CN103948381A - 一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法。射频前端模块通过天线发射电磁波到待测运动生物体表面；下变频模块将反射回来的信号数字正交下变频到基带信号；对基带信号进行动态圆心追踪算法去除无用的直流分量并且保留有用的直流分量，再应用拓展反正切算法解调出的相位信息不受到相位模糊度的限制，从而恢复出被测物体的运动信息。本发明相比于传统的非接触式生物信号探测系统只能探测亚波长级别的小幅度运动，所述的系统具有多功能和应用场景的优点，能突破小幅度运动的限制，应用于数米级别的多个波长大幅度运动的探测,来实现生物医疗等领域的相关非接触大幅度运动探测应用。

Description

一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法

技术领域

本发明涉及多普勒生物信号成像方法，尤其是涉及一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法。

背景技术

近几年来，国内外科研工作者在研究使用电磁波进行非接触式心率测量等小幅度运动探测方面，取得了很大的进展。然而，由于正交基带信号中直流偏移不确定的问题，一般反正切运算的值域限制导致相位模糊度问题，探测大动态范围运动，尤其是多个电磁波波长级别的大幅度运动探测受到了极大的限制。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法。相比于传统的非接触式生物信号探测系统只能探测有限的一个电磁波波长范围内的小幅度运动，本发明具有多功能和多应用场景的优点，能同时应用于数米级别的40倍以上波长的大幅度运动探测，也能与现行的电磁波非接触测量方案应用相同，应用于一个电磁波波长范围内的微小幅度运动的探测。

本发明采用的技术方案是：

射频前端模块通过天线发射电磁波到待测运动生物体表面；下变频模块将反射回来的信号数字正交下变频到基带信号；对基带信号进行动态圆心追踪算法去除无用的直流分量并且保留有用的直流分量，再应用拓展反正切算法解调出的相位信息不受到相位模糊度的限制，从而恢复出被测物体的运动信息。

其具体工作过程如下：

（1）所述射频前端模块对着待测运动生物体表面发射单频载波电磁波信号，经过待测运动生物体表面被反射，射频前端模块接收到反射电磁波信号，并将反射电磁波信号数字正交下变频，生成信号Q和信号I两路，分别满足：

$I\left(t\right)=A_I\left(t\right)\cos [\mathrm{\θ}+\frac{4\mathrm{\πx}\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}]+{\mathrm{DC}}_I\left(t\right),$

$Q\left(t\right)=A_Q\left(t\right)\sin [\mathrm{\θ}+\frac{4\mathrm{\πx}\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}]+{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right);$

其中，A_I(t),A_Q(t)分别为信号I和信号Q的幅度；由于数字域的正交解调，忽略幅度不平衡，即A_I(t)=A_Q(t)=A_R(t)；θ为一固定相移，与射频前端模块距离待测物体的初始距离有关；x(t)为运动物体的位移信息；λ为载波波长；DC_I(t)和DC_Q(t)分别为信号I和信号Q的直流偏移；

（2）在小幅度运动测量情况下，信号Q和信号I中的直流偏移变化很小，幅度变化也很小，此时认为不变；因此信号I和信号Q组成了一段以直流偏移(DC_I(t)，DC_Q(t))为圆心、幅度A_R(t)为半径的圆弧曲线：

[I(t)-DC_I(t)]²+[Q(t)-DC_Q(t)]²＝A_R ²(t)

而当测量大幅度运动时，信号Q和信号I中包含的直流偏移是时变的；此时其构成的圆弧的圆心位置偏移到坐标（DC_I(t)，DC_Q(t)）；为了消除变化的直流偏移信号对最终成像结果的影响，需要使用动态圆心追踪算法获取坐标（DC_I(t)，DC_Q(t)）；所述需要使用动态圆心追踪算法获取坐标（DC_I(t)，DC_Q(t)）；就是将大幅度运动划分为直流偏置和功率不变的小幅度运动，每段小幅度段运动上，对(DC_I,DC_Q,A_R)的方程求最优解：

$F({\mathrm{DC}}_I\left(t\right),{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right),A_R\left(t\right))=\min \underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|(\sqrt{{(I\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_I\left(t\right))}^2+{(Q\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right))}^2}-A_R\left(t\right))\right|;$

（3）之后在信号Q和信号I中对其进行补偿消除，获得以下的运动位移信息：

$x\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\{\arctan \frac{[Q\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right)]/A_Q\left(t\right)}{[I\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_I\left(t\right)]/A_I\left(t\right)}-\mathrm{\θ}\}$

但是由于反三角函数具有(-π/2,π/2)的值域限制，该模块的测量结果中会包含一些不连续点。为提高系统稳定性，使用拓展的反正切算法进行计算。

本发明具有的有益效果是：

相比于传统的非接触式生物信号探测系统只能探测亚波长级别的小幅度运动，所述的系统具有多功能和多应用场景的优点，能突破小幅度运动的限制，应用于数米级别的多个波长大幅度运动的探测,来实现生物医疗等领域的相关非接触大幅度运动探测应用。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2（a）是15ms内，本发明对音叉震动探测的时域上结果图。

图2（b）是本发明对音叉震动探测的频域上结果图。

图3（a）是20s时间内人体五米来回走动的信号I和信号Q星座图。

图3（b）是20s时间内人体五米来回走动恢复的运动位移图和相应的速度图。

具体实施方式

以下结合附图，具体阐述本发明的工作原理和实施方式：

如图1所示，射频前端模块包括发射天线TX和接收天线RX。首先通过天线TX发射电磁波到待测运动生物体表面；接收天线RX接收到反射信号，然后下变频模块将反射回来的信号数字正交下变频到两路基带信号：信号Q和信号I；对基带信号进行动态圆心追踪算法去除无用的直流分量并且保留有用的直流分量，再应用拓展反正切算法解调出的相位信息不受到相位模糊度的限制，从而恢复出被测物体的运动信息。

其具体工作过程如下：

1）所述射频前端模块对着待测运动生物体表面发射单频载波电磁波信号，经过待测运动生物体表面被反射，射频前端模块接收到反射电磁波信号，并将反射电磁波信号数字正交下变频，生成信号Q和信号I两路，分别满足：

$I\left(t\right)=A_I\left(t\right)\cos [\mathrm{\θ}+\frac{4\mathrm{\πx}\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}]+{\mathrm{DC}}_I\left(t\right),$

$Q\left(t\right)=A_Q\left(t\right)\sin [\mathrm{\θ}+\frac{4\mathrm{\πx}\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}]+{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right);$

其中，A_I(t),A_Q(t)分别为信号I和信号Q的幅度；由于数字域的正交解调，忽略幅度不平衡，即A_I(t)=A_Q(t)=A_R(t)；θ为一固定相移，与射频前端模块距离待测物体的初始距离有关；x(t)为运动物体的位移信息；λ为载波波长；DC_I(t)和DC_Q(t)分别为信号I和信号Q的直流偏移；

（2）在小幅度运动测量情况下，信号Q和信号I中的直流偏移变化很小，幅度变化也很小，此时认为不变；因此信号I和信号Q组成了一段以直流偏移(DC_I(t)，DC_Q(t))为圆心、幅度AR(t)为半径的圆弧曲线：

[I(t)-DC_I(t)]²+[Q(t)-DC_Q(t)]²＝A_R ²(t)

而当测量大幅度运动时，信号Q和信号I中包含的直流偏移是时变的；此时其构成的圆弧的圆心位置偏移到坐标（DC_I(t)，DC_Q(t)）；为了消除变化的直流偏移信号对最终成像结果的影响，需要使用动态圆心追踪算法获取坐标（DC_I(t)，DC_Q(t)）；

（3）之后在信号Q和信号I中对其进行补偿消除，获得以下的运动位移信息：

$x\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\{\arctan \frac{[Q\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right)]/A_Q\left(t\right)}{[I\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_I\left(t\right)]/A_I\left(t\right)}-\mathrm{\θ}\}$

但是由于反三角函数具有(-π/2,π/2)的值域限制，该模块的测量结果中会包含一些不连续点。为提高系统稳定性，使用拓展的反正切算法进行计算。

所述需要使用动态圆心追踪算法获取坐标（DC_I(t)，DC_Q(t)）；就是将大幅度运动划分为直流偏置和功率不变的小幅度运动，每段小幅度段运动上，对(DC_I,DC_Q,A_R)的方程求最优解：

$F({\mathrm{DC}}_I\left(t\right),{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right),A_R\left(t\right))=\min \underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|(\sqrt{{(I\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_I\left(t\right))}^2+{(Q\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right))}^2}-A_R\left(t\right))\right|.$

图2是在发射单频18GHz电磁波情况下对一个波长范围内小幅度音叉震动的探测结果：

图2（a）是15ms内本发明对音叉震动探测的时域上结果图。上图是应用本发明方法之前，单路信号音叉震动在时域上的变化，下图是应用本发明方法之后，音叉震动在时域上的变化，可以探测到音叉运动的幅度为285μm。

图2（b）是本发明对音叉震动探测的频域上结果图。探测到音叉的震动频率为425.4Hz，与生产说明书上的424Hz基本一致。

图3是在发射2.36GHz电磁波情况下，对20s时间内人体来回走动的探测结果：

图3（a）是人体五米来回走动的信号I和信号Q星座图。图3（b）上图是恢复的运动位移图，下图是相应恢复运动的速度图。从A点开始为正向的匀速直线运动行走，在B时刻折返，C到D时刻人进行了一次跳跃，所以速度忽然变大。可以清楚的看出整个过程的运动都能被恢复辨识。

Claims (3)

1.一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法，其特征在于：射频前端模块通过天线发射电磁波到待测运动生物体表面；下变频模块将反射回来的信号数字正交下变频到基带信号；对基带信号进行动态圆心追踪算法去除无用的直流分量并且保留有用的直流分量，再应用拓展反正切算法解调出的相位信息不受到相位模糊度的限制，从而恢复出被测物体的运动信息。 

2.根据权利要求1所述的一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法，其特征在于，其具体工作过程如下： 

（1）所述射频前端模块对着待测运动生物体表面发射单频载波电磁波信号，经过待测运动生物体表面被反射，射频前端模块接收到反射电磁波信号，并将反射电磁波信号数字正交下变频，生成信号Q和信号I两路，分别满足： 

其中，A_I(t),A_Q(t)分别为信号I和信号Q的幅度；由于数字域的正交解调，忽略幅度不平衡，即A_I(t)=A_Q(t)=A_R(t)；θ为一固定相移，与射频前端模块距离待测物体的初始距离有关；x(t)为运动物体的位移信息；λ为载波波长；DC_I(t)和DC_Q(t)分别为信号I和信号Q的直流偏移； 

（2）在小幅度运动测量情况下，信号Q和信号I中的直流偏移变化很小，幅度变化也很小，此时认为不变；因此信号I和信号Q组成了一段以直流偏移(DC_I(t)，DC_Q(t))为圆心、幅度A_R(t)为半径的圆弧曲线： 

[I(t)-DC_I(t)]²+[Q(t)-DC_Q(t)]²＝A_R ²(t) 

而当测量大幅度运动时，信号Q和信号I中包含的直流偏移是时变的；此时其构成的圆弧的圆心位置偏移到坐标(DC_I(t)，DC_Q(t))；为了消除变化的直流偏移信号对最终成像结果的影响，需要使用动态圆心追踪算法获取坐标（DC_I(t)，DC_Q(t)）； 

（3）之后在信号Q和信号I中对其进行补偿消除，获得以下的运动物体的位移信息x(t)： 

但是由于反三角函数具有(-π/2,π/2)的值域限制，该模块的测量结果中会包含一些不连续点。为提高系统稳定性，使用拓展的反正切算法进行计算。 

3.根据权利要求2所述的一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法，其特征在于：所述需要使用动态圆心追踪算法获取坐标（DC_I(t)，DC_Q(t)）；就是将大幅度运动划分为直流偏置和功率不变的小幅度运动，每段小幅度段运动上，对(DC_I,DC_Q,A_R)的方程求最优解：