CN106175723A - 一种基于fmcw宽带雷达的多生命监护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统，由发射单元、接收单元、信号处理单元和无线信号传输单元组成；FMCW宽带雷达通过发射单元向不少于1个人体目标发射FMCW信号，反射的回波信号经接收单元进行接收，信号处理单元对携带有生命特征信号的回波信号进行处理，从回波信号中解调和分离出生命特征信号，通过无线信号传输单元传输至计算机终端，从而在不接触人体的情况下对被测人员进行呼吸与心跳信号监测。本发明可在无任何电极和传感器接触患者的情形下，在较远距离长时间同时监测多个患者的呼吸和心率，使被测人员感到更加轻松和舒适，可广泛应用于重度烧伤患者等临床动态监护及睡眠质量监测，也可应用于心理学领域的研究。

Description

一种基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统

技术领域

本发明涉及雷达生命探测技术领域，具体是一种基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统。

背景技术

呼吸和心率是人体重要的生理参数，直接反应了人体呼吸及循环系统的生理状态，是临床诊断和疾病预防的重要依据，因此，对人体呼吸和心率的实时监测具有十分重要的临床价值。传统监测呼吸和心率的临床方法主要通过力学传感器、电极等接触式传感器直接与人体皮肤接触以获取人体的生理信号，可能会给被测者带来不适感，此外，传感器对身体施加的预压或放置位置也会在一定程度上影响仪器的准确度。

在非接触式生命体征检测方面，频率调制连续波(Frequency ModulatedContinuous Wave,FMCW)宽带雷达同时具有超宽带(Ultra-Wideband,UWB)雷达对距离的分辨力和连续波(Continuous Wave,CW)多普勒雷达对速度的分辨力，从而可区分多个目标并提取目标的微动信息；此外，FMCW雷达可以做到体积小、重量轻、功耗低以及实时处理，因此，FMCW宽带雷达是非接触生命探测雷达系统的优先选择。到目前为止，雷达生命探测技术尚未完全解决多个静止人体目标的生理信号识别和监测问题。多静目标探测识别技术是国际生命探测领域的一个新的研究方向和难点，在一定程度上制约着雷达生命探测与监护仪的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统，可在无任何电极和传感器接触患者的情形下，在较远距离长时间同时监测多个患者的呼吸和心率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统，由发射单元、接收单元、信号处理单元和无线信号传输单元组成；

发射单元包括数模转换器、波形产生器、频率调制器、本地振荡器、混频器、带通滤波器、射频放大器和阵列发射天线，阵列发射天线用于发射线性频率调制的宽带连续波信号；

接收单元包括阵列接收天线、低噪放大器、本地振荡器、混频器、带通滤波器、中频放大器和模数转换器，用于收集不少于1个人体目标的生命特征信号的回波信号；

FMCW宽带雷达通过发射单元向不少于1个人体目标发射FMCW信号，反射的回波信号经接收单元进行接收，信号处理单元对携带有生命特征信号的回波信号进行处理，从回波信号中解调和分离出生命特征信号，通过无线信号传输单元传输至计算机终端，从而在不接触人体 的情况下对被测人员进行呼吸与心跳信号监测。

作为本发明进一步的方案：阵列发射天线与阵列接收天线均为阵列天线。

作为本发明进一步的方案：计算机终端包括笔记本与手机。

作为本发明进一步的方案：信号处理单元的处理过程：将采集到的携带有人体生命特征信号的回波信号通过FPGA实现包括解线调频处理、数字正交化、距离维FFT、杂波抑制、多目标生命特征信号解调以及基于小波变换的呼吸与心跳信号分离算法。

作为本发明进一步的方案：基于小波变换的呼吸与心跳信号分离算法，包括以下步骤：

第一步：信号预处理，对距离维FFT变换结果的第k(＝1,2,…,K)个距离单元的相位减去直流分量，做滑动平均，然后进行带通滤波，得到第k个目标呼吸和心跳的混合信号

第二步：重采样，设混合信号长度为N，采样频率为f，则L层小波分解的系数为， 其中和分别为信号第l层小波分解的低频系数和高频系数，而的理论频率范围值是[f_h,f/2^l]，的理论频率范围值是[f/2^l,f/2^l-1]，其中f_h为带通滤波中通带的起始频率；

将混合信号的采样频率f重采为f_s，使得L-1层小波变换后高频系数的频率范围正好取在健康成人的心率范围0.8-1.5Hz，而低频系数的频率范围正好取在健康成人的呼吸频率范围0.15-0.4Hz；

第三步：小波分解与重构，采用Coiflets小波函数，将重采样后的相位信号进行L层小波分解，取第L-1层小波变换后高频系数重构心跳信号，取第L层小波变换后低频系数重构呼吸信号。

作为本发明进一步的方案：滑动平均的点数为25，带通滤波中通带的起始频率f_h为0.08Hz，截止频率f_c为4Hz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可在无任何电极和传感器接触患者的情形下，在较远距离长时间同时监测多个患者的呼吸和心率，相比于传统的呼吸和心电记录仪，非接触的方式将使得被测人员感到更加轻松 和舒适，可广泛应用于重度烧伤患者、传染病患者、婴幼儿和老人的临床动态监护及睡眠质量监测，也可应用于心理学领域的研究。本发明经过参数调整(尤其是雷达系统工作的中心频率)，也可应用于灾后救援，探测废墟、瓦砾以及建筑物下是否有活的生命体存在。

附图说明

图1是FMCW宽带雷达多生命监护系统的整体框图；

图2是FMCW宽带雷达多生命监护系统的工作示意图；

图3是信号处理单元的信号处理流程图；

图4是基于小波变换的呼吸与心跳信号分离算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例中，一种基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统，包括发射单元、接收单元、信号处理单元和无线信号传输单元四个单元。FMCW宽带雷达发射单元包括数模转换器、波形产生器、频率调制器、本地振荡器、混频器、带通滤波器、射频放大器和一个贴片的阵列发射天线，阵列发射天线用于发射线性频率调制的宽带连续波信号；接收单元包括一个贴片的阵列接收天线、低噪放大器、本地振荡器、混频器、带通滤波器、中频放大器和模数转换器，用以收集多个人体目标的生命特征信号；信号处理单元通过FPGA(Field－Programmable Gate Array)实现包括解线调频处理、数字正交化、滤波、FFT(FastFourier Transformation)、多目标信号提取以及心跳呼吸信号分离等运算，所有运算在数字域实现；无线信号传输单元将最终分离得到的呼吸和心跳信号通过蓝牙通信设备传输至计算机终端(如笔记本、手机等)，或者通过WiFi传输到远程计算机终端进行显示或进一步分析处理(如呼吸、心率变异性分析)。FMCW宽带雷达多生命监护系统在医院、家庭等环境工作的示意图如图2，雷达探测系统一般安置在天花板上，对卧床的病人进行长时间监测。

阵列发射天线与阵列接收天线的工作带宽是9-11GHz，采用阵列形式，波束宽度为50°，增益为15dB，通过控制各个贴片阵元间相位差可形成一定的波束指向，两天线中间放置吸波材料，用以降低收发串扰。雷达射频工作的中心频率为10GHz，发射功率为1mW。发射波形 的周期(即频率调制的周期)为2ms，频率调制的带宽为2GHz，对应的距离分辨率约为7.5cm，根据本雷达系统需求设定的最大探测距离为5m。雷达中频的中心频率为2GHz。

本发明的工作原理是：FMCW宽带雷达通过发射机和宽带天线向多个人体目标发射FMCW信号，反射的回波信号经人体生命活动(如呼吸、心跳等)引入的微动调制，从而导致一些参数发生改变。通过对携带有人体生命特征信号的宽带雷达回波信号进行放大、下变频、解线调频、正交化、滤波等一系列处理，从回波中解调和分离出有用的人体生理信息(主要包括呼吸和心跳信号)，从而在不接触人体的情况下对被测人员进行远距离与长时间的呼吸与心跳信号监测。

生命特征信号属于低速运动的目标信号，产生的多普勒频移小；回波信号微弱且极易淹没在强杂波背景下，是频率极低、准周期、多谐波组合的信号，必须通过有效的信号处理手段才能更加准确地检测和提取。FMCW宽带雷达的整体信号处理流程(即信号处理单元所完成内容)如图3所示。发射信号在数字域(中频)与经由高速数模转换器得到的中频数字接收信号进行解线调频处理(包括带通滤波)，对不同延迟时间信号进行脉冲压缩，从而得到差频信号(零中频信号)。然后对差频信号进行数字正交化处理，将实信号转换为复信号。采集N个发射周期回波的复数域信号，在距离维加汉宁窗(抑制频谱旁瓣，实验证实汉宁窗对后期的相位提取没有影响，而其它窗函数(例如汉明窗、切比谢夫窗)则会导致相位变化)，进行距离维FFT变换，得到i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M，再求绝对值，得到一维距离像 杂波抑制需要采集目标出现前环境的至少N个周期的回波信号，得到环境杂波的一维距离像或多个一维距离像的平均值此部分处理可预先进行，并存储环境杂波的一维(平均)距离像。在雷达正式工作中，首先要检测多个人体目标所在的距离单元，从目标叠加环境的一维距离像中减去预先存储的杂波一维距离像，得到仅有目标的一维距离像再利用恒虚警检测器检测目标所在距离的单元k(＝1,2,…,K)；然后解调第k个单元的相位，即得到K个目标的生命特征信号，然后采用小波变换的方法分别提取K个目标的呼吸和心跳信号。

基于小波变换的呼吸与心跳信号分离算法流程图如图4所示。

第一步：信号预处理。对距离维FFT变换结果的第k(＝1,2,…,K)个距离单元的相位做滑动平均，然后进行带通滤波(通带的起始频率f_h为0.08Hz，截止频率f_c为4Hz)，得到第k 个目标呼吸和心跳的混合信号第二步：重采样。设混合信号长度为N，采样频率为f，则L层小波分解的系数为其中和分别为信号第l层小波分解的低频系数和高频系数，而的理论频率范围值是[f_h,f/2^l]，的理论频率范围值是[f/2^l,f/2^l-1]，其中f_h为带通滤波中通带的起始频率。

由于健康成人的平均呼吸频率范围为0.15-0.4Hz，心率范围为0.8-1.5Hz，将混合信号 的采样频率f重采为f_s，使得L-1层小波变换后高频系数的频率范围正好取在健康成人的心率范围0.8-1.5Hz，而低频系数的频率范围正好取在健康成人的呼吸频率范围0.15-0.4Hz。

第三步：小波分解与重构。本发明采用具有对称性、紧支撑性和正交性等优良特性的Coiflets小波，相比于传统的频域滤波，该小波能够很好地保持重构信号的边界和能量，尤其是对短时间信号的处理尤为明显。将重采样后的相位信号进行L层小波分解，取第L-1层小波变换后高频系数重构心跳信号，取第L层小波变换后低频系数重构呼吸信号。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。

Claims (6)

1.一种基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统，其特征在于，由发射单元、接收单元、信号处理单元和无线信号传输单元组成；

发射单元包括数模转换器、波形产生器、频率调制器、本地振荡器、混频器、带通滤波器、射频放大器和阵列发射天线，阵列发射天线用于发射线性频率调制的宽带连续波信号；

接收单元包括阵列接收天线、低噪放大器、本地振荡器、混频器、带通滤波器、中频放大器和模数转换器，用于收集不少于1个人体目标的生命特征信号的回波信号；

FMCW宽带雷达通过发射单元向不少于1个人体目标发射FMCW信号，反射的回波信号经接收单元进行接收，信号处理单元对携带有生命特征信号的回波信号进行处理，从回波信号中解调和分离出生命特征信号，通过无线信号传输单元传输至计算机终端，从而在不接触人体的情况下对被测人员进行呼吸与心跳信号监测。

2.根据权利要求1所述的基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统，其特征在于，阵列发射天线与阵列接收天线均为贴片的阵列天线，两天线中间放置吸波材料，用以降低收发串扰。

3.根据权利要求1所述的基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统，其特征在于，计算机终端包括笔记本与手机。

4.根据权利要求1所述的基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统，其特征在于，信号处理单元的处理过程：将采集到的携带有人体生命特征信号的回波信号通过FPGA实现包括解线调频处理、数字正交化、距离维FFT、杂波抑制、多目标生命特征信号解调(仅提取FFT结果对应目标距离单元的相位信息)、以及基于小波变换的呼吸与心跳信号分离算法。

5.根据权利要求1所述的基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统，其特征在于，基于小波变换的呼吸与心跳信号分离算法，包括以下步骤：

第一步：信号预处理，对距离维FFT变换结果的第k(＝1,2,…,K)个距离单元的相位做滑动平均，然后进行带通滤波，得到第k个目标呼吸和心跳的混合信号

第二步：重采样，设混合信号长度为N，采样频率为f，则L层小波分解的系数为，其中和分别为信号第l层小波分解的低频系数和高频系数，而的理论频率范围值是[f_h,f/2^l]，的理论频率范围值是[f/2^l,f/2^l-1]，其中f_h为带通滤波中通带的起始频率；

将混合信号的采样频率f重采为f_s，使得L-1层小波变换后高频系数的频率范围正好取在健康成人的心率范围0.8-1.5Hz，而低频系数的频率范围正好取在健康成人的呼吸频率范围0.15-0.4Hz；

第三步：小波分解与重构，采用Coiflets小波函数，将重采样后的相位信号进行L层小波分解，取第L-1层小波变换后高频系数重构心跳信号，取第L层小波变换后低频系数重构呼吸信号。

6.根据权利要求5所述的基于FMCW宽带雷达的多生命监护系统，其特征在于，带通滤波中通带的起始频率f_h为0.08Hz，截止频率f_c为4Hz。