基于生物雷達傳感器的非接觸式呼吸檢測系統設計

張冰洋，趙小玉，黃霞

（1.中南民族大學 實驗教學與工程訓練中心，湖北武漢，430074；2.華中科技大學同濟醫學院附屬梨園醫院，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，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，感知人體的呼吸、心跳、體動、圖像等信息，已廣泛應用于軍事、公共安全、應急救援等領域[1]。近年來，生物雷達應用于人體生命體征的檢測和監測受到廣泛關注[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量評估；M. Alizadeh[7]等利用調頻連續波（Frequence Modulated Continuous Wave, FMCW）毫米波雷達傳感器進行遠程心率檢測。面向醫療診斷、家庭監護等應用領域，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，連續波（Continuous Wave, CW）雷達成本低、功耗低、射頻電路結構簡單，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）連續波雷達，設計了一款高信噪比的信號調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備的研制和應用具有借鑒意義。

1 檢測原理

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

圖1 單頻連續波雷達檢測呼吸信號原理

在生理學方面，人體呼吸引起的體表微動信息可以反映人體的呼吸活動。假設人體目標距離雷達收發天線的距離為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）產生頻率為f，波長為λ的射頻信號T(t)經發射天線發射出去，經過人體反射后的接收信號R(t)經過混頻器（Mixer）變頻處理后得到雷達輸出的基帶信號B(t)。

式（1）中，AT其中為發射信號幅度，f為載波頻率，φ(t)為振蕩器產生的噪聲；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所調制，使得回波信號()R t與雷達的發射信號T()t產生相位差，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，通過設計合適的預處理電路并結合信號處理技術來實現呼吸信號的非接觸式檢測。

2 檢測系統硬件設計

呼吸檢測系統硬件結構框圖如圖2所示，系統由生物雷達傳感器、基帶信號處理電路、數據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模數轉換器組成的數據采集與傳輸電路對濾波后的信號進行AD轉換并通過USB發送到PC端進行數據處理。

圖2 呼吸檢測系統硬件結構框圖

■2.1 電源電路設計

呼吸檢測系統電路包含數字部分和模擬部分，為了保證系統的穩定性，采取各模塊獨立供電的方式進行電源設計。USB電源提供的5V電壓經過DC-DC升壓電路至6.6V，然后分別經過AMS1117-5.0和AMS1117-3.3高效線性穩壓芯片獲得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，并經過電壓基準芯片REF6033為ADS8866模數轉換器提供3.3V基準電壓。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固定轉換頻率的升壓芯片，最大轉換效率可達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，調節R1和R2的比值獲取需要的電壓值。

AMS1117線性穩壓電路和REF6033電壓基準電路分別如圖4和圖5所示。

圖4 AMS1117線性穩壓電路

圖5 REF6033電壓基準電路

■2.2 生物雷達傳感器

系統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計的低成本24GHz雷達傳感器，該傳感器具有獨立的發射和接收通道、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，且要求信號調理電路具有較高的信噪比。生物雷達信號調理電路如圖7所示。

圖7 生物雷達信號調理電路

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。首先經過低通濾波器濾除高頻成分，后經過高通濾波器，濾除直流和準直流成分，去除基線漂移。為了防止運放飽和，濾波放大倍數設置為10，經過兩級帶通濾波后，信號放大100倍，之后經過三級放大電路調節呼吸信號的幅度。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，輸入參考電壓噪聲7.5nV/√Hz。所設計的基帶信號調理電路截止頻率為0.1Hz～10Hz，通帶增益約為50dB，其幅頻響應曲線如圖8所示。

圖8 基帶信號調理電路幅頻響應曲線

測試對象靜坐于呼吸檢測系統前方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，可以由數據采集與傳輸電路做進一步處理。

圖9 基帶信號調理電路輸出波形

■2.4 數據采集與傳輸電路

為了對生物雷達傳感器檢測的呼吸信號進行采集和分析，設計了數據采集與傳輸電路。該電路采用嵌入式微控制器控制模數轉換器對調理后的基帶信號進行AD轉換并通過USB發送到PC端進行處理。其中，模數轉換芯片采用ADS8866，該芯片是一款16位、100kSPS微功耗、微型、單端輸入SAR模數轉換器，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，單片機片內有128KB的Flash和10KB的SRAM，以 及SPI、SCI、I2C、ADC、DMA和USB2.0等豐富的外設資源，單片機主板通過BoosterPack接口與雷達基帶信號調理模塊和ADS8866模數轉化電路連接。數據采集電路如圖10所示。

圖10 數據采集電路

其中，基帶信號調理電路的輸出信號經過OPA320構成的電壓跟隨器進行阻抗匹配由ADS8866轉換為數字信號，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在內部時鐘的驅動下進入采樣狀態對輸入信號進行采樣；當轉換完成且CONVST下降沿到來時，DOUT輸出采集的數據。

圖11 ADS8866接口時序

3 實驗驗證及分析

為了驗證該系統的可行性和準確性，使用該系統分別對5個成年男性和5個成年女性5min的呼吸數據進行采集，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正前方1m處，胸腔正對雷達天線自由呼吸，數據采集與傳輸電路將經過基帶信號調理電路預處理的信號通過A/D采樣，將模擬信號轉變為數字信號發送到電腦端。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。

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字帶通濾波器從頻域上對呼吸信號進行分離，經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。本文檢測系統與接觸式呼吸傳感器測量的呼吸頻率的對比結果如表1所示。

圖14 呼吸信號的時域和頻域波形

表1 檢測系統與接觸式傳感器采集的呼吸頻率

4 結論

本文采用K波段連續波雷達通過信號調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數字帶通濾波器和特征提取算法分離得到呼吸信號。實驗結果表明，本文所設計的檢測系統對于單個靜止人體目標呼吸檢測與接觸式傳感器檢測結果的匹配率較高，從而證明了單頻連續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備的研制及其在醫療診斷、家庭監護中的應用具有很好的借鑒意義。