论文: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
1、雷达种类及特点
用于非接触式测量的雷达种类主要有脉冲雷达和连续波雷达两类;
脉冲雷达根据发射脉冲与接收脉冲的时间差来计算所测量对象的实际距离。
脉冲雷达需要将窄脉冲持续地发出,其优点是探测距离更远,许多军用雷达采用的就是脉冲雷达技术。其收发信号带宽较宽,广泛用于收发超宽带信号(Ultra Wide Band,UWB),有着抗截获能力强的优点,其定位精度能够达到厘米级别。但脉冲雷达需要在发出脉冲和接收脉冲两种状态间以较高的频率往复切换,其结构中需要收发开关,这使得脉冲雷达系统的硬件结构更加复杂。
调频连续波雷达是在连续波雷达的基础上增加了调频功能的雷达类型;
调频连续波雷达的调频方式一般有两种,锯齿波调制和三角波调制。调频的过程使得雷达发射出的正弦波的频率呈线性变化,频率呈线性增长的正弦信号。
在有调频输入时,本振信号会耦合生成一路原相位信号和与之呈 90º相位差的另一路信号,二者会与接收端收到的信号混频,下变频形成 I,Q 两路呈 90º相位差的信号,两路彼此正交的信号能够很好地解决因距离不同而产生的调制零点问题。
2、多普勒雷达接收信号解调
雷达模块中本振源发出的正弦信号会进入功率分配器中,功率分配器将本振信号分为两部分,一路由天线发射出去,另一路信号作为同源信号进入混频器,待雷达接收端收到返回的信号后,首先会经过低噪声放大器(Low NoiseAmplifier,LNA)放大,接收信号随后将其与混频器中的同源信号混频,即可完成信号的解调过程。解调后的雷达信号分为两路,彼此呈 90º相位差。
混频后可以得到一个基带信号B(t),两路IQ基带信号可以描述为如下:
3、基带信号解调方案
在对雷达回波信号的处理过程中,对雷达基带信号的解调是重要一环,它需要消除直流偏置和 IQ 两路信道的失衡,为解决这一问题,需要对接收并导出的 IQ 两路基带信号进行解调处理,解调方式主要有两种,一种是反正切解调,另一种是复杂解调。
反正切解调是将呈 90º相位差的 IQ 两路基带信号进行反正切运算,这样能够直接得到包含胸壁位移 x (t)的线性表达式,由于波长同运动幅值成反比,因此更短的波长能保证更好的灵敏度,这对微小位移的测量是有利的。
复杂解调对两路基带信号的处理方式有所不同,解调过程中分别将两路基带信号B(I)、B(Q)当做一个复信号的实部和虚部,即:
4、FIR滤波器设计
在对一组被试数据进行采集后,借助 MATLAB 软件将上位机保存的数据进行滤波和 FFT 处理,最终得到呼吸及心跳的时域及频域信息,测量得到的被试人员时域波形及频谱。