雷达呼吸信号检测技术研究

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摘要:本文主要研究线性调频连续波(LFMCW)雷达对呼吸信号的非接触式跟踪技术。首先由雷达发射线性调频连续波,采集含有人体生命体征信息的回波信号,然后进行滤波得到差拍信号,提取差拍信号的相位信息并进行展开,最后使用快速傅里叶变换来计算呼吸频率。

关键词:线性调频连续波雷达；呼吸频率监测；非接触式监测；距离跟踪

近年来,雷达技术在生产、生活等各个方面给人们提供了极大地便利。相较于传统接触式的生命体征检测方法,非接触式雷达传感器在灾难救援、反恐响应和紧急搜索等日常领域有着更广泛的应用。本文采用LFMCW雷达进行人体非接触生命体征检测[1],LFMCW雷达功耗低,具有较高的分辨率和系统集成度,且其目标信息保存在接收相位中,硬件处理相对简单,具有不可替代的优势。

1调频连续波雷达原理

LFMCW雷达系统包括信号发生器、发射天线、接收天线、滤波器和模数转换器等,图1为LFMCW雷达系统的简化框图。LFMCW雷达发射由信号发生器产生的线性调频连续波信号,雷达信号在遇到目标时被反射回来。正交接收机负责捕获回波信号并与发射信号正交混合,通过滤波器后得到差拍信号,差拍信号再经模数转换器后进行后续信号处理。

2雷达信号建模

一个LFMCW波形周期内发射信号的数学表达式可以表示为(1)其中ATX是发射信号的幅度,cf是发射信号的起始频率,(t)是相位噪声,B是带宽,cT是锯齿波信号的宽度,cBT代表发射信号频率的变化率。假设tR是胸部的运动位移,0d是雷达传感器到人体的距离,则从胸腔到雷达的距离0tdtRx,时间延迟ctxtd2,其中c为光速。记RXA为接收信号的幅值,则接收信号的表达式为(2)回波信号和传输信号由两个正交的I/Q通道混合,然后通过低通滤波器得到差拍信号tSif,差拍信号的表达式为:差拍信号中估计由呼吸引起的幅度和频率。

3信号处理流程

人类呼吸信号检测的系统过程包括三个步骤:目标定位、相位提取、估计呼吸频率。对差拍信号进行采样后,对每个线性调频信号进行距离FFT得到一个矢量,并将其逐行放入矩阵中,构造出N行(即N个连续调频波)的距离-时间矩阵M[n,m],其中n1,1MmN,M为采样数[2];具体流程如下:(1)在原始数据矩阵的每一行上执行一次快速傅里叶变换(FFT),得到距离-时间矩阵M[m,n];(2)确定人体目标,对目标信号进行相位展开,并保证相位演化的绝对值不大于π;(3)使用快速傅里叶变换计算呼吸信号频率。

4实验环境设置及结果

本文将使用合肥华科电子技术研究所开发的HKH-11C接触式呼吸传感器作为标准结果进行参照。雷达系统使用中心频率为25GHz,带宽为2GHz的调频连续波信号进行检测。实验过程中,受测者坐在距离雷达1m的位置,且保持平稳呼吸。呼吸传感器和LFMCW雷达所得的呼吸幅频图如图2所示。由图2可知,LFMCW雷达呼吸检测结果为24次/分,与呼吸传感器所测得的呼吸频率相吻合,证明了本文方法的准确性。

5结论

非接触式生命体征监测是短程雷达的一个新兴应用,LFMCW雷达体系结构简单,利用基于相位测量获得的目标的距离历史,解调过程大大简化了其硬件实现,并且能够从回波信号准确有效的提取出呼吸信号,具有重要的理论价值和现实意义。

参考文献

[1]沈建飞,陈益强,谷洋.基于时频信息融合网络的非干扰呼吸检测方法[J].高技术通讯,2020,30(10):998-1009.

[2]杨国成,余慧敏.基于区域谷值双层EEMD方法的超宽带雷达生命信息检测[J].通信技术,2020,53(4):860-866.

作者：刘楚妍 杨天虹 王昕宇 刘宇 单位：沈阳航空航天大学