【摘 要】
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由于近年来由于突发性心肺病症而导致死亡情况逐年增加,为保证人们的生命财产安全需要对特定群体的进行实时生命体征监测,当发生突发情况时能够及时报警和提供救治,呼吸、心跳等生命体征信号的精确测量对健康状况的判断有着重要意义。本文从雷达射频前端系统、信号处理算法、系统性能和可实现性进行研究与分析,通过对回波进行数字信号处理来实现探测呼吸和心跳引起的微小的胸腔运动并提取出高精度的呼吸、心跳频率,基于以上研究
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由于近年来由于突发性心肺病症而导致死亡情况逐年增加,为保证人们的生命财产安全需要对特定群体的进行实时生命体征监测,当发生突发情况时能够及时报警和提供救治,呼吸、心跳等生命体征信号的精确测量对健康状况的判断有着重要意义。本文从雷达射频前端系统、信号处理算法、系统性能和可实现性进行研究与分析,通过对回波进行数字信号处理来实现探测呼吸和心跳引起的微小的胸腔运动并提取出高精度的呼吸、心跳频率,基于以上研究设计了基于FPGA硬件实现的毫米波雷达生命体征监测系统。首先介绍了利用雷达实现的非接触生命体征探测系统的市场价值与应用前景,说明该系统具有重要的研究价值;对呼吸与心跳引起的胸腔运动进行特性分析并进行数学建模,并进一步研究了雷达的信号体制、信号频率、环境杂波等对实现探测生命体征的信号的影响;介绍了基于LFMCW信号实现生命体征探测基本原理,同时利用数学推导验证线性调频雷达具有在距离上分别多目标、探测微弱的生命体征信号的能力。生命体征探测处理系统中的数字信号处理模块是本文主要研究内容,主要包括MTI差分滤波器、距离维FFT选通、频率累积、相位提取与相位解纠缠、FIR滤波器等模块,针对这几个模块的不同类型研究其性能,最后选择最合适的类型,组合这些模块构成生命体征探测系统。为了得到高精度、实时性强的呼吸、心跳频率,分别研究了STFT算法、MUSIC算法、Morlet小波变换实现频率估计的基本原理,对这三种算法在信噪比,信号时间长度等不同条件下进行仿真对比,并与测试数据进行对比验证,最终选用频率估计精度较高,且实时性较好的Morlet小波变换实现频率估计。最后研究了在AWR1642毫米波雷达射频前端和FPGA芯片上实现生命体征信号处理系统和Morlet小波变换的高精度频率估计算法,并分析了FPGA资源使用情况,最终通过时序分析得到利用FPGA计算得到的心跳、呼吸频率误差约为4%,验证了本文设计的系统探测呼吸、心跳频率的准确性和可行性。
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