人體呼吸非接觸測量中IR-UWB雷達關鍵參數的研究

岳超，祁富貴，梁福來，李川濤，李釗，劉淼，呂昊

第四軍醫大學 a.學員旅四營十六連；b.生物醫學工程學院電子學教研室， 陜西 西安 710032

人體呼吸非接觸測量中IR-UWB雷達關鍵參數的研究

岳超a，祁富貴b，梁福來b，李川濤b，李釗b，劉淼b，呂昊b

第四軍醫大學 a.學員旅四營十六連；b.生物醫學工程學院電子學教研室， 陜西 西安 710032

等效采樣間隔是脈沖超寬帶（IR-UWB）雷達的一個重要參數，本文從理論和實驗兩方面首次研究了該參數對IR-UWB雷達非接觸呼吸測量性能的影響。結果表明，等效采樣間隔應小于人體呼吸引起的體表微動位移的一半，這是IR-UWB雷達非接觸測量人體呼吸的前提條件。因此，可通過減小等效采樣間隔來提高IR-UWB雷達的呼吸測量性能。此外，IR-UWB雷達的等效采樣間隔同時決定了等效采樣周期（即回波慢時間周期），降低等效采樣周期對IRUWB雷達的呼吸測量性能無顯著影響。上述研究結果對非接觸生命信號測量中的IR-UWB雷達系統設計具有指導意義。

等效采樣間隔；IR-UWB雷達；非接觸測量；呼吸

雷達發射的電磁波能穿透各種非金屬障礙和遮擋，非接觸地測量人體的生命信號，因而在生物醫學、災難救援和公共安全等諸多領域具有潛在的應用價值[1-6]。現階段，用于這一目的的雷達主要包括2種類型：窄帶連續波雷達和超寬帶雷達。相對前者而言，超寬帶雷達具有良好的距離分辨、抗干擾和近場探測性能[7-8]。此外，采用成熟等效采樣技術的沖激脈沖超寬帶雷達因結構簡單、成本低廉，在人體生命信號非接觸測量中應用最廣泛[9-11]。

在人體生命信號非接觸測量中，呼吸測量是脈沖超寬帶（Impulse Radio Ultra-Wideband，IR-UWB）雷達最基本的一項功能。IR-UWB雷達發射的電磁脈沖照射到人體后產生反射，人體呼吸運動會引起體表微動，導致反射回波的延時發生變化，通過檢測該變化可實現呼吸測量[12-13]。由于人體體表微動位移幅度非常小，IR-UWB雷達的回波變化非常微弱；再加上需要穿透墻壁、廢墟等障礙，所以基于IR-UWB雷達的非接觸呼吸測量難度較大。針對這一問題，目前已開展了大量研究[14-21]。但在這些研究中，絕大多數是針對IR-UWB回波的信號處理技術，并提出了信雜噪比（Signal-to-Noise-and-Clutter Ratio，SNCR）提高、背景去除、干擾抑制、呼吸率估計等大量方法[16-18]。然而，IR-UWB雷達的呼吸測量性能首先取決于其硬件系統性能，目前針對這一問題的研究較少[12,15]，尤其缺乏IR-UWB雷達非接觸呼吸測量的關鍵參數研究。前期的研究表明，IRUWB雷達的等效采樣間隔與其呼吸檢測性能有關[17]，但尚未進行深入研究和實驗驗證。

本文從理論和實驗兩個方面系統研究了等效采樣間隔這一關鍵參數，旨在為非接觸生命信號測量中的IR-UWB雷達系統設計提供指導。首先，從理論上分析了等效采樣間隔與人體體表位移的定量關系，以及等效采樣間隔和周期對IR-UWB雷達的非接觸呼吸測量性能的影響。然后，通過實驗對理論分析結果進行了驗證。在實驗中，為了避免人體個體差異，采用人體體表微動模擬裝置代替志愿者作為目標，并改變IR-UWB雷達的等效采樣間隔和周期。最后，對不同等效采樣間隔和周期采集到的實驗數據進行分組，并采用統計分析對各組間呼吸測量性能的差異進行評估。

1 理論分析

IR-UWB雷達能獲取目標距離信息，主要是通過探測接收到的目標回波脈沖和發射脈沖之間的延遲實現的。因此，在IR-UWB雷達的接收端可通過等效采樣技術，對不同距離范圍內的回波進行采樣，所以接收到的IR-UWB回波信號是帶有距離延遲（下文簡稱距離）和采樣時間（下文簡稱時間）信息的二維信號。假設探測范圍內有一個靜止人體，回波信號可以表示為[13]：

其中，τ和t分別表示距離和時間，通常τ的單位是ns，而t的單位是s，而且τ×電磁波傳播速度可以換算成距離；p(t)表示脈沖波形；b表示回波在傳播、胸部反射等類似過程中脈沖波形衰減的比例因子；τb(t)表示人體呼吸位移所產生的脈沖延遲，當僅考慮人體的呼吸時，τb(t)可表示為：

τb(t)由兩部分組成：一部分是τ0，τ0是一個常數，對應脈沖在雷達與無呼吸靜止目標之間傳播時的距離延遲；另一部分是(Δb/2)sin(2πfbt)，表示人體呼吸引起的胸部位移而產生的動態延遲。為便于分析，人體呼吸運動被簡化為一個正弦時間函數，該正弦函數的周期由呼吸位移Δb以及呼吸頻率fb決定。因此r(τ,t)根據(1)、(2)整理后可得：

假設雷達接收機的靈敏度足夠高，那么此時回波信號r(τ,t)得到有效接收。然后在距離τ=mδτ和時間t=nTs的離散時刻對回波信號進行采樣，其中δτ和Ts分別表示等效采樣間隔和等效采樣周期，則根據公式(3)，上述過程可轉換為：

公式(4)中r[m,n]表示IR-UWB雷達采樣得到的離散數據。由于人體呼吸的影響，(Δb/2)sin(2πfbnTs)的值在τ0附近變化，人體呼吸測量正是通過檢測這種變化來實現的[13]。根據奈奎斯特采樣定理，在離散IR-UWB數據中δτ應該＜|(Δb/2)|sin(2πfbnTs)||，其中|?|表示絕對值，且δτ越小，(Δb/2)|sin(2πfbnTs)|在離散數據中就越能對應更多的距離采樣點數，從而必然提高IR-UWB雷達的呼吸測量性能。由于(Δb/2)|sin(2πfbnTs)|的最大值是Δb/2，所以δτ應滿足：

另外，為了區分開r[m,n+1]和r[m,n]，當給定δτ時，雷達的采樣速度應該足夠慢，即Ts應該大于某個數值。反之，當Ts小于該數值時，量化后的離散IR-UWB數據不能反映呼吸運動的變化。因此，減小Ts理論上不能使IR-UWB雷達的性能得到提高。本文中，我們把這個數值定義為有效采樣周期（注意與等效采樣周期的區別），并且用E(δτ，△b，fb)表示。那么，Ts應滿足：

根據上述理論分析，進行了計算機仿真。首先，基于不同的δτ和Ts，根據公式(4)得出IR-UWB雷達的回波數據；然后，使用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）計算得到該數據的功率譜；最后，計算呼吸所在的頻率點與所有頻率點的功率之比，并以此作為評價IR-UWB雷達性能的定量指標。從仿真結果（圖1）可以看出，功率比隨著δτ（等效采樣間隔）的增大而明顯減小，但是當Ts（等效采樣周期）變化時，功率比沒有顯著的變化。

圖1 計算機仿真結果

2 實驗方案

實驗場景，見圖2。實驗在自由空間進行，目標距離雷達4 m。為了避免人體個體差異，目標采用課題組研制的人體體表微動模擬裝置。該裝置由信號發生器、擴音器、反射體（銅板，50 cm × 20 cm）組成，信號發生器驅動擴音器，使擴音器上安裝的反射體產生周期性緩慢振動來模擬人體呼吸運動時的胸部變化。在實驗過程中，反射體的振動位移和頻率由信號發生器輸出的正弦波形電壓和頻率決定，該波形峰峰值為1 V、頻率為0.3 Hz。

圖2 實驗場景演示

實驗中使用第四軍醫大學研制的IR-UWB生物雷達系統，主要用于穿墻偵查或者震后救援，工作頻率200～400 MHz，系統原理方框圖，見圖3。該系統由兩部分組成，一部分是雷達主機，用于實現脈沖的產生、發射、接收、采樣等功能。發射和接收天線是蝶形偶極子天線，發射脈沖是重復頻率為128 kHz的雙極性脈沖，接收器動態范圍80 dB、靈敏度-78 dBm，模數轉換為16位。系統的另一部分是計算機，它主要實現參數設定、數據處理和結果輸出等功能，與主機通過USB接口連接。

圖3 IR-UWB雷達裝置

IR-UWB雷達數據回波處理流程，見圖4。流程分為3步：① 信噪比提高，通過對雷達數據在距離和時間上進行平均來實現[18]；② 背景雜波去除，采用了線性趨勢減法（Linear Trend Subtraction，LTS）[16,18]；③ 自適應增強和低通濾波，使呼吸信號得到增強。經上述處理后的數據出現了明顯的呼吸變化，然后根據目標的先驗距離信息獲取呼吸波形，并利用FFT進行譜分析并計算功率比。在實際應用中，低通濾波后的數據同時可用于識別和定位目標。

圖4 IR-UWB雷達數據處理流程圖

3 數據采集和分析

數據采集時，通過改變雷達的系統參數得到不同的等效采樣間隔和周期，并對不同等效采樣間隔和周期采集到的實驗數據進行分組。IR-UWB雷達的實驗參數，見表1。雷達探測范圍設置為16～36 ns，相當于實驗場景中的2.4～5.4 m，從而可有效覆蓋目標（4 m）。雷達的等效采樣間隔和等效采樣周期由采樣點數和采樣速度兩個參數控制。例如，當采樣點數設置為2048時，等效采樣間隔為（36-16）/2048 ns，大約相當于10 ps；同時當采樣速度為64 Hz時，等效采樣周期是1/64 s。

表1 IR-UWB雷達的實驗參數

由表1可知，實驗數據分為3組，分別對應δτ=40 ps，Ts=1/64 s，δτ=10 ps，Ts=1/64 s和δτ=10 ps，Ts=1/16 s。其中第一組和第二組的Ts相同，第二組和第三組的δτ相同，通過組間對比可分別得到Ts和δτ對雷達探測性能的影響。對于每種參數組合，均需重復探測人體體表微動模擬裝置10次（10個數據/組），并通過計算機采樣和處理得到功率比。所有數據處理完畢后，根據獨立樣本t檢驗得出各組間功率比的差異，以此為依據評價呼吸探測的差異。在評估過程中，采用雙尾t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

4 實驗結果

為了直觀地表示等效采樣間隔和周期對IR-UWB雷達性能的影響，首先從每組數據中各取1個，實驗結果見圖5。圖中左一列，即圖(a）、(d）、(g)表示低通濾波之后的IR-UWB雷達數據；中間一列，即圖(b)、(e)、(h)表示目標距離點上的呼吸波形；右邊一列，即圖(c)、(f)、(i)表示波形對應的功率譜。由圖5(a)可知，當δτ=40 ps、Ts=1/64 s時，信噪比過低，呼吸變化不明顯。但在圖5(b)和5(c)中，當δτ從40 ps減少到10 ps時，雷達數據的信噪比得到提高，可以觀察到明顯的周期性呼吸變化。同時通過觀察圖5中的功率譜（即圖5右邊一列）可知，檢測到的譜峰均在0.3 Hz處，與人體體表微動模擬裝置的輸出頻率一致。另外，由于人體體表微動模擬裝置的非線性特性限制，呼吸波形會在正弦信號的基礎上產生輕微的扭曲變形（圖5中間一列）。

數據分析結果，見圖6。其中A、B和C組分別對應于參數為δτ=40 ps、Ts=1/64 s，δτ=10 ps、Ts=1/64 s和δτ=10 ps、Ts=1/16 s時的統計結果。由圖6可知，B組的平均功率比比A組更高（t=-4.183，n=10，P＜0.01），B組和C組的平均功率比沒有顯著區別（t=-0.029，n=10，P＜0.977）。

5 結論

本文首次從理論和實驗兩個方面對IR-UWB雷達的等效采樣間隔與呼吸測量性能之間的定量關系進行了研究。由理論分析可知，為實現非接觸呼吸測量的目的，等效采樣間隔應盡可能小，其上限是呼吸引起的胸部位移的一半，并與IR-UWB雷達呼吸測量性能存在反比的關系。同時等效采樣間隔加上胸部位移及呼吸比率共同決定了另一個參數——等效采樣周期的有效值。因而，單純依靠減小雷達等效采樣周期的手段，并不能提高雷達的呼吸測量性能。因此，等效采樣間隔在10 ps時的呼吸測量性能比等效采樣間隔在40 ps時更好；而等效采樣周期分別在1/64 s和1/16 s時的呼吸測量性能沒有明顯的區別。

綜上所述，等效采樣間隔是IR-UWB雷達非接觸呼吸測量的關鍵參數。雷達工作時，應通過設置時窗、采樣點數、采樣速度等參數使等效采樣間隔接近最小值。另一方面，IR-UWB雷達的呼吸測量性能最終取決于其硬件性能指標，即系統中定時電路的時間精度。以本文使用的雷達為例，其時間精確度大約是10 ps，該值能滿足呼吸測量的需求；但是如果進行心跳測量，那么在設計IR-UWB雷達時應選擇精確度更高的定時電路。理論和實驗結果表明：等效采樣間隔越小，雷達的探測性能越好；而改變等效采樣周期對雷達的探測性能無顯著影響。因此，為了提高IRUWB雷達非接觸呼吸測量的性能，在IR-UWB雷達的設計過程中等效采樣間隔應盡可能小，而等效采樣周期由于受到等效采樣間隔的限制，設計時減小該參數并不影響IRUWB雷達的非接觸呼吸測量性能。

圖5 實驗結果

圖6 基于自變量t檢驗的呼吸平均功率比對照

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Study on the Key Parameters of Remote Respiration Measurement via IR-UWB Radar

YUE Chaoa, QI Fu-guib, LIANG Fu-laib, LI Chuan-taob, LI Zhaob, LIU Miaob, LV Haob
a. No. 16 Company, the Fourth Battalion, Cadet Brigade; b. Department of Electronics，School of Biomedical Engineering, the Fourth Military Medical University, Xi’an Shaanxi 710032, China

The equivalent-time sampling interval is one of the most important parameters for the impulse-radio ultra-wideband (IR-UWB) radar that concerns the remote measurement of respiration, which was theoretically and experimentally investigated in this paper for the frst time. According to the measurement results, the interval had to be smaller than half of the thorax displacement due to the respiration. Therefore, it should be as small as possible for improving the respiration measurement capability of the IR-UWB radar. The equivalent-time sampling period of IR-UWB radar was also determined by the equivalent-time sampling interval. Reduction of the equivalent-time sampling period had no obvious infuence on the improvement of the respiration measurement capability. The study in this paper presents significance for the design of the IR-UWB radar in the application of remote vital sign measurement.

equivalent-time sampling interval; impulse-radio ultra-wideband radar; remote measurement; respiration

TN957.51

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.008

1674-1633(2016)06-0042-05

2016-02-01

國家自然科學基金青年科學基金項目（61201382）；國家重大科研儀器設備研制專項（61327805）。

呂昊，第四軍醫大學生物醫學工程系電子學教研室，講師。主要研究方向：雷達式生命探測與生物雷達技術。

通訊作者郵箱：fmmulvhao@fmmu.edu.cn