基于天線陣列的非接觸式呼吸頻率檢測

晏宇 張麗 鄧又豪 楊森

摘要：隨著科技的發展，呼吸監測的設備也越來越精密，也越來越被廣泛應用于醫療及日常生活方面。臨床上的呼吸、心率檢測有多種方法，如速度式呼吸測量法容積式呼吸測量法觸診式心率測量法心電心音、光電式脈搏心率測量法等.但這些檢測方法主要依靠附著于人體的接觸式傳感器電極等來獲取信息，需要直接或間接地接觸人體，由于其對檢測對象的束縛和條件限制，因而制約了其應用范圍。

關鍵詞：呼吸頻率檢測;微帶天線;毫米波傳感器;多普勒雷達

一、設計背景

本次課程設計的題目是基于微帶天線陣列的呼吸頻率檢測，呼吸頻率檢測儀在我們的生活中應用是十分普遍的，但是加了微帶天線陣列的非接觸呼吸頻率檢測儀具有更好的輻射方向性性，也就具有更大的應用潛力。因為隨著現代科學技術的不斷發展，人們在受益于科技進步所帶來的的便利的同時，生活節奏不斷加快，來自于內心與外部的壞境壓力不斷增大，從而引發了各類相關疾病。而呼吸頻率的變化能反映人體生理狀況的好壞，因此呼吸頻率的監測對于健康監護具有重要意義。目前毫米波雷達技術已開始應用于生物醫學領域，比如人體心跳呼吸頻率檢測。根據毫米波雷達的人體心跳呼吸頻率提取算法研究，證實了可以將毫米波技術落實到具體的設備上，推動其應用與發展。這種基于微帶天線陣列的呼吸頻率檢測儀，不僅可以在家里面使用，隨時檢測家人的呼吸情況;還可以用于醫療方面，檢測患有呼吸疾病患者的呼吸狀況。這種非接觸式的檢測儀就可以避免侵入人體，避免造成不適，可以更廣泛的應用于醫療領域。

二、設計目標

利用微帶天線技術所具有的更好的輻射方向性與VB2xxA系列毫米波人體呼吸傳感器相結合，設計得到非接觸式的呼吸頻率檢測儀。這種檢測儀不僅能多方向接收呼吸波形，還能在大量環境和身體雜波中，提取身體起伏包含的呼吸波形，能檢測人體呼吸頻率和微動點位置。然后基于呼吸波形，對呼吸信號進行特征提取和分析處理，以此來分析睡眠行為和質量、監測呼吸暫停;基于呼吸運動規律，監測人體存在。

三、方案總體設計

本節主要根據所學知識和查找資料，對基于微帶天線陣列的呼吸頻率檢測儀進行整體方案設計，并且給出方案的硬件結構框圖和原理圖，介紹該檢測儀的夠成基礎和具體能實現的原理。

1、方案硬件框圖

2、方案原理圖

采集原理：多普勒雷達發送一個符合該系統的連續波信號，接著雷達接收器接收經過胸腔運動調制的正交回波信號，然后將接收到的回波信號進行濾波、低噪聲放大、混頻以及解調等相關處理，最后借助USB轉串口的方式將接收的回波信號發送到PC端，并且在PC端利用呼吸檢測算法提取呼吸頻率，通過對頻率的分析來判定結果。采集原理：多普勒雷達發送一個符合該系統的連續波信號，接著雷達接收器接收經過胸腔運動調制的正交回波信號，然后將接收到的回波信號進行濾波、低噪聲放大、混頻以及解調等相關處理，最后借助USB轉串口的方式將接收的回波信號發送到PC端，并且在PC端利用呼吸檢測算法提取呼吸頻率，通過對頻率的分析來判定呼吸是否暫停。由于判斷呼吸是否暫停是根據呼吸頻率來判斷的，所以其中就會涉及到呼吸頻率的提取算法。呼吸頻率的提取算法部分主要分為信號校正、信號解調以及呼吸頻率的提取。由于幅值相位不一致及直流分量等原因在信號解調前需要對I、Q兩路進行信號校正。校正后的I、Q信號采用胸腔運動速率解調的方法有效避免相位相纏問題。最后采用加窗傅里葉變化的方法對呼吸頻率進行提取，最終的到所需要的呼吸頻率信息。

3、方案功能

基于此方案構成的非接觸式呼吸暫停檢測儀可以在不接觸人體的情況下來檢測呼吸頻率以及其他與呼吸有關的特征，以此來判定呼吸是否暫停等異常現象。這種非接觸式呼吸暫停檢測儀與傳統的呼吸暫停檢測儀相比較，融合了雷達和微帶天線的技術，可以獲取最好的輻射方向性，可以檢測微弱的呼吸。

結束語：本實驗研究的目的是探索一種在一定距離范圍內、隔一定介質（如衣服紗布等），不接觸人體，即非接觸式檢測心率、呼吸的技術理論和方法。相關研究表明，電磁波照射人體，其反射波中必然加載有人體的生理信息，人體微動與回波幅度相位等之間具有相關性，而人體內部的生理運動會導致人體表面微，本研究試圖檢測出呼吸、心跳所引起的人體表面微動，從而進一步提取呼吸信號。

參考文獻

[1]高冬冬.基于24GHz多普勒雷達的非接觸式呼吸監測系統設計

[2]謬冬玉.基于連續波雷達的呼吸模式分類技術研究

[3]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].西安電子科技大學出版社，2003年

作者簡介：

晏宇（1999-），女，漢，四川省攀枝花市，本科，研究方向：通信方向

張麗（1998-），女，漢，四川省綿陽市，本科，研究方向：通信方向

鄧又豪（1998-）男，漢，四川省綿竹市，本科，研究方向：通信方向

楊森（1999-），女，漢，四川省成都市，本科，研究方向：通信方向