基于生物雷達傳感器的非接觸式呼吸檢測系統(tǒng)設(shè)計

張冰洋，趙小玉，黃霞

（1.中南民族大學(xué) 實驗教學(xué)與工程訓(xùn)練中心，湖北武漢，430074；2.華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬梨園醫(yī)院，湖北武漢，430062）

0 引言

生物雷達是一種主要以人體為探測對象的新概念雷達技術(shù)，它以低功率電磁波為探測媒介，可穿透廢墟、墻壁、衣物、組織等非金屬介質(zhì)，感知人體的呼吸、心跳、體動、圖像等信息，已廣泛應(yīng)用于軍事、公共安全、應(yīng)急救援等領(lǐng)域[1]。近年來，生物雷達應(yīng)用于人體生命體征的檢測和監(jiān)測受到廣泛關(guān)注[2-5]，Yuna Lee[6]等利用超寬帶（ultrawide Band,UWB）雷達傳感器進行生命體征質(zhì)量評估；M. Alizadeh[7]等利用調(diào)頻連續(xù)波（Frequence Modulated Continuous Wave, FMCW）毫米波雷達傳感器進行遠程心率檢測。面向醫(yī)療診斷、家庭監(jiān)護等應(yīng)用領(lǐng)域，生物雷達具有無輻射、非接觸、可便攜的特點；與UWB雷達和FMCW雷達相比，連續(xù)波（Continuous Wave, CW）雷達成本低、功耗低、射頻電路結(jié)構(gòu)簡單，非常適用于日常睡眠呼吸檢測。

本文利用24GHz載波頻率（K波段）連續(xù)波雷達，設(shè)計了一款高信噪比的信號調(diào)理電路對雷達信號進行濾波放大，以MSP430F5529單片機為核心對雷達信號進行采集，通過數(shù)字濾波和特征提取算法從雷達信號中提取出了人體呼吸信號，對于基于雷達的非接觸式呼吸檢測設(shè)備的研制和應(yīng)用具有借鑒意義。

1 檢測原理

單頻連續(xù)波生物雷達前端射頻電路通常由振蕩器、混頻器、收發(fā)天線、匹配電路等組成。單頻連續(xù)波雷達檢測呼吸信號的原理圖如圖1所示。

圖1 單頻連續(xù)波雷達檢測呼吸信號原理

在生理學(xué)方面，人體呼吸引起的體表微動信息可以反映人體的呼吸活動。假設(shè)人體目標(biāo)距離雷達收發(fā)天線的距離為d0，人體呼吸引起的人體表面胸廓的微動位移為x(t)。振蕩器（Oscillator）產(chǎn)生頻率為f，波長為λ的射頻信號T(t)經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去，經(jīng)過人體反射后的接收信號R(t)經(jīng)過混頻器（Mixer）變頻處理后得到雷達輸出的基帶信號B(t)。

式（1）中，AT其中為發(fā)射信號幅度，f為載波頻率，φ(t)為振蕩器產(chǎn)生的噪聲；式（2）中，AR為接收信號幅度，c為電磁波傳播速度，λ為載波的波長，θ0為接收通路中引入的相位偏移；式（3）中，φ(d0)為相位偏移，為時變相移。

根據(jù)多普勒原理，人體反射的回波信號()R t被人體的呼吸運動引起的體表微動()x t所調(diào)制，使得回波信號()R t與雷達的發(fā)射信號T()t產(chǎn)生相位差，且其大小隨呼吸引起的胸腔位移而變化，與雷達的載波波長成反比。呼吸引起的人體胸腔微動位移量的范圍為4～15mm，本研究選用載波頻率為24GHz（λ為12.5mm）的生物雷達，通過設(shè)計合適的預(yù)處理電路并結(jié)合信號處理技術(shù)來實現(xiàn)呼吸信號的非接觸式檢測。

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

呼吸檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，系統(tǒng)由生物雷達傳感器、基帶信號處理電路、數(shù)據(jù)采集與傳輸電路及電源電路組成。其中，電源電路為各電路提供穩(wěn)定的工作電壓；基帶信號處理電路對雷達傳感器輸出的信號進行直流偏移校正、信號放大和濾波處理；嵌入式微控制器和ADS8866模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成的數(shù)據(jù)采集與傳輸電路對濾波后的信號進行AD轉(zhuǎn)換并通過USB發(fā)送到PC端進行數(shù)據(jù)處理。

圖2 呼吸檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

■2.1 電源電路設(shè)計

呼吸檢測系統(tǒng)電路包含數(shù)字部分和模擬部分，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采取各模塊獨立供電的方式進行電源設(shè)計。USB電源提供的5V電壓經(jīng)過DC-DC升壓電路至6.6V，然后分別經(jīng)過AMS1117-5.0和AMS1117-3.3高效線性穩(wěn)壓芯片獲得5V和3.3V兩路輸出。AMS1117-5.0輸出的5V供給生物雷達傳感器和基帶信號處理電路，并經(jīng)過電壓基準(zhǔn)芯片REF6033為ADS8866模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供3.3V基準(zhǔn)電壓。AMS1117-3.3輸出的3.3V為ADS8866提供AVDD和DVDD。

圖3為DC-DC升壓電路原理圖，AX5523為1.2MHz固定轉(zhuǎn)換頻率的升壓芯片，最大轉(zhuǎn)換效率可達97%。

圖3 DC-DC升壓電路原理圖

電路輸出Vout的計算公式如式（4）。其中 REFV的典型值為0.6V，調(diào)節(jié)R1和R2的比值獲取需要的電壓值。

AMS1117線性穩(wěn)壓電路和REF6033電壓基準(zhǔn)電路分別如圖4和圖5所示。

圖4 AMS1117線性穩(wěn)壓電路

圖5 REF6033電壓基準(zhǔn)電路

■2.2 生物雷達傳感器

系統(tǒng)選用的生物雷達傳感器型號為CDM-324C。CDM-324C 是一款采用K波段平面微帶天線設(shè)計的低成本24GHz雷達傳感器，該傳感器具有獨立的發(fā)射和接收通道、靈敏度高、體積小，可用于非接觸式的呼吸心跳檢測。內(nèi)部集成高靈敏度低噪聲放大器，傳感器尺寸大小為25mm×25mm×6mm，天線角度為80°× 35°。

人靜坐在雷達傳感器前1m處，胸腔正對雷達天線，利用示波器測量傳感器輸出的瞬時頻率（instantaneous frequency,IF）信號如圖6所示。信號中呼吸信號幅度較為微弱，信號存在大約65mV的直流成分和雷達自身的高頻噪聲，且存在基線偏移。

圖6 雷達傳感器輸出的IF信號

■2.3 基帶信號處理電路

生物雷達傳感器輸出的基帶信號包含直流成分和噪聲，由于目標(biāo)信號的幅度很微弱，需要對輸出信號進行直流偏移校正、信號放大和濾波處理，且要求信號調(diào)理電路具有較高的信噪比。生物雷達信號調(diào)理電路如圖7所示。

圖7 生物雷達信號調(diào)理電路

為了濾除呼吸信號中的高頻噪聲和基線漂移，采取帶通濾波方式對基帶信號進行處理。首先經(jīng)過低通濾波器濾除高頻成分，后經(jīng)過高通濾波器，濾除直流和準(zhǔn)直流成分，去除基線漂移。為了防止運放飽和，濾波放大倍數(shù)設(shè)置為10，經(jīng)過兩級帶通濾波后，信號放大100倍，之后經(jīng)過三級放大電路調(diào)節(jié)呼吸信號的幅度。為了獲取較高的信噪比，運算放大器選用低噪聲高精度運算放大器LMV772，該運放具有極低的輸入偏置電流，典型值為0.1pA，共模抑制比為80dB，電源抑制比為90dB，輸入?yún)⒖茧妷涸肼?.5nV/√Hz。所設(shè)計的基帶信號調(diào)理電路截止頻率為0.1Hz～10Hz，通帶增益約為50dB，其幅頻響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 基帶信號調(diào)理電路幅頻響應(yīng)曲線

測試對象靜坐于呼吸檢測系統(tǒng)前方0.5m處，胸腔正對雷達天線，人正常呼吸時，利用示波器對調(diào)理后的基帶信號進行測量，測量到的波形如圖9所示。可見，被測對象正常呼吸時，處理后的雷達傳感器輸出信號中噪聲成分被有效去除，且信號被有效放大，可以由數(shù)據(jù)采集與傳輸電路做進一步處理。

圖9 基帶信號調(diào)理電路輸出波形

■2.4 數(shù)據(jù)采集與傳輸電路

為了對生物雷達傳感器檢測的呼吸信號進行采集和分析，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集與傳輸電路。該電路采用嵌入式微控制器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器對調(diào)理后的基帶信號進行AD轉(zhuǎn)換并通過USB發(fā)送到PC端進行處理。其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADS8866，該芯片是一款16位、100kSPS微功耗、微型、單端輸入SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有出色的交流和直流性能和較寬的電壓范圍，最大采樣率100kHz，信號可無延遲輸出。微控制器選用MSP430F5529，單片機片內(nèi)有128KB的Flash和10KB的SRAM，以 及SPI、SCI、I2C、ADC、DMA和USB2.0等豐富的外設(shè)資源，單片機主板通過BoosterPack接口與雷達基帶信號調(diào)理模塊和ADS8866模數(shù)轉(zhuǎn)化電路連接。數(shù)據(jù)采集電路如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集電路

其中，基帶信號調(diào)理電路的輸出信號經(jīng)過OPA320構(gòu)成的電壓跟隨器進行阻抗匹配由ADS8866轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，MSP430F5529采用三線CS模式對ADS8866進行采集時序控制，接口時序如圖11所示。CONVST上升沿到來時，ADS8866在內(nèi)部時鐘的驅(qū)動下進入采樣狀態(tài)對輸入信號進行采樣；當(dāng)轉(zhuǎn)換完成且CONVST下降沿到來時，DOUT輸出采集的數(shù)據(jù)。

圖11 ADS8866接口時序

3 實驗驗證及分析

為了驗證該系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性，使用該系統(tǒng)分別對5個成年男性和5個成年女性5min的呼吸數(shù)據(jù)進行采集，并與接觸式呼吸傳感器采集的呼吸頻率進行比較。被測對象靜坐于檢測系統(tǒng)正前方1m處，胸腔正對雷達天線自由呼吸，數(shù)據(jù)采集與傳輸電路將經(jīng)過基帶信號調(diào)理電路預(yù)處理的信號通過A/D采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號發(fā)送到電腦端。圖12為其中1名被測對象自由呼吸時胸腔運動信號的時域和頻域波形，圖中含有一定成分的雜波，但是可以清晰看出呼吸波形的脈絡(luò)。

圖12 自由呼吸時胸腔運動信號的時域和頻域波形

圖13為1名被測對象自由呼吸，屏氣20s左右后正常呼吸的時域和頻域波形，屏氣時信號較為微弱，幅度明顯低于正常呼吸信號。

圖13 自由呼吸和屏氣時胸腔運動信號的時域和頻域波形

為了分離出呼吸信號，在電腦端利用軟件采用數(shù)字帶通濾波器從頻域上對呼吸信號進行分離，經(jīng)過濾波和平滑后的呼吸信號的時域和頻域波形如圖14所示，頻譜中幅度最大值處的頻率值即為呼吸頻率。本文檢測系統(tǒng)與接觸式呼吸傳感器測量的呼吸頻率的對比結(jié)果如表1所示。

圖14 呼吸信號的時域和頻域波形

表1 檢測系統(tǒng)與接觸式傳感器采集的呼吸頻率

4 結(jié)論

本文采用K波段連續(xù)波雷達通過信號調(diào)理電路提取人體呼吸時胸腔運動的回波信號相位信息，通過IIR數(shù)字帶通濾波器和特征提取算法分離得到呼吸信號。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的檢測系統(tǒng)對于單個靜止人體目標(biāo)呼吸檢測與接觸式傳感器檢測結(jié)果的匹配率較高，從而證明了單頻連續(xù)波雷達在非接觸式呼吸檢測中的可行性和有效性，為非接觸式呼吸檢測設(shè)備的研制及其在醫(yī)療診斷、家庭監(jiān)護中的應(yīng)用具有很好的借鑒意義。