看到0.3 Hz左右的呼吸速率譜線和1.1 Hz左右的心跳速率譜線，表明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生命體征探測的功能。

圖5 雷達(dá)系統(tǒng)探測結(jié)果Figure 5. Detection result of radar system

4 結(jié)束語

本文針對探測對象為人體的應(yīng)用場景，論述了單頻連續(xù)波多普勒雷達(dá)生命體征探測的原理。同時(shí)論述了空探測點(diǎn)問題的原因及其解決方案，即復(fù)信號解調(diào)的技術(shù)原理，并在理論分析的基礎(chǔ)上提出了一種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)由收發(fā)天線、射頻模擬電路和數(shù)字信號處理系統(tǒng)3個(gè)單元組成，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模塊化、小型化，克服了基帶信號在小角近似過程中的空探測點(diǎn)問題，避免了直流偏移的問題，能夠有效探測待測對象靜態(tài)時(shí)的生命體征。但是在測量過程中，人體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)對探測結(jié)果存在很大影響，因此性能仍有待進(jìn)一步提升。后續(xù)將對射頻系統(tǒng)中的載波對消、數(shù)字域隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的消除展開研究。