基于雙頻生物雷達的人體生命體征穿透式監測方法

李釗，祁富貴，梁福來，張林媛，夏娟娟，王健琪，路國華

空軍軍醫大學 軍事生物醫學工程學系，陜西 西安 710032

引言

超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）生物雷達具有非接觸、穿透性強、能夠獲得目標距離信息、抗干擾能力強等特點，在地震、塌方等災害發生后的應急救援中，具有不可替代的優勢[1-6]。目前，針對災后廢墟下壓埋人體的生物雷達探測研究，主要集中在目標的發現、識別和定位上，即解決廢墟下有無幸存者和幸存者位置的問題。而在實際應用中，當發現并定位幸存者后，大量的時間和資源都消耗在如何科學救援上。此時，如果能夠實時監測廢墟下壓埋幸存者的生命體征（呼吸、心跳），將為搜救人員制定科學救援方案，為醫護人員掌握其生理狀態提供詳細可靠的參考依據，從而最大程度地挽救幸存者的生命。

現階段災后救援中大多采用單源UWB雷達（單發單收，只有一個中心頻率），無法同時滿足復雜廢墟下應急救援對雷達穿透力和靈敏度的雙重要求。而且本論文作者所在的研究團隊經過長期對UWB生物雷達技術的研究得出：中心頻率在1 GHz以下的UWB雷達更加適用于災后搜救等復雜場景。針對這一結論，國外多個研究者在其文獻中也進行了說明[7-9]。目前，國內外多個研究小組雖然在實驗中能夠探測到人體的呼吸和心跳信號，但是有的穿透場景較為簡單（木門、磚墻等）[10-14]，穿透性能難以滿足災后搜救的應用需求，有的在實驗中僅能夠探測到目標的體動和呼吸信號，無法探測到心跳信號[15-17]。

本論文利用一種雙頻脈沖無線電（Impulse Radio，IR）-UWB生物雷達，融合了一高一低兩個中心頻率天線在穿透力和靈敏度方面的各自優勢，同時對同一目標進行探測。還通過雙通道互相關數據融合和自適應譜線增強技術來提高人體生命信號的探測信噪比，同時提取人體呼吸信號，再通過動目標指示器和高階累積增強技術提取微弱的人體心跳信號，從而實現對人體目標生命體征的穿透式監測。

1 實驗平臺與方法

1.1 雙頻生物雷達

圖1為本研究所用的雙頻IR-UWB生物雷達圖片。該雷達在雙通道下工作，能夠利用兩對蝶形天線發射并接收兩種頻率的電磁波，其中一對天線的中心頻率為400 MHz，帶寬也為400 MHz，另一對天線的中心頻率為270 MHz，帶寬也為270 MHz，該雷達在-10 dB處等效帶寬覆蓋了135～600 MHz的范圍，與單源IR-UWB雷達（270或400 MHz）相比，在保證低中心頻率的同時，雷達的等效帶寬得到了提升，即增強了雷達對微弱信號的檢測能力。雷達的脈沖重復頻率為128 kHz，采樣點數可選擇2048、4096或8192點，采樣頻率可選擇16、32或64 Hz，雷達的時窗在0～200 ns范圍內連續可調，最優等效采樣精度可以達到10 ps，瞬時發射功率為5 W，滿足對人體微弱生命信號的探測要求。

圖1 雙頻IR-UWB雷達

1.2 實驗對象和方法

實驗中雙頻IR-UWB雷達系統的具體參數設置如表1所示。其中雷達起始位置和時窗的大小是通過實驗開始前在探測區域內晃動金屬板來校準確定的。該實驗在室外建造的模擬廢墟環境中進行，實驗場景如圖2所示。模擬廢墟的高度為2 m，包括兩層10 cm厚的混凝土預制板、80 cm厚的磚塊堆和1 m高的廢墟空洞。雷達放置在模擬廢墟頂端，一名健康成年男性正對雷達，身體保持靜止，平躺在廢墟空洞中。

表1 雙源IR-UWB雷達系統在實驗中的參數設置

圖2 雙頻IR-UWB雷達穿透模擬廢墟探測人體目標的實驗場景

1.3 生命體征提取算法

我們前期實驗研究顯示，受困狀態下人體的生命體征將發生變化：呼吸引起的胸腔微動幅度比自然狀態下要減少約2倍，呼吸節律加快，波寬變窄，超出正常人呼吸率范圍。現行UWB生物雷達探測技術，對該微弱、變異的生命特征探測和識別能力下降，很難提取出受困狀態生命體的呼吸信號。雖然受困狀態生命體的呼吸信號大大減弱，但其仍然是一個窄帶的準周期信號，而噪聲與雜波大多頻帶比較寬，而且雙頻UWB生物雷達工作時，由于兩對不同頻率的天線幾乎同時對同一目標，且在同一時間范圍內進行探測，不同中心頻率的兩個通道的雷達回波數據中，生命體所在距離上的回波點信號應該具有較強的相關性，而兩個數據中對應的其余距離上的回波點信號則相關性較差。因此，本研究采用一種基于雙頻UWB生物雷達的雙通道互相關信號增強技術[18]，結合自適應譜線增強算法對雷達回波中的寬帶信號和窄帶信號進行分離，實現人體呼吸信號的提取，見式(1)～(2)。

式中r1l(n)和r2l(n)分別表示400 MHz天線和270 MHz天線的回波數據中在距離l處的點信號，s(n)表示人體目標的生命信號，A1和A2分別表示兩種不同頻率天線對s(n)的探測增益，c1l(n)和c2l(n)分別表示不同天線回波數據在距離l處的非靜態雜波與噪聲信號。對400 MHz天線和270 MHz天線的回波數據中同一距離處的點信號均做互相關處理，見式(3)。

式中Φl(t)表示不同天線回波數據在同一距離l處點信號的相關函數，由于s(n)、c1l(n)和c2l(n)基本互不相關，因此，公式中后三項相對較小，人體目標微弱的生命信號得到增強。

受困狀態人體目標的呼吸信號是一個窄帶的準周期信號，而雷達回波數據中的雜波和噪聲都屬于寬帶信號。窄帶信號的相關時間范圍較寬，而寬帶信號的相關時間范圍較窄。根據這一特點，可以對互相關增強后的雷達回波信號再進行自適應譜線增強算法處理，從而實現人體呼吸信號和雜波、噪聲的分離。圖3為算法的原理框圖。圖中輸入信號y(k)為增強后的雷達回波信號，由人體目標的呼吸信號yNB(k)、雜波與噪聲信號yWB(k)組成。利用雷達回波信號的延時作為參考信號x(k)=y(k-Δ)，其中延時Δ必須滿足：TWB＜Δ＜TNB。這樣一來，經過延時的雜波與噪聲信號yWB(k-Δ)與原信號yWB(k)不相關，而延時后的人體呼吸信號yNB(k-Δ)仍然與原信號yNB(k)相關。因此，窄帶信號yNB(k)將被消除，抵消器輸出的誤差信號e(k)≈yWB(k)，通過最小均方（Least Mean Square，LMS）算法來調整有限脈沖響應（Finite Impulse Response，FIR）濾波器的參數，使濾波器的輸出信號逼近yNB(k)，從而提取出人體目標的呼吸信號。

圖3 自適應譜線增強算法的原理框圖

在最小均方算法中，濾波器的階數K與步長因子μ對整個算法的效果起著關鍵作用。從理論上講，階數K越大，濾波的效果越好，但同時也會增大運算量，從而影響該雙頻IR-UWB雷達對人體目標的探測時間；如果濾波器的階數K過小，雖然運算時間縮短，但是達不到理想的濾波效果。對于步長因子μ，如果選擇的值過大，將會導致算法不收斂，從而影響濾波的效果；如果選擇的值過小，又會使算法收斂速度變慢，從而延長探測時間[19]。因此，本研究通過對大量實驗數據進行分析后得出，當FIR濾波器的階數K=16，步長因子μ=10-4時，自適應譜線增強算法從雷達回波數據中分離人體目標的呼吸信號和雜波、噪聲信號的效果達到最優。

在雷達探測過程中，人體的心跳信號十分微弱，呼吸諧波的能量都比它大，再加上雜波和噪聲的干擾，這些都為心跳信號的提取帶來了難度。而對于受困狀態生命體，前期研究顯示呼吸頻率變得更快，這就造成了心跳信號更加難以區分。因此，本研究研究出了一種動目標指示器和高階累積相結合的算法，從而消除呼吸諧波，增強心跳信號。

圖4為該動目標指示器的頻譜響應。從圖中可以看出在呼吸頻率的整數倍時，指示器頻譜響應的增益為0，從而能夠有效抑制呼吸諧波，保留了微弱的心跳信號。

圖4 動目標指示器的頻譜響應

呼吸各次諧波在經過動目標指示器后已經得到了抑制，但是剩下的信號中除了目標微弱的心跳信號，仍然包含有噪聲。理論上，任意一個零均值的高斯隨機過程中三階及以上的累積量恒等于零，且它對于高斯噪聲是非敏感的[20]。因此，本研究采用高階統計分析中的高階累積量的方法，通常階數大于3階。考慮到累積效果和計算速度，最終采用了4階高階累積算法進行處理，增強心跳信號。

2 實驗結果

兩個不同中心頻率天線的回波數據經過預處理算法后，再進行雙通道互相關數據融合和自適應譜線增強算法處理。圖5a為270 MHz天線經過預處理算法后的回波數據，探測信噪比為18.11 dB。圖5b為400 MHz天線經過預處理算法后的回波數據，探測信噪比為12.56 dB。從圖中可以看出，人體目標的呼吸信號出現在回波數據快時間維度的28 ns附近，但是由于270 MHz天線的穿透能力比400 MHz的強，因此呼吸信號相對明顯，但仍然存在比較多的雜波和噪聲干擾。

圖5 雙頻IR-UWB雷達探測增強后的回波數據

由于雙頻IR-UWB雷達系統的兩對天線幾乎是同時對同一人體目標進行探測，因此，在400和270 MHz天線的兩個回波數據中，人體目標的呼吸信號具有很強的相關性，而雜波和噪聲的相關性卻很差。通過對400和270 MHz天線的兩個回波數據應用互相關算法后，得到雙頻IR-UWB雷達的回波數據，詳見圖5c。從圖中可以看出，人體目標的呼吸信號依然出現在快時間維度的28 ns附近，但是回波數據中的雜波和噪聲干擾大大地降低，雙頻IR-UWB雷達經過互相關增強后回波數據的探測信噪比為28.28 dB。

對互相關數據融合和自適應譜線增強后回波數據再進行動目標指示器和高階累積增強算法處理。檢測到的呼吸、心跳信號時域、頻率結果分別顯示如圖6所示。呼吸波形清晰地出現在圖6a中，目標的呼吸波形出現一定的小幅波動。呼吸信號對應的頻率譜如圖6b所示，頻譜的峰值最大處就是檢測得到人體目標的呼吸頻率，約為0.454 Hz。為了清楚、直觀地顯示，選擇了一段心跳波形顯示在圖6c中，從波形看，檢測得到人體目標的心跳信號仍然近似正弦波，只是相對于呼吸信號，波形不夠完整，偶爾出現一些小峰值的擾動。心跳信號的頻譜結果顯示在圖6d中，對比呼吸的頻譜，主峰值的附近出現了一些小的峰值，但是仍可以從最大峰值處得到人體目標的心跳頻率約為1.348 Hz。

圖6 人體目標的生命體征

3 討論

在以往的生物雷達人體探測實驗研究中，部分研究為了能夠探測到人體的心跳信號，從而提高雷達的中心頻率，增加雷達的靈敏度，但穿透場景較為簡單，不適合災后廢墟搜救；部分研究為了模擬穿透災后復雜場景，從而降低雷達的中心頻率，增強其穿透力，但僅能夠探測到人體的體動和呼吸信號，難以提取生命信號的細節特征。而本研究首次利用雙頻UWB生物雷達，其一高一低兩個中心頻率天線同時在穿透模擬廢墟場景下對人體目標進行探測。通過該研究發現，雙頻IR-UWB生物雷達克服了單頻雷達無法同時具備較強穿透力和較靈敏微弱信號檢測能力的缺點，在保證低中心頻率探測的同時，擴展了雷達的等效帶寬，滿足災后廢墟搜救的應用需求。

本文實驗是在結構相對規律簡單的模擬廢墟場景下進行的，下一步計劃在國家地震緊急救援訓練基地的模擬廢墟場進行實驗，其結構更加接近真實的災后搜救場景，如果在這種更加復雜逼真的實驗條件下，雙頻雷達仍然均有更高的探測信噪比，且能夠較準確的提取出人體目標的呼吸信號和心跳信號，將為災后掩埋在廢墟下幸存人員的搜救提供一種更加有效的探測手段。