线性调频连续波雷达在生命参数检测中的应用可行性研究

陈培昕，李怡勇，米永巍

广州军区武汉总医院 医学工程科，湖北 武汉 430070

线性调频连续波雷达在生命参数检测中的应用可行性研究

陈培昕，李怡勇，米永巍

广州军区武汉总医院 医学工程科，湖北 武汉 430070

应用线性调频连续波（LFMCW）雷达对人体目标进行检测，从而获取人体生命参数信息，并通过计算机仿真技术对实验方案进行指导。通过对仿真结果的分析，展望了线性调频连续波雷达在生命参数检测方面的应用前景。

雷达；线性调频连续波；雷达生命检测系统；生命参数检测

LFMCW（线性调频连续波）雷达生命检测系统[1-2]通过对人体目标的雷达回波信号进行分析，可以测得距离信息，从而检测人体胸壁微小运动；还可以获取心率、呼吸等参数。这种检测技术可实现不接触被测对象而进行测量，避免了测试手段对被测对象不同程度的影响[3-4]。

1 LFMCW雷达检测原理

图1 LFMCW雷达生命检测系统原理框图

LFMCW雷达生命检测系统原理框图如图1所示。电磁波照射人体后，其反射波中必然加载人体的生理信息。人体微动与回波幅度、相位等之间具有相关性，而人体生理运动（如心跳、呼吸）会引起人体表面微动。发射信号与接收信号混频后得到一反映了目标距离和人体生命特征的调相信号。对该信号进行滤波、检波等处理，就可以得到人体的生命信息。

理想线性调频信号的频率为[5]：发射信号可描述为：

其中θ0为初相。回波信号是发射信号的延迟，并由于人体微动而引起信号的相位变化，设此变化为θ(t)，即

人体正常生理变化如呼吸、心跳都将会引起人体胸壁的颤动，这反映在回波信号中就是瞬时相位随时间的变化。对低频窄带准周期微弱信号θ(t)分析，可以得到一些具有临床价值的生理参数。

人体目标的调相回波信号形式为：

表1 单目标时的测距结果

2 计算机仿真分析

仿真分析中，LFMCW雷达的工作波长为8mm，发射信号调频带宽为200MHz，调频周期为0.02ms，最大作用距离为3km，理论距离分辨力为0.75m，c为光速。设定人体的微动频率为60Hz, 微动变化为

2.1 目标测距

设定距离范围为5.00～12.00m，目标间最小距离间隔为5cm，距离分辨力为0.15m，目标为单目标时的测距结果见表1。

图2 频域测距的良好抗噪性能

在回波信号中加入随机高斯白噪声后进行实验，由图2可以发现噪声在时域内对信号的影响比较明显，但在频域中其影响只是在原信号的频谱上叠加了一个分布分散的基底，这对于进行目标识别及目标测距是没有影响的，因此，在信噪比一定的情况下，频域测距比时域测距有更强的抗噪性能。

2.2 生命信号的检测

人体目标的回波信号是一调相信号，人体微动变化以调相波的形式调制到雷达信号上，根据调制解调理论，在获得人体目标回波后进行检波，可以得到人体生命信息。图3所示为检测到的生命参数信号。

图3 生命信号的检测

3 实验结果

利用现有的雷达设备进行不同目标实验。所采用的调频电压如图4所示：T=0.02ms，产生一个起始频率为35GHz，调频带宽为207MHz，调频周期为0.02ms的线性调频雷达信号。以木质音箱模拟人体目标，用雷达对其进行照射，记录该目标在不同距离处(分别是2m、4m、8m)得到的中频信号，如图5所示。

图4 调频电压信号

回波信号混频得到的波形、对不同距离处的信号进行FFT分析（FFT点数相同），结果如图5所示。分析实验结果，可以得出结论：目标的距离与回波信号的频率之间存在着某种对应关系，这证明采用调频连续波可以得到目标的距离参数。

为验证信号检测技术，以木质音箱模拟人体目标，以扬声器的震动模拟人体胸壁的运动，以0.2Hz、2Hz的正弦波为振荡源信号，分别在距离雷达2m和4m处进行实验。实验过程中保持雷达发射功率不变，正弦信号幅值不变。检测得到的信号波形如图6、7所示。

检测得到的波形基本反映了目标的微动规律，但距离越远噪声影响越大，会使信号失真甚至淹没被检测信号，对检测非常不利。该实验结果表明在一定的信噪比条件下，可以有效地检测到有关人体生理活动的信息，证明该技术可实现性，检测结果是准确的。

图5 不同距离(2m、4m、8m)目标的测距结果

图6 2m处得到的信号检测结果

图7 4m处得到的信号检测结果

仍采用前面的实验系统，以健康男性青年为测试对象，以期实现其生命信号的检测。实验中得到的微动信号与引起胸壁运动的心跳、呼吸运动具有一定的相关性。对回波信号进行FFT分析，结果如图8所示；分别记录了人体自由呼吸和屏住呼吸时得到的不同结果，如图9、10所示（目标距离为3m）：

图8 人体目标测距分析

图9 自由呼吸时的人体微动信号

图10 屏住呼吸时的人体微动信号

对比两种情况下的实验结果：自由呼吸时，第一路信号与人体的呼吸波形大致相同，第二路信号反映了人体心跳和呼吸等引起的胸壁运动。屏住呼吸时由于呼吸动作的停止，第一路信号近似是一条平坦曲线，而第二路信号与人体的心动变化曲线大致相同。这也体现了该技术的临床应用价值。

4 结论

本文从理论和实验两方面证明了线性调频连续波雷达用于人体生命参数检测的可行性和可实现性，分析了该技术的临床应用价值。本文所提出的人体检测技术，为设计LFMCW雷达的人体检测系统提供了依据，对深入研究LFMCW雷达在人体检测领域的应用具有一定的指导意义。

该技术对被测量对象无任何约束，无需接触性电极、传感器、电缆等的连接，而且可以隔一定的距离、一定的介质（如衣服、纱布等）进行监测，因此不仅在临床医学上有重要的应用价值，在急救医学、灾难医学、家庭医学领域同样具有广泛的应用前景。

[1] 王健琪.呼吸、心率的雷达式非接触检测系统设计与研究[J].中国医疗器械杂志,2001,25(3):132-135.

[2] 陈宇杰,王健琪,路国华.雷达式生命探测仪中强杂波对消技术的方针研究[J].医疗卫生装备,2005,(11):19-21.

[3] Hsueh-Jyh,Gen-Tay Huang. Image of Objects Buried in a Finite-Sized Dielectric Background[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1994, 32(6): 1133-1138.

[4] M Miyakawa. Tomographic measurement of temperature change in phantoms of the human body by chirp radar-type microwave computed tomograph[J]. Med-Biol-Eng-Comput,1993, 31(8): 31-36.

[5] 丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1997.

[6] 陈祝明,丁义元,向敬成.提高线性调频连续波雷达测距精度的最大值估值算法[J].系统工程与电子技术,1999,21(6): 23-25.

[7] 陈祝明,丁义元,向敬成.线性调频连续波雷达的噪声性能分析[J].电子科技大学学报,1999,28(1):17-20.

[8] 熊昕,等.动态心电信号干扰的识别研究[J].中国医疗设备, 2010,25(3):34-36.

[9] 路国华,王健琪.生物雷达技术的研究现状[J].国外医学(生物医学工程分册),2004,(6):87-90.

Application of LFMCW Radar to Life-Parameters Detection

CHEN Pei-xin, LI Yi-yong, MI Yong-wei
Medical Engineering Department, Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Region,Wuhan 430070,China

We acquire life-parameters by the application of LFMCW radar on human under the guidance of computer simulation technology. We analyze the application prospect by the results of the experiment.

Radar; linear frequency modulated continuous wave; radar life detection system; lifeparameters test

R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.05.018

1674-1633(2011)05-0069-03

2010-11-10

2011-02-23

本文作者：陈培昕，主管技师，主要从事医疗仪器的维修和开发。

作者邮箱：fmmucpx@sohu.com