CN112336323A - 用于生命信息非接触检测的生物雷达、系统、方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于用于感应和采集空间中人体的呼吸、心跳及肢体动作等信息的测量装置技术领域，公开了一种用于生命信息非接触检测的生物雷达、系统、方法及应用，传感器中微型一体化生物雷达，以非接触方式用于感应和采集空间中人体呼吸、心跳信息，并把感应到的信息转换为相应的电信号；生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块，用于从微型一体化生物雷达输出的混杂信号中提取出混合的生命信息，并从提取的混合生命信息中分离出呼吸和心跳信号后输出；电源模块，用于提供性能相适配电源。本发明以非接触方式检测空间中人体呼吸、心跳及体动信息，结合现有的物联网技术和设备，可构成生命信息远程实时监测/检测、预警系统等。
Description
技术领域
本发明属于用于感应和采集空间中人体的呼吸、心跳及肢体动作等信息的测量装置技术领域，尤其涉及一种用于生命信息非接触检测的生物雷达、系统、方法及应用。
背景技术
目前，目前临床监测呼吸、心跳信息，均采用电极等接触式传感器和导线传导方法。检测过程中，被测者须处于约束和束缚状态。在家庭看护中，目前尚无技术手段予以解决实时看护和预警；随着社会老龄化加剧、独居老人的增多，对居家老人和独居老人身体状态和生命状况进行实时看护和预警是一项空白；在重点场所或重点部位的安全侦测防范中，现有的红外和雷达技术仅限于发现移动物体，尚无针对生命体的生命信息进行侦测的技术。
国内外普遍采用超宽带(Ultra Wide Band，UWB)雷达技术进行生命信息检测。UWB技术发射和接收的雷达波是窄脉冲信号，由于窄脉冲具有超宽频谱(即超宽带，或超宽谱)，超宽谱窄脉冲对穿透障碍物有利，但传输过程中其载有生命信息的回波脉冲信号稳定性差，受干扰后信号发生畸变，导致其性能和提取的生命信息可信度降低；同时，在超宽谱范围内电路对各频率分量响应不同(延迟时间不同)，而与之混频的脉冲源信号虽经过“延迟线”延迟，但无法在超宽谱范围内对各频率分量做等量延迟，导致θ0非恒定值，而成为无法消除的干扰变量θ0(f)，降低对微弱呼吸和心跳信息的分辨力，仅可分辨和提取生命体体动和具有足够强度(或超近距离)的呼吸信号，而无法分辨微弱呼吸和心跳信息。
通常，成人呼吸信息引起的胸廓变化幅度约为几毫米，而心脏搏动及传导的体表变化幅度仅为微米。在实验室环境，超近距离(约0.5米以内)、增大雷达输出功率等条件下可偶尔提取到心跳信息，但未实现模块化、形成传感器，未达到实用化程度。目前采用UWB技术的生命信息非接触检测，其系统分辨力为毫米级，无法分辨微米级信息。
市场上现有安防侦测激光、红外和微波(雷达)报警器和开关等，可侦测有无移动的物体，而不能检测生命体信息及有无生命体。激光技术不能穿透任何遮挡物(如纸张、衣物等)，红外技术易受环境温度、热物影响，在移动物体侦测时误报率高的缺点。
长期以来，生命信息采集方式依靠佩戴电极、以接触方式(如体表电极、胸带、腕表、电极背心等)获得，生命信息采集和提取过程，需要约束和限定，应用范围受到限制。比如，废墟下、或遮挡物遮挡(丛林、掩体下)的生命体等，无法提前佩戴附加装置(如体表电极、佩戴胸带、腕表、电极背心等)，以发现和寻找；佩戴等接触检测方式限制人们活动；佩戴式给人带来不适感，……。
随着技术发展进步，本发明的发明人在上个世纪九十年代初作为主要技术骨干，开始研究以雷达方式采集、提取人体生命信息，并在2003年首创第一台雷达生命探测仪；2005年首创第一台警视-Ⅰ、警视-Ⅱ隔墙探人雷达，并于同年通过公安部科技局鉴定；2007年首创第一台超宽谱雷达生命探测仪，并通过消防救援装备鉴定、装备消防救援队，用于很多等重大事件中，取得良好的社会效益。获得2013年某省科技进步一等奖(《基于雷达式生命探测技术的搜救生物雷达》)、2014年度技术发明二等奖(《雷达式生命探测技术与系列装备》)。本发明的发明人经过长期研究，采用多种测试方法和测试技术对现有的生物雷达技术进行了深入细致研究，发现UWB技术存在以下不足：1)、目前，国内外专业刊物上发表的此类论文，主要集中在如何用软件方法提取呼吸和心跳信号，未从系统硬件架构进行研究和分析。2)、UWB技术穿透力较强，但雷达回波脉冲信号中干扰太强，提取生命信息时，无法分辨微弱呼吸和心跳信息，导致误报率高。3)、目前，从国内外学术界发表的论文及专业刊物上，以及现有其它产品(雷达生命信息检测技术，下同)介绍可以看到，普遍存在、且笼统的认为：“UWB技术的抗干扰能力强”，此观点和认识与本发明的研究检测结果不符。发明人在深入研究基础上，经分析后认为：持“UWB技术的抗干扰能力强”的观点，一是存在概念混淆、模糊；二是单纯强调“时窗”对干扰抑制作用，而忽略“时窗”内脉冲对微弱信息的影响及对系统设计理论的理解存在偏差。电子学理论所讲的脉冲与UWB技术的脉冲是两个概念。电子学理论所讲的脉冲是作为脉冲“编码”和脉冲“数字”而言，此脉冲作为“0”或“1”，传输中脉冲信号抗干扰能力强。但UWB技术所讲的脉冲不能混淆为数字脉冲，因为其生命信息“搭载”、“调制”在雷达回波每个脉冲的“顶端”，传输过程中，脉冲“顶端”抗干扰能力并不强。同时，该技术对发射和接收的脉冲信号幅度稳定性要求高，脉冲信号幅度稳定性决定着微弱信号的分辨和提取。另外，UWB技术的脉冲宽度为ns甚至ps，脉冲频谱为超宽谱。这就要求用于混频的信号源信号延迟时间在超宽频率范围内应该与雷达回波一致，或控制在一定范围内。否则，将会因为延迟时间不一致、导致公式(VR(t)＝kAsin[2πf0(t-τ)+θ0+θ(t)])中初相θ0不是恒定值，不能作为直流项予以消除，相反初相θ0成为θ(t)的干扰项，使得公式2不能简化为公式4(VO(t)≈ρX(t))进行信息处理和提取。目前，公开发表的论文及相关技术均把初相θ0作为恒定值处理，导致无法提取到微弱呼吸和心跳信息。而且，目前尚无技术手段和方法保持混频的信号源信号与回波信号的各频率延迟时间一致性，故无法克服和解决混频输出的初相θ0干扰，也无克服系统内部干扰的有效方法。使得该技术对生命信息的非接触检测停留在毫伏级水平。目前，公开发表的论文，少有从系统角度进行研究，更多是采用软件办法对系统后端的信号进行提取研究，这只是解决问题的一个次要方面，而没有从根源上予以探究。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有UWB技术雷达回波脉冲中承载的微弱信息易受干扰，性能和提取的生命信息可信度降低。
(2)现有UWB技术解调后的信号相位误差大，导致微弱呼吸信号和心跳信息检测和分辨能力下降。
(3)现有技术形成的设备体积较大、价格昂贵，未达到经济实用化程度。
(4)现有技术非微型化、模块化的传感器。
(5)现有安防红外和雷达技术仅限于发现移动物体，非生命信息检测技术。
解决上述技术问题的难度：选择和确立生物雷达技术方案；提高电源和生物雷达收/发电路稳定性；强干扰信号(环境干扰、电路噪波等干扰)中极微弱生命信息的提取；呼吸、心跳信号分离；系统微型模块化带来的技术及结构设计等问题。
解决上述技术问题的意义：生物雷达位于系统前端，其技术方案及输出信号的优劣，决定着微弱生命信息检测的分辨率，及后续微弱生命信息的提取；只有在大量实验、测试、比较和理论分析基础上，才可发现各类型生物雷达的特点及细微区别，确立合理技术方案，这是解决现行技术问题的前提；雷达回波信号中包含有环境背景回波干扰、耦合直达波干扰、以及高频电路串扰等，生命信息湮没在这些干扰中。相对于干扰信号来讲，呼吸信息属于微弱信息，心跳信息属于极微弱信息。所以，从强干扰信号中识别、提取及分离微弱生命信息是系统关键；作为微型模块化传感器，技术方案制定和系统设计中，除生物雷达采用微型一体化生物雷达、系统电路设计采用高集成度和贴片元器件外，采取简洁、可靠、稳定、低功耗和紧凑结构等方案。
本发明采用非接触方式，被测者不需要佩戴任何附加装置，也不需要贴敷电极，实现非接触检测和监测，被测者不受任何约束和束缚；对无法贴敷电极进行接触式检测的病人(如大面积烧伤、恶性传染性等)，本发明可填补此类检测空白；对临床住院病人，可实现24小时实时值守和看护，以避免定时查房无法及时发现病人突发症状、夜间病人出现意外不能及时发现和施救而导致的死亡。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于生命信息非接触检测的生物雷达、系统、方法及应用。
本发明是这样实现的，一种用于生命信息非接触检测的生物雷达，用于非接触感应和采集空间中生命体信息；
所述生物雷达由微带发射天线、微带接收天线、振荡器、功分器、环行器、耦合器和混频器集成一体化；
信号源输出信号送入功分器，经功分器功率分配后，功分器a路连接环行器、经环行器送入微带发射天线；环行器用于隔离发射和接收信号；功分器b路连接耦合器，经耦合器衰减并送入混频器；所述微带接收天线接收的回波信号经环行器送入混频器，与经过耦合器的功分器b路信号在混频器实现相干解调；解调后进行输出信号。
进一步，所述生物雷达以24.125GHz连续波(Continuous Wave，CW)方式，进行非接触感应和采集空间中生命体信息；
所述微带发射天线为四振子微带发射天线；所述微带接收天线为四振子微带接收天线。
本发明另一目的在于提供一种微型模块化生命信息非接触检测系统，为微型模块化生命信息非接触检测传感器，包括：
生物雷达，以24.125GHz连续波(Continuous Wave，CW)方式，非接触感应和采集空间中生命体信息；
生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块，用于从生物雷达输出的混杂信号中(包含有空间环境干扰及杂波等信号)提取出混合生命信息，并从提取的混合生命信息中分离出呼吸和心跳信号；
电源模块，用于为微型一体化生物雷达、生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块提供性能相适配电源。
进一步，所述生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块包括：
生命信息累积提取及呼吸、心跳信号分离单元，用于相关累积处理，对湮没在干扰信号中的呼吸和心跳信息进行累积增强，再经过时频域变换、FFT后分离出呼吸和心跳信号。
本发明的另一目的在于提供一种执行所述微型模块化生命信息非接触检测传感器的微型模块化生命信息非接触检测方法，所述微型模块化生命信息非接触检测方法包括以下步骤：
第一步，振荡信号经功分器和环行器隔离后，通过四振子微带发射天线、四振子微带接收天线发射到空间；四振子微带发射天线发射信号载有生命体信息的回波信号；四振子微带接收天线接收载有生命体信息的回波信号，经环行器隔离后送入混频器与振荡信号混频形成中频信号输出；
第二步，用累积增强方法，从微型生物雷达输出的中频信号中提取出微弱的混合生命信息；采用变换域累积技术从混合生命信息中分离出呼吸和心跳信号。
进一步，
所述第一步中，四振子微带发射天线发射信号载有生命体信息的回波信号，用以下公式表达：
发射信号：
VT(t)＝Asin(2πf0t+θ0)；
式中，f0为发射信号频率，θ0为初相。
进一步，所述第一步中，生命信息使生物雷达回波信号发生多普勒效应为θ(t)：
回波信号：
VR(t)＝kAsin[2πf0(t-τ)+θ0+θ(t)]；
式中，k为衰减系数，τ＝2R/c，R为微型生物雷达与人体之间距离，c为光速。
进一步，所述第一步中，所述第二步中，混合生命信息提取从公式VR(t)＝kAsin[2πf0(t-τ)+θ0+θ(t)]中，过滤高频项和去掉直流分量后，得到：
VO(t)＝Ksinθ(t)；
式中K为混频、滤波增益，VO(t)即为结构方框图中混频器输出VO；
生命信息非接触检测属于微弱、微量信号检测，生物雷达回波信号中的生命信息引起的相位变化量简化为：
VO(t)≈Kθ(t)；
式中，位移θ(t)的变量包括：人体呼吸过程中肺部扩张及收缩引起胸廓变化量，心脏搏动传导至胸壁及血管等变化量；检测呼吸和心跳信息，检测胸腔和胸壁的变化；检测胸腔和胸壁等的变化通过检测相应位移量X(t)实现；相位θ(t)与位移X(t)成线性关系，根据电磁波理论，表达为：
VO(t)≈K[4πX(t)]/λ；
或：VO(t)≈ρX(t)；
式中，ρ＝(4πK)/λ经运算和积分累积增强处理后，提取出混合生命信息VO；呼吸和心跳信号分离根据呼吸和心跳信号各自频谱特点，将混合生命信号VO从时域变换为频域，经过FFT累计分离出呼吸信号Vb和心跳信号Vh输出。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述微型模块化生命信息非接触检测方法的临床病人夜间值守或预警控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述微型模块化生命信息非接触检测方法的居家老人生命信息检测或预警系统。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述微型模块化生命信息非接触检测方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明以非接触方式，远距离采集和提取生命体的呼吸、心跳、体动信息。被测者无约束、不需佩戴任何附加装置、完全处于自然状态下实现生命信息的检测。
本发明采用CW生物雷达技术，很好地解决了UWB技术构成系统的“先天性”不足(分辨力仅达到毫米级)，配合系统后续“生命信息提取及分离”，使系统对呼吸和心跳信息的分辨力达到微米级水平，实现5米范围内的非接触生命信息检测，达到实用化程度。
由于生物雷达采用技术方法不同，生命信息处理、提取，以及呼吸和心跳信号分离方法等方法均不同。
本发明使用的生物雷达技术为低功率、微辐射，电磁辐射指标在相距20cm处是国家标准规定的0.0844倍；200cm处仅是国家标准规定的0.0018倍(GB9175-1988环境电磁波卫生标准：长期居住环境下一级标准)，可以长期连续使用。
本发明所用CW生物雷达技术与常规CW雷达技术在电磁波传输方面均遵守电磁波传输基础理论，但存在以下不同之处：首先，两者检测对象不同。常规CW雷达检测对象是移动物体；CW生物雷达检测对象是生命体。其次，两者感应采集的信息不同。常规CW雷达检测移动物体的距离、方位和有无移动物体；CW生物雷达检测生命体的生命信息，以及有无生命体存在。再次，从电磁场角度讲，常规CW雷达属于远场检测；CW生物雷达属于超近场检测。由于检测对象不同，信号处理、信息提取方法等均不相同。
表1本发明的产品与国内外现有相近技术及产品功能及性能对照表
表中：
1)、日本相近技术及产品为富士通公司产品，为分散组件形式，尚未形成应用产品。组件批价约$75元。
2)、美国相近技术及产品为Google公司产品。
3)、美国和日本产品均无心跳信息检测功能。
本发明采用的技术方法解决了UWB系统中初相θ0对θ(t)的干扰，采用简化公式4对生命信息进行提取等处理，极大简化了系统整体设计方案，进而简化了电路的复杂度、提高了系统长期工作稳定性和可靠性，也降低了成本，实现微型化传感器；提高了雷达波在传输过程中的抗干扰能力，避免了UWB系统的脉冲不稳定性；避免了UWB系统在超宽谱范围内的信号干扰问题，提高了系统信噪比。通过这些方法，使系统对生命信息的解析达到微伏级能力。这是实现“生命信息非接触检测”的前提。
在现有相近技术、论文和产品介绍中，均回避、或疏忽了“生命信息非接触检测”的分辨力这一非常重要、量化技术指标，在学术界专业刊物中未有涉及，现行其它同类相近产品中也未解决。本发明的“生命信息非接触检测”传感器，使用专业检测设备进行了较全面性能测试。UWB技术采用“时窗”技术，一个“时窗”对应一个距离范围，可消除或抑制“时窗”对应距离之外的干扰。对于“时窗”内的干扰、脉冲传输过程中的干扰以及自身技术产生的干扰则无法有效解决。
本发明的CW技术与UWB技术相比，具有技术实现难度低、长期工作稳定性和可靠性高、成本低、电路结构简单易于微型化和模块化，具有UWB技术无法比拟的优势。更关键的是：解决了UWB技术存在的问题，提高了对微弱生命信息的采集和提取能力，微型模块化的生命信息传感器分辨力达到5微米，实现了以非接触方式对微弱呼吸和心跳信息的可靠采集和提取，并形成了实用化产品。现有类似相近产品可采集提取到呼吸和体动信息，但无法分辨微弱呼吸信息，更无法检测到心跳信息。
本发明可作为临床病人夜间值守/预警、居家老人生命信息检测/预警、特殊人群生命状况检测/预警、重点部位防范/预警、家居智能化、智能控制等用途的传感器，有着广阔的应用前景。本发明还可以应用在床用非接触生命信息远程监测系列产品、非接触生命体征远程监测预警系列产品、超薄型非接触生命体征监测系列产品、居家非接触生命体征监测预警系列产品、居家生命体征监测产品、婴幼儿非接触生命体征监测预警产品、非接触生命信息健康盒子产品、床用生命信息远程监测预警系列产。用户使用本发明传感器研发的产品，作为军民融合、居家养老项目得到推广应用，《非接触式生命体征监测仪》的实用价值得到社会肯定，产生了良好的社会效益。
本发明以非接触方式检测人体呼吸、心跳及体动信息，结合现有的物联网技术和设备，可构成生命信息远距离实时监测/检测预警系统。无论身在何处，通过传感器组件检测到的呼吸、心跳等生命信息，可观测、分析被测者生命信息和状态。
本发明在人体生命信息非接触检测、自动控制、智能化领域应用广泛，是智能化设备必不可少的组件。
3、产品应用情况：
本发明经过近多年的使用，其性能稳定可靠、性价比高；用户在对比测试国内外相似产品基础上，得出：本发明产品性能处于领先水平，而进行推广应用。同时，用户使用本发明产品，陆续开发出应用型新产品。
附图说明
图1是本发明实施例提供的微型模块化生命信息非接触检测系统的结构示意图。
图中：1、微型一体化生物雷达；2、生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块；3、电源模块。
图2是本发明实施例提供的微型模块化生命信息非接触检测方法流程图。
图3是本发明实施例提供的微型模块化生命信息非接触检测系统的原理结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有红外和雷达技术仅限于发现移动物体，而无法发现缓慢移动或静止不动的生命体；现有技术用雷达检测心跳信号的设备体积较大、成本高，远未达到经济和实用化程度的问题。本发明以非接触方式，远距离采集和提取生命体的呼吸、心跳、体动信息。
本发明提供一种用于生命信息非接触检测的生物雷达，用于非接触感应和采集空间中生命体信息；
所述生物雷达由微带发射天线、微带接收天线、振荡器、功分器、环行器、耦合器和混频器集成一体化；
信号源输出信号送入功分器，经功分器功率分配后，功分器a路连接环行器、经环行器送入微带发射天线；环行器用于隔离发射和接收信号；功分器b路连接耦合器，经耦合器衰减并送入混频器；所述微带接收天线接收的回波信号经环行器送入混频器，与经过耦合器的功分器b路信号在混频器实现相干解调；解调后进行输出信号。
在本发明中，所述生物雷达以24.125GHz连续波(Continuous Wave，CW)方式，进行非接触感应和采集空间中生命体信息；
所述微带发射天线为四振子微带发射天线；所述微带接收天线为四振子微带接收天线。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的微型模块化生命信息非接触检测系统包括：
生物雷达，为微型一体化生物雷达1，以24.125GHz连续波(Continuous Wave，CW)方式，非接触感应和采集空间中生命体信息；
生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块2，用于从生物雷达输出的混杂信号中(包含有空间环境干扰及杂波等信号)提取出混合生命信息，并从提取的混合生命信息中分离出呼吸和心跳信号；
电源模块3，用于为微型一体化生物雷达、生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块提供性能相适配电源。
微型一体化生物雷达1采用收发一体化的微带天线雷达。由四振子微带发射天线、四振子微带接收天线、振荡器、功分器、环行器、耦合器和混频器等集成一体化。
微型一体化生物雷达1外形尺寸为25.0×25.0×7.0mm；其电磁辐射远低于GB9175-88《环境电磁波卫生标准》中一级标准(长期居住条件下＜10μw/cm2)。经第三方国际检测认证服务中心检测，在20cm处(超近距离)仅为：0.844μW/cm2。生命信息提取及数据转换模块2包括：
所述生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块包括：
生命信息累积提取及呼吸、心跳信号分离单元，用于相关累积处理，对湮没在干扰信号中的呼吸和心跳信息进行累积增强，再经过时频域变换、FFT后分离出呼吸和心跳信号。
生命信息提取单元，用于从公式VR(t)＝kAsin[2πf0(t-τ)+θ0+θ(t)]中，过滤高频项和去掉直流分量后，得到：
VO(t)＝Ksinθ(t) 式(1)
式中K为混频、滤波增益。VO(t)即为结构方框图中混频器输出VO。
由于生命信息非接触检测属于微弱、微量信号检测，微型一体化生物雷达回波信号中的生命信息引起的相位变化量非常小，所以公式(1)可简化为：
VO(t)≈Kθ(t) 式(2)
式(2)中，位移θ(t)的变量包括：人体呼吸过程中肺部扩张及收缩引起胸廓变化量，心脏搏动传导至胸壁及血管等变化量。检测呼吸和心跳信息，实质是检测胸腔和胸壁等的变化；而检测胸腔和胸壁等的变化是通过检测相应位移量X(t)实现。由于相位θ(t)与位移X(t)成线性关系，根据电磁波理论，式(2)可表达为：
VO(t)≈K[4πX(t)]/λ 式(3)
或：VO(t)≈ρX(t) 式(4)
式中，ρ＝(4πK)/λ
经式(4)运算和积分累积增强处理后，提取出混合生命信息VO
呼吸和心跳信号分离单元，根据呼吸和心跳信号各自频谱特点，将混合生命信号VO从时域变换为频域，经过FFT累计分离出呼吸信号Vb和心跳信号Vh输出。
如图2所示，本发明实施例提供的微型模块化生命信息非接触检测方法包括以下步骤：
S201：振荡信号经功分器和环行器隔离后，通过四振子微带发射天线、四振子微带接收天线发射到空间；四振子微带发射天线发射信号载有生命体信息的回波信号；四振子微带接收天线接收载有生命体信息的回波信号，经环行器隔离后送入混频器与振荡信号混频形成中频信号输出；
S202：采用运算和累积方法提取出混合生命信息；
S203：采用变换域FFT和累积技术，对混合生命信息中的呼吸、心跳信号进行分离。
微型一体化生物雷达1发射信号和载有生命体信息的回波信号，可用以下数学公式表达：
发射信号：
VT(t)＝Asin(2πf0t+θ0)；
式中，f0为发射信号频率，θ0为初相。
人体生命信息的微动使回波信号发生多普勒效应，导致回波信号相位发生变化，其变化为θ(t)，回波信号：
VR(t)＝kAsin[2πf0(t-τ)+θ0+θ(t)]；
式中，k为衰减系数，τ＝2R/c，R为微型生物雷达与人体之间距离，c为光速。
本发明的模块化后的微型生物雷达非接触生命信息检测传感器组件型号可以采用JC122H、JC122B。其体积分别为4.1cm×3.1cm×1.8cm；6.4cm×4.2cm×1.1cm。
下面结合测试对本发明的技术效果作详细的描述。
本发明传感器JC122H性能实测，测试条件：
测试环境：实验室，自然条件下，C122H传感器与被测者之间距离：4.0米；被测者：成年女性；被测者状态：无约束、静坐
测试仪器：示波器SDS1102X；JC122H传感器供电电源：SS172D；DM228人体体表心肺微动模拟系统。
测试结果：本发明传感器输出呼吸信号、心跳信号清晰。
呼吸信号：最小分辨力：0.1mm；幅度响应：1.29Vpp/mm；距离响应衰减率：-0.20Vpp/m。
心跳信号：最小分辨力：0.005mm；距离响应衰减率：-0.30Vpp/m。
本发明的传感器与接触式脉搏测试仪性能对比测试，测试环境：办公室，自然条件下，JC122H传感器与被测者之间距离：约1米；被测者：成年男性；被测者状态：无约束、卧床；测试仪器：JC122H传感器检测显示设备：手机APP；对照检测仪器：科翔红外指夹脉搏仪(接触式)；JC122H传感器供电电源：通用型手机充电器电源；对比测试结果：心率吻合度≥95﹪。
本发明的JC122H心率检测与接触式脉搏仪对比测试，测试环境：家庭，自然条件下，JC122H传感器与被测者之间距离：约1米，被测者：男性，居家老人，被测者状态：无约束、睡眠；测试仪器：JC122H传感器检测显示设备：手机APP；对照检测仪器：科翔红外指夹脉搏仪(接触式)；JC122H传感器供电电源：通用型手机充电器电源；对比测试结果：心率吻合度≥95﹪。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微型模块化生命信息非接触检测方法，其特征在于，所述微型模块化生命信息非接触检测方法包括以下步骤：
振荡信号经功分器和环行器隔离后，通过四振子微带发射天线、四振子微带接收天线发射到空间；四振子微带发射天线发射信号载有生命体信息的回波信号；四振子微带接收天线接收载有生命体信息的回波信号，经环行器隔离后送入混频器与振荡信号混频形成中频信号输出；
利用累积增强方法，从微型生物雷达输出的中频信号中提取出微弱的混合生命信息；采用变换域累积技术从混合生命信息中分离出呼吸和心跳信号。
2.如权利要求1所述的微型模块化生命信息非接触检测方法，其特征在于，所述四振子微带发射天线发射信号载有生命体信息的回波信号，用以下公式表达：
发射信号：
VT(t)＝Asin(2πf0t+θ0)；
式中，f0为发射信号频率，θ0为初相；
所述生命信息使生物雷达回波信号发生多普勒效应为θ(t)：
回波信号：
VR(t)＝kAsin[2πf0(t-τ)+θ0+θ(t)]；
式中，k为衰减系数，τ＝2R/c，R为微型生物雷达与人体之间距离，c为光速。
3.如权利要求1所述的微型模块化生命信息非接触检测方法，其特征在于，所述混合生命信息提取从公式VR(t)＝kAsin[2πf0(t-τ)+θ0+θ(t)]中，过滤高频项和去掉直流分量后，得到：
VO(t)＝Ksinθ(t)；
式中K为混频、滤波增益，VO(t)即为结构方框图中混频器输出VO；
生命信息非接触检测属于微弱、微量信号检测，生物雷达回波信号中的生命信息引起的相位变化量简化为：
VO(t)≈Kθ(t)；
式中，位移θ(t)的变量包括：人体呼吸过程中肺部扩张及收缩引起胸廓变化量，心脏搏动传导至胸壁及血管等变化量；检测呼吸和心跳信息，检测胸腔和胸壁的变化；检测胸腔和胸壁等的变化通过检测相应位移量X(t)实现；相位θ(t)与位移X(t)成线性关系，根据电磁波理论，表达为：
VO(t)≈K[4πX(t)]/λ；
或：VO(t)≈ρX(t)；
式中，ρ＝(4πK)/λ经运算和积分累积增强处理后，提取出混合生命信息VO；呼吸和心跳信号分离根据呼吸和心跳信号各自频谱特点，将混合生命信号VO从时域变换为频域，经过FFT累计分离出呼吸信号Vb和心跳信号Vh输出。
4.一种微型模块化生命信息非接触检测系统，其特征在于，所述微型模块化生命信息非接触检测系统包括：
生物雷达，用于非接触感应和采集空间中生命体信息；
生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块，用于从所述生物雷达输出的混杂信号中提取出混合生命信息，并从提取的混合生命信息中分离出呼吸和心跳信号；
电源模块，用于为所述生物雷达、生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块提供性能相适配电源。
5.如权利要求4所述的微型模块化生命信息非接触检测系统，其特征在于，所述生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块用于接收所述生物雷达解调输出信号IF。
6.如权利要求4所述的微型模块化生命信息非接触检测系统，其特征在于，所述生命信息提取及呼吸、心跳信号分离模块包括：
生命信息累积提取及呼吸、心跳信号分离单元，用于相关累积处理，对湮没在干扰信号中的呼吸和心跳信息进行累积增强，再经过时频域变换、FFT后分离出呼吸和心跳信号。
7.一种用于生命信息非接触检测的生物雷达，其特征在于，所述用于生命信息非接触检测的生物雷达用于非接触感应和采集空间中生命体信息；
所述生物雷达由微带发射天线、微带接收天线、振荡器、功分器、环行器、耦合器和混频器集成一体化；
振荡器输出信号送入功分器，经功分器功率分配后，功分器a路连接环行器、经环行器送入微带发射天线发射到空间中；环行器用于隔离发射和接收信号；功分器b路连接耦合器，经耦合器衰减并送入混频器；所述微带接收天线接收的雷达反射回波信号经环行器送入混频器，与经过耦合器的功分器b路信号在混频器对原始雷达回波信号进行差频处理；差频后产生中频f0雷达回波信号输出。
8.如权利要求7所述的用于生命信息非接触检测的生物雷达，其特征在于，
所述生物雷达以24.125GHz连续波方式，进行非接触感应和采集空间中生命体信息；
所述微带发射天线为四振子微带发射天线；所述微带接收天线为四振子微带接收天线。
9.一种应用权利要求1～3任意一项所述微型模块化生命信息非接触检测方法的临床病人夜间值守或预警控制系统或居家老人生命信息检测或预警系统。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～3任意一项所述微型模块化生命信息非接触检测方法。
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