厚德求真砺学笃行 历要毛子代找大学 XIDIAN UNIVERSITY 毫米波雷达综合实验 第7讲生命体征检测实验
目录TENTS 历毛子佛技七 01 生命体征检测实验介绍 生命体征检测实验 厚德求真面学笃行 2 XIDIAN UNIVERSITY
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生命体征检测实验介绍 01实验目的 02实验原理
01 实验目的 02 实验原理 3 3
01实验目的 ◆不同生命体征检测方法对比 ◆接触式传感器 ◆非接触式传感器 ·需要电极或传感器，人体受到一定 ·可达到<1mm的检测精度 的约束或限制 ·小尺寸，安装简单 ·对于婴幼儿或烧伤受害者难以适用 ·低功耗，可长期进行检测 厚德求真砺学笃行 XIDIAN UNIVERSITY
一 01 实验目的 4 ◆ 不同生命体征检测方法对比 • 需要电极或传感器，人体受到一定 的约束或限制 • 对于婴幼儿或烧伤受害者难以适用 ◆ 接触式传感器 • 可达到<1mm的检测精度 • 小尺寸，安装简单 • 低功耗，可长期进行检测 ◆ 非接触式传感器
02实验原理 发射信号表达式为： s()=Aep[j2π(ft+5t2】 (其中，f。表示雷达载频，“为调频斜率。) f个TX线 接收信号可以表示为： r()=A.explj2r(f.(I)+)] 对于静止目标来说，其中t为回波的瞬时延时：7=2迟 经过混频、滤波以后的表达式为：Q(t)=s(t)×r(t)=Axp[U2π(ft+Φ)] 初相 其中=r=4。，0-2张 2R 。对上式进行距离维FT:QU)=smcU-fe红R) 混频器输出端的差频信号的初始相位是两个输入的初始相位的差值，如果 物体移动少量距离使得往返延迟改变，差频信号相应地也会改变。 当物体移动距离为△d时，对应的相位从C点移至F点，由Q(f)表达式可 得此时相位的变化为： 4πAd △Φ= 厚求真砺学笃行 XIDIAN UNIVERSITY
𝜇𝜏 𝜇𝜏 一 02 实验原理 5 cf ' 4 ( ) sinc ( ) [ ( )] Q f f f exp j R R − 发射信号表达式为： 1 2 ( ) [ 2 ( )] 2 e c s t A exp j f t t = + （其中， 表示雷达载频， 为调频斜率。） 接收信号可以表示为： 1 2 ( ) [ 2 ( ( ) ( ) )] 2 r c r t A exp j f t t = − + − 2R c 其中 为回波的瞬时延时： = 经过混频、滤波以后的表达式为： * ( ) ( ) ( ) [ 2 ( )] Q t s t r t Aexp j f t R = = + 2 R R f c 其中 = = ， 。对上式进行距离维FFT： 2 c R f = t A t A t A 发射脉冲 接收脉冲 差频信号 A B C D E F 混频器输出端的差频信号的初始相位是两个输入的初始相位的差值，如果 物体移动少量距离使得往返延迟改变，差频信号相应地也会改变。 当物体移动距离为 时，对应的相位从C点移至F点，由 表达式可 得此时相位的变化为： 初相 d 4 d = ' Q f ( ) 对于静止目标来说
02实验原理 历业子代技大碧 示例： 假设一个线性调频连续波的调频斜率为50MHZ1s,持续时间为40微秒。如果此雷达前面的物体改 变其位置1毫米，则相位的变化△Φ=4△d/1约为180°，而差频信号的频率的变化fR=2△d1c 为333Hz,因为在线性调频连续波重复周期内的观察窗口等于40微秒，333Hz对应的时长相当于仅 0.013个周期。因此，这种变化在频谱中是不可辨别的。所以，差频信号的相位对物体范围的微小变 化非常敏感，但频率不是这样，它对这种微小的变化非常不敏感。 厚德求真砺学笃行 6 XIDIAN UNIVERSITY
一 02 实验原理 6 示例： 假设一个线性调频连续波的调频斜率为 ，持续时间为40微秒。如果此雷达前面的物体改 变其位置1毫米，则相位的变化 约为180°，而差频信号的频率的变化 为333 Hz，因为在线性调频连续波重复周期内的观察窗口等于40微秒，333Hz对应的时长相当于仅 0.013个周期。因此，这种变化在频谱中是不可辨别的。所以，差频信号的相位对物体范围的微小变 化非常敏感，但频率不是这样，它对这种微小的变化非常不敏感。 50MHZ/μs = 4 / d 2 / R f d c =
02实验原理 历些秤代技光碧 体征 幅度 频率 呼吸心跳参考模型： 呼吸 1-12mm 0.1-0.5Hz 6-30次/分钟 x(T)=A,sin(2πfT)+A2sin(2πf2T) 心跳 0.1-0.5mm 0.8-3Hz 48-180次/分钟 呼吸模型 心跳模型 陶腺握幅 呼吸心跳混合 X:1172 4.5 ￥4.993 4 3.5 2.5 1.5 X:10B.4 Y:0.5746 0.5 ■ 10 15 2日 60 80100 12014016010 时同(s 每分钟次数 呼吸心跳幅度变化为mm级，通过差频信号的频率求解不能有效分辨，而通 过对差频信号相位的求解可以准确分辨。 厚糖求真砺学笃行 7 XIDIAN UNIVERSITY
一 02 实验原理 7 体征 幅度 频率 呼吸 1-12mm 0.1 −0.5Hz 心跳 0.1-0.5mm 0.8 −3Hz ( ) 1 1 2 2 x A sin f T A sin f T T = + ( ) 2 2 ( ) 呼吸心跳参考模型： 呼吸模型 心跳模型 呼吸心跳幅度变化为mm级，通过差频信号的频率求解不能有效分辨，而通 过对差频信号相位的求解可以准确分辨。 6 −30次/分钟 48 −180次/分钟
02实验原理 面账毛子代技大碧 对于静止的人体目标来说，距离维FFT后的差频信号包含呼吸心跳的相位信息： Q)=smcU-)epU经(R]其中，R包含人体呼吸心跳信息，表达式为：R=R+T,T为帧时长 呼吸心跳波形变化与呼吸心跳的相位关系为：△x(T)= 2(Φ(T)-Φ(0) 第1帧 第K帧 4π 人体目标的距离单元是在一帧内的Chip中获取取的，而呼 吸心跳信息是从多帧间的相位获取得到。 Chirpl ChirpM Chirpl ChirpM t 呼吸心跳混合波形提取示意图： 离单元 提取相位 时间 厚德求真面学笃行 XIDIAN UNIVERSITY
02 实验原理 提取相位 距 离 单 元 时间 一 8 ' 4 ( ) sin ( )exp[ ] Q f c f f j R R − （ ） 对于静止的人体目标来说，距离维FFT后的差频信号包含呼吸心跳的相位信息： ( ( )- (0)) ( ) 4 T x T 呼吸心跳波形变化与呼吸心跳的相位关系为： = 呼吸心跳混合波形提取示意图： 其中， R 包含人体呼吸心跳信息，表达式为： R R x T = +0 ( ) ， T 为帧时长 人体目标的距离单元是在一帧内的Chirp中获取取的，而呼 吸心跳信息是从多帧间的相位获取得到。 Chirp1 ChirpM t f 1帧 K帧 ... ... ... Chirp1 ChirpM t f 1帧 K帧 ... ... ... 第 第
02实验原理 呼吸、心跳相位函数：Φ(T)= 4π(x(T)+R) On+1 信号处理平台的求解 相位函数： D(T)∈[-π，π] Φ(n+1)-Φ(n)>π Φ(n+1)-2π Φ(n+1)-Φ(n)<-π→Φ(n+1)+2π 相邻两个采样点之间的angle函数输出相位差的绝对值超过π会 导致相位卷绕，解卷绕的限定条件为实际相位差不超过π，因 此需要限定呼吸心跳信号的采样率： x(t)=aosin(2πfbt)+a1sin(4πfbt)+a2sin(8πfbt)+bosin(2πfht)+.. |x(n+1)-x(n)引<π→超过50Hz的采样率 厚德 求真砺学笃行 9 XIDIAN UNIVERSITY
02 实验原理 |𝑥(𝑛 + 1) − 𝑥(𝑛)| < 𝜋 超过50Hz的采样率 𝑥(𝑡) = 𝑎0sin(2𝜋𝑓𝑏𝑡) + 𝑎1sin(4𝜋𝑓𝑏𝑡) + 𝑎2sin(8𝜋𝑓𝑏𝑡) + 𝑏0sin(2𝜋𝑓ℎ𝑡)+. . . 信号处理平台的求解 相位函数： 呼吸、心跳相位函数： 相邻两个采样点之间的angle函数输出相位差的绝对值超过𝜋会 导致相位卷绕，解卷绕的限定条件为实际相位差不超过𝜋，因 此需要限定呼吸心跳信号的采样率： 一 9 ( ) ( ) 0 4 (x T R ) T + = (T ) − , + − (n n 1) ( ) + (n 1 2 )- + − (n n 1) ( ) − + (n 1 2 ) +
02实验原理 面账毛子代技大学 信号参数 c=3e8 ◆仿真模型的相位解卷绕 f0-77e9 %中心须率或满起指频室 landa c/f0. %玻长 B=3.5e9: 解信号带宽 fs-5.12e6 Is-1/fs: %(对差频信号采样】 未解卷绕目标所在距离单元相位 解卷烧目标所在距离单元相位 Ir=50e-6 25 nIr round(Tr*fs): 韩采样点数 m B/Ir: 场调须料率 R=0,7704 目标初始距离 pulse-1: 积果周朗个数 SNR-16: %住暖比 SNR_coef=sqrt (10 (SNR/10)): t-(0:1s:1r-Is） j=g0rt(-1): taor0-2*.'1c: %目标静止时时延 franenun-2049 帕整 10 =0: 15 sr-zeros (nTr.pulse.franenun): prt-10e-3: 排时间周期 500 1000 1500 2000 2500 20 1000 1500 2000 250 ts=0:prt:(framenun-1)*prt: 采样点 deta-5e-3*s1n(2*p1*0.2*ts)+0,6e-3*s1n(2*p1*1,8*ts) 未对信号进行解卷绕，输出结果在士π之间，不能反映信号的真实信 息，对信号进行解卷绕之后可以得到信号的真实波形。 厚德求真面学笃行 0 XIDIAN UNIVERSITY
一 02 实验原理 10 ◆ 仿真模型的相位解卷绕 未对信号进行解卷绕，输出结果在 之间，不能反映信号的真实信 息，对信号进行解卷绕之后可以得到信号的真实波形。