基于生物雷达传感器的非接触式呼吸检测系统设计
时间：2023-02-26 11:30:06 来源：千叶帆 本文已影响人
张冰洋，赵小玉，黄霞
（1.中南民族大学 实验教学与工程训练中心，湖北武汉，430074；
2.华中科技大学同济医学院附属梨园医院，湖北武汉，430062）
生物雷达是一种主要以人体为探测对象的新概念雷达技术，它以低功率电磁波为探测媒介，可穿透废墟、墙壁、衣物、组织等非金属介质，感知人体的呼吸、心跳、体动、图像等信息，已广泛应用于军事、公共安全、应急救援等领域[1]。近年来，生物雷达应用于人体生命体征的检测和监测受到广泛关注[2-5]，Yuna Lee[6]等利用超宽带（ultrawide Band,UWB）雷达传感器进行生命体征质量评估；
M. Alizadeh[7]等利用调频连续波（Frequence Modulated Continuous Wave, FMCW）毫米波雷达传感器进行远程心率检测。面向医疗诊断、家庭监护等应用领域，生物雷达具有无辐射、非接触、可便携的特点；
与UWB雷达和FMCW雷达相比，连续波（Continuous Wave, CW）雷达成本低、功耗低、射频电路结构简单，非常适用于日常睡眠呼吸检测。
本文利用24GHz载波频率（K波段）连续波雷达，设计了一款高信噪比的信号调理电路对雷达信号进行滤波放大，以MSP430F5529单片机为核心对雷达信号进行采集，通过数字滤波和特征提取算法从雷达信号中提取出了人体呼吸信号，对于基于雷达的非接触式呼吸检测设备的研制和应用具有借鉴意义。
单频连续波生物雷达前端射频电路通常由振荡器、混频器、收发天线、匹配电路等组成。单频连续波雷达检测呼吸信号的原理图如图1所示。
图1 单频连续波雷达检测呼吸信号原理
在生理学方面，人体呼吸引起的体表微动信息可以反映人体的呼吸活动。假设人体目标距离雷达收发天线的距离为d0，人体呼吸引起的人体表面胸廓的微动位移为x(t)。振荡器（Oscillator）产生频率为f，波长为λ的射频信号T(t)经发射天线发射出去，经过人体反射后的接收信号R(t)经过混频器（Mixer）变频处理后得到雷达输出的基带信号B(t)。
式（1）中，AT其中为发射信号幅度，f为载波频率，φ(t)为振荡器产生的噪声；
式（2）中，AR为接收信号幅度，c为电磁波传播速度，λ为载波的波长，θ0为接收通路中引入的相位偏移；
式（3）中，φ(d0)为相位偏移，为时变相移。
根据多普勒原理，人体反射的回波信号()R t被人体的呼吸运动引起的体表微动()x t所调制，使得回波信号()R t与雷达的发射信号T()t产生相位差，且其大小随呼吸引起的胸腔位移而变化，与雷达的载波波长成反比。呼吸引起的人体胸腔微动位移量的范围为4～15mm，本研究选用载波频率为24GHz（λ为12.5mm）的生物雷达，通过设计合适的预处理电路并结合信号处理技术来实现呼吸信号的非接触式检测。
呼吸检测系统硬件结构框图如图2所示，系统由生物雷达传感器、基带信号处理电路、数据采集与传输电路及电源电路组成。其中，电源电路为各电路提供稳定的工作电压；
基带信号处理电路对雷达传感器输出的信号进行直流偏移校正、信号放大和滤波处理；
嵌入式微控制器和ADS8866模数转换器组成的数据采集与传输电路对滤波后的信号进行AD转换并通过USB发送到PC端进行数据处理。
图2 呼吸检测系统硬件结构框图
■2.1 电源电路设计
呼吸检测系统电路包含数字部分和模拟部分，为了保证系统的稳定性，采取各模块独立供电的方式进行电源设计。USB电源提供的5V电压经过DC-DC升压电路至6.6V，然后分别经过AMS1117-5.0和AMS1117-3.3高效线性稳压芯片获得5V和3.3V两路输出。AMS1117-5.0输出的5V供给生物雷达传感器和基带信号处理电路，并经过电压基准芯片REF6033为ADS8866模数转换器提供3.3V基准电压。AMS1117-3.3输出的3.3V为ADS8866提供AVDD和DVDD。
图3为DC-DC升压电路原理图，AX5523为1.2MHz固定转换频率的升压芯片，最大转换效率可达97%。
图3 DC-DC升压电路原理图
电路输出Vout的计算公式如式（4）。其中 REFV的典型值为0.6V，调节R1和R2的比值获取需要的电压值。
AMS1117线性稳压电路和REF6033电压基准电路分别如图4和图5所示。
图4 AMS1117线性稳压电路
图5 REF6033电压基准电路
■2.2 生物雷达传感器
系统选用的生物雷达传感器型号为CDM-324C。CDM-324C 是一款采用K波段平面微带天线设计的低成本24GHz雷达传感器，该传感器具有独立的发射和接收通道、灵敏度高、体积小，可用于非接触式的呼吸心跳检测。内部集成高灵敏度低噪声放大器，传感器尺寸大小为25mm×25mm×6mm，天线角度为80°× 35°。
人静坐在雷达传感器前1m处，胸腔正对雷达天线，利用示波器测量传感器输出的瞬时频率（instantaneous frequency,IF）信号如图6所示。信号中呼吸信号幅度较为微弱，信号存在大约65mV的直流成分和雷达自身的高频噪声，且存在基线偏移。
图6 雷达传感器输出的IF信号
■2.3 基带信号处理电路
生物雷达传感器输出的基带信号包含直流成分和噪声，由于目标信号的幅度很微弱，需要对输出信号进行直流偏移校正、信号放大和滤波处理，且要求信号调理电路具有较高的信噪比。生物雷达信号调理电路如图7所示。
图7 生物雷达信号调理电路
为了滤除呼吸信号中的高频噪声和基线漂移，采取带通滤波方式对基带信号进行处理。首先经过低通滤波器滤除高频成分，后经过高通滤波器，滤除直流和准直流成分，去除基线漂移。为了防止运放饱和，滤波放大倍数设置为10，经过两级带通滤波后，信号放大100倍，之后经过三级放大电路调节呼吸信号的幅度。为了获取较高的信噪比，运算放大器选用低噪声高精度运算放大器LMV772，该运放具有极低的输入偏置电流，典型值为0.1pA，共模抑制比为80dB，电源抑制比为90dB，输入参考电压噪声7.5nV/√Hz。所设计的基带信号调理电路截止频率为0.1Hz～10Hz，通带增益约为50dB，其幅频响应曲线如图8所示。
图8 基带信号调理电路幅频响应曲线
测试对象静坐于呼吸检测系统前方0.5m处，胸腔正对雷达天线，人正常呼吸时，利用示波器对调理后的基带信号进行测量，测量到的波形如图9所示。可见，被测对象正常呼吸时，处理后的雷达传感器输出信号中噪声成分被有效去除，且信号被有效放大，可以由数据采集与传输电路做进一步处理。
图9 基带信号调理电路输出波形
■2.4 数据采集与传输电路
为了对生物雷达传感器检测的呼吸信号进行采集和分析，设计了数据采集与传输电路。该电路采用嵌入式微控制器控制模数转换器对调理后的基带信号进行AD转换并通过USB发送到PC端进行处理。其中，模数转换芯片采用ADS8866，该芯片是一款16位、100kSPS微功耗、微型、单端输入SAR模数转换器，具有出色的交流和直流性能和较宽的电压范围，最大采样率100kHz，信号可无延迟输出。微控制器选用MSP430F5529，单片机片内有128KB的Flash和10KB的SRAM，以 及SPI、SCI、I2C、ADC、DMA和USB2.0等丰富的外设资源，单片机主板通过BoosterPack接口与雷达基带信号调理模块和ADS8866模数转化电路连接。数据采集电路如图10所示。
图10 数据采集电路
其中，基带信号调理电路的输出信号经过OPA320构成的电压跟随器进行阻抗匹配由ADS8866转换为数字信号，MSP430F5529采用三线CS模式对ADS8866进行采集时序控制，接口时序如图11所示。CONVST上升沿到来时，ADS8866在内部时钟的驱动下进入采样状态对输入信号进行采样；
当转换完成且CONVST下降沿到来时，DOUT输出采集的数据。
图11 ADS8866接口时序
为了验证该系统的可行性和准确性，使用该系统分别对5个成年男性和5个成年女性5min的呼吸数据进行采集，并与接触式呼吸传感器采集的呼吸频率进行比较。被测对象静坐于检测系统正前方1m处，胸腔正对雷达天线自由呼吸，数据采集与传输电路将经过基带信号调理电路预处理的信号通过A/D采样，将模拟信号转变为数字信号发送到电脑端。图12为其中1名被测对象自由呼吸时胸腔运动信号的时域和频域波形，图中含有一定成分的杂波，但是可以清晰看出呼吸波形的脉络。
图12 自由呼吸时胸腔运动信号的时域和频域波形
图13为1名被测对象自由呼吸，屏气20s左右后正常呼吸的时域和频域波形，屏气时信号较为微弱，幅度明显低于正常呼吸信号。
图13 自由呼吸和屏气时胸腔运动信号的时域和频域波形
为了分离出呼吸信号，在电脑端利用软件采用数字带通滤波器从频域上对呼吸信号进行分离，经过滤波和平滑后的呼吸信号的时域和频域波形如图14所示，频谱中幅度最大值处的频率值即为呼吸频率。本文检测系统与接触式呼吸传感器测量的呼吸频率的对比结果如表1所示。
图14 呼吸信号的时域和频域波形
表1 检测系统与接触式传感器采集的呼吸频率
本文采用K波段连续波雷达通过信号调理电路提取人体呼吸时胸腔运动的回波信号相位信息，通过IIR数字带通滤波器和特征提取算法分离得到呼吸信号。实验结果表明，本文所设计的检测系统对于单个静止人体目标呼吸检测与接触式传感器检测结果的匹配率较高，从而证明了单频连续波雷达在非接触式呼吸检测中的可行性和有效性，为非接触式呼吸检测设备的研制及其在医疗诊断、家庭监护中的应用具有很好的借鉴意义。
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