CN115291231A - 基于激光调频连续波测距系统的生命体征测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用激光调频连续波测距系统测量人体生命体征的方法。建立了基于激光调频连续波绝对距离测量系统，将激光发射接收准直器和人体胸腔置于同一水平面，激光投射至人体胸腔，由于呼吸和心跳造成的胸腔起伏会改变目标点和激光发射器之间的距离，将测得的波形进行平滑滤波，随机身体运动信号去除，再将处理过的信号进行集合经验模态分解，可分离出心跳信号和呼吸信号。利用该系统测量人体生命体征，并将频率采样法用于对测量信号拍频非线性校正，使得校正精度高，速度快及装置简捷。有益效果：利用非接触测量人体生命体征，可适用于一些特殊场景，如早产儿生命监护，重度烧伤病人生命监护，新冠患者无接触生命体征测量等。

Description

基于激光调频连续波测距系统的生命体征测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，主要涉及一种基于激光调频连续波测距系统和测量结果处理方法。

背景技术

生命体征是现代医疗检测中的重要指标，能够为医生提供可靠的诊断和治疗依据。因此，对呼吸信号和心跳信号进行实时监测对临床疾病的诊断、健康监测等领域的发展有至关重要的作用。传统的接触式生命体征测量方法中，对于呼吸的检测方法一般有压力传感器法，呼吸感应体积描记法等；对于心跳的检测方法一般有心电图，光电式脉搏波测量法等。传统的接触式生命体征测量方法往往装置体积较大，操作较为复杂，因此检测装置的使用场合受限。而非接触式生命体征检测恰好可以弥补这些不足，适用于一些特殊场景。比如在临床医疗中，适合长时间生命体征测量，不会给患者带来生理不适感；实现早产儿在保温箱内的生命监护，由于早产儿器官发育和免疫系统不成熟，非接触式测量能最大程度减少外界刺激；对于大面积烧伤危重病人生命体征监护，避免接触造成压力刺激导致感染。

非接触生命体征检测手段包括红外、生物、静电场、超声波等。作为一种新兴的生命体征检测手段，激光调频连续波绝对距离测量技术由于其测量精度高，工作距离长，抗干扰性强等诸多优点在生命体征检测方面具有独特优势。如何实现呼吸信号和心跳信号分离是非接触式测量生命体征向前发展的关键性因素。

发明内容

为了解决接触式生命体征测量使用场景受限问题，本发明提供一种非接触式测量方案，即调频激光器向目标发射信号，同时接收目标反射的回波，根据测量信号发射时刻和返回光到达接收器的时间间隔进行测距，可以得到目标的距离信息。在生命体征检测方面，使用调频激光测量人体胸腔运动，得到心跳呼吸活动引起的振动信息。

本发明的技术方案是：

激光调频连续波测距系统，其包含以下设备：调频激光器、隔离器、耦合器A、耦合器B、延迟单模光纤、3dB耦合器A、平衡探测器A、耦合器C、环形器、准直镜头、3dB耦合器B、平衡探测器B、采集卡。

调频激光器输出可被线性调制的三角波，通过隔离器、耦合器A后分成校正干涉路和测量干涉路，分光比为1：99。在校正干涉路中，经过耦合器B进行分束，一路经过延迟单模光纤，另一路作为本振信号，两路信号在3dB耦合器A中耦合，在平衡探测器A上形成拍信号，将拍信号相位每经过2π时刻作为外部时钟信号接入采集卡。在测量干涉路中，信号再经耦合器C进行分束，一束穿过环形器，经过准直镜头投射至目标，带着目标信息原路返回，返回后经过3dB耦合器B到达平衡探测器B并于本振光发生外差干涉，形成测量信号。测量信号经过平衡探测器A形成的拍信号时钟采样后，拍频非线性得到校正。

对校正过的目标信息，进行以下处理：

步骤一：对校正后的原始数据进行平滑滤波。

步骤二：对平滑滤波后的波形进行去趋势处理，去除随机身体运动。

步骤三：对预处理后的信号进行集合经验模态分解。

步骤四：对集合经验模态分解后的小波信号进行数据采集，选取时域信号在呼吸和心跳范围内的信息，分离出心跳信号和呼吸信号。

与现有技术相比，本发明的有益是：利用激光调频连续波进行非接触式生命体征测量，解决接触式测量使用场景受限问题。将频率采样法用于测量信号拍频非线性校正，校正精度高、速度快及装置简捷。

附图说明

附图1是本发明装置示意图

附图2是激光上下扫频周期示意图

附图3是测量实验示意图

附图4是探测目标平滑滤波前后距离像

附图5是去除身体随机运动后的波形

附图6是经EEMD分解后的信号分量

附图7是呼吸信号的时域波形

附图8是心跳信号的时域波形

图中：1-调频激光器；2-隔离器；3-耦合器A；4-耦合器B；5-延迟单模光纤；6-3dB耦合器A；7-平衡探测器A；8-耦合器C；9-环形器；10-准直镜头；11-3dB耦合器B；12-平衡探测器B；13-采集卡。

具体实施方式

下面根据具体实例，结合附图，对本发明作进一步具体说明。

根据附图1所示，1输出可被线性调制的三角波，通过2、3后分成校正干涉路和测量干涉路，分光比为1：99。在校正干涉路中，经过4进行分束，一路经过5，另一路作为本振信号，两路信号在6中耦合，在7上形成拍信号，将拍信号相位每经过2π时刻作为外部时钟信号接入13。在测量干涉路中，信号再经8进行分束，一束穿过9，经过10投射至目标，带着目标信息原路返回，返回后经过11到达12并于本振光发生外差干涉，形成测量信号。测量信号经过7形成的拍信号时钟采样后，拍频非线性得到校正。

激光调频连续波对距离测量主要是由校正和测量干涉光路两部分组成。校正信号可以表示为：

其中，R₁表示校正干涉仪长臂与短臂的光纤长度差，n₁表示光纤折射率。

将校正干涉仪校正信号相位每经过2π时刻作为外部采样时钟，即选择每个周期上升沿的过零点时刻，即I₁＝0，即可推得：

由于测量信号和校正信号来源于同一个激光器，因此同一时刻它们的光频形式相同，因此测量信号为：

其中R₂为目标在空气中的距离，R_2f为光纤出射端面与本振光路之间的距离差，n_2f为光纤出射端面的折射率。将[00029]代入[00031]，并将常数项用

代替，整理可得：

上表明经过频率采样法校正拍频非线性后，测量信号变成以k_n为自变量的余弦信号，此时目标频谱变成单峰。校正干涉路和测量干涉路对应的时延分别为τ₁和τ₂，整理后得：

则采样频率f_s＝c/(R₁n₁),测量信号拍频频率为f_sτ₂/τ₁。对上式进行傅里叶变换可以计算出目标时延与辅助干涉仪时延的比值，即τ₂/τ₁，通过预先标定出校正干涉路时延τ₁，可以得到时延τ₂,因此目标距离(包含测量路光纤部分)为：

其中τ_2F表示目标在空气中的时延，τ_2f表示测量路光纤和本振路的时延差，两者时延之和即为测量干涉路总时延τ₂。同理,由测量路光纤与本振光路发生拍频干涉，经过频率采样法测得的距离为：

将[00039]减去式[00037]可以得到目标在自由空间中的距离为：

根据多普勒效应，光源接收频率会随着观察者与光源之间的相对位移而产生一定量的改变。激光调频连续波测距系统中同样会存在多普勒效应，当被测目标位移发生变化时，激光的出射和接收频率并不相等。

如附图2所示，激光在一个周期T内可以分为上扫周期和下扫周期，在一个周期内对多普勒频移进行分析。激光器的激光发射频率为1000Hz，正常心跳频率为60-100次/分钟，呼吸频率为12-20次/分钟，因此在激光扫频的一个周期内，胸腔只移动了非常短的距离，可将在激光扫频一个周期内的胸腔运动看成是匀速运动，利用上下扫频消除多普勒效应。

在上扫周期中，探测器中形成的干涉电压信号的拍频频率f_up可以表示为:

其中，R表示激光在空气中的传播距离，n为空气折射率，B为调频带宽，c为光速，T为三角波的调制周期，v为瞬时速度，λ为波长大小。

同理，下扫周期中探测器中形成的干涉电压信号的拍频频率大小f_down可以表示为:

f_down＝f_b-f_d

将[00048]和[00045]相加，即可消除多普勒频移，得到被测目标对应的拍频频率，即:

附图3为实验测量环境，探测距离为0.4m-1.0m。激光器的驱动信号为为准三角波，中心波长为1553nm，平均功率为15mW，调频带宽为35GHz，调频周期为1ms，则上扫频和下扫频分别为0.5ms，由激光调频连续波测量原理可知，在上下扫频的交界会产生频率的突变，因此，舍弃信号两端后上下扫频实际所处理信号时间长度均为0.35ms。探测者静坐在激光测距系统的探测范围内，并且胸部和激光发射接收准直器在同一水平面上，保持正常呼吸记录实验数据。将激光投射至人体胸腔位置，由于人体呼吸和心跳造成的胸腔起伏会改变目标点和激光发射器之间的距离，根据测得波形的峰值数可以测得人体的心跳和呼吸频率。实验得到的波形图像主要是由随机身体运动信号、呼吸信号和心跳信号三部分组成，为了准确测量人体生命体征,需要将三种信号利用EEMD进行分离。心跳信号的幅度非常弱，呼吸信号比心跳信号强很多，导致心跳信号不易分离出来，同时心跳信号也会受到强杂波干扰。

附图4是探测目标平滑滤波前后距离像。其中横坐标为测距点数，可转换为时间维度，纵坐标代表距离维度。由图中可以看到波形中有较多杂波干扰，该干扰主要由探测信号噪声及衣服等引起，如衣服的轻微形变和移动会对测量产生杂波干扰，为了降低这些杂波，先对实验结果进行平滑滤波，可以明显看到经过平滑滤波后的距离图像噪声得到了有效抑制。

附图5是去除身体随机运动后的波形。在实际监测情况下，被测者可能经常移动身体部位。如手、腿、躯干甚至整个身体。这些不可避免的运动通常被称为随机身体运动(RBM)。其反射信号的振幅往往比毫米级的呼吸运动强得多，生命体征信号容易被RBM信号所掩盖，因此要先处理RBM信号。首先我们假设RBM信号是稀疏的，也就是说RBM发生并不频繁，而且当RBM发生时，与呼吸运动和心跳运动恒定周期形成对比，且其振幅通常比呼吸信号强很多，因此可先进行去趋势处理。

附图6是经EEMD分解后的信号分量，图中表示了各个本征模态分量的时域曲线。

附图7是呼吸信号的时域波形，经过数据采集选取时域信号在呼吸范围内的的信息，获取呼吸信号的时域波形。

附图8是心跳信号的时域波形，经过数据采集选取时域信号在心跳范围内的的信息，获取心跳信号的时域波形。

实验结果表明，该发明方法实现的生命体征测量结果符合生物学规律，体现了该算法的可行性，可以为非接触式生命体征测量研究提供参考价值。

Claims (2)

1.一种基于激光调频连续波测距系统的实现非接触式人体生命体征测量的方法，该激光调频连续波测距系统包含以下设备：调频激光器(1)、隔离器(2)、耦合器A(3)、耦合器B(4)、延迟单模光纤(5)、3dB耦合器A(6)、平衡探测器A(7)、耦合器C(8)、环形器(9)、准直镜头(10)、3dB耦合器B(11)、平衡探测器B(12)、采集卡(13)，其特征在于：调频激光器(1)输出可被线性调制的三角波，通过隔离器(2)、耦合器A(3)后分成校正干涉路和测量干涉路，分光比为1：99。在校正干涉路中，经过耦合器B(4)进行分束，一路经过延迟单模光纤(5)，另一路作为本振信号，两路信号在3dB耦合器A(6)中耦合，在平衡探测器A(7)上形成拍信号，将拍信号相位每经过2π时刻作为外部时钟信号接入采集卡(13)。在测量干涉路中，信号再经耦合器C(8)进行分束，一束穿过环形器(9)，经过准直镜头(10)投射至目标，带着目标信息原路返回，返回后经过3dB耦合器B(11)到达平衡探测器B(12)并于本振光发生外差干涉，形成测量信号。测量信号经过平衡探测器A(7)形成的拍信号时钟采样后，拍频非线性得到校正。

2.根据权力1所述的基于激光调频连续波测距系统的实现非接触式人体生命体征测量的方法测量过程包含以下步骤：

步骤一：对实验测得的原始数据进行平滑滤波。

步骤二：对平滑滤波后的波形进行去趋势处理，去除随机身体运动。

步骤三：对预处理后的信号进行集合经验模态分解。

步骤四：对集合经验模态分解后的小波信号进行数据采集，选取时域信号在呼吸和心跳范围内的信息，分离出心跳信号和呼吸信号。

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