基于多普勒雷達的非接觸式生命體征檢測技術(shù)研究.pdf

1、微波多普勒雷達可實現(xiàn)非接觸的生命體征檢測。用電磁波探測人體目標(biāo)時，由于人體心肺活動，回波信號將發(fā)生多普勒效應(yīng)，運用一定的信號處理方法，可提取出與心肺相關(guān)的生命體征信息?；诙嗥绽绽走_的生命體征檢測具有非接觸、穿透性等優(yōu)點，有潛力應(yīng)用于日常健康監(jiān)測、特殊人群監(jiān)護、醫(yī)療診斷、災(zāi)難救援及安防等領(lǐng)域。
　　生物雷達方面的研究主要包括傳感器系統(tǒng)研究和信號處理方法研究兩個方面。前者通過改善雷達天線和收發(fā)機結(jié)構(gòu)、采用先進工藝和集成技術(shù)提高雷達信

2、號質(zhì)量，抑制噪聲;后者的目標(biāo)在于運用算法從雷達信號中準(zhǔn)確提取生命體征指標(biāo)。目前，基于多普勒雷達的生命體征檢測研究中存在一些問題需要解決，例如需要提高雷達系統(tǒng)的信噪比和抗干擾能力、線性地還原心肺活動信息、實時處理雷達信號并實現(xiàn)長期監(jiān)測、從受到較強干擾的信號中提取心肺活動的時域信息等等。本文主要面向家庭和醫(yī)療場所的健康監(jiān)護領(lǐng)域，圍繞上述問題展開研究，主要工作、成果和創(chuàng)新點歸納如下:
　　(1)多普勒生物雷達的實現(xiàn)方案、信號鏈路與噪聲分

3、析。根據(jù)多普勒雷達原理和生命體征檢測的應(yīng)用需求，確定了生物雷達的工作模式、工作頻率和收發(fā)機結(jié)構(gòu);研究了雷達收發(fā)機鏈路的多項參數(shù)指標(biāo)，為數(shù)米范圍內(nèi)的體征檢測傳感器設(shè)計提供了依據(jù);結(jié)合雷達的噪聲模型，通過實驗測定信噪比與檢測距離、目標(biāo)位移的關(guān)系，對實際噪聲的來源進行了定位。這些方法及實驗數(shù)據(jù)對生物雷達的整體設(shè)計具有普遍意義。
　　(2)多普勒雷達傳感器的研制。研制工作包括微帶貼片天線、射頻收發(fā)電路、模擬信號處理、數(shù)據(jù)采集、人體振動信號

4、的解調(diào)校準(zhǔn)。為了能夠真實還原人體目標(biāo)的微動位移信息，采取了以下措施:采用24位ADC配合過采樣技術(shù)滿足動態(tài)范圍和分辨率的要求;通過基于中心估計的校準(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)的方式實現(xiàn)線性運動還原。實驗測試表明本文研制的雷達傳感器可真實還原心肺活動信息，滿足生命體征檢測的要求。
　　(3)實時心肺活動檢測方法研究。該研究主要面向日常生理參數(shù)監(jiān)護，特別是持續(xù)監(jiān)護的需求，強調(diào)軟硬件的實時性、低功耗和

5、低成本。為實現(xiàn)實時計算，采用了僅依賴較短時長雷達信號的短時傅立葉變換(STFT)算法進行時頻分析，通過頻譜插值提高心率和呼吸速率的分辨率。實驗結(jié)果指示該實時算法對于心率測量具有7秒的延時和96％的準(zhǔn)確率，對于呼吸速率測量具有22秒的延時和接近100％的準(zhǔn)確率。
　　(4)精密生理參數(shù)提取方法研究。該研究主要針對醫(yī)療監(jiān)護領(lǐng)域的需求，側(cè)重心肺參數(shù)估計和提取的準(zhǔn)確性，并且分析心肺活動的時域特征信息。采用連續(xù)小波變換、集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(E

6、EMD)相結(jié)合的方法進行目標(biāo)心肺活動信息提取，以及心率、呼吸速率、心率變異性參數(shù)估計研究。實驗表明，雖然雷達信號受到干擾較多，但該方法測定心率、呼吸速率的準(zhǔn)確度可接近100％，并且可以有效測定基于時域信息的HRV參數(shù)。該工作發(fā)掘了生物雷達作為非接觸式檢測手段在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。
　　(5)多普勒雷達生命體征檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)。搭建了多套多普勒雷達系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在實時性、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)實驗和家庭、醫(yī)