任 偉 侯凱悅 王 剛 劉泉華

(1. 北京理工大學信息與電子學院雷達技術(shù)研究所, 北京 100081; 2. 衛(wèi)星導(dǎo)航電子信息技術(shù)教育部 重點實驗室 (北京理工大學), 北京 100081; 3. 北京理工大學重慶創(chuàng)新中心, 重慶 401135)

1 引言

基于雷達的人體呼吸心跳檢測對于醫(yī)療監(jiān)護、火災(zāi)和地震等災(zāi)后救援、家居健康監(jiān)測具有重要意義[1-5]。雷達測量人體呼吸心跳的原理為:呼吸和心跳等人體活動會引起胸腔的起伏,進而引起雷達與被測人體之間的徑向距離的變化。通過測量該徑向距離的變化,可提取人體呼吸心跳信號。

到目前為止,大多數(shù)研究針對單目標,少部分研究針對多目標。相比于單目標呼吸心跳檢測,多目標呼吸心跳檢測的難點在于多目標的區(qū)分。根據(jù)多目標區(qū)分域的不同,當前研究可分為三類:距離維區(qū)分方法[6-7]、方位向區(qū)分方法[8]、信號域區(qū)分方法[9-10]。距離維多目標區(qū)分方法是根據(jù)目標徑向距離不同進行區(qū)分,是最直接最常見的方法,該方法的優(yōu)勢為多目標信號分離結(jié)果好,信號處理流程較為簡單。劣勢在于為了獲得較高的距離分辨率,對雷達系統(tǒng)帶寬要求較高;當多目標位于同一距離單元時,無法進行區(qū)分。方位向多目標區(qū)分方法是根據(jù)目標相對雷達方位角不同進行區(qū)分。該方法的優(yōu)勢是可區(qū)分同一距離單元的多目標,但要求雷達使用陣列天線,并且需要研究相應(yīng)的波達方向(DOA, Direction of Arrival)估計方法和數(shù)字波束形成(DBF,Digital Beamforming)方法。信號域多目標區(qū)分方法是根據(jù)多目標呼吸心跳信號的差異性進行區(qū)分。該方法的優(yōu)勢是可區(qū)分同一距離單元同一方位角的多目標,但要求多目標呼吸心跳信號具有較為明顯的差異,且要求多目標在同一距離單元處。

截止目前,多個人體目標共線情況下的多人呼吸檢測仍是一個挑戰(zhàn)。毫米波雷達工作頻率在30 GHz到300 GHz之間;帶寬較寬,可達數(shù)GHz,因而具有更高的距離分辨率。以雷達帶寬為3 GHz為例,則其距離分辨率為5 cm。高距離分辨率使得在距離維對多目標進行區(qū)分成為一種可行的方案。以家居環(huán)境為例,多人呼吸監(jiān)測的兩個難點是:1)當兩/多個人體目標與雷達處在同一直線時,雷達只能測得距離最近的人體目標的胸腔起伏信息;2)背景雜波干擾。在家居環(huán)境中,存在諸多體積較大(大RCS(Range Cross Section))的物體,掩蓋了人體胸腔回波信號。為解決上述兩個關(guān)鍵問題,本文提出了一種新的雷達布置方案,并結(jié)合多種人體目標與靜止雜波區(qū)分方法,成功實現(xiàn)了多個人體目標的呼吸信號檢測。

2 FMCW信號模型

調(diào)頻連續(xù)波(FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave)雷達同時具有測距的功能和高信噪比(SNR, Signal-to-Noise Ratio)的特性。本文中提到的FMCW信號均為目前最常用的線性調(diào)制FMCW信號。

設(shè)雷達發(fā)射信號為

(1)

其中,At為發(fā)射信號幅度,fc為信號載頻,B為信號帶寬,T為脈沖重復(fù)周期。

設(shè)共有M個靜止人體目標(人體軀干靜止,但正常呼吸),第m個目標與雷達的徑向距離為Rm,m=1,2,…,M。 雷達接收信號可以表示成

(2)

其中,τm=2Rm/c,m=1,2,…,M。對接收的回波進行去斜處理,即將接收信號與參考信號相乘,并通過低通濾波器,得到的同相支路的中頻信號為

(3)

相應(yīng)的復(fù)信號為

(4)

公式(4)的傅里葉變換為

(5)

(6)

M個目標在距離維可分可推導(dǎo)出公式(7),因此,上式的近似成立。

sinc(πB(τi-τm))?1,i≠m,i=1,2,…,M,m=1,2,…,M

(7)

對于第m個目標,K幀的數(shù)據(jù)可表示成(忽略其幅值)

(8)

對應(yīng)的相位值為

(9)

其中,arg(·)表示求相位函數(shù),λ=c/fc為信號波長。gm即為第m個目標的胸腔起伏運動。

此外,假設(shè)呼吸引起的胸腔起伏運動可由正弦信號表示,即

rr(t)=Arsin(2πfrt)

(10)

3 信號處理方法

毫米波雷達的高帶寬特性使得在距離維分辨多個人體目標的方法可行。如圖1所示,為解決多目標彼此遮擋的問題,我們將毫米波雷達布置在高處。以兩個人體目標為例,利用兩目標到雷達的徑向距離不同,在距離維上對兩目標進行區(qū)分,進而提取各自的胸腔起伏信息,即呼吸信號。

圖1 毫米波雷達多人呼吸探測場景:Hradar為雷達與 地面垂直高度,Htarget為人體目標胸腔與地面垂直高度, θtarget為人體目標胸腔所在位置對應(yīng)的俯仰角Fig.1 Scenario of respiration detection for multiple subjects using mmWave radar. Hradar is the vertical height of the mmWave radar, Htarget is the vertical height of human subjects, and θtarget is the elevation angle corresponding to the human chest walls

FMCW毫米波雷達多人呼吸檢測信號處理流程如圖2所示。各模塊詳細介紹如下。

圖2 毫米波雷達多人呼吸檢測信號處理流程Fig.2 Flow Chart of respiration detection for multiple subjects using mmWave radar

ADC數(shù)據(jù)和去斜處理。去斜處理操作如式(3)所示,去斜后得到式(4)中的信號。

靜止雜波對消。人體目標所處環(huán)境中(如家居環(huán)境)可能存在體積較大的靜止物體,為消除這些靜止物體所產(chǎn)生的雜波回波(統(tǒng)稱為背景雜波),避免其影響人體目標呼吸信號的檢測,需要進行靜止雜波對消。將同時包含目標和背景的去斜信號(sif(t))target+clutter與只包含背景的去斜信號(sif(t))clutter作差,得到只包含目標的去斜信號。需要指出的是,靜止雜波對消處理,可以在去斜處理之前,去斜處理與距離維FFT之間,或者距離維FFT之后,只需要在恒虛警檢測之前即可。這是由于去斜處理、靜止雜波對消、距離維FFT均為線性處理。

距離維FFT。對去斜后的信號sif(t)做FFT,即可得到包含目標信息的一維距離像Sif(f)。

恒虛警檢測。對得到的一維距離像Sif(f)進行恒虛警檢測,確定人體目標和強雜波所在距離單元[11]。隨后,對過恒虛警檢測門限的M個目標逐一進行處理。注意,雖然在恒虛警檢測前進行了靜止雜波對消處理,但在實際中并無法完全消除靜止雜波。

帶通濾波。為進一步消除靜止雜波和其他信號(如心跳信號)的影響,對信號gm進行帶通濾波處理。帶通濾波器的通帶頻率為0.15 Hz～0.50 Hz,即9 bpm～30 bpm。

FFT。對帶通濾波后的信號進行FFT處理,得到第m個目標或強雜波的運動頻率。

人體目標胸腔信號判定。在距離維FFT后,進行恒虛警檢測,可以檢測出M個峰值,然后對這M個峰值目標逐個處理。這M個峰值目標為人體目標或靜止背景雜波。對于第m個峰值目標,經(jīng)過慢時間相位及解模糊處理后可以得到該目標的慢時間相位信號。若該慢時間相位信號同時滿足如下兩個條件,即可判斷其為人體目標:

1)信號主頻率在0.15 Hz～0.50 Hz之間,即9 bpm～30 bpm;

4 實驗結(jié)果及討論分析

4.1 實驗場景及參數(shù)

本實驗采用的FMCW毫米波雷達為德州儀器公司的AWR1642開發(fā)板和DCA1000高速數(shù)據(jù)采集卡,雷達工作頻譜為77 GHz至81 GHz。兩個發(fā)射天線和四個接收天線。實驗參數(shù)如表1所示。

實驗場景如圖3所示。本實驗利用單部雷達探測兩個處于不同徑向距離的人體目標的呼吸信號。實驗中將單部毫米波雷達置于高處,兩個人體目標正對雷達且位于不同徑向距離處。雷達與地面垂直高度Hradar為1.5 m,人體胸腔與地面垂直高度Htarget為0.85 m,兩目標與雷達徑向距離分別為1.2 m和2.3 m。

圖3 毫米波雷達多人呼吸檢測實驗場景Fig.3 Respiration detection of multiple subjects using mmWave radar

實驗中,為驗證毫米波雷達測量結(jié)果的準確性,我們采用合肥華科電子技術(shù)研究所的HKH-11C呼吸波傳感器測量的結(jié)果作為參考信號。

4.2 實驗結(jié)果及討論

1)靜止雜波對消

圖4對比了有無靜止雜波對消處理的一維距離像。實驗結(jié)果表明,該方法可以較完整保留目標信號,并同時很好地抑制靜止雜波。

圖4 靜止雜波對消效果圖Fig.4 Results of stationary clutter cancellation

2)解模糊后的慢時間相位信號

圖5 解模糊后的慢時間相位信號 (注意兩圖縱坐標范圍不同)Fig.5 Slow-time phase signals after unwrapping (Note that the Y-axis range of the two figures is different)

此外,從圖5(a)中可以看出,對于單次呼吸,人體目標胸腔起伏大致在20 rad到30 rad之間,即6.2 mm到9.3 mm之間。信號整體的平移是由于人體目標在探測過程中存在微小的移動。從圖5(b)中可以看出,靜止雜波并不是完全靜止的。靜止雜波信號的標準差σ雜波=0.126 rad,即3.91×10-5m。這也與圖4的靜止雜波對消結(jié)果相一致:靜止雜波并沒有完全對消,仍有部分殘留。

3)人體目標呼吸信號

圖6和圖7分別為人體目標1和目標2的呼吸信號檢測結(jié)果。采用FMCW毫米波雷達的檢測結(jié)果分別為0.41 Hz(目標1)和0.27 Hz(目標2),接觸式傳感器HKH-11C測得的參考結(jié)果分別為0.43 Hz(目標1)和0.27 Hz(目標2)。實驗結(jié)果表明,該方案可以準確地提取不同距離的兩個人體目標的呼吸頻率。

圖6 呼吸信號檢測結(jié)果(人體目標1)Fig.6 Results of respiratory signals (Human subject No.1)

圖7 呼吸信號檢測結(jié)果(人體目標2)Fig.7 Results of respiratory signals (Human subject No.2)

5 雷達空間檢測盲區(qū)分析

本節(jié)分析了雷達空間檢測盲區(qū)的兩個影響因素:雷達數(shù)量和(多部)雷達空間構(gòu)型。最終得出結(jié)論:最少需要三部雷達,可完全消除雷達空間檢測盲區(qū)。當布置的三部雷達不共線時,不存在雷達空間檢測盲區(qū)。

首先,對本文所討論的“雷達空間檢測盲區(qū)”進行定義。本文所討論的雷達空間檢測盲區(qū)可分為兩類:“空間同距盲區(qū)”和“大俯仰角盲區(qū)”。下面對這兩類盲區(qū)進行詳細解釋。

圖8 不同雷達空間配置方案下的盲區(qū)分析:單部雷達、兩部雷達、共線三部雷達、不共線三部雷達Fig.8 Blind areas under different spatial deployment schemes of mmWave radars:One radar, Two radar, Collinear three radars, Non-collinear three radars

(11)

(12)

接下來,我們分析不同雷達數(shù)量和雷達空間構(gòu)型條件下的雷達空間檢測盲區(qū)。需要指出的兩點:

1)對于兩/多部雷達,所有雷達空間檢測盲區(qū)重疊部分才是真正的盲區(qū)。

2)假設(shè)不同雷達在空間上相隔足夠遠,以使得其大俯仰角盲區(qū)不重疊。

基于上述兩點,對于L部雷達,其雷達空間檢測盲區(qū)即為L部雷達空間同距盲區(qū)的交集,即

(13)

圖8繪出了四種雷達配置方案下的雷達空間檢測盲區(qū)分析:單部雷達、兩部雷達、共線三部雷達、不共線三部雷達。

單部雷達的空間檢測盲區(qū)Ω為以雷達1投影y1為中心的圓面和兩/多個目標所在的圓,如圖8(a)所示,即

(14)

兩部雷達的空間檢測盲區(qū)為分別以雷達1和雷達2 的投影y1和y2為圓心的圓的交點,如圖8(b)所示,即

Ω=Ω1∩Ω2={x∈R2|||x-yi||2=Ci,i=1,2}

(15)

其中,Ci,i=1,2為任一正實數(shù)。

三部共線雷達的空間檢測盲區(qū)為分別以雷達1、雷達2、和雷達3的投影y1、y2和y3(y1、y2和y3共線)為圓心的圓的交點,如圖8(c)所示,即

Ω=Ω1∩Ω2∩Ω3={x∈R2|||x-yi||2=Ci,i=1,2,3,|(y2-y1)·(y3-y1)|= ||y2-y1||2||y3-y1||2}

(16)

其中,C3為任一實數(shù),|·|表示絕對值,·表示內(nèi)積。

三部不共線雷達不存在空間檢測盲區(qū),如圖8(d)所示,即

Ω=Ω1∩Ω2∩Ω3={x∈R2|||x-yi||2=Ci,i=1,2,3,|(y2-y1)·(y3-y1)|≠ ||y2-y1||2||y3-y1||2}=?

(17)

6 結(jié)論

為實現(xiàn)雷達與多目標共線情況下的多人呼吸信號檢測,本文提出一種新的雷達空間布置方案,并結(jié)合多種手段對消靜止雜波和辨別人體目標和靜止雜波。本文通過實驗驗證了所提方案的可行性和有效性。此外,本文詳細討論了不同雷達數(shù)量和空間布置方案下的雷達空間檢測盲區(qū),并首次論證了三部不共線可完全消除空間檢測盲區(qū)。在后續(xù)研究中,為進一步降低所用雷達數(shù)量,消除雷達空間同距盲區(qū),可以根據(jù)不同人體目標呼吸信號的差異性,結(jié)合獨立成分分析等盲源分離方法,從而實現(xiàn)利用兩部雷達完全消除盲區(qū)。