毫米波雷達(dá)心率、呼吸檢測原理

本項(xiàng)目分兩到三篇文章寫完，第一階段借鑒TI開源項(xiàng)目以及根據(jù)自己的見解適當(dāng)更改信號處理鏈通過AWR1843汽車?yán)走_(dá)傳感器和DCA1000采集卡采集數(shù)據(jù)完成人體呼吸和心跳檢測算法的實(shí)現(xiàn)。第二階段將仿真成功的代碼搬移TIAWR1843傳感器并通過串口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)生命體征的實(shí)時處理。本文即為第一階段實(shí)現(xiàn)過程。本文首先概述毫米波雷達(dá)呼吸心跳檢測的原理，緊接著概述本項(xiàng)目信號處理流程，另外本項(xiàng)目第一階段通過matlab仿真驗(yàn)證算法的有效性，仿真源碼在這篇文章結(jié)尾2.毫米波雷達(dá)心率呼吸實(shí)時處理實(shí)例（二）。

1.概述

普通成年人的心跳、呼吸的位移、頻率參數(shù)如下：

基本原理

通過探測由于目標(biāo)微小振動所引起的在特定的Range bin的FMCW信號的相位變化。

式中，Δ ?? 為相位變化， Δ R 為心臟或胸腔引起的位移變化。

2.信號測量

對于單個目標(biāo)，心跳信號可看作一個同時具有頻率和相位的正弦信號b (t)

?為測量小幅度的振動，需要得到目標(biāo)其Range-bin里的相位變化Δ ?b ;

?通過目標(biāo)Range-bin里對b (t)信號做FFT，可得到其目標(biāo)相位；假設(shè)目標(biāo)距離為m ,進(jìn)行FFT變換，提取距離為m 的Range-bin 處的振動信號，假設(shè)我們進(jìn)行了FFT，并且目標(biāo)位于Range-bin 為m處，則可以通過在nTs時間內(nèi)連續(xù)提取Range-bin為 m處的相位來獲取振動信號x(t)，其中n是chirp的索引，Ts是連續(xù)測量的時間。

?3.波形參數(shù)配置

?

每個Chirp進(jìn)行200次ADC采樣，每個Chirp的持續(xù)時間為57μs,IF采樣率為4MHZ；

每幀發(fā)射1個chirp，每幀的周期為50ms；

目前僅使用單發(fā)單收的天線布局；

生命體征波形沿“慢時間軸”采樣，因此生命體征采樣率等于系統(tǒng)的幀率；通過連續(xù)的N幀得到心率、呼吸的相位變化 ；

4.信號處理流程

?上圖中顯示了人體心跳和呼吸頻率檢測的整體流程。主要包括生命體征信號預(yù)處理、信號分離、生命體征檢測3個步驟。對接收的拍頻信號首先通過距離維FFT，確定被測目標(biāo)對應(yīng)的距離范圍（Range-bin）,然后通過反正切函數(shù)計算目標(biāo)對應(yīng)的相位信息，接著通過相位接纏繞得到目標(biāo)的真實(shí)相位，并計算相鄰相位的相位差以及通過滑動均值濾波算法濾除脈沖噪聲，通過IIR帶通濾波器分離呼吸信號和心跳信號，最后通過譜估計提取呼吸頻率和心跳頻率，通過下式轉(zhuǎn)化：

?濾波器設(shè)計表 1

?5.實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計：雷達(dá)設(shè)計0.7-1.2m高度，對準(zhǔn)測試人員胸口大約距離在0.3m-0.9m之間，共觀測100s時間，總共采集2000幀的數(shù)據(jù)。下圖為實(shí)驗(yàn)效果圖。

圖1為經(jīng)過IIR濾波器分離之后的呼吸波形。

?圖2為經(jīng)過IIR濾波器分離之后的心跳波形。

?圖 3是對呼吸信號進(jìn)行FFT的頻譜圖?？吹椒逯堤庮l率為0.214844 Hz,轉(zhuǎn)換為呼吸率為13次/分鐘。處于正常值范圍，由于本人設(shè)備有限，沒有用于專門的呼吸率測量的儀器做參考。

?圖 4是對心跳信號進(jìn)行FFT的頻譜圖?？吹椒逯堤庮l率為0.1.23047 Hz,轉(zhuǎn)換為呼吸率為74次/分鐘。這與我們的智能手環(huán)測量的73次/分鐘相近，足以證明上述算法的有效性。

6.結(jié)束語

這篇文章中我們已經(jīng)將生命體征的算法部分仿真完成，在接下來的文章中將會進(jìn)一步通過串口數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，感興趣的小伙伴可以關(guān)注小編一起學(xué)習(xí)。

?參考資料：

mmwave_automotive_toolbox_2_5_0\labs\lab0001-driver-vital-signs\docs文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-402395.html

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