非接触式人体生命体征微波探测仪设计.doc

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Abstract

非接触式人体生命体征微波探测仪设计

摘要

本项目探讨运用微波探测的方法，在一些特殊情况下无法通过直接接触人体进行人体生命体征探测时，进行非接触式人体生命体征的探测，例如无法接触式心率监控的严重烧伤病人，地震灾害时瓦砾下掩埋的生还者等的生命探测等。

主要运用微波雷达，对人体的生命体征进行探测，从人体的心跳和呼吸两个方面，建立这两个人体生命的主要体征与微波雷达信号之间的科学联系；运用《信号与系统》与《数字信号处理》中的相关知识和方法，进行微波雷达信号的频谱变换，从信号的频率、幅度、脉冲特征等方面建立人体生命体征的微波雷达信号模型；进行人体衣物、瓦砾、墙壁等掩盖物的微波雷达衰减测试，进而为严重表皮烧伤的人体、瓦砾掩埋下的人体等无法接触人体的真实情况下的非接触探测，提供测试方法和数据的支持。

关键词：

非接触；生命体征；微波雷达；生命探测

Non-contacthumanvitalsignsmicrowavedetectordesign

ABSTRACT

Thisprojectexplorestheuseofmicrowavedetectionmethod,Insomespecialcasessignsofhumanlifecannotbedetectedbydirectcontactwithhuman,non-contactdetectionofhumanvitalsigns,Suchassevereburnscannotcontactheartratemonitoringpatientsburiedunderrubblewhentheearthquakesurvivorsandotherlifedetectionandsoon.

Themainuseofmicrowaveradar,thebody'svitalsignstodetect,Fromthehumanheartbeatandbreathingaretwoaspectstoestablishascientificlinkthetwomainsignsofhumanlifeandmicrowaveradarsignal;Theuseof"SignalsandSystems"and"DigitalSignalProcessing"intherelevantknowledgeandmethodsforspectraltransformmicrowaveradarsignals,Establishmentofhumanvitalsignsfromthefrequency,amplitude,pulsecharacteristicsandotheraspectsofmicrowaveradarsignalmodel;conducthumanclothing,rubble,wallsandotherobjectsconcealedmicrowaveradarattenuationtest,andthensevereskinburnsbody,buriedundertherubbleofthehumanbodyandothernon-contactprobecannotreachthetruthofthehumanbodyunderthesupporttestmethodsanddata.

Keywords：

Non-contact；VitalSigns；Microwaveradar；Lifedetection

目录

目录

第1章绪论 1

1.1课题来源及背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内研究进展 1

1.2.2国外研究进展 2

1.3选题意义 2

1.4本文内容安排 2

1.4.1人体生命体征的雷达信号表征研究 2

1.4.2用于生命探测的微波雷达技术研究 3

1.4.3非接触式微波生命探测实验研究 3

1.4.4实验步骤 4

2.1微波原理 5

2.2雷达的工作原理 5

2.3雷达相关技术发展 5

2.3.1雷达系统与技术发展的特点 5

2.3.2雷达系统与技术发展的展望 6

第3章物质的微波穿透实验研究 8

3.1微波的特性 8

3.2微波应用 9

3.3穿透性 10

3.3.1穿透性相关实验 10

3.3.2关于dBm的简介 16

3.3.3计算方法 16

3.3.4实验数据的比较 17

3.4本章小结 17

第4章系统集成 18

4.1微波雷达前端 19

4.2关于HB100微波模块简介 19

4.3多普勒效应简介 20

4.3.1多普勒效应原理 22

4.3.2多普勒效应的分类与应用 22

4.4系统集成完成组装 23

第5章实验的研究 24

5.1实验研究平台设计 24

5.2示波器的介绍 25

5.2.1示波器概念 25

5.2.2示波器的分类 25

5.2.3示波器工作原理 25

5.3试验中实物演示 25

结论 30

致谢 32

参考文献 33

III

第1章绪论

1.1课题来源及背景

我国幅员辽阔，同时也是自然灾害多发的国家之一。

地震、泥石流等一直影响着人们的生命以及财产安全等问题。

灾情发生后人们结合了很多种搜救方式，并且将其和现代科技结合起来，这样能有效并且准确的对遇难的的人进行定位和搜救。

其中非接触式雷达生命体征探测技术集合了多普勒频移等相关原理，在不于人体接触的状况下，利用雷达波探测未知区域是否存在生命体。

但是显示生命的信号存在噪声强、信号弱、随机性强和频率范围低等问题，这样一来提取微弱的生命信号在生命探测技术中就显得十分重要了。

雷达生命探测系统运用的是非接触检测技术，通过对电子、雷达和计算机技术的综合运用，将人体生命参数从携带有微弱人体生命体征（呼吸、心跳、体动信号等）的雷达回波信号中检测出来，这样才能进行人体呼吸、心跳、体动等生命体征的非接触式探测。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究进展

目前我国已经成功地研制出了雷达式非接触生命探测仪，它是由中国第四军医大学的研究人员们历经5年的时间，在不断的艰苦攻关下才得以完成。

这一成果已经通过了由总后卫生部组织的专家鉴定。

由俞梦孙院士和7名有关专家组成的鉴定委员会一致认为：

该仪器的主要性能指标达到了国际同类仪器水平，将我国和我军的卫生装备上面的空白进行了填补，这同时标志着我国拥有了自主知识产权的雷达式非接触生命探测技术。

生命探测技术是近代发展的一项新技术，主要用于战场上伤员的查找以及探测废墟中是否有存活者。

传统的方法则是运用声波来探测生命，但需要设置多个接触式传感器。

雷达是探测近年来越来越受到人们的重视，因为他不需要设置与人体相接触的辅助器材，即可探测是否存在生命。

98年的时候，第四军医大学生物医学工程系王健琪教授开始就该课题率领研究小组进行攻关。

历经5年的长久时间的努力，终于研制出我国自己的雷达生命探测仪。

这种仪器融合了雷达与生物医学工程的相关技术，通过雷达发射微波，接收反射波后检测出是否存在人体生命活动引起的微动，并且用特有的生物医学信号处理技术提取出人的呼吸、心脏跳懂以及体动等生命体征的信息，从而探测到人。

雷达式“生命探测仪”探测距离可达30～50米，而且能够穿透厚度达到2.5米的实体砖墙厚度，可隔着几间房探测到人，还能自动识别人体，其主要性能指标达到国际同类水平，有些性能指标甚至优于国外同类产品。

有关专家介绍，雷达式“生命探测仪”在我国首次解决了对生命信息的探测问题，它可以探测到废墟、瓦砾、建筑物中掩埋或隐藏的人员，它拥有着相当明显的军事应用价值，还被广泛的应用于反恐斗争、灾难救护、传染病人监护等领域。

1.2.2国外研究进展

微波生物雷达特指探测生命体的雷达，生物雷达技术检测人体生命信号的研究组织主要集中在美国、俄罗斯、日本、意大利等发达的国家。

1994年，Yamaguchi等一些专家用L频段的调频线性连续波信号，探测研究了埋藏在雪地中的生命体，并且还分别采用S、X、Ka波段的微波，运用了雷达双通道微波鉴相等技术，采用滤波与FFT技术进行信号提取，使得生命体是否存在的探测问题得到解决。

美国密歇根州立大学研究小组在Chen等专家的领导下采用L和S波段的两种不同频率的雷达连续波天线同时检测，取得的结果比较好。

日本方面，从事的是小于50cm的距离的研究，透过不同的衣服、被褥等不同材料对股动脉、颈动脉、心率和指尖处的脉搏进行探测研究，它采用连续波探测信号，运用最小二乘估计方法和两路正交微波检波技术，但是探测的距离比较近。

美国方面利用的则是雷达生命体征信号检测技术，并且还研制出了手电筒式雷达，能够探测到房门、墙壁、树丛后的人。

1.3选题意义

本课题旨在利用价格低廉、通用于智能交通、自动门等领域的微波频率雷达，对衣物、瓦砾或墙壁等掩盖物下的生命体进行探测方法与技术的研究，不仅进行人体生命体征与微波雷达信号间的科学联系，而且进行信号检测电路的设计与制作，系统的集成，并最终进行原理性的样机测试与实验研究。

从而能够在一些特殊情况下，进行非接触式人体生命体征的探测。

无法接触式心率监控的严重烧伤病人，地震灾害时瓦砾下掩埋的生还者等的生命探测等。

1.4本文内容安排

1.4.1人体生命体征的雷达信号表征研究

主要运用微波雷达，对人体的生命体征进行探测，从人体的心跳和呼吸两个方面，建立这两个人体生命的主要体征与微波雷达信号之间的科学联系；运用《信号与系统》与《数字信号处理》中的相关知识和方法，进行微波雷达信号的频谱变换，从信号的频率、幅度、脉冲特征等方面建立人体生命体征的微波雷达信号模型；进行人体衣物、瓦砾、墙壁等掩盖物的微波雷达衰减测试，进而为严重表皮烧伤的人体、瓦砾掩埋下的人体等无法接触人体的真实情况下的非接触探测，提供测试方法和数据的支持。

图1地震区工作的生命探测雷达

1.4.2用于生命探测的微波雷达技术研究

图2微波雷达原理框图

如图2所示，进行微波雷达技术的研究，微波雷达工作于10GHz频率，压控振荡器（VCO）产生10GHz微波信号，经功率分配器功分后，一路作为发射信号，经功率放大器（PA）放大后，经发射天线发射出去；一路作为接收信号的本振信号（LO），进入混频器，与接收进来的微波散射信号（RF）进行进行混频，输出表征目标特征的中频信号（IF）。

图中的低噪声放大器（LNA）放大从接收天线接收的散射微波信号。

1.4.3非接触式微波生命探测实验研究

如图3所示，运用微波雷达对掩盖层下的人体进行人体呼吸、心跳的生命体征探测，进行非接触式微波生命探测的实验研究。

发射微波

反射微波

微波雷达

掩盖

层

人体

透射

微波

（人体衣物、瓦砾、墙体等掩盖物）

图3微波雷达探测掩盖物下的人体生命体征

1.4.4实验步骤

在有了以上所需进行的实验内容之后，我们就可以安排相关实验步骤了。

①首先进行微波的掩盖物穿透能力和人体生命体征的微波雷达信号表征的研究，掩盖物样本包括人体衣物、瓦砾、墙壁等，人体生命体征为呼吸与心跳；

②在此基础上，项目组成员分工合作，分别进行微波雷达的集成和后端信号采集与处理电路的设计与制作，并完成探测器的系统集成；

③最后，全项目组进行非接触式微波生命探测的实验研究，撰写总结报告和研究