CN115542256A - 基于毫米波的生命体征监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于毫米波的生命体征监测系统；包括控制模块，所述控制模块上电性连接有第一驱动模块，所述第一驱动模块上电性连接有毫米波雷达模块，所述毫米波雷达模块上电性连接有发射天线和接收天线，所述毫米波雷达模块上电性连接有数据信息处理模块，所述数据信息处理模块上电性连接有相位测量模块，所述相位测量模块与所述控制模块电性连接；本发明通过毫米波雷达模块实现对人体的生命特征进行检测，由于胸部的运动，反射信号被相位调制，通过混频器将接收和发送信号组合起来，以产生一个中频(IF)信号，计算相位，对后续的数据信息进行计算处理，提高数据的信息精准度，再通过相位测量模块实现对检测的结果进行校准。

Description

基于毫米波的生命体征监测系统

技术领域

本发明属于毫米波技术领域，具体涉及基于毫米波的生命体征监测系统。

背景技术

生命体征是一组个人健康状况和身体功能的医学参数，它们可为疾病恢复或及时诊断提供线索。目前主要并且便于获取的生命体征有四个：体温(BT)、血压(BP)、呼吸频率(BR)和心率(HR)，生命体征因年龄、性别、体重和健康水平而异，同时也会一个人在特定情况下的身体或心理活动而有所不同。例如，从事体育活动的人会表现出不同的体温、呼吸频率和心率。

雷达路径上的任何物体都会反射回信号，雷达系统通过捕获和处理反射信号，可以确定目标的距离、速度和角度。毫米波雷达在目标距离检测中提供毫米级精度的潜力使其成为检测人体生物信号的理想技术。此外，毫米波技术还带来了非接触、连续监视病人的优势，然而市面上各种的毫米波雷达在检测生命特征的过程中仍存在各种各样的问题。

如授权公告号为CN216060499U所公开的一种基于毫米波雷达的生命体征监测摄像头系统，其虽然实现了采用非接触式生命体征监测，能够进行全方位监测，具有更好的监测效果，但是并未解决现有毫米波雷达在检测生命特征的过程中存在的无法实现对数据信息进行有效的处理，不能够实现对毫米雷达波进行相位计算检测，以及无法实现对相位检测的数据信息进行校准等的问题，为此我们提出基于毫米波的生命体征监测系统。

发明内容

本发明的目的在于提供基于毫米波的生命体征监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于毫米波的生命体征监测系统，包括控制模块，所述控制模块上电性连接有第一驱动模块，所述第一驱动模块上电性连接有毫米波雷达模块，所述控制模块用于实现对系统进行控制调节，所述第一驱动模块用于实现对所述毫米波雷达模块进行驱动运行，所述毫米波雷达模块上电性连接有发射天线和接收天线，所述发射天线用于实现对所述毫米波雷达模块进行发射毫米雷达波，所述接收天线用于实现对所述毫米波雷达模块发射的毫米雷达波进行反射接收；

所述毫米波雷达模块上电性连接有数据信息处理模块，所述数据信息处理模块用于实现对返回的数据信息进行计算处理，所述数据信息处理模块上电性连接有相位测量模块，所述相位测量模块用于实现对相位进行计算检测，所述相位测量模块与所述控制模块电性连接；

所述毫米波雷达模块中包括有毫米波雷达发生器，所述毫米波雷达发生器与所述第一驱动模块电性连接，所述毫米波雷达发生器用于实现对毫米雷达波进行产生，所述毫米波雷达发生器上电性连接有功率放大器，所述功率放大器是用于实现对毫米雷达波进行产生最大功率输出，所述功率放大器上电性连接有发射天线，所述接收天线上电性连接有低噪声放大器，所述低噪声放大器用于实现对毫米雷达波进行放大处理，所述低噪声放大器上电性连接有混频器，所述混频器用于处理放大后的射频信号，为实现混频功能，所述混频器还需要接收所述功率放大器的信号，所述混频器上电性连接有FIR滤波器，所述FIR滤波器用于实现对信号进行滤波处理，所述FIR滤波器上电性连接有信号通道，所述信号通道用于实现对信号进行传输，所述信号通道与所述数据信息处理模块电性连接。

较佳的，所述控制模块上电性连接有调压模块，所述调压模块上电性连接有供电模块，所述供电模块采用的是市电网。

较佳的，所述调压模块中包括有降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路和防浪涌电路，所述降压电路与所述调压模块电性连接，所述降压电路用于实现对所述市电网的高电压进行降低，所述整流电路与所述降压电路电性连接，所述整流电路用于实现将交流电压转换成直流电压，所述稳压电路与所述整流电路电性连接，所述稳压电路用于实现对输送的电压进行稳定，防止电压波动，所述滤波电路与所述稳压电路电性连接，所述滤波电路用于滤除直流电压中的交流电压，所述防浪涌电路与所述滤波电路电性连接，所述防浪涌电路用于吸收电路接通瞬间的电压峰值，防止电压冲击损坏后续的电子设备。

较佳的，所述控制模块电性连接有第二驱动模块，所述第二驱动模块上电性连接有显示模块和报警模块，所述显示模块用于实现对数据信息进行显示，所述报警模块用于实现在数据出现错误的时候及时进行警示。

较佳的，所述数据信息处理模块中包括有数据信息接收电路、数据信息滤波电路、数据信息转换电路和数据信息增益电路，所述数据信息接收电路用于实现对所述信号通道的数据信息进行接收，所述数据信息滤波电路用于实现对数据信息进行过滤处理，所述数据信息转换电路用于实现对数据信息进行格式的转换，所述数据信息增益电路用于实现对数据信息进行放大处理。

较佳的，所述相位测量模块是用于实现对发射的毫米雷达波和接收的毫米雷达波进行计算处理，实现对所述混频器的Rx和TxChirp频率的和及差进行校准，且计算公式如下：

角频率ω以及相位Φ＝(ωt+Φ0)来表征，Φ随时间而变化，Φ0为初相位；

相位差Φ＝(ω1-ω2)t+(Φ0l-Φ02)，ω1、ω2为角频率、Φ0l、Φ02为它们的初相位，Φ随时间而变；当ω1＝ω2时，则Φ＝(Φ01-Φ02)。

较佳的，所述混频器是将所述接收天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，且计算公式如下：

cosαcosβ＝[cos(α+β)+cos(α-β)]/2；

α为射频信号频率量，β为本振频率量，产生和差频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波，检波后的信号被放大器进行放大，然后显示出来。

较佳的，所述控制模块中还包括有存储模块，所述存储模块包括有ROM存储器和RAM存储器，所述存储模块还包括有缓冲存储器，所述ROM存储器用于存储系统侧运行程序体，所述RAM存储器用于存储系统的运行日志。

较佳的，所述FIR滤波器中包括有用于对模拟信号进行转换的A/D转换器、用于控制调节的FIR控制器、用于实现对信号进行乘累加方法的加法器、乘法器和累加器、以及包括有输出模数转换的D/A转换器，所述FIR滤波器的信号采样速度必须满足香农采样定理，即如下所示：

理想低通信道的最高大码元传输速率的公式：理想低通信道的最高大码元传输速率B＝2W，信息传输速率C＝B*log2N；其中W是理想低通信道的带宽，N是电平强度。

较佳的，所述FIR滤波器中有限长单位冲激响应滤波器，一个M阶FIR滤波器的定义如下：

长度为M的FIR输出对应于输入时间序列x(n)的关系由一种有限卷积和的形式给出：

上式表达的是一个M-1阶的FIR滤波器，它有M个抽头，因此有M个乘法器，M-1个累加器组成，每一个抽头需要消耗逻辑资源的乘法器累加器单元；

其中x(n)为输入信号，h(n)为FIR滤波系数，y(n)为经过滤波后的信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在使用的时候通过毫米波雷达模块实现对人体的生命特征进行检测，由于胸部的运动，反射信号被相位调制，调制包含了运动的所有组成部分，包括由心跳和呼吸引起的运动，雷达以预定的间隔发射多个Chirp，每一次Chirp都会记录下所选范围内信号的相位，由此计算出相位的变化，从而得出速度，获得的速度仍然包括所有运动的分量，对获得的速度进行频谱分析有助于解析各种分量，即Rx和TxChirp频率的和及差，通过“混频器”将接收和发送信号组合起来，以产生一个中频(IF)信号，实现对人体生命特征进行检测，并且实现对后续的数据信息进行计算处理，提高数据的信息精准度，再通过相位测量模块实现对检测的结果进行校准，实现对数据的精准采集处理。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的毫米波雷达模块的内部模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图2，本发明提供一种技术方案：基于毫米波的生命体征监测系统，包括控制模块，所述控制模块上电性连接有第一驱动模块，所述第一驱动模块上电性连接有毫米波雷达模块，所述控制模块用于实现对系统进行控制调节，所述第一驱动模块用于实现对所述毫米波雷达模块进行驱动运行，所述毫米波雷达模块上电性连接有发射天线和接收天线，所述发射天线用于实现对所述毫米波雷达模块进行发射毫米雷达波，所述接收天线用于实现对所述毫米波雷达模块发射的毫米雷达波进行反射接收；

所述毫米波雷达模块上电性连接有数据信息处理模块，所述数据信息处理模块用于实现对返回的数据信息进行计算处理，所述数据信息处理模块上电性连接有相位测量模块，所述相位测量模块用于实现对相位进行计算检测，所述相位测量模块与所述控制模块电性连接；

所述毫米波雷达模块中包括有毫米波雷达发生器，所述毫米波雷达发生器与所述第一驱动模块电性连接，所述毫米波雷达发生器用于实现对毫米雷达波进行产生，所述毫米波雷达发生器上电性连接有功率放大器，所述功率放大器是用于实现对毫米雷达波进行产生最大功率输出，所述功率放大器上电性连接有发射天线，所述接收天线上电性连接有低噪声放大器，所述低噪声放大器用于实现对毫米雷达波进行放大处理，所述低噪声放大器上电性连接有混频器，所述混频器用于处理放大后的射频信号，为实现混频功能，所述混频器还需要接收所述功率放大器的信号，所述混频器上电性连接有FIR滤波器，所述FIR滤波器用于实现对信号进行滤波处理，所述FIR滤波器上电性连接有信号通道，所述信号通道用于实现对信号进行传输，所述信号通道与所述数据信息处理模块电性连接。

为了实现对系统进行稳定的供电运行，本实施例中，优选的，所述控制模块上电性连接有调压模块，所述调压模块上电性连接有供电模块，所述供电模块采用的是市电网。

为了实现对电压进行调节，使得电压能够适应系统进行运行使用，并且实现对系统进行安全保护，本实施例中，优选的，所述调压模块中包括有降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路和防浪涌电路，所述降压电路与所述调压模块电性连接，所述降压电路用于实现对所述市电网的高电压进行降低，所述整流电路与所述降压电路电性连接，所述整流电路用于实现将交流电压转换成直流电压，所述稳压电路与所述整流电路电性连接，所述稳压电路用于实现对输送的电压进行稳定，防止电压波动，所述滤波电路与所述稳压电路电性连接，所述滤波电路用于滤除直流电压中的交流电压，所述防浪涌电路与所述滤波电路电性连接，所述防浪涌电路用于吸收电路接通瞬间的电压峰值，防止电压冲击损坏后续的电子设备。

为了实现对数据信息进行显示，以及在数据信息异常的时候进行提醒，本实施例中，优选的，所述控制模块电性连接有第二驱动模块，所述第二驱动模块上电性连接有显示模块和报警模块，所述显示模块用于实现对数据信息进行显示，所述报警模块用于实现在数据出现错误的时候及时进行警示。

为了实现对数据信息进行计算处理，提高数据信息的精准度，便于后续的数据信息处理，本实施例中，优选的，所述数据信息处理模块中包括有数据信息接收电路、数据信息滤波电路、数据信息转换电路和数据信息增益电路，所述数据信息接收电路用于实现对所述信号通道的数据信息进行接收，所述数据信息滤波电路用于实现对数据信息进行过滤处理，所述数据信息转换电路用于实现对数据信息进行格式的转换，所述数据信息增益电路用于实现对数据信息进行放大处理。

为了实现对数据信息进行校准，防止数据信息偏差过大，本实施例中，优选的，所述相位测量模块是用于实现对发射的毫米雷达波和接收的毫米雷达波进行计算处理，实现对所述混频器的Rx和TxChirp频率的和及差进行校准，且计算公式如下：

角频率ω以及相位Φ＝(ωt+Φ0)来表征，Φ随时间而变化，Φ0为初相位；

相位差Φ＝(ω1-ω2)t+(Φ0l-Φ02)，ω1、ω2为角频率、Φ0l、Φ02为它们的初相位，Φ随时间而变；当ω1＝ω2时，则Φ＝(Φ01-Φ02)。

为了实现对反射回来的波形和发射的本振波形进行计算处理，本实施例中，优选的，所述混频器是将所述接收天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，且计算公式如下：

cosαcosβ＝[cos(α+β)+cos(α-β)]/2；

α为射频信号频率量，β为本振频率量，产生和差频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波，检波后的信号被放大器进行放大，然后显示出来。

为了实现对数据信息进行存储，并且防止数据信息存储出现混乱，本实施例中，优选的，所述控制模块中还包括有存储模块，所述存储模块包括有ROM存储器和RAM存储器，所述存储模块还包括有缓冲存储器，所述ROM存储器用于存储系统侧运行程序体，所述RAM存储器用于存储系统的运行日志。

为了实现对反射回来的波形进行计算处理，滤除杂波，提高数据的精准度，本实施例中，优选的，所述FIR滤波器中包括有用于对模拟信号进行转换的A/D转换器、用于控制调节的FIR控制器、用于实现对信号进行乘累加方法的加法器、乘法器和累加器、以及包括有输出模数转换的D/A转换器，所述FIR滤波器的信号采样速度必须满足香农采样定理，即如下所示：

理想低通信道的最高大码元传输速率的公式：理想低通信道的最高大码元传输速率B＝2W，信息传输速率C＝B*log2N；其中W是理想低通信道的带宽，N是电平强度。

为了实现对反射回来的波形进行滤波处理，本实施例中，优选的，所述FIR滤波器中有限长单位冲激响应滤波器，一个M阶FIR滤波器的定义如下：

长度为M的FIR输出对应于输入时间序列x(n)的关系由一种有限卷积和的形式给出：

上式表达的是一个M-1阶的FIR滤波器，它有M个抽头，因此有M个乘法器，M-1个累加器组成，每一个抽头需要消耗逻辑资源的乘法器累加器单元；

其中x(n)为输入信号，h(n)为FIR滤波系数，y(n)为经过滤波后的信号。

本发明的工作原理及使用流程：在使用的时候，控制模块实现对系统进行控制调节，并且通过供电模块和调压模块实现对系统进行稳定的供电运行，保持电压的稳定性，并且实现将交流高电压转换成直流低电压，适应系统的使用，还通过防浪涌电路实现对电压的冲击峰值进行吸收，保持电路的安全性，然后控制模块通过第一驱动模块实现控制毫米波雷达模块进行运行发射波形，即通过毫米波雷达模块中的毫米波雷达发生器对毫米雷达波进行产生，功率放大器实现对毫米雷达波进行产生最大功率输出，发射天线实现对毫米雷达波进行发射，接收天线用于实现对毫米雷达波进行反射接收，低噪声放大器对毫米雷达波进行放大处理，混频器处理放大后的射频信号，将接收和发送信号组合起来，以产生一个中频(IF)信号，实现对人体生命特征进行检测，FIR滤波器对信号进行滤波处理，信号通道对信号进行传输，数据信息处理模块对返回的数据信息进行计算处理，相位测量模块对相位进行计算检测，实现校准，然后将数据信息传输给控制模块，控制模块通过第二驱动模块，控制显示模块实现对数据信息进行显示，并且在数据异常的时候，通过报警模块进行提醒。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.基于毫米波的生命体征监测系统，包括控制模块，其特征在于：所述控制模块上电性连接有第一驱动模块，所述第一驱动模块上电性连接有毫米波雷达模块，所述控制模块用于实现对系统进行控制调节，所述第一驱动模块用于实现对所述毫米波雷达模块进行驱动运行，所述毫米波雷达模块上电性连接有发射天线和接收天线，所述发射天线用于实现对所述毫米波雷达模块进行发射毫米雷达波，所述接收天线用于实现对所述毫米波雷达模块发射的毫米雷达波进行反射接收；

所述毫米波雷达模块上电性连接有数据信息处理模块，所述数据信息处理模块用于实现对返回的数据信息进行计算处理，所述数据信息处理模块上电性连接有相位测量模块，所述相位测量模块用于实现对相位进行计算检测，所述相位测量模块与所述控制模块电性连接；

所述毫米波雷达模块中包括有毫米波雷达发生器，所述毫米波雷达发生器与所述第一驱动模块电性连接，所述毫米波雷达发生器用于实现对毫米雷达波进行产生，所述毫米波雷达发生器上电性连接有功率放大器，所述功率放大器是用于实现对毫米雷达波进行产生最大功率输出，所述功率放大器上电性连接有发射天线，所述接收天线上电性连接有低噪声放大器，所述低噪声放大器用于实现对毫米雷达波进行放大处理，所述低噪声放大器上电性连接有混频器，所述混频器用于处理放大后的射频信号，为实现混频功能，所述混频器还需要接收所述功率放大器的信号，所述混频器上电性连接有FIR滤波器，所述FIR滤波器用于实现对信号进行滤波处理，所述FIR滤波器上电性连接有信号通道，所述信号通道用于实现对信号进行传输，所述信号通道与所述数据信息处理模块电性连接。

2.根据权利要求1所述的基于毫米波的生命体征监测系统，其特征在于：所述控制模块上电性连接有调压模块，所述调压模块上电性连接有供电模块，所述供电模块采用的是市电网。

3.根据权利要求2所述的基于毫米波的生命体征监测系统，其特征在于：所述调压模块中包括有降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路和防浪涌电路，所述降压电路与所述调压模块电性连接，所述降压电路用于实现对所述市电网的高电压进行降低，所述整流电路与所述降压电路电性连接，所述整流电路用于实现将交流电压转换成直流电压，所述稳压电路与所述整流电路电性连接，所述稳压电路用于实现对输送的电压进行稳定，防止电压波动，所述滤波电路与所述稳压电路电性连接，所述滤波电路用于滤除直流电压中的交流电压，所述防浪涌电路与所述滤波电路电性连接，所述防浪涌电路用于吸收电路接通瞬间的电压峰值，防止电压冲击损坏后续的电子设备。

4.根据权利要求1所述的基于毫米波的生命体征监测系统，其特征在于：所述控制模块电性连接有第二驱动模块，所述第二驱动模块上电性连接有显示模块和报警模块，所述显示模块用于实现对数据信息进行显示，所述报警模块用于实现在数据出现错误的时候及时进行警示。

5.根据权利要求1所述的基于毫米波的生命体征监测系统，其特征在于：所述数据信息处理模块中包括有数据信息接收电路、数据信息滤波电路、数据信息转换电路和数据信息增益电路，所述数据信息接收电路用于实现对所述信号通道的数据信息进行接收，所述数据信息滤波电路用于实现对数据信息进行过滤处理，所述数据信息转换电路用于实现对数据信息进行格式的转换，所述数据信息增益电路用于实现对数据信息进行放大处理。

6.根据权利要求1所述的基于毫米波的生命体征监测系统，其特征在于：所述相位测量模块是用于实现对发射的毫米雷达波和接收的毫米雷达波进行计算处理，实现对所述混频器的Rx和TxChirp频率的和及差进行校准，且计算公式如下：

角频率ω以及相位Φ＝(ωt+Φ0)来表征，Φ随时间而变化，Φ0为初相位；

相位差Φ＝(ω1-ω2)t+(Φ0l-Φ02)，ω1、ω2为角频率、Φ0l、Φ02为它们的初相位，Φ随时间而变；当ω1＝ω2时，则Φ＝(Φ01-Φ02)。

7.根据权利要求1所述的基于毫米波的生命体征监测系统，其特征在于：所述混频器是将所述接收天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，且计算公式如下：

cosαcosβ＝[cos(α+β)+cos(α-β)]2；

α为射频信号频率量，β为本振频率量，产生和差频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波，检波后的信号被放大器进行放大，然后显示出来。

8.根据权利要求1所述的基于毫米波的生命体征监测系统，其特征在于：所述控制模块中还包括有存储模块，所述存储模块包括有ROM存储器和RAM存储器，所述存储模块还包括有缓冲存储器，所述ROM存储器用于存储系统侧运行程序体，所述RAM存储器用于存储系统的运行日志。

9.根据权利要求1所述的基于毫米波的生命体征监测系统，其特征在于：所述FIR滤波器中包括有用于对模拟信号进行转换的A/D转换器、用于控制调节的FIR控制器、用于实现对信号进行乘累加方法的加法器、乘法器和累加器、以及包括有输出模数转换的D/A转换器，所述FIR滤波器的信号采样速度必须满足香农采样定理，即如下所示：

理想低通信道的最高大码元传输速率的公式：理想低通信道的最高大码元传输速率B＝2W，信息传输速率C＝B*log2N；其中W是理想低通信道的带宽，N是电平强度。

10.根据权利要求1所述的基于毫米波的生命体征监测系统，其特征在于：所述FIR滤波器中有限长单位冲激响应滤波器，一个M阶FIR滤波器的定义如下：

长度为M的FIR输出对应于输入时间序列x(n)的关系由一种有限卷积和的形式给出：

上式表达的是一个M-1阶的FIR滤波器，它有M个抽头，因此有M个乘法器，M-1个累加器组成，每一个抽头需要消耗逻辑资源的乘法器累加器单元；

其中x(n)为输入信号，h(n)为FIR滤波系数，y(n)为经过滤波后的信号。

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