借助毫米波雷達(dá)傳感器打造可居家使用的多患者非接觸式生命體征傳感器

引言

人類生命體征通常通過監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測量，這些系統(tǒng)歷來依靠與患者身體的有線連接，通過心電圖和氧飽和度傳感器的組合來報(bào)告心率和呼吸頻率。這些傳感器很難與新生兒、嚴(yán)重?zé)齻颊摺d癇患者或精神病患者保持持續(xù)接觸。對于那些行動自如的患者，當(dāng)他們在家中四處走動時(shí)，監(jiān)測生命體征可能不那么容易。

毫米波 (mmWave) 雷達(dá)傳感器可以檢測非常細(xì)微的運(yùn)動，即使是患者胸部的起伏。由于胸部運(yùn)動受呼吸（基頻）和心率運(yùn)動（額外諧波）的影響，因此對胸部運(yùn)動的精細(xì)測量可以實(shí)現(xiàn)對生命體征的非接觸式測量。

該功能的主要促成因素是傳感器能夠通過調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 檢測和多輸入多輸出 (MIMO) 天線雷達(dá)系統(tǒng)的組合來檢測患者胸部的位置和速度。

該傳感器還可以檢測床上的運(yùn)動并向護(hù)理人員告知潛在的褥瘡，甚至可以同時(shí)監(jiān)測多個(gè)患者，例如一對老年夫婦。此外，毫米波傳感器可以檢測到人員跌倒并實(shí)時(shí)通知護(hù)理人員。

集成的重要

線性調(diào)頻脈沖斜坡線性度是確保FMCW系統(tǒng)中準(zhǔn)確且可重復(fù)測量的參數(shù)之一。將整個(gè)模擬鏈集成在單片微波集成電路上，不僅可以減少設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)之間的差異，還有助于提高整體測量線性度，因?yàn)榭梢栽诶匣蜏囟确秶鷥?nèi)執(zhí)行有效的監(jiān)測和校準(zhǔn)。

查看圖 1 中德州儀器(TI)IWR6843的方框圖可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)送器-接收器部分的唯一外部元件是標(biāo)準(zhǔn) 40MHz 晶體。除了這個(gè)外部40MHz晶體之外，IWR6843還提供完全的發(fā)送器/接收器集成，具有：

●   斜坡發(fā)生器。

●   小數(shù)鎖相環(huán)。

●   20GHz壓控振蕩器(VCO)，當(dāng)從外部路由（或從外部源選擇）時(shí)，可同步多個(gè)前端并在顯著更大的虛擬天線上實(shí)現(xiàn)相干采樣。

IWR6843 還包含用于發(fā)送器和接收器的完整射頻(RF)鏈，其中包括：

●   軟件可編程功率放大器，可實(shí)現(xiàn)多級發(fā)送功率，從而在根據(jù)環(huán)境和射頻法規(guī)調(diào)整鏈路預(yù)算時(shí)實(shí)現(xiàn)更大的靈活性。

●   用于波束控制的動態(tài)可編程移相器。

●   低噪聲放大器，當(dāng)與功率放大器一起編程時(shí)，可對鏈路預(yù)算進(jìn)行微調(diào)。

●   可通過發(fā)送和接收線性調(diào)頻脈沖生成中間頻率 (IF) 的混頻器。

●   IF模擬濾波器。

●   采樣頻率高達(dá)25MHz的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

圖1 IWR6843方框圖

在MMIC片上系統(tǒng)集成完整的射頻鏈可實(shí)現(xiàn)功能安全所需的診斷能力水平。

IWR6843上的全數(shù)字信號鏈處理集成可提供：

●   雷達(dá)硬件加速器，支持經(jīng)典雷達(dá)信號處理中的 16 位測距、多普勒或到達(dá)角快速傅里葉變換 (FFT) 和恒定虛警率 (CFAR)。

●   600MHz完全可編程的數(shù)字信號處理器，可實(shí)現(xiàn)完全可定制的信號處理。

●   完全可編程的200MHz Arm^? Cortex^?-R4F微控制器，用于群集、跟蹤和應(yīng)用級代碼。

除了裸片級集成之外，IWR6843 的型號 IWR6843AOP 還在封裝上配有天線，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)集成并減小印刷電路板 (PCB) 面積，適用于空間受限型應(yīng)用或射頻信號的 PCB 布線具有挑戰(zhàn)性的情況。

FMCW

FMCW 提供了十分簡單的調(diào)制方案，可在測量距離時(shí)實(shí)現(xiàn)寬范圍和高精度。FMCW 還提供徑向尺寸（雷達(dá)與目標(biāo)之間的線）的速度測量均值，可以是高速（如汽車速度），也可以是低速（如呼吸時(shí)胸部起伏速度）。此類細(xì)微動作的跟蹤通常稱為多普勒檢測或微多普勒檢測。

線性調(diào)頻脈沖

線性調(diào)頻脈沖描述了FMCW中使用的調(diào)制；瞬時(shí)頻率f(t)隨時(shí)間呈線性變化，因此這是一個(gè)線性調(diào)頻脈沖。發(fā)送的線性調(diào)頻脈沖和接收的線性調(diào)頻脈沖之間的頻率差與飛行時(shí)間（到達(dá)目標(biāo)并返回的時(shí)間）成正比，因此與到目標(biāo)的距離成正比。

方程式1將發(fā)送的波幅表示為：

其中K是發(fā)送頻率以時(shí)間為單位增加的斜率（對于 IWR6843，該值可以是介于0MHz/μs和250MHz/μs之間的任何值），AT是信號發(fā)送的振幅（發(fā)送功率），f0 是在線性調(diào)頻脈沖開始處發(fā)送的最低頻率（57GHz或60GHz，具體取決于所選的 V_CO）。

方程式2將接收的波幅表示為：

其中，對于δ=(2×d) /v （是飛行時(shí)間的兩倍），d是到目標(biāo)的距離，v是光在介質(zhì)中的傳播速度。

混頻器

混頻器將發(fā)送信號和接收信號之間的頻率差進(jìn)行倍增（方程式3）：

按照三角函數(shù)的基本規(guī)則，混頻器的輸出是兩個(gè)正弦之和：一個(gè)正弦的頻率是f_TX和f_RX之差，另一個(gè)正弦是兩者之和。

使混頻器的輸出通過低通濾波器可恢復(fù)IF信號，其頻率是發(fā)送器和接收器之間的頻率差。

方程式4將積化和差公式表示為：

混頻器的輸出通過低通濾波器會產(chǎn)生IF，這是發(fā)送器和接收器之間的頻率差（因此是一個(gè)與飛行時(shí)間成正比的量）。

方程式5是所得到的IF信號：

ADC將信號數(shù)字化；請注意，信號的頻率遠(yuǎn)低于線性調(diào)頻脈沖的頻率，因此很容易通過普通的ADC。例如，IWR6843中 ADC的最大采樣頻率為25MHz。

從方程式5中，您可以清楚地看到用于測量胸部運(yùn)動的心率和呼吸頻率的多普勒元素來自何處。

FFT和峰值檢測

一旦信號只攜帶相關(guān)信息（yIF頻率是飛行時(shí)間的鏡像），信號將通過距離FFT，然后執(zhí)行CFAR算法或閾值化算法。圖2所示為不同天線之間的飛行時(shí)間差。

圖2 每根接收天線的相位增加MIMO圖示

概括而言，到達(dá)角是根據(jù)每根接收天線處測量的飛行時(shí)間差得出。在數(shù)學(xué)層面上，方程式 6 將每根天線的轉(zhuǎn)向矢量定義為：

轉(zhuǎn)向矢量用于在每根天線處組合來自每個(gè)目標(biāo)的信號。方程式 7 表示通過所有天線從每個(gè)目標(biāo)發(fā)出的所有信號之和，其中 xi 是第i根天線接收的信號：

方程式8對平均功耗的計(jì)算如下：

傳統(tǒng)的接收波束形成（也稱為Bartlett波束形成方法）是基于窄帶陣列的較早的到達(dá)方向估算算法。該算法可更大程度地提高波束形成器相對于特定方向的輸出功率，將方程式9中的最大化關(guān)系表示為：

為了計(jì)算每個(gè)θ的P(a(θ))，公式10將R近似為：

其中X是信號矩陣（方程式11）：

從這些公式中，您可以看到 MIMO 雷達(dá)如何在三個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)位置推導(dǎo)。

沿您想要檢測的方向進(jìn)行波束控制

使用雷達(dá)傳感器捕獲場景數(shù)據(jù)通常需要對天線波束寬度提供的整個(gè)視場的每一幀周期進(jìn)行航向掃描。該航向掃描可以捕獲相關(guān)和不相關(guān)物體的反射，您需要從掃描中提取和表述特定對象，或者在本例中，提取和表述需要測量生命體征的患者。確定患者位置后，可利用傳輸波束形成來聚焦波束，如前所述。

如果患者不在視軸處，則可以激活波束控制。該功能由每個(gè)發(fā)送器上步長為 5.625° 的 6 位可配置移相器實(shí)現(xiàn)，提供 64 種設(shè)置來覆蓋 0° 至 360° 相移。移相器位于相應(yīng)的功率放大器之前，并根據(jù)主波束的聚焦位置為每個(gè)發(fā)送通道分別進(jìn)行編程，請參閱圖 3。移相器通常是基于矢量調(diào)制器的模擬結(jié)構(gòu)，該調(diào)制器使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器在信號放大之前對信號進(jìn)行相移。

圖3 發(fā)送級中包含的移相器

當(dāng)有多個(gè)受試者處于雷達(dá)傳感器的不同方位角時(shí)，您可以實(shí)時(shí)對移相器進(jìn)行編程，要么幀到幀（通常為 100ms 至 200ms），要么更低（使用子幀時(shí)）。例如，波束可以基于子幀以 20° 的步長在 -60° 至 +60° 的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，全場景掃描持續(xù)時(shí)間不到 200ms，如圖 4 所示。這有助于在一個(gè)房間內(nèi)全方位檢測多個(gè)受試者的生命體征，這些受試者的角度各不相同，并由發(fā)送波束依次照亮。

圖4 將每個(gè)子幀的波束轉(zhuǎn)向角更改20°

Calibration

為了在電壓和溫度變化時(shí)維持性能，TI 毫米波雷達(dá)器件支持射頻初始化階段（調(diào)用 RfInit() 應(yīng)用編程接口）以及運(yùn)行時(shí)（在應(yīng)用執(zhí)行期間）的啟動時(shí)間校準(zhǔn)。圖 5 顯示了校準(zhǔn)類型的示例排序，可能包括以下類型：

●   模擬鎖相環(huán)校準(zhǔn)。

●   合成器V_CO。

●   局部振蕩分布校準(zhǔn)。

●   ADC直流失調(diào)電壓。

●   IF放大器高通和低通截止頻率。

●   峰值檢測器。 

●   發(fā)送和接收增益。 

●   靜態(tài)電流失配。

●   發(fā)送移相器。

圖5 功能線性調(diào)頻脈沖、監(jiān)測和校準(zhǔn)的時(shí)序

圖6說明了射頻前端中的一些集成，用于校準(zhǔn)發(fā)送和接收模擬前端參數(shù)。連同 PA 輸出和 LNA 輸入的功率檢測器，結(jié)合環(huán)回路徑，可以持續(xù)監(jiān)測和補(bǔ)償整個(gè)前端。

圖6 IWR6843的診斷和監(jiān)測功能概述

結(jié)論

TI 毫米波器件包含 FMCW 雷達(dá)所需的高度集成功能，只需一個(gè)外部 40MHz 晶體，即可為整個(gè)前端計(jì)時(shí)。此類產(chǎn)品可在三個(gè)維度上檢測精細(xì)的微多普勒運(yùn)動，包括檢測人類的呼吸和心率。

將多個(gè) TX 鏈與移相器進(jìn)一步集成可實(shí)現(xiàn)發(fā)送波束形成和波束控制，從而在更小的視場中實(shí)現(xiàn) SNR 改進(jìn)，同時(shí)保持 MIMO 運(yùn)行以進(jìn)行 3D 傳感。

最后，所有模擬元件的監(jiān)測和校準(zhǔn)集成可在器件的整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一致的性能。這種級別的模擬集成使多患者非接觸式生命體征傳感器能夠居家使用。

本文來源于德州儀器《模擬設(shè)計(jì)期刊》。《模擬設(shè)計(jì)期刊》由德州儀器工程師和專家精心撰寫并匯編，覆蓋從基礎(chǔ)知識到先進(jìn)技術(shù)、從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器到傳感器應(yīng)用的廣泛主題，為模擬設(shè)計(jì)新手和資深用戶提供實(shí)用信息和解決方案。