基于连续波雷达的非接触式生命体征监测系统设计与实现.doc

基于连续波雷达的非接触式生命体征监测系统设计与实现人体的健康状况是由诸多生理参数所反映的,这些参数包含并不局限于身高、体重、血压、心率、呼吸速率、血糖等，对这类参数的精确测量对健康状况的判断有着重要意义.呼吸及心跳信号是各种生理信号中表征较为明显的两类,与心肺功能有着直接联系,而心肺健康对于长期呈坐姿伏案工作的现代人群而言有着更重要的现实意义。由于近年来因突发性心肺病症而导致死亡的例子有所增多,且心肺相关的疾病往往具有突发的特点，因此对高危群体的监测要在精确的基础上做到长期、实时、无扰，进而为及时救治提供可能。对于在作战及救灾指挥室或调度控制室等特定场景下从事高强度工作的人员而言,他们的工作压力处于很高水平,传统的接触式测量方式有着诸多不便，为了尽可能地与此类人群工作环境与工作状态相适应,需要采用非接触式测量方法实现采集。以多普勒雷达为代表的非接触测量手段在生命体征检测中有着无扰、方便等诸多优点,因此该类技术的普及也成为一种趋势，正得到越来越多的应用。近年来,国内外在该领域的工作主要集中在不同雷达频段所对应数据质量的比较,以及基于不同算法的雷达信号处理当中。一些已有的方案有着成本上的优势，但测量精度有限,另外,一些知名厂家以性能为导向，提出的实验性方案融合了较为复杂的算法,并有着独家的配套硬件系统，但现阶段而言价格昂贵,推广存在一定门槛.作为一套完整并能被投入使用的系统而言，系统的可靠性、实用性、成本等指标均需要被严格考量。本文设计了一种基于2４GHｚ连续波多普勒雷达的生物信号探测系统,能够检测到体表位移所表征的呼吸及心跳信号,同时能对环境和设备引入的噪声干扰加以滤除。整套系统包含具有高集成度、低噪声、高抗干扰能力等特点的雷达硬件系统,以及基于电脑端的配套上位机界面。本系统能应用于室内场合,测量工作及静息状态下人体的呼吸和心跳率等关键生理信号,并能够精确得到呼吸速率及心率。本文从系统角度对雷达采集原理、硬件系统、算法处理、整体可靠性及精确性等部分进行了分析与验证。在理论框架下从信号采集的角度分析了由人体胸壁表面位移引起的多普勒相移的变化，使用以快速傅里叶变换（FasｔFｏuriｅrＴransform,ＦFT）为代表的频域分析手段，结合数字滤波器来提取所采集生物信号的频域信息，进而得到呼吸率和心跳速率。理论分析和实验结果表明,本文所提出的非接触式雷达测量系统具有可靠的测量精度,经实际验证,可以对雷达测量范围内距离不同的受试者进行检测,并从接收到的雷达信号中提取出生命体征。在实验环节中，挑选了若干健康被试进行了测量,并将采集的数据与Ｂｉopａc生理仪和呼吸胸带等传统接触式测量方法所采集的对照数据进行了对比,验证了本文所设计系统的准确性与可行性。