基于数字波束形成的多人生命体征检测

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非接触式生命体征检测技术可以在不接触人体的情况下检测人体生命体征,目前已应用到灾难救援、日常健康检测等领域。基于多普勒雷达的生命体征检测具有非接触、穿透性强、精确定位的特点,该技术可以实现生命体心肺活动参数检测、血压检测等,但是仍存在一些难点,例如高精度的心跳检测、体动消除、多人生命体征检测等等。其中,多人生命体征检测是非接触式生命体征检测领域的热点之一。目前,主要技术是模拟端波束合成,但是模拟端波束合成存在抗干扰性能差、灵活度低等缺点。针对这些问题,本文利用数字波束形成技术实现多人生命体征检测,主要工作以及研究内容归纳如下:(1)介绍了CW雷达系统检测生命体征信号的原理。建立了窄带信号模型,介绍了Capon波束形成算法,并讨论了两种经典的稳健波束形成算法,通过仿真结果分析了算法的性能。(2)根据多人生命体征检测的应用需求,确定了系统结构,研究了雷达收发链路多项参数指标,设计了单输入多输出(Single Input Multiple Output,SIMO)雷达系统。SIMO系统包括阵列天线、正交接收机、基带采样等模块,可以检测1~4m范围内的生命体征信号。经测试,单通道接收机可以准确检测出人体呼吸信号,并且幅度相位校正算法可以有效地对各接收通道进行校正。(3)针对多人生命体征检测场景,本文提出两种多人生命体征检测算法:基于空间积分的回波信号导向矢量估计算法和基于角度区域约束的回波信号导向矢量估计算法。基于空间积分的导向矢量估计算法先通过空间积分重构出回波信号协方差矩阵,得出目标信号导向矢量的初步估计值,再通过求解线性约束二次规划问题得出精确的目标信号导向矢量。基于角度区域约束的导向矢量估计算法是通过构建二次约束二次规划问题,该优化问题的解为导向矢量的精确估计值。然后根据各目标信号的导向矢量重构干扰加噪声协方差矩阵,并利用波束形成器得出权向量。仿真实验表明,在多种误差条件下,本文算法与传统算法相比,具有更高的输出信干噪比。(4)本文搭建了SIMO雷达系统检测多人生命体征的实验平台,并针对两人、三人生命体征检测进行实验验证。实验结果表明,本文系统在检测多人生命体征时,测得的呼吸信号的频率与参考信号相比,误差在0.062以内。
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