基于天线阵列的非接触式呼吸频率检测

晏宇 张丽 邓又豪 杨森

摘要：随着科技的发展，呼吸监测的设备也越来越精密，也越来越被广泛应用于医疗及日常生活方面。临床上的呼吸、心率检测有多种方法，如速度式呼吸测量法容积式呼吸测量法触诊式心率测量法心电心音、光电式脉搏心率测量法等.但这些检测方法主要依靠附着于人体的接触式传感器电极等来获取信息，需要直接或间接地接触人体，由于其对检测对象的束缚和条件限制，因而制约了其应用范围。

关键词：呼吸频率检测;微带天线;毫米波传感器;多普勒雷达

一、设计背景

本次课程设计的题目是基于微带天线阵列的呼吸频率检测，呼吸频率检测仪在我们的生活中应用是十分普遍的，但是加了微带天线阵列的非接触呼吸频率检测仪具有更好的辐射方向性性，也就具有更大的应用潜力。因为随着现代科学技术的不断发展，人们在受益于科技进步所带来的的便利的同时，生活节奏不断加快，来自于内心与外部的坏境压力不断增大，从而引发了各类相关疾病。而呼吸频率的变化能反映人体生理状况的好坏，因此呼吸频率的监测对于健康监护具有重要意义。目前毫米波雷达技术已开始应用于生物医学领域，比如人体心跳呼吸频率检测。根据毫米波雷达的人体心跳呼吸频率提取算法研究，证实了可以将毫米波技术落实到具体的设备上，推动其应用与发展。这种基于微带天线阵列的呼吸频率检测仪，不仅可以在家里面使用，随时检测家人的呼吸情况;还可以用于医疗方面，检测患有呼吸疾病患者的呼吸状况。这种非接触式的检测仪就可以避免侵入人体，避免造成不适，可以更广泛的应用于医疗领域。

二、设计目标

利用微带天线技术所具有的更好的辐射方向性与VB2xxA系列毫米波人体呼吸传感器相结合，设计得到非接触式的呼吸频率检测仪。这种检测仪不仅能多方向接收呼吸波形，还能在大量环境和身体杂波中，提取身体起伏包含的呼吸波形，能检测人体呼吸频率和微动点位置。然后基于呼吸波形，对呼吸信号进行特征提取和分析处理，以此来分析睡眠行为和质量、监测呼吸暂停;基于呼吸运动规律，监测人体存在。

三、方案总体设计

本节主要根据所学知识和查找资料，对基于微带天线阵列的呼吸频率检测仪进行整体方案设计，并且给出方案的硬件结构框图和原理图，介绍该检测仪的够成基础和具体能实现的原理。

1、方案硬件框图

2、方案原理图

采集原理：多普勒雷达发送一个符合该系统的连续波信号，接着雷达接收器接收经过胸腔运动调制的正交回波信号，然后将接收到的回波信号进行滤波、低噪声放大、混频以及解调等相关处理，最后借助USB转串口的方式将接收的回波信号发送到PC端，并且在PC端利用呼吸检测算法提取呼吸频率，通过对频率的分析来判定结果。采集原理：多普勒雷达发送一个符合该系统的连续波信号，接着雷达接收器接收经过胸腔运动调制的正交回波信号，然后将接收到的回波信号进行滤波、低噪声放大、混频以及解调等相关处理，最后借助USB转串口的方式将接收的回波信号发送到PC端，并且在PC端利用呼吸检测算法提取呼吸频率，通过对频率的分析来判定呼吸是否暂停。由于判断呼吸是否暂停是根据呼吸频率来判断的，所以其中就会涉及到呼吸频率的提取算法。呼吸频率的提取算法部分主要分为信号校正、信号解调以及呼吸频率的提取。由于幅值相位不一致及直流分量等原因在信号解调前需要对I、Q两路进行信号校正。校正后的I、Q信号采用胸腔运动速率解调的方法有效避免相位相缠问题。最后采用加窗傅里叶变化的方法对呼吸频率进行提取，最终的到所需要的呼吸频率信息。

3、方案功能

基于此方案构成的非接触式呼吸暂停检测仪可以在不接触人体的情况下来检测呼吸频率以及其他与呼吸有关的特征，以此来判定呼吸是否暂停等异常现象。这种非接触式呼吸暂停检测仪与传统的呼吸暂停检测仪相比较，融合了雷达和微带天线的技术，可以获取最好的辐射方向性，可以检测微弱的呼吸。

结束语：本实验研究的目的是探索一种在一定距离范围内、隔一定介质（如衣服纱布等），不接触人体，即非接触式检测心率、呼吸的技术理论和方法。相关研究表明，电磁波照射人体，其反射波中必然加载有人体的生理信息，人体微动与回波幅度相位等之间具有相关性，而人体内部的生理运动会导致人体表面微，本研究试图检测出呼吸、心跳所引起的人体表面微动，从而进一步提取呼吸信号。

参考文献

[1]高冬冬.基于24GHz多普勒雷达的非接触式呼吸监测系统设计

[2]谬冬玉.基于连续波雷达的呼吸模式分类技术研究

[3]丁鹭飞，耿富录.雷达原理[M].西安电子科技大学出版社，2003年

作者简介：

晏宇（1999-），女，汉，四川省攀枝花市，本科，研究方向：通信方向

张丽（1998-），女，汉，四川省绵阳市，本科，研究方向：通信方向

邓又豪（1998-）男，汉，四川省绵竹市，本科，研究方向：通信方向

楊森（1999-），女，汉，四川省成都市，本科，研究方向：通信方向