1212 工程科学学报，第43卷，第9期 (a) 140 6 120 4202 80 60 -4 f -6 20 0 101520253035404550 U 5 5 10 Time/s Frequency/Hz 图6雷达相位信号(a)以及雷达相位信号颜谱(b) Fig.6 Radar phase signal(a)and radar phase frequency spectrum(b) 04 -Reference resiration 0.20 (a) h Radar respiration 0.15 0.10 0.05 0.1 -0.2 -0.05 -0.3 -0.10 Reference resitation -0.4 0.15 respiration 0 60 100 120 5 10 15 30 30 Time/s Time/s 图7雷达和参考传感器的呼吸和心跳信号比较.(a)呼吸信号：(b)心跳信号 Fig.7 Time domain respiration and heartbeat signals from the radar system and reference sensor:(a)respiration signal;(b)heartbeat signal % 100 --Radar BR (b) -Reference BR --Radar BR 90 一Reference BR 20 10 60 50 0 20406080100120140160180 020406080100120140160180 Time/s Time/s 图8雷达和参考信号的呼吸速率及心跳速率.()呼吸速率：(b)心跳速率 Fig.8 Instantaneous BR and HR from the radar system and reference signal:(a)instantaneous BR;(b)instantaneous HR 偏差，但总体变化趋势保持一致，所以本文方法获 受试者距离雷达小于2.5m时，心率及呼吸检测平 得的心率结果也是值得信赖的 均绝对误差率的平均值分别小于5.01%和3.44%： 为进一步评价本文方法的性能，选取10名不 平均绝对误差的平均值分别小于4.39(bpm)和 同受试者(6名男性，4名女性)进行实验.实验对 0.69(bpm).当距离大于2.5m,生理信号检测平均 象没有已知的心脏、呼吸系统或任何其他疾病 绝对错误率及平均绝对误差会明显增加 如前所述，受试者被要求坐在椅子上面对雷达，每 4结论 个受试者在六个距离(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0m) 进行180s的生理信号检测实验.实验过程中受试 本文提出了一种基于小波分析和自相关计算 者进行正常呼吸，测试结果如表2和表3所示，在 的FMCW雷达非接触式生理信号检测方法.该方 距离雷达0.5m,10名受试者呼吸率和心率检测平 法基于小波包分解(Wavelet packet decomposition. 均绝对误差率的平均值分别小于1.65%和1.83%. WPD)从原始信号中分解重构心跳和呼吸信号，利偏差，但总体变化趋势保持一致，所以本文方法获 得的心率结果也是值得信赖的. 为进一步评价本文方法的性能，选取 10 名不 同受试者（6 名男性，4 名女性）进行实验. 实验对 象没有已知的心脏、呼吸系统或任何其他疾病. 如前所述，受试者被要求坐在椅子上面对雷达，每 个受试者在六个距离（0.5, 1.0, 1.5，2.0，2.5 和 3.0 m） 进行 180 s 的生理信号检测实验. 实验过程中受试 者进行正常呼吸，测试结果如表 2 和表 3 所示. 在 距离雷达 0.5 m，10 名受试者呼吸率和心率检测平 均绝对误差率的平均值分别小于 1.65% 和 1.83%. 受试者距离雷达小于 2.5 m 时，心率及呼吸检测平 均绝对误差率的平均值分别小于 5.01% 和 3.44%； 平均绝对误差的平均值分别小 于 4.39（ bpm） 和 0.69 (bpm). 当距离大于 2.5 m，生理信号检测平均 绝对错误率及平均绝对误差会明显增加. 4    结论 本文提出了一种基于小波分析和自相关计算 的 FMCW 雷达非接触式生理信号检测方法. 该方 法基于小波包分解 (Wavelet packet decomposition, WPD) 从原始信号中分解重构心跳和呼吸信号，利 6 4 2 0 −2 −4 −6 −8 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Time/s Displacement/mm fbr fhr 2fbr 2fhr 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 Frequency/Hz Amplitude/mm (a) (b) 图 6    雷达相位信号（a）以及雷达相位信号频谱（b） Fig.6    Radar phase signal (a) and radar phase frequency spectrum (b) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 −0.1 −0.2 −0.3 −0.4 0 20 40 60 80 100 120 Time/s Normalized amplitude Reference resiration Normalized amplitude 0.20 0.15 0.10 0.05 0 −0.05 −0.10 −0.15 0 5 10 15 20 25 30 Time/s Radar respiration (a) (b) Reference resiration Radar respiration 图 7    雷达和参考传感器的呼吸和心跳信号比较. （a）呼吸信号；（b）心跳信号 Fig.7    Time domain respiration and heartbeat signals from the radar system and reference sensor: (a) respiration signal; (b) heartbeat signal 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Time/s Breath rate (bpm) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Time/s Heart rate (bpm) 100 90 80 70 60 50 (a) Radar BR (b) Reference BR Radar BR Reference BR 图 8    雷达和参考信号的呼吸速率及心跳速率. （a）呼吸速率；（b）心跳速率 Fig.8    Instantaneous BR and HR from the radar system and reference signal: (a) instantaneous BR; (b) instantaneous HR · 1212 · 工程科学学报，第 43 卷，第 9 期