基于多普勒雷达的非接触式生命体征检测技术研究

发布时间：2018-10-21 09:39

【摘要】：微波多普勒雷达可实现非接触的生命体征检测。用电磁波探测人体目标时,由于人体心肺活动,回波信号将发生多普勒效应,运用一定的信号处理方法,可提取出与心肺相关的生命体征信息。基于多普勒雷达的生命体征检测具有非接触、穿透性等优点,有潜力应用于日常健康监测、特殊人群监护、医疗诊断、灾难救援及安防等领域。生物雷达方面的研究主要包括传感器系统研究和信号处理方法研究两个方面。前者通过改善雷达天线和收发机结构、采用先进工艺和集成技术提高雷达信号质量,抑制噪声;后者的目标在于运用算法从雷达信号中准确提取生命体征指标。目前,基于多普勒雷达的生命体征检测研究中存在一些问题需要解决,例如需要提高雷达系统的信噪比和抗干扰能力、线性地还原心肺活动信息、实时处理雷达信号并实现长期监测、从受到较强干扰的信号中提取心肺活动的时域信息等等。本文主要面向家庭和医疗场所的健康监护领域,围绕上述问题展开研究,主要工作、成果和创新点归纳如下： (1)多普勒生物雷达的实现方案、信号链路与噪声分析。根据多普勒雷达原理和生命体征检测的应用需求,确定了生物雷达的工作模式、工作频率和收发机结构；研究了雷达收发机链路的多项参数指标,为数米范围内的体征检测传感器设计提供了依据；结合雷达的噪声模型,通过实验测定信噪比与检测距离、目标位移的关系,对实际噪声的来源进行了定位。这些方法及实验数据对生物雷达的整体设计具有普遍意义。 (2)多普勒雷达传感器的研制。研制工作包括微带贴片天线、射频收发电路、模拟信号处理、数据采集、人体振动信号的解调校准。为了能够真实还原人体目标的微动位移信息,采取了以下措施：采用24位ADC配合过采样技术满足动态范围和分辨率的要求；通过基于中心估计的校准算法区分目标的直流信息和系统、环境所产生的直流偏移；以正交解调的方式实现线性运动还原。实验测试表明本文研制的雷达传感器可真实还原心肺活动信息,满足生命体征检测的要求。 (3)实时心肺活动检测方法研究。该研究主要面向日常生理参数监护,特别是持续监护的需求,强调软硬件的实时性、低功耗和低成本。为实现实时计算,采用了仅依赖较短时长雷达信号的短时傅立叶变换(STFT)算法进行时频分析,通过频谱插值提高心率和呼吸速率的分辨率。实验结果指示该实时算法对于心率测量具有7秒的延时和96%的准确率,对于呼吸速率测量具有22秒的延时和接近100%的准确率。 (4)精密生理参数提取方法研究。该研究主要针对医疗监护领域的需求,侧重心肺参数估计和提取的准确性,并且分析心肺活动的时域特征信息。采用连续小波变换、集合经验模态分解(EEMD)相结合的方法进行目标心肺活动信息提取,以及心率、呼吸速率、心率变异性参数估计研究。实验表明,虽然雷达信号受到干扰较多,但该方法测定心率、呼吸速率的准确度可接近100%,并且可以有效测定基于时域信息的HRV参数。该工作发掘了生物雷达作为非接触式检测手段在医疗领域应用的潜力。 (5)多普勒雷达生命体征检测系统的实现。搭建了多套多普勒雷达系统,这些系统在实时性、精准性、便携性和集成化等方面各有侧重,分别满足科学实验和家庭、医疗场所的生命体征监护等需求。在多普勒生物雷达系统研制中,充分考虑了实际应用场合的需求。其中包括：将系统小型化、轻量化以提高便携性甚至可以随身佩戴；降低系统的功耗,延长续航时间；采用通用的无线数据接口以配合智能手机、移动设备进行心肺参数分析,并具备与云计算平台连接,纳入社会医疗服务网络的潜力。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN957.51

【参考文献】