人体呼吸非接触测量中IR-UWB雷达关键参数的研究

岳超，祁富贵，梁福来，李川涛，李钊，刘淼，吕昊

第四军医大学 a.学员旅四营十六连；b.生物医学工程学院电子学教研室， 陕西 西安 710032

人体呼吸非接触测量中IR-UWB雷达关键参数的研究

岳超a，祁富贵b，梁福来b，李川涛b，李钊b，刘淼b，吕昊b

第四军医大学 a.学员旅四营十六连；b.生物医学工程学院电子学教研室， 陕西 西安 710032

等效采样间隔是脉冲超宽带（IR-UWB）雷达的一个重要参数，本文从理论和实验两方面首次研究了该参数对IR-UWB雷达非接触呼吸测量性能的影响。结果表明，等效采样间隔应小于人体呼吸引起的体表微动位移的一半，这是IR-UWB雷达非接触测量人体呼吸的前提条件。因此，可通过减小等效采样间隔来提高IR-UWB雷达的呼吸测量性能。此外，IR-UWB雷达的等效采样间隔同时决定了等效采样周期（即回波慢时间周期），降低等效采样周期对IRUWB雷达的呼吸测量性能无显著影响。上述研究结果对非接触生命信号测量中的IR-UWB雷达系统设计具有指导意义。

等效采样间隔；IR-UWB雷达；非接触测量；呼吸

雷达发射的电磁波能穿透各种非金属障碍和遮挡，非接触地测量人体的生命信号，因而在生物医学、灾难救援和公共安全等诸多领域具有潜在的应用价值[1-6]。现阶段，用于这一目的的雷达主要包括2种类型：窄带连续波雷达和超宽带雷达。相对前者而言，超宽带雷达具有良好的距离分辨、抗干扰和近场探测性能[7-8]。此外，采用成熟等效采样技术的冲激脉冲超宽带雷达因结构简单、成本低廉，在人体生命信号非接触测量中应用最广泛[9-11]。

在人体生命信号非接触测量中，呼吸测量是脉冲超宽带（Impulse Radio Ultra-Wideband，IR-UWB）雷达最基本的一项功能。IR-UWB雷达发射的电磁脉冲照射到人体后产生反射，人体呼吸运动会引起体表微动，导致反射回波的延时发生变化，通过检测该变化可实现呼吸测量[12-13]。由于人体体表微动位移幅度非常小，IR-UWB雷达的回波变化非常微弱；再加上需要穿透墙壁、废墟等障碍，所以基于IR-UWB雷达的非接触呼吸测量难度较大。针对这一问题，目前已开展了大量研究[14-21]。但在这些研究中，绝大多数是针对IR-UWB回波的信号处理技术，并提出了信杂噪比（Signal-to-Noise-and-Clutter Ratio，SNCR）提高、背景去除、干扰抑制、呼吸率估计等大量方法[16-18]。然而，IR-UWB雷达的呼吸测量性能首先取决于其硬件系统性能，目前针对这一问题的研究较少[12,15]，尤其缺乏IR-UWB雷达非接触呼吸测量的关键参数研究。前期的研究表明，IRUWB雷达的等效采样间隔与其呼吸检测性能有关[17]，但尚未进行深入研究和实验验证。

本文从理论和实验两个方面系统研究了等效采样间隔这一关键参数，旨在为非接触生命信号测量中的IR-UWB雷达系统设计提供指导。首先，从理论上分析了等效采样间隔与人体体表位移的定量关系，以及等效采样间隔和周期对IR-UWB雷达的非接触呼吸测量性能的影响。然后，通过实验对理论分析结果进行了验证。在实验中，为了避免人体个体差异，采用人体体表微动模拟装置代替志愿者作为目标，并改变IR-UWB雷达的等效采样间隔和周期。最后，对不同等效采样间隔和周期采集到的实验数据进行分组，并采用统计分析对各组间呼吸测量性能的差异进行评估。

1 理论分析

IR-UWB雷达能获取目标距离信息，主要是通过探测接收到的目标回波脉冲和发射脉冲之间的延迟实现的。因此，在IR-UWB雷达的接收端可通过等效采样技术，对不同距离范围内的回波进行采样，所以接收到的IR-UWB回波信号是带有距离延迟（下文简称距离）和采样时间（下文简称时间）信息的二维信号。假设探测范围内有一个静止人体，回波信号可以表示为[13]：

其中，τ和t分别表示距离和时间，通常τ的单位是ns，而t的单位是s，而且τ×电磁波传播速度可以换算成距离；p(t)表示脉冲波形；b表示回波在传播、胸部反射等类似过程中脉冲波形衰减的比例因子；τb(t)表示人体呼吸位移所产生的脉冲延迟，当仅考虑人体的呼吸时，τb(t)可表示为：

τb(t)由两部分组成：一部分是τ0，τ0是一个常数，对应脉冲在雷达与无呼吸静止目标之间传播时的距离延迟；另一部分是(Δb/2)sin(2πfbt)，表示人体呼吸引起的胸部位移而产生的动态延迟。为便于分析，人体呼吸运动被简化为一个正弦时间函数，该正弦函数的周期由呼吸位移Δb以及呼吸频率fb决定。因此r(τ,t)根据(1)、(2)整理后可得：

假设雷达接收机的灵敏度足够高，那么此时回波信号r(τ,t)得到有效接收。然后在距离τ=mδτ和时间t=nTs的离散时刻对回波信号进行采样，其中δτ和Ts分别表示等效采样间隔和等效采样周期，则根据公式(3)，上述过程可转换为：

公式(4)中r[m,n]表示IR-UWB雷达采样得到的离散数据。由于人体呼吸的影响，(Δb/2)sin(2πfbnTs)的值在τ0附近变化，人体呼吸测量正是通过检测这种变化来实现的[13]。根据奈奎斯特采样定理，在离散IR-UWB数据中δτ应该＜|(Δb/2)|sin(2πfbnTs)||，其中|•|表示绝对值，且δτ越小，(Δb/2)|sin(2πfbnTs)|在离散数据中就越能对应更多的距离采样点数，从而必然提高IR-UWB雷达的呼吸测量性能。由于(Δb/2)|sin(2πfbnTs)|的最大值是Δb/2，所以δτ应满足：

另外，为了区分开r[m,n+1]和r[m,n]，当给定δτ时，雷达的采样速度应该足够慢，即Ts应该大于某个数值。反之，当Ts小于该数值时，量化后的离散IR-UWB数据不能反映呼吸运动的变化。因此，减小Ts理论上不能使IR-UWB雷达的性能得到提高。本文中，我们把这个数值定义为有效采样周期（注意与等效采样周期的区别），并且用E(δτ，△b，fb)表示。那么，Ts应满足：

根据上述理论分析，进行了计算机仿真。首先，基于不同的δτ和Ts，根据公式(4)得出IR-UWB雷达的回波数据；然后，使用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）计算得到该数据的功率谱；最后，计算呼吸所在的频率点与所有频率点的功率之比，并以此作为评价IR-UWB雷达性能的定量指标。从仿真结果（图1）可以看出，功率比随着δτ（等效采样间隔）的增大而明显减小，但是当Ts（等效采样周期）变化时，功率比没有显著的变化。

图1 计算机仿真结果

2 实验方案

实验场景，见图2。实验在自由空间进行，目标距离雷达4 m。为了避免人体个体差异，目标采用课题组研制的人体体表微动模拟装置。该装置由信号发生器、扩音器、反射体（铜板，50 cm × 20 cm）组成，信号发生器驱动扩音器，使扩音器上安装的反射体产生周期性缓慢振动来模拟人体呼吸运动时的胸部变化。在实验过程中，反射体的振动位移和频率由信号发生器输出的正弦波形电压和频率决定，该波形峰峰值为1 V、频率为0.3 Hz。

图2 实验场景演示

实验中使用第四军医大学研制的IR-UWB生物雷达系统，主要用于穿墙侦查或者震后救援，工作频率200～400 MHz，系统原理方框图，见图3。该系统由两部分组成，一部分是雷达主机，用于实现脉冲的产生、发射、接收、采样等功能。发射和接收天线是蝶形偶极子天线，发射脉冲是重复频率为128 kHz的双极性脉冲，接收器动态范围80 dB、灵敏度-78 dBm，模数转换为16位。系统的另一部分是计算机，它主要实现参数设定、数据处理和结果输出等功能，与主机通过USB接口连接。

图3 IR-UWB雷达装置

IR-UWB雷达数据回波处理流程，见图4。流程分为3步：① 信噪比提高，通过对雷达数据在距离和时间上进行平均来实现[18]；② 背景杂波去除，采用了线性趋势减法（Linear Trend Subtraction，LTS）[16,18]；③ 自适应增强和低通滤波，使呼吸信号得到增强。经上述处理后的数据出现了明显的呼吸变化，然后根据目标的先验距离信息获取呼吸波形，并利用FFT进行谱分析并计算功率比。在实际应用中，低通滤波后的数据同时可用于识别和定位目标。

图4 IR-UWB雷达数据处理流程图

3 数据采集和分析

数据采集时，通过改变雷达的系统参数得到不同的等效采样间隔和周期，并对不同等效采样间隔和周期采集到的实验数据进行分组。IR-UWB雷达的实验参数，见表1。雷达探测范围设置为16～36 ns，相当于实验场景中的2.4～5.4 m，从而可有效覆盖目标（4 m）。雷达的等效采样间隔和等效采样周期由采样点数和采样速度两个参数控制。例如，当采样点数设置为2048时，等效采样间隔为（36-16）/2048 ns，大约相当于10 ps；同时当采样速度为64 Hz时，等效采样周期是1/64 s。

表1 IR-UWB雷达的实验参数

由表1可知，实验数据分为3组，分别对应δτ=40 ps，Ts=1/64 s，δτ=10 ps，Ts=1/64 s和δτ=10 ps，Ts=1/16 s。其中第一组和第二组的Ts相同，第二组和第三组的δτ相同，通过组间对比可分别得到Ts和δτ对雷达探测性能的影响。对于每种参数组合，均需重复探测人体体表微动模拟装置10次（10个数据/组），并通过计算机采样和处理得到功率比。所有数据处理完毕后，根据独立样本t检验得出各组间功率比的差异，以此为依据评价呼吸探测的差异。在评估过程中，采用双尾t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

4 实验结果

为了直观地表示等效采样间隔和周期对IR-UWB雷达性能的影响，首先从每组数据中各取1个，实验结果见图5。图中左一列，即图(a）、(d）、(g)表示低通滤波之后的IR-UWB雷达数据；中间一列，即图(b)、(e)、(h)表示目标距离点上的呼吸波形；右边一列，即图(c)、(f)、(i)表示波形对应的功率谱。由图5(a)可知，当δτ=40 ps、Ts=1/64 s时，信噪比过低，呼吸变化不明显。但在图5(b)和5(c)中，当δτ从40 ps减少到10 ps时，雷达数据的信噪比得到提高，可以观察到明显的周期性呼吸变化。同时通过观察图5中的功率谱（即图5右边一列）可知，检测到的谱峰均在0.3 Hz处，与人体体表微动模拟装置的输出频率一致。另外，由于人体体表微动模拟装置的非线性特性限制，呼吸波形会在正弦信号的基础上产生轻微的扭曲变形（图5中间一列）。

数据分析结果，见图6。其中A、B和C组分别对应于参数为δτ=40 ps、Ts=1/64 s，δτ=10 ps、Ts=1/64 s和δτ=10 ps、Ts=1/16 s时的统计结果。由图6可知，B组的平均功率比比A组更高（t=-4.183，n=10，P＜0.01），B组和C组的平均功率比没有显著区别（t=-0.029，n=10，P＜0.977）。

5 结论

本文首次从理论和实验两个方面对IR-UWB雷达的等效采样间隔与呼吸测量性能之间的定量关系进行了研究。由理论分析可知，为实现非接触呼吸测量的目的，等效采样间隔应尽可能小，其上限是呼吸引起的胸部位移的一半，并与IR-UWB雷达呼吸测量性能存在反比的关系。同时等效采样间隔加上胸部位移及呼吸比率共同决定了另一个参数——等效采样周期的有效值。因而，单纯依靠减小雷达等效采样周期的手段，并不能提高雷达的呼吸测量性能。因此，等效采样间隔在10 ps时的呼吸测量性能比等效采样间隔在40 ps时更好；而等效采样周期分别在1/64 s和1/16 s时的呼吸测量性能没有明显的区别。

综上所述，等效采样间隔是IR-UWB雷达非接触呼吸测量的关键参数。雷达工作时，应通过设置时窗、采样点数、采样速度等参数使等效采样间隔接近最小值。另一方面，IR-UWB雷达的呼吸测量性能最终取决于其硬件性能指标，即系统中定时电路的时间精度。以本文使用的雷达为例，其时间精确度大约是10 ps，该值能满足呼吸测量的需求；但是如果进行心跳测量，那么在设计IR-UWB雷达时应选择精确度更高的定时电路。理论和实验结果表明：等效采样间隔越小，雷达的探测性能越好；而改变等效采样周期对雷达的探测性能无显著影响。因此，为了提高IRUWB雷达非接触呼吸测量的性能，在IR-UWB雷达的设计过程中等效采样间隔应尽可能小，而等效采样周期由于受到等效采样间隔的限制，设计时减小该参数并不影响IRUWB雷达的非接触呼吸测量性能。

图5 实验结果

图6 基于自变量t检验的呼吸平均功率比对照

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Study on the Key Parameters of Remote Respiration Measurement via IR-UWB Radar

YUE Chaoa, QI Fu-guib, LIANG Fu-laib, LI Chuan-taob, LI Zhaob, LIU Miaob, LV Haob
a. No. 16 Company, the Fourth Battalion, Cadet Brigade; b. Department of Electronics，School of Biomedical Engineering, the Fourth Military Medical University, Xi’an Shaanxi 710032, China

The equivalent-time sampling interval is one of the most important parameters for the impulse-radio ultra-wideband (IR-UWB) radar that concerns the remote measurement of respiration, which was theoretically and experimentally investigated in this paper for the frst time. According to the measurement results, the interval had to be smaller than half of the thorax displacement due to the respiration. Therefore, it should be as small as possible for improving the respiration measurement capability of the IR-UWB radar. The equivalent-time sampling period of IR-UWB radar was also determined by the equivalent-time sampling interval. Reduction of the equivalent-time sampling period had no obvious infuence on the improvement of the respiration measurement capability. The study in this paper presents significance for the design of the IR-UWB radar in the application of remote vital sign measurement.

equivalent-time sampling interval; impulse-radio ultra-wideband radar; remote measurement; respiration

TN957.51

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.008

1674-1633(2016)06-0042-05

2016-02-01

国家自然科学基金青年科学基金项目（61201382）；国家重大科研仪器设备研制专项（61327805）。

吕昊，第四军医大学生物医学工程系电子学教研室，讲师。主要研究方向：雷达式生命探测与生物雷达技术。

通讯作者邮箱：fmmulvhao@fmmu.edu.cn