當(dāng)前毫米波雷達(dá)射頻前端主要為平面集成電路，有混合微波集成電路（HMIC）和單片微波集成電路（MMIC）兩種形式。其中，MMIC形式的射頻前端成本低，成品率高，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。在生產(chǎn)工藝上，一般采用的是外延MESFET、HEMT和HBT等器件工藝。其中，GaAs基的HEMT工藝最為成熟，具有優(yōu)秀的噪聲性能。

目前生命體征的測量主要分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測量主要是利用傳感器或生物電極提取生理信息，然后通過轉(zhuǎn)換裝置，得到能夠表征人體生理活動的電信號或機械信號。但這種方法的缺點是必須與人體直接接觸，僅適用于短期連續(xù)監(jiān)測，并且在傳染病人、燒傷病人，新生兒等生命體征這種特殊場合難以實施。因此，在實際臨床應(yīng)用中，非常有必要尋找一種非接觸式生命體征監(jiān)測方法，以在特殊場合獲取患者的生命體征信息。非接觸式監(jiān)測不需要任何傳感器與人體接觸，這就使得持續(xù)測量患者的體征成為可能，也為分析人體健康狀況、做大數(shù)據(jù)分析、提前預(yù)知各種系統(tǒng)是否發(fā)生病變提供了幫助。

1，人體生命體征建模

心跳和呼吸頻率是人體心肺功能的重要指標(biāo)，對于一般人體，每分鐘心跳約60～100次，呼吸約15～30次。在突發(fā)疾病或劇烈運動的情況下，心跳次數(shù)可能會達(dá)到每分鐘120次，呼吸頻率會增加到每分鐘60次。在許多醫(yī)學(xué)影像中可以觀察到人體心臟的跳動過程。這種運動模式類似于振動的伸縮，伸縮范圍在0.01~0.2mm左右。并且人的心跳速率在穩(wěn)定范圍內(nèi)周期性變化，因此心跳可以近似為正弦振動模型。呼吸由胸腔的擴張和收縮完成，類似于正弦振動，也可以近似為正弦振動模型，起伏幅度約為0.1~0.5mm。由于心跳和呼吸頻率不同，可以認(rèn)為兩者之間存在相位延遲。假設(shè)人體相對于雷達(dá)處于靜止?fàn)顟B(tài)，基于上述分析可以建立如下模型。

其中，R0為雷達(dá)與人體的距離，第二項為呼吸部分，第三項為心跳，Ah和Ab分別為心跳和呼吸的振幅，fh和fb分別是心跳和呼吸的頻率值，θ 是心跳的初始相位。

2、基于雷達(dá)的生命體征檢測原理

2.1 線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW）工作原理

線性調(diào)頻信號通過利用非線性相位調(diào)制技術(shù)獲得大的時寬帶寬積，提高了雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)檢測能力、測量精度和分辨能力，因而得到了廣泛的應(yīng)用。這種雷達(dá)在發(fā)射周期內(nèi)發(fā)射頻率隨時間線性變化的信號，通過測量接收信號與發(fā)射信號的相對頻率關(guān)系來測量目標(biāo)信息。

雷達(dá)發(fā)射信號、回波信號和差拍信號的瞬時頻率如圖2-1所示。則掃頻段在第m個信號重復(fù)周期內(nèi)，發(fā)射信號可表示為：

 其中T為發(fā)射調(diào)頻信號的時間間隔，f0為雷達(dá)載波頻率，φ0為發(fā)射信號的初始相位。

μ=B/T（B為調(diào)頻帶寬）為調(diào)頻斜率。那么距離為R(t)的點目標(biāo)產(chǎn)生的回波延遲為τ(t)，其回波信號可表示為：

 Kr 是目標(biāo)反射系數(shù)。

回波信號經(jīng)過混頻（發(fā)射-接收）相干解調(diào)后，回波差拍信號可表示為：

2.2 毫米波雷達(dá)提取心跳和呼吸

將雷達(dá)直接正對人體，距離 R0 放置。心臟和胸腔散射中心對雷達(dá)回波的調(diào)制包含在雷達(dá)回波差拍信號中。只需通過分析差拍信息，就能提取出人體的生命體征信號。心臟和呼吸的幅度都是毫米，然而R0一般大于0.5m，所以在慢時間維度上，近似認(rèn)為R(t)為常數(shù)R(mT)，對φb關(guān)于慢時間 t 的導(dǎo)數(shù)可以得到信號參數(shù)如下：

容易知道，多個發(fā)射周期的初始相位信息表達(dá)式為：

其中，N為發(fā)射的線性調(diào)頻信號的周期數(shù)。提取快時間維的初始相位信息，就可以得到人體的心肺信號。由于相位序列的范圍被限制[-π, π]，可知的φb(m)會因卷繞而發(fā)生相位突變，突變的相位比未卷繞序列的對應(yīng)相位增加±2π，造成相位方差的增加，導(dǎo)致信號解算結(jié)果不正確。因此，需要適當(dāng)?shù)匾苿应誦(m)并進(jìn)行解卷繞操作。從公式2.4可以看出，兩個快時維的相位變化為：Δφ=4π/λ(ΔR)，本方案中λ=8.6mm，-1mm＜ΔR＜1mm，則-π/2＜Δφ ＜π/2。因此，需要展開相位變化不滿足Δφ的相位點進(jìn)行解卷繞操作。

2.4 實時生命體征信息檢測

需要分離心肺信號。生物雷達(dá)信號處理方法不同于常用的心電圖和脈搏波信號檢測方法。它檢測心跳和呼吸的復(fù)合信號。呼吸運動在幅度上比心跳強烈得多，使得心跳運動難以分離和提取。此外，呼吸和心跳引起的微動在體表空間重疊。由于雷達(dá)系統(tǒng)函數(shù)的非線性，容易發(fā)生頻域互調(diào)。此外，雷達(dá)信號的波形表現(xiàn)為一個較弱的心跳信號疊加在較大的呼吸信號上。對于心跳信號而言，呼吸信號是一種強基線漂移干擾，這使得時域上的尋峰或過零檢測等常規(guī)心率測量方法難以應(yīng)用于雷達(dá)解調(diào)信號處理。

將呼吸和心跳信號分離后，分別進(jìn)行頻率計算。對于心跳數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行移動損毀判斷，如果波的能量超過設(shè)定的閾值，數(shù)據(jù)將被丟棄，以避免過度運動所帶的能量影響最終計算的準(zhǔn)確性。然后分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行基于FFT、自相關(guān)和峰值區(qū)間的頻譜估計，并分別計算其置信參數(shù)，然后根據(jù)置信參數(shù)判斷最終值。

在基于FFT計算心率的過程中，需要對呼吸產(chǎn)生的一次諧波進(jìn)行檢測和濾除，并對結(jié)果進(jìn)行中值濾波。對于呼吸數(shù)據(jù)，只進(jìn)行基于FFT和峰值區(qū)間的頻譜估計，然后也根據(jù)計算出的置信參數(shù)判斷最終值。

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