有关将多普勒雷达传感器应用于人体体征检测的研究多普勒生物雷达可以检测到人体的心跳、呼吸等生命体征信号，与传统医疗中接触式检测方法相比较，基于多普勒生物雷达的生命体征检测不仅是非接触的，而且具有很强的穿透性，使多普勒生物雷达在烧伤病人等的临床监护、日常家庭医疗监护和灾难救援等领域具有广泛的应用空间［1～3］目前，多普勒生物雷达技术在非接触式体征检测方面已有较完善的理论研究成果，例如将生物雷达技术与现有的无线通信技术相结合［4，5］，从雷达回波信号中提取人体体征信息［6～9］，以及生物雷达系统的小型化研究等［10～12］为满足医疗、疾病诊断的需求，多普勒生物雷达需要具备成本低、实用性强、方便携带等优点［13］，本文以多普勒生物雷达原理为出发点，结合待测目标的特性，讨论了检测原理和检测装置的设计问题，通过多次信号采集实验，验证了非接触式体征信号检测的可行性1、检测原理为了提高检测信号的分辨率，雷达的工作频率应足够高，但是当工作频率过高时，对于雷达信号来说，受到的杂波干扰变大，一般情况下生物雷达选取2.4～60GHz的频率就生理学方面来看，人体的生理活动可以由人体体表的微动信息反映出来，例如通过胸腔的振动可以得到心跳、呼吸等人体体征活动信息。
心搏能够引起的胸壁位移为0.6mm，呼吸作用产生的胸壁位移在4～12mm左右［14］在使用10GHz频段的生物雷达检测胸腔的运动时，每1mm的位移将会引起最大25.2°的相位偏移［15］，因此，当雷达频段足够高时，即便胸腔的振动幅度很小，雷达基带信号的相位偏移量也能够被分辨出来零中频结构的生物雷达，前端射频电路包括收发天线、匹配电路、振荡器、混频器、射频和模拟滤波器等，图1描述了多普勒生物雷达前端电路原理雷达信号到达人体后发生反射，由于目标的运动会产生频率调制，假设目标以v(t)的速度运动，根据多普勒频移，反射信号发生的偏移可表述为:式中fd为多普勒频移，Hz;f为雷达的发射频率;Hz，c为电磁波传播速度，(m/s);t为经过的时间，s;λ为雷达发射信号的波长，m假设人体胸壁时变位移是x(t)，反射信号相对发射信号产生的多普勒频移可以表示为:图1多普勒生物雷达前端电路原理当雷达探测人体胸腔时，雷达载波相位会受人体胸壁位移的影响产生比例调制多普勒雷达的发射信号可表达为T(t)=cos(2πft+(t))，其中(t)为振荡器的相位噪声假定目标和雷达的距离为d0，则雷达和物体之间的距离是d(t)=d0+x(t)，雷达与目标之间产生的时间延迟是d(t)/c。
由于信号传输的时候胸壁还在运动，则天线到胸壁的距离在反射的时刻是d(t－(d(t))/c)综上所述，雷达信号往返一次产生的延迟时间td可表示为式中AR为接收信号幅度，θ0为常数相位偏移由式(4)可得，相比发射信号，R(t)除了信号幅度衰减为AR外，d0作用的时间延迟项出现在了信号中，且相位也受到了x(t)的调制接收信号在雷达接收机中与LO(t)信号混频并经过低通滤波得到基带信号B(t)式中4πd0/λ－θ0为常数相位偏移，与接收机本身参数有关，随d0的变化而变化;((t)－(t－2d0/c))为剩余相位噪声，其值与距离d0成正比;最后一项为与信号x(t)成正比的时变相位偏移近似的，把B(t)解调相位看作是总相位偏移(d0)与时变相移4πx(t)/λ的和对于正交结构接收机，在相位解调后，理论上可恢复基带信号全部相位信息2、实现方法2.1系统总体设计在实际应用中，生物雷达在接收心肺信息时，有用信号的频率在0.2～10Hz之间，并且其幅度相对微弱为了使多普勒雷达的前端电路有很高的信噪比，需要使用模拟信号处理电路(ASP)对信号进行滤波与放大处理，采用14bit的高分辨率ADC，以200sps(sps:每秒采样点数)的速率采样，测试信号时长50s。
生命体征检测系统框图如图2所示图2生命体征检测系统2.2模拟信号处理电路设计由于接收到的信号是微弱信号，为了观测信号的变化情况，需要对信号进行滤波放大理想状态下，通过3级10倍放大电路的串联，实现对信号1000倍的放大由于呼吸信号的频率范围为0.2～0.4Hz，模拟滤波器的下限截止频率可设计为0.2Hz，以抑制低频噪声和直流偏移，心跳信号的频率范围为0.83～3.3Hz，有用信息集中在低频段，上限截止频率的选择只要大于信号的最高频，并能够防止信号发生采样混叠即可在硬件电路中加入带通滤波设计，将信号的带宽限制在0.2～10Hz之间，以便滤除噪声，方便对体征信号的观测，硬件电路设计如图3所示经测试，I，Q两路的波特图如图4所示，I路在频率为2.5Hz时实现了57.15dB的放大增益，Q路在频率为2.5Hz时实现了56.65dB的放大增益，即硬件上实现了700倍放大的设计图4I，Q两路测试所得波特2.3体征信号检测方法生物雷达进行体征信号的检测时存在以下问题:处于雷达天线波束范围内的静止人体，产生了很大的直流成分;由于信号频率范围极低，信号很容易受到硬件低频噪声的影响;即使人体保持静止，身体的微动，也难免产生与心肺信号幅度接近的干扰信号;容易受到外界运动物体的干扰，产生杂波。
3、检测实验与结果对于人体目标的体征信号检测，实验得到的结果随着周围环境、被检测者的状态变化雷达距离单个静止人体目标40cm，使用具有14bit的ADC信号采集仪进行了大量的信号采集，将采集到的信号发送到电脑方便观测、处理本文首先使用采集仪对I，Q两路信号进行采样，并使用FIR带通滤波器对I，Q原始信号进行降噪处理;对处理后得到的信号进行快速傅里叶变换，得到其对应的频谱，如图5所示从频谱的结果来看，虽然两路对应的频谱图像可以观测到呼吸信号(0.2～0.4Hz)与心跳信号(0.83～3.3Hz)频率范围内的峰值，但是I路心跳信号更加明显，Q路呼吸信号更加明显，其结果也是不理想的图5I路和Q路信号处理为了避免幅度不平衡引起的频域幅度与相位误差，本文对采集到的原始信号进行处理:加入平衡因子a进行校准，I路功率总和AI=0.219W，Q路功率总和AQ=0.217W，由AI=AQ×a=AQ×1.01，可知平衡因子a=1.01，两路平衡后，由S3=I－a×Q得到新的信号;最后对所得信号进行快速傅里叶变换，观测其频谱信息，如图6所示图6S3信号及其信号频谱由图6可知，S3信号周期性明显，并且在0.35～0.4Hz与1.1～1.2Hz频率范围内，频谱存在较为突出的峰值，即对应的呼吸、心跳信号，而需要采集的呼吸、心跳信号，处于0.2～0.4Hz与0.83～3.3Hz范围内，实验结果与实际吻合，即成功地采集到了呼吸、心跳信号。
4、结论经实验测试，雷达检测体征信号的有效工作距离在100cm以内，当测试距离较远时，受到实际环境噪声的影响，噪声功率将与心肺活动的峰值功率相当，检测结果将会出现较大误差，影响体征信号识别的准确程度参考文献:[1]王曦泽,胡巍,王云峰,等.非接触式体征监测及智能移动终端算法的实现[J].北京生物医学工程,2014,33(3):258-263.[2]李运华,刘宝华,户鹏飞,等.一种非接触心电测量方法的研究[J].传感器与微系统,2013,32(1):47-52.[3]戴鹏,曹忠丽,陈飞鸣,等.一种非接触式人体生理信号监测方法[J].传感器与微系统,2013,32(3):49-52.[6]张华,祁富贵,王帅杰,等.不同身体姿势对雷达式生命体征监测系统的影响[J].中国医疗设备,2017,32(6):28-31.[7]王元东.基于多普勒雷达的非接触式生命体征监测系统设计[D].长沙:湖南大学,2017.[8]王帅杰,李钊,张华,等.一种基于连续波生物雷达的人体步态非接触检测系统[J].中国医疗设备,2016,31(12):26-30.[9]陈泉.非接触式生命信号特征提取方法研究[D].南京:南京理工大学,2016.[10]胡冶,李川涛,祁富贵,等.非接触呼吸与心跳监护装置的研制[J].中国医疗器械杂志,2015,39(4):244-248.[11]杨晓丹,杨冰磊,王梓涵,等.非接触式生命体征监测技术临床应用研究进展[J].医学信息,2018,31(18):41-44.[12]黄博强,庞宇,彭良广,等.一种生命体征信号采集装置设计[J].传感器与微系统,2018,37(3):103-105.[13]胡巍,王云峰,赵章琰,等.连续波生物雷达体征检测装置与实验研究[J].中国医疗器械杂志,2014,38(2):102-106.[15]胡巍.基于多普勒雷达的非接触式生命体征检测技术研究[D].合肥:中国科学技术大学,2014.刘旭阳,崔恒荣,刘钊,朱芸桢,刘涛,王煜伟.基于多普勒雷达传感器的人体体征检测[J].传感器与微系统,2020,39(05):137-139.。