CN103027670A - 一种微功率冲激式生物雷达前端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微功率冲激式生物雷达前端，包括产生窄脉冲序列的窄脉冲成形模块、对被人体因呼吸和心跳引起胸壁微动所调制的窄脉冲回波进行解调的相关检测模块、对探测区内进行距离扫描的距离门模块和提取人体呼吸和心跳微动信息的积分-微分模块。通过外接发射和接收天线、直流电源和简单的放大电路就可实现对人体无约束、非接触的呼吸率和心率监测，能够广泛用于临床特殊病人（烧伤、传染）、家庭老人以及其他慢性病患者的生理信号的监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物雷达前端，特别涉及一种能够非接触检测到人体的微功率冲激式生物雷达前端。
背景技术
随着生物医学工程、雷达、电子、计算机技术以及军事、医学、社会发展的需要，许多国内外学者提出一种生命体参数信号探测技术新的概念——生物雷达(Bioradar)。该技术融合雷达技术、生物医学工程技术于一体，可穿透非金属介质（砖墙、废墟等），不需要任何电极或传感器接触生命体，可在较远的距离内探测到生命体的生命信号（呼吸、心跳等），解决肉眼无法发现的生命体问题。因此，该技术可被广泛应用于灾害救援（地震、塌方伤员的探寻）、反恐斗争（隔墙监控罪犯、解救人质）和军事斗争中城市巷战（穿透建筑物探测敌人）等场合。
生物雷达一般包括前端、天线、信号调理和显示几个部分，特别是生物雷达前端对其应用性具有决定性的作用，因此受到世界各国高度的重视，研究人员研发了不同类型的生物雷达前端。根据所采用的雷达的工作体制可分为：（1）连续波生物雷达；（2）超宽谱生物雷达。其中，连续波生物雷达前端主要由高稳定度的压控振荡器、波导管、环形器、混频器和低噪声放大器组成，单通道的连续波生物雷达前端采用零差拍模式，多通道的采用IQ正交形式。连续波生物雷达前端的特点是结构简单，容易实现，但是其辐射功率大（几十毫瓦）、体积较大、价格昂贵，并且在检测人体呼吸或心跳信号时容易产生盲点。该生物雷达前端只适合在实验室研究，不适合作为非接触监测人体呼吸或心跳信号的传感器节点。超宽带生物雷达前端检测人体的生理信号原理与连续波的不同。它是脉冲形式的微波束照射人体，由于人体生命运动（呼吸、肠蠕动等）的存在，使得被人体反射后的回波脉冲序列的重复周期发生变化，而回波脉冲信号的重复周期与人体生命的运动速度和频率有关。如果对该脉冲序列（携带有与被测人体生命运动相关的信息）进行包洛检波、积分、放大、滤波，送入计算机进行数据处理和分析，就可以得到与被测人体生命体征相关的参数（呼吸、体动）等。超宽带生物雷达前端与连续波生物雷达前端相比，其优点是具有很强的穿透力和抗干扰能力，但是结构复杂、辐射功率大（瓦级）、价格昂贵，适用于地震或塌方环境下伤员的快速搜救，也不适用于非接触监测人体呼吸或心跳信号的传感器节点。
发明内容
本发明的目的是提供一种微功率冲激式生物雷达前端，通过外接发射和接收天线、直流电源和简单的放大电路就可实现对人体无约束、非接触的呼吸率和心率监测，能够广泛用于临床特殊病人（烧伤、传染）、家庭老人以及其他慢性病患者的生理信号的监测。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种微功率冲激式生物雷达前端，其特征在于，包括一个窄脉冲成形模块、一个距离门模块、一个相关检测模块和一个积分-微分模块，所述窄脉冲成形模块产生窄脉冲序列信号通过外接发射天线辐射出去，窄脉冲序列被人体因呼吸或心跳引起的胸壁微动所反射，其回波信号被外接接收天线接收，通过相关检测模块对窄脉冲回波进行解调后输出到积分-微分模块，提取出人体呼吸和心跳微动信息，所述距离门模块连接相关检测模块，实现探测区内的距离选通和扫描；所述外接发射天线与接收天线与人体的胸部距离不超过0.5米。
上述方案中，所述窄脉冲成形模块包括脉冲信号源和窄脉冲成形电路，能产生几百ps到几十ns的窄脉冲序列。
所述脉冲信号源由晶体振荡器和门电路构成；所述窄脉冲成形电路由阶跃二极管和激励电感构成。
所述距离门模块由8位高低电平控制的可变延迟线电路构成。
所述相关检测模块为包括采样二极管和电容的窄脉冲采保电路所构成。
与现有的生物雷达前端相比，本发明具有以下优点：
1、抗运动干扰能力强：由于采用了距离断层扫描技术，具有很强的抗运动干扰能力。在设定了作用距离扫描脉冲后，除作用距离内的运动信息能被探测到之外，其他运动干扰均被有效地抑制，因此具有很高的运动干扰抑制能力。
2、体积小、重量轻、价格便宜：核心部件均采用表贴元器件，不外接天线和直流电源时体积小于5cm*5cm*2.5cm，重量小于200g。所用的元器件大多为常规参数指标，价格低廉。
3、使用简单：使用时只需要外接发射和接收天线、直流电源和8为数字高低电平，其输出信号进行简单放大即可时间人体生理信号的非接触检测，整个使用过程非常简单。
附图说明
以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明微功率冲激式生物雷达前端的功能结构框图。图中：tan1为发射天线；tan2为接受天线；out为输出。
图2为图1中微功率冲激式生物雷达前端的电路原理图。
图3为图1中的微功率冲激式生物雷达前端的外部接口示意图。
图4为采用本发明设计的微功率冲激式生物雷达前端检测到人体的呼吸信号。其中(a)图为呼吸信号的波形，（b）图为呼吸信号的频谱。
具体实施方式
如图1所示，一种微功率冲激式生物雷达前端，包括产生窄脉冲序列的窄脉冲成形模块、对被人体因呼吸和心跳引起胸壁微动所调制的窄脉冲回波进行解调的相关检测模块、对探测区内进行距离扫描的距离门模块和提取人体呼吸和心跳微动信息的积分-微分模块。
其中，窄脉冲成形模块由信号源和窄脉冲成形电路组成，可产生几百ps到几十ns的窄脉冲序列通过发射天线tan1内向生命体发射；距离门模块由可变延迟线电路组成，由8位高低电平控制，实现探测区内的距离选通和扫描；相关检测模块由窄脉冲采保电路组成，通过接受天线tan2将对被人体因呼吸和心跳引起胸壁微动所调制的窄脉冲回波进行解调；积分-微分模块由积分电路和微分电路组成，积分电路对相关检测电路的输出信号进行积累，微分电路对积分电路的输出信号进行微分。整个硬件系统的电源由外接±5V直流电源提供。
本发明中微功率冲激式生物雷达前端的具体电路可采用如图2所示的电路结构。其中窄脉冲成形模块包括脉冲信号源和窄脉冲成形电路，脉冲信号源由晶体振荡器G1、门电路D1A-D3A和RC电路R1、C1，R2、C2组成，其输出信号为标准的TTL方波，频率为6MHz；窄脉冲形成电路采用阶跃二极管V1对信号源产生的方波进行整形，这种二极管在正弦信号的作用下能产生持续时间极短的脉冲串（几十ns），窄脉冲再经过激励电感L1（nH级微带电感）整形为250ps的快脉冲。距离门模块由包括反相器D5A和D8A、专用集成电路D1（型号为AD9501）的可变延迟线电路构成，距离门由8位高低电平控制，其步长为0.15ns，则测距精度可以达到22.5mm；相关检测模块由窄脉冲采保电路构成，主要由采样二极管V3和电容C14组成，发射信号经过一定的延迟（相当于在某一距离上）后，对接收信号进行采样，假若在此距离上有一静止目标，则经过一定时间积累后，就会产生一个直流信号，如果目标是运动的，则经过积累后就会得到一个交流信号，即多谱勒信号。采样二极管选用选择开关时间小、寄生分量小的二极管，电容选用充电时间常数大于取样脉冲的脉冲宽度、放电时间常数大于取样脉冲的周期。积分-微分模块由积分电路和微分电路组成，积分电路对相关检测电路的输出信号进行积累，经过成千上万个脉冲积累后微弱的目标信号被检测出来；微分电路对积分电路的输出信号进行微分，如果没有运动目标，微分电路的输出信号为一固定值，如果有运动目标，微分电路把由于目标运动引起的积累信号的变化检测出来。其中积分器（由N1、C11和R9构成）的时间常数为30s，微分器（由C10、N2和R8构成）时间常数为0.5秒，保证能够将呼吸和人体的其他微动信号检测出来。微功率冲激生物雷达前端的输出功率小于0.01微瓦，作用距离小于0.5米。
如图3所示，微功率冲激式生物雷达前端的外部接口XS01（雷达输入输出和距离控制），采用DB15/M芯接口，其中1-8脚对应距离门（P0-P7）的8位控制线,可外接高低电平输入，9-10脚为地，11脚为+5电源，12脚为-5V电源，13-15为微功率冲激式生物雷达前端的输出信号。XSO2（发射天线接口）和XSO3（接收天线接口）采用SMA/F接口，分别对应发射信号输出(接发射天线tan1)和接收信号输入(接接收天线tan2)。
采用本发明公开的微功率冲激式生物雷达前端，外接±5V直流电源和2个1800M的拉杆天线作为发射和接收天线，将生物雷达前端的输出信号经过1000倍的放大后即可检测到正常状态下的人体的呼吸信号，其波形和功率谱如图4所示。天线与实验者的胸部距离为0.5米，无需任何电缆线或传感器接触身体，波形结果表明此时呼吸信号功率谱中对应的峰值频率为0.2188Hz，此时对应呼吸率为13次/分钟。
Claims (5)
1.一种微功率冲激式生物雷达前端，其特征在于，包括一个窄脉冲成形模块、一个距离门模块、一个相关检测模块和一个积分-微分模块，所述窄脉冲成形模块产生窄脉冲序列信号通过外接发射天线辐射出去，窄脉冲序列被人体因呼吸或心跳引起的胸壁微动所反射，其回波信号被外接接收天线接收，通过相关检测模块对窄脉冲回波进行解调后输出到积分-微分模块，提取出人体呼吸和心跳微动信息，所述距离门模块连接相关检测模块，实现探测区内的距离选通和扫描；所述外接发射天线与接收天线与人体的胸部距离不超过0.5米。
2.如权利要求1所述的微功率冲激式生物雷达前端，其特征在于，所述窄脉冲成形模块包括脉冲信号源和窄脉冲成形电路，能产生几百ps到几十ns的窄脉冲序列。
3.如权利要求2所述的微功率冲激式生物雷达前端，其特征在于，所述脉冲信号源由晶体振荡器和门电路构成；所述窄脉冲成形电路由阶跃二极管和激励电感构成。
4.如权利要求1所述的微功率冲激式生物雷达前端，其特征在于，所述距离门模块由8位高低电平控制的可变延迟线电路构成。
5.如权利要求1所述的微功率冲激式生物雷达前端，其特征在于，所述相关检测模块为包括采样二极管和电容的窄脉冲采保电路所构成。
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