用于非接触式生命体征检测的雷达技术研究进展_张宁.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202301001January2023Semiconductor Technology Vol48 No11用于非接触式生命体征检测的雷达技术研究进展张宁，李宏军*，于江涛，王胜福，张韶华(中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄050051)摘要:通过生命体征判断人体健康状况是医学中重要的诊断手段。基于雷达传感器实现精确的非接触式生命体征检测，可以弥补传统的接触式医疗设备的缺点，并推动医疗保健系统向更便捷、更精确、更智能化的方向迈进。总结了雷达传感系统在生命体征信号检测应用中的研究进展，详细讨论了与系统相关的硬件架构和信号处理技术的发展。研究发现，发展高精度、高灵敏度及小型化的雷达是目前该领域的研究方向，而获取高精度的呼吸信号和心跳信号意味着要实现更高的工作频率、更严谨的硬件架构和更复杂的信号处理算法。最后，总结并探讨了毫米波雷达传感系统在非接触式生命体征检测应用中面临的挑战及未来的发展方向。关键词:非接触式检测;生命体征检测;传感系统;呼吸信号和心跳信号;毫米波雷达中图分类号:TN95文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01000109esearch Progress of adar Technology for Non-Contact VitalSign DetectionZhang Ning，Li Hongjun*，Yu Jiangtao，Wang Shengfu，Zhang Shaohua(The 13thesearch Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China)Abstract:It is an important diagnostic method in medicine that using vital signs to judge the state of hu-man health Accurate non-contact vital sign detection based on radar sensors can make up for the short-comings of traditional contact medical equipment，and promote the development of healthcare system to-ward a more convenient，accurate and intelligent direction The research progress of radar sensor systemin the application of vital sign detection is summarized The developments of the hardware architectureand signal processing technology related to the system are discussed in detail It is found that the devel-opment of radar with high accuracy，high sensitivity and miniaturization is the research direction in thisfield，and obtaining high-precision respiratory signal and heartbeat signal means the implementation ofhigher operating frequency，more rigorous hardware architecture and more complex signal processing al-gorithm Finally，the challenges faced by the millimeter wave radar sensor system in the application ofnon-contact vital sign detection and the future development direction are summarized and discussedKeywords:non-contact detection;vital sign detection;sensor system;respiratory signal andheartbeat signal;millimeter wave radarEEACC:63200引言医疗人员发现，对患者呼吸率()和心率(H)等生命体征的持续监测有助于在早期识别患者的身体异常，协助分析疾病演变从而进行有效治疗。使用心电图(ECG)检测可以获取准确的心电信号波形，这是一种成熟的接触式检测技术，可以辅助心脏检查，帮助诊断疾病1。但以 ECG 为代表的接触式生命体征检测方法常常受到应用场景的限制，不适用于对皮肤烧伤患者、老人以及婴幼张宁等:用于非接触式生命体征检测的雷达技术研究进展=2半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月儿的检测。而基于雷达的非接触式生命体征信号检测技术则有效克服了接触式检测的局限性，具有广阔的应用前景。随着毫米波雷达、半导体制造和人工智能技术研究的不断深入，雷达传感系统在技术上已经具备了前所未有的灵敏度、集成度以及可靠性，从而在各个领域实现了大量的可能性应用。无线传感应用从这些技术进步中受益匪浅，很多新兴的研究已经基于雷达的技术进步来整合资源，以期实现更加智能和可靠的医疗保健。国内外学者的很多工作都在研究基于雷达传感器的生命体征信号的检测方法。雷达传感系统的单片集成化发展迅速，Y H Liu 等人2 报道了一款用于检测呼吸和心跳信号的雷达芯片，由嵌入式数控振荡器结构产生调频连续波(FMCW)雷达调频信号。所提出的系统在实际应用中的检测精度受环境限制较多，其中人体随机晃动会导致基带部分直流偏置问题。M C Tang 等人3 提出直接在硬件架构方面使用两个相互注入自锁定雷达消除运动伪影，避免了基带部分的处理过程。由于心脏活动对胸腔起伏的影响较小，心跳信号会与呼吸信号的二、三次谐波互调且容易淹没在呼吸信号及其他杂波和噪声中，因此如何才能准确检测恢复心跳信号一直是雷达传感领域的热门研究方向。已发表的论文中针对心跳信号检测提出了不同的数字信号处理方法。胡雨璇等人4 通过一种改进的差分增强方法，处理了呼吸信号谐波与心跳信号的互调问题，提高了系统的鲁棒性。潘海鹏等人5 提出了一种基于自适应变分模态分解的方法，有效抑制了呼吸信号的强干扰。心率变异性也是判断心血管类疾病、预测心脏性猝死和心律失常的非常有价值的指标，心率变异性的测量对实时心率测量提出了更高的要求。在心跳信号提取中，更精确的结果往往通过主成分分析法进行呼吸和心跳信号分离而得到。M Nosrati 等人6 通过建立心率信号的高斯脉冲序列模型，提出了一种改进的自相关和频率相位回归相结合的方法，用于实时高精度检测心率。J Park等人7 提出了一种新的多相基离散余弦变换，可以在短时间内观测心率变异性，实现心率的实时探测。在应用层面，多目标检测发展前景广阔，代霞8 提出了多目标距离跟踪锁定算法，对不同人体目标进行区分，实现了高精度距离检测。基于雷达的生命体征检测系统的发展促进了睡眠监测技术的进步，P Chazal 等人9 研究了成年人睡眠中的不同阶段，系统基于 30 s 内的测量数据可以快速进行睡眠分类，实验结果显示，该系统的准确率为78%，为未来用于检测睡眠的雷达传感器的拓展研究提供了思路。综上所述，实现雷达传感系统的广泛应用是进行非接触式生命体征检测的需要。目前，还需要深入研究雷达传感设备实现的硬件架构及信号处理方法，使之适应复杂的实际应用场景。本文研究总结了目前雷达传感系统应用于生命体征检测的大量研究，着重在技术领域介绍该方向的研究进展，简要介绍了实现该功能的雷达探测原理、技术分类、技术发展挑战及未来发展方向。1雷达传感系统微波传感的基本原理是多普勒频移，在雷达传感中表现为，微波信号经发射机向待检测的运动目标发射，经目标反射后，通过接收机接收回波信号。周期性的呼吸和心跳信息包含在胸壁运动信号中，回波信号由时变的胸壁位移对雷达发射信号进行相位调制产生，包含了呼吸、心跳等生命体征。基本的非接触式生命体征检测系统的雷达架构如图 1 所示，图中:ADC 为模数转换器;DSP 为数字信号处理器;X(t)为接收信号;d 为被测目标与雷达传感器的距离;TX(t)为发射信号。压控振荡器(VCO)产生发射信号，向目标辐射后经周期性的胸部位移运动调制，反射到接收机。接收信号经低噪声放大器(LNA)放大，并与发射信号混频，进行相位解调，然后数字化处理，胸腔周期性位移运动引起的相位变化包含于接收信号相位中，对接收信号应用数字信号处理算法，可以分别确定呼吸率和心率。图 1非接触式生命体征检测系统Fig.1Non-contact vital sign detection system张宁等:用于非接触式生命体征检测的雷达技术研究进展=January2023Semiconductor Technology Vol48 No131.1非接触式生命体征检测雷达拓扑连续波(CW)雷达和超宽带(UWB)雷达是基于雷达的非接触式生命体征探测系统最常用的拓扑结构。CW 雷达发射连续波信号，通过对目标反射信号的相位进行解调获得生命体征信息。CW 雷达根据其工作分为两种模式:未调制连续波模式，传输具有稳定振幅的未调制信号;频率调制连续波模式，在测量期间传输调制频率的信号。而在UWB 雷达中，发射信号由高频短持续时间脉冲组成，在非发射时间分析接收的回波以提取生命体征。每种拓扑结构都有不同的优点和挑战。CW 雷达拓扑简单，它连续发送和接收窄带信号，可以在最大程度上减小传输频谱扩展，减少接收机链路上的滤波器数量并直接进行信号处理。缺点是无法在时间上分离反射信号，会引入直流偏移和接收链路中的低频噪声10。此外，由于缺少信号调制，探测时间信息不包含于接收信号中，CW雷达无法检测目标与雷达之间的距离。在 CW 雷达中，系统对收发隔离的要求很高11。图 212 所示为一款工作在 24 GHz 的高精度、低功耗 CW 雷达，在 5 mW 的功耗下实现了 30 m 的检测精度。图 2低功耗 CW 雷达12 Fig.2Low power CW radar12 FMCW 雷达是 CW 雷达的扩展，是一种频域雷达，它克服了时间信息丢失的问题，从而实现距离探测。FMCW 雷达发射信号的频率与时间呈比例变化，胸腔位移调制发射信号造成时间延迟和频率偏移，形成了反射信号，其中包含了被测目标的相对位置和速度信息。通过频谱分析对接收信号进行距离维快速傅里叶变换(FFT)选通，可探测距离13。然而，FMCW 雷达对采样率的要求较高，其拓扑的实现需要解决收发泄漏、AC-DC 耦合效应以及射频信号的非线性等问题。UWB 雷达可以通过观察脉冲频谱上的多普勒频移，测量发射脉冲与其回波之间的延迟(时间信息)来确定距离。它是一种时域雷达，通过发送脉冲串、单脉冲或具有固定间隔的调制脉冲进行目标检测。发射和接收脉冲之间的双向传播时间决定了目标的相对距离。在非接触式生命体征检测应用中，雷达发射脉冲的时间短，可以使不同区域的响应分离，因此 UWB 雷达具备良好的目标识别能力。但这样的工作模式会导致雷达传感系统在单目标探测中对微弱干扰信号敏感，降低系统的信噪比。在单目标的生理运动检测中，不需要获得目标的距离信息即可完成数据采集。与连续波架构相比，UWB 雷达系统架构复杂却并没有在检测精度上带来明显提升14。为了提高信号分辨率，需要通过缩短脉冲宽度增加带宽。因此，超宽带雷达传感器不适用于有高分辨率要求的应用。不同雷达拓扑结构在微动检测应用中各有所长。其中 CW 雷达可以用