生命體征探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)的仿真研究

劉文奎 馬駿驍 傅海鵬

（1. 天津大學(xué)微電子學(xué)院，天津 300072；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100081）

引 言

生命體征探測(cè)一直是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究熱點(diǎn)，諸如醫(yī)療監(jiān)護(hù)、輔助駕駛等[1-3]. 其中監(jiān)測(cè)生命體的呼吸和心跳信息能夠反應(yīng)生命體的健康狀況[4-5].目前，接觸式生命體征探測(cè)由于其高檢測(cè)精度被廣泛使用. 然而，由于容易受到設(shè)備和電極影響，接觸式生命體征探測(cè)的發(fā)展受到限制[6]；非接觸式生命體征探測(cè)，尤其是基于多普勒雷達(dá)的生命體征探測(cè)，因其在獲得生命體征信息方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用. 其不需要電極且設(shè)備不需要直接接觸生命體，不易受外界環(huán)境的干擾，且可以檢測(cè)到生命體的微小運(yùn)動(dòng). 目前，許多提高檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)方案被提出，例如，為了消除檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的探測(cè)零點(diǎn)問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]提出了一種正交結(jié)構(gòu)的雷達(dá)系統(tǒng)，但存在I/Q幅度和相位的不平衡問(wèn)題，需要添加額外的I/Q補(bǔ)償模塊. 文獻(xiàn)[7-8]提出了一種具有信道選擇的正交雷達(dá)結(jié)構(gòu)來(lái)避免探測(cè)零點(diǎn)問(wèn)題，但是該結(jié)構(gòu)僅限制于單信道精度.文獻(xiàn)[9]提出了一種雙邊帶傳輸外差結(jié)構(gòu)，以消除在傳統(tǒng)的外差結(jié)構(gòu)中對(duì)正交本振(local oscillator,LO)信號(hào)和若干濾波的需求，但是惡化了探測(cè)零點(diǎn)問(wèn)題.

本文提出了一種基于多普勒雷達(dá)的新型并發(fā)雙頻段混合下變頻生命體征探測(cè)系統(tǒng)，其具有兩個(gè)不同載波頻率的傳感器用于探測(cè)生命體征以避免探測(cè)零點(diǎn)問(wèn)題. 與傳統(tǒng)的多普勒雷達(dá)生命體征探測(cè)系統(tǒng)相比，該結(jié)構(gòu)可以降低直流偏移和1/f噪聲，且沒(méi)有鏡像干擾，同時(shí)避免了采用正交結(jié)構(gòu)雷達(dá)接收機(jī)帶來(lái)的I/Q不平衡問(wèn)題，提高了探測(cè)精度，并可以節(jié)省成本. 另外，雙頻段雙通道的探測(cè)結(jié)果之間可以相互驗(yàn)證，因此可以保證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 探測(cè)零點(diǎn)

圖1為單頻段單通道連續(xù)波(continuous wave,CW)多普勒雷達(dá)的基本原理結(jié)構(gòu).

圖1 CW多普勒雷達(dá)基本原理框圖Fig. 1 Basic block diagram of continuous wave Doppler radar

如圖1所示，對(duì)于CW雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)而言，其發(fā)射信號(hào)可以表示為T(t)=cos(2πft+φ(t))，其中f為載波頻率，φ(t)為振蕩器的相位噪聲.L0為探測(cè)距離，x(t)為心肺移動(dòng)的距離. 當(dāng)檢測(cè)生命體征信號(hào)時(shí)，生命體征的信息將會(huì)被調(diào)制到載波信號(hào)中，則此時(shí)所得到的接收信號(hào)為R(t). 當(dāng)接收信號(hào)R(t)與本振信號(hào)進(jìn)行下混頻時(shí)，就會(huì)得到一個(gè)基帶信號(hào)B(t).

式中：λ為信號(hào)波長(zhǎng)；初始相位θ=4πL0/λ+θ0，θ0為反射面上的相移；Δφ(t)為剩余相位噪聲. 文獻(xiàn)[10]表明近距離探測(cè)，由于距離的相關(guān)性影響，Δφ(t)的影響可以忽略.

當(dāng)θ是π/2的奇數(shù)倍且胸腔位移x(t)遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)λ時(shí)，基帶輸出可以近似為

可以看出，基帶輸出與心肺活動(dòng)的位移成正比.

如果θ是π/2的偶數(shù)倍且胸腔位移x(t)遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)λ時(shí)，基帶輸出可以近似為

可以看出，基帶的輸出存在零點(diǎn)，并且這個(gè)零點(diǎn)的出現(xiàn)是當(dāng)本振信號(hào)與接收信號(hào)同相或者反相時(shí). 從前面的推導(dǎo)中可以看出探測(cè)零點(diǎn)與θ取值有關(guān)，當(dāng)θ等于kπ (k為自然數(shù))，即出現(xiàn)探測(cè)零點(diǎn)時(shí)，經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)，此時(shí)目標(biāo)的探測(cè)距離L0與信號(hào)的波長(zhǎng)λ相關(guān)：

當(dāng)探測(cè)距離為λ/4時(shí)，探測(cè)零點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)，導(dǎo)致解調(diào)信號(hào)不良，嚴(yán)重影響探測(cè)的精確度. 為消除探測(cè)零點(diǎn)的影響，本文提出雙頻段的檢測(cè)方式，頻率分別為f1(2.05 GHz)和f2(1.64 GHz). 由式(5)可知，其探測(cè)零點(diǎn)分別出現(xiàn)在約3.7kcm和4.6kcm處.

對(duì)于生命體征信號(hào)而言，心肺移動(dòng)的距離可以簡(jiǎn)化為單頻段正弦信號(hào)，即x(t)=sin(wvt)，忽略生命體征信號(hào)的幅度時(shí)，wv為生命體征信號(hào)的頻率.將x(t)帶入式(2)中，可得

根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)，式(6)可以改寫為

式(7)是單路基帶信號(hào)分解的情況，可以看出，初始相位θ存在于基帶信號(hào)的奇偶次諧波分量中，影響著探測(cè)系統(tǒng)的零極點(diǎn)條件，進(jìn)而影響心跳檢測(cè)的準(zhǔn)確度.

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

雙頻段多普勒雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的工作頻率為f1和f2，如果當(dāng)其中的一路載波信號(hào)處于其自身的λ/4距離時(shí)，則解調(diào)不出有用的呼吸和心跳信息；而此時(shí)另一路載波信號(hào)并非處于自身的λ/4距離，則可以獲得有用的生命體征信息. 如圖2所示是本文提出的雙頻段多普勒雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖. 系統(tǒng)工作的兩個(gè)頻率分別由兩個(gè)獨(dú)立的鎖相環(huán)芯片產(chǎn)生. 在距離生命體L0處同時(shí)發(fā)射兩個(gè)載波信號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)生命體時(shí)，兩個(gè)載波信號(hào)將由呼吸和心跳引起的胸腔位移x(t)進(jìn)行相位調(diào)制. 攜有調(diào)制信息的回波信號(hào)被接收后，經(jīng)過(guò)放大、混頻、濾波后得到基帶信號(hào).

圖2 雙頻段多普勒雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 The structure of dual-band Doppler radar

本設(shè)計(jì)采用雙頻段是為了解決探測(cè)零點(diǎn)問(wèn)題，從而提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性. 因此，為了驗(yàn)證方案的可行性，提出了如圖2所示的并發(fā)雙頻段混合下變頻收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu). 由理論分析可知，在λ/4探測(cè)距離時(shí)，單頻段單通道檢測(cè)會(huì)導(dǎo)致探測(cè)零點(diǎn)的產(chǎn)生；但是如果采用雙頻段雙通道檢測(cè)，則能夠避免探測(cè)零點(diǎn)的影響. 此外，在非λ/4探測(cè)距離時(shí)，理論上，雙通道是可以獲得相同的測(cè)試結(jié)果，并且兩個(gè)檢測(cè)結(jié)果之間可以相互驗(yàn)證以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性.

頻譜規(guī)劃對(duì)收發(fā)機(jī)而言是非常重要的，尤其是接收機(jī)需要同時(shí)處理兩路回波信號(hào)的情況. 針對(duì)提出的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，考慮接收機(jī)第一次混頻的結(jié)果和第二次混頻的要求以及兩路載波信號(hào)之間的三階互調(diào)情況，得到兩路載波信號(hào)頻率之間的關(guān)系式：

根據(jù)式(8)，并結(jié)合雙頻段功率放大器的頻段范圍以及各頻率點(diǎn)的功率放大情況，得出兩個(gè)載波信號(hào)之間的關(guān)系為f1=5/4(f2)，進(jìn)而確定載波信號(hào)f1和f2的頻率分別為2.05 GHz和1.64 GHz.

發(fā)射機(jī)模塊由鎖相環(huán)、功率分配器、功率合成器、雙頻段功率放大器和發(fā)射天線構(gòu)成. 兩個(gè)獨(dú)立的鎖相環(huán)分別產(chǎn)生固定頻率為f1和f2的載波信號(hào)，同時(shí)兩個(gè)鎖相環(huán)芯片共享一個(gè)晶振. 在實(shí)際設(shè)計(jì)電路印刷電路板(printed circuit board, PCB)布線時(shí)，晶振的信號(hào)輸出端到兩個(gè)鎖相環(huán)芯片參考信號(hào)輸入端的走線長(zhǎng)度要相等，以避免信號(hào)的傳輸延遲. 功率分配器的作用是將產(chǎn)生的載波信號(hào)分成兩路頻率相同、功率減半的載波信號(hào)，其中一路用作發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)，另一路用作接收機(jī)的本振信號(hào). 功率合成器將由兩個(gè)功率分配器產(chǎn)生的兩路發(fā)射信號(hào)合成一路，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)雙頻段功率放大器進(jìn)行功率放大，最后由發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射.

接收機(jī)模塊由接收天線、低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、低通濾波器和帶通濾波器構(gòu)成.

由圖2可知，兩個(gè)回波信號(hào)同時(shí)被處理，載波頻率為f1的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)了一次直接下變頻，載波頻率為f2的回波信號(hào)則經(jīng)過(guò)了兩次下變頻. 選擇低噪聲放大器時(shí)，要注意其噪聲系數(shù)、輸出功率和線性度等. 接收機(jī)的噪聲系數(shù)主要取決于接收機(jī)前端的低噪聲放大器模塊，所以選擇時(shí)需注意噪聲系數(shù)的大小. 當(dāng)兩個(gè)回波信號(hào)同時(shí)進(jìn)入混頻器1中進(jìn)行第一次下變頻后，將會(huì)獲得兩個(gè)主要信號(hào)（基帶信號(hào)I1和中頻信號(hào)）. 為了滿足后續(xù)對(duì)基帶信號(hào)的處理和二次混頻的需求，需選擇一款同時(shí)對(duì)基帶信號(hào)和中頻信號(hào)具有放大功能的中頻放大器. 經(jīng)過(guò)中頻放大器后，一路信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器1之后得到基帶信號(hào)I1，另一路信號(hào)通過(guò)帶通濾波器2后，再進(jìn)入混頻器2中與本振信號(hào)2進(jìn)行第二次下變頻，經(jīng)過(guò)低通濾波器2濾除高頻干擾后得到基帶信號(hào)I2. 用數(shù)據(jù)采集卡直接對(duì)基帶信號(hào)I1和I2進(jìn)行采集，最后在MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將會(huì)解調(diào)出呼吸和心跳信息.

2 仿真及特性分析

2.1 ADS仿真參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證所提出的并發(fā)雙頻段混合下變頻結(jié)構(gòu)的可行性，在ADS中按照?qǐng)D2進(jìn)行系統(tǒng)搭建. 由于ADS中相位調(diào)制模塊只能調(diào)制一個(gè)信號(hào)，無(wú)法同時(shí)給兩路信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，因此兩個(gè)發(fā)射信號(hào)需分別進(jìn)行相位調(diào)制.

在ADS中，呼吸和心跳信息分別由兩對(duì)正弦信號(hào)SRC4與SRC6，SRC3與SRC5進(jìn)行模擬，公式中的θ用移相器來(lái)模擬. 根據(jù)呼吸和心跳的幅度范圍，呼吸的幅度mr設(shè)為0.8 mm[11-12]，頻率為0.35 Hz；心跳的幅度mh設(shè)置為0.16 mm[13-14]，頻率為1.2 Hz.兩個(gè)載波頻率分別為2.05 GHz和1.64 GHz，第一次混頻時(shí)的本振信號(hào)為2.05 GHz，第二次混頻時(shí)的本振信號(hào)為1.64 GHz的1/4，即410 MHz.

為了能更準(zhǔn)確地驗(yàn)證所提結(jié)構(gòu)的可行性，其中仿真系統(tǒng)中各仿真模塊的參數(shù)均是根據(jù)所選元器件的參數(shù)指標(biāo)設(shè)置的. 表1是擬選擇的系統(tǒng)架構(gòu)中器件參數(shù)列表.

圖3是根據(jù)表1所示的元器件模塊參數(shù)在ADS中搭建的系統(tǒng)仿真圖.

圖3 ADS系統(tǒng)仿真圖Fig. 3 System simulation diagram in ADS

表1 電路系統(tǒng)擬用元器件參數(shù)Tab. 1 The intended component list of circuit system

2.2 仿真結(jié)果分析

由前面的理論分析可知，對(duì)于一個(gè)探測(cè)信號(hào)而言，當(dāng)其回波信號(hào)與本振信號(hào)的相位是同相或者180°時(shí)，就會(huì)有探測(cè)零點(diǎn)的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)換成探測(cè)距離后，即目標(biāo)物距離雷達(dá)每λ/4探測(cè)距離就會(huì)出現(xiàn)探測(cè)零點(diǎn). 根據(jù)公式 θ?4πL0/λ可以將λ/4探測(cè)距離轉(zhuǎn)換為回波信號(hào)與本振信號(hào)之間的相位差，即可以通過(guò)改變相位模塊來(lái)仿真實(shí)測(cè)距離情況.

2.2.1 2.05 GHz的λ1/4距離仿真實(shí)驗(yàn)

當(dāng)f1=2.05 GHz的載波信號(hào)處在λ1/4距離處時(shí)，即本振信號(hào)與回波信號(hào)相位相同或者均為180°時(shí)，對(duì)于f2=1.64 GHz的信號(hào)而言，其本振信號(hào)與回波信號(hào)的相位為300°或者150°，仿真結(jié)果如圖4所示.

由仿真結(jié)果可知：針對(duì)通道I1，此時(shí)為盲點(diǎn)，解調(diào)不出有效的生命體征信息；通道I2為最優(yōu)點(diǎn)，可以得到有效的生命體征信息.

圖4 2.05 GHz載波信號(hào)在λ1/4距離處兩個(gè)通道的仿真結(jié)果Fig. 4 Simulation results of two channels at λ1/4 distance with 2.05 GHz carrier signal

2.2.2 1.64 GHz的λ2/4距離仿真實(shí)驗(yàn)

當(dāng)f2=1.64 GHz的載波信號(hào)處在λ2/4距離處時(shí)，即本振信號(hào)與回波信號(hào)相位相同或者均為180°時(shí)，對(duì)于f1=2.05 GHz的信號(hào)而言，其本振信號(hào)與回波信號(hào)的相位為72°或者216°，仿真結(jié)果如圖5所示.

由圖5的仿真結(jié)果可知：通道I1為最優(yōu)點(diǎn)，能夠解調(diào)出有效的生命體征信息；通道I2為盲點(diǎn)，解調(diào)不出有效的生命體征信息.

圖5 1.64 GHz載波信號(hào)在λ2/4距離處兩個(gè)通道的仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation results of two channels at λ2/4 distance with 1.64 GHz carrier signal

上述兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)表明，提出的并發(fā)雙頻段混合下變頻收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)能夠有效避免探測(cè)零點(diǎn)的影響，當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)處于λ/4距離時(shí)能夠正常工作. 仿真結(jié)果證明，所提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有更好的性能.

2.2.3 非λ/4距離仿真實(shí)驗(yàn)

此次實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證當(dāng)探測(cè)距離均不處于兩個(gè)載波信號(hào)的λ/4距離處時(shí)該系統(tǒng)的探測(cè)情況. 在ADS中對(duì)f1=2.05 GHz信號(hào)設(shè)置其回波信號(hào)與本振信號(hào)的相位為90°，此時(shí)f2=1.64 GHz信號(hào)的本振信號(hào)和回波信號(hào)的相位為75°，圖6是仿真結(jié)果.

由圖6的仿真結(jié)果可知，兩個(gè)載波信號(hào)均不在其λ/4距離處時(shí)，兩個(gè)探測(cè)信號(hào)均能得到有效的呼吸和心跳信息. 此時(shí)，通道I1和I2處于最優(yōu)點(diǎn)和盲點(diǎn)之間，因此兩路所得結(jié)果一致，表明該系統(tǒng)處于非λ/4距離時(shí)，得到的兩個(gè)探測(cè)結(jié)果之間可以相互驗(yàn)證，從而保證探測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性.

圖6 非λ/4距離處兩個(gè)通道的仿真結(jié)果Fig. 6 Simulation results of two channels when the detection signal is not at a distance of λ/4

本文是通過(guò)改變?chǔ)戎祦?lái)進(jìn)行模擬仿真的，但實(shí)際θ值與理論θ值是有偏差的. 由式(7)可知，當(dāng)出現(xiàn)偏差Δθ時(shí)，通過(guò)三角變換，影響的是基帶信號(hào)的幅值大小，并且在ADS中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證. 如果θ偏差在10°內(nèi)，則基帶信號(hào)的幅值變化在3.5%以內(nèi)，對(duì)心肺信息的提取沒(méi)有影響，因此方法是可靠的.

3 結(jié) 論

本文針對(duì)基于多普勒雷達(dá)的生命體征探測(cè)系統(tǒng)中的探測(cè)零點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了一種新型的并發(fā)雙頻段混合下變頻結(jié)構(gòu)的收發(fā)機(jī)系統(tǒng).為驗(yàn)證所提出系統(tǒng)的可行性，在ADS中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，通過(guò)三個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該系統(tǒng)在解決探測(cè)零點(diǎn)問(wèn)題的可行性，同時(shí)也表明了該系統(tǒng)雙頻段雙通道檢測(cè)結(jié)果之間可以相互驗(yàn)證，從而可以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性. 后面將通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證所提系統(tǒng)的可行性，并進(jìn)一步向集成的生命體征雷達(dá)探測(cè)芯片方向發(fā)展.