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作者: Sharmi Banerjee, Changzhan Gu, Changzhi Li - Texas Tech University "我們使用LabVIEW與PXI打造出生物雷達系統，有助于在遠端輕松監控個(gè)人的呼吸狀況。" - Sharmi Banerjee, Texas Tech University 挑戰：針對人體生命跡象，構建非接觸式遠端偵測系統原型，具備一定的靈活性以證實(shí)新的信號處理方式與結構概念。 解決方案：運用NI LabVIEW系統設計軟件與NI PXI硬件，打造出連續多普勒雷達系統，此系統可套用多普勒效應以測量人類(lèi)生理信號。 這款收發(fā)器系統配備了2個(gè)平板天線(xiàn)與NI PXIe-8133控制器，可測量生命跡象，并且還在LabVIEW中添加了實(shí)時(shí)信號處理功能。 人體生命跡象的非接觸式遠端偵測系統引起了科學(xué)界與業(yè)界的高度關(guān)注，因為此系統還能夠搜尋地震生還者、追蹤腫瘤、管理智能型電子醫療、監控熟睡中的嬰兒或成人以便及早發(fā)現異常的呼吸狀況[1][2]。 雖然在2000年之前，非接觸式生命跡象偵測系統的概念就已經(jīng)出現了，但本世紀以來(lái)人類(lèi)陸續開(kāi)發(fā)出高級硬件與信號處理演算法，相關(guān)的技術(shù)研究也就變得越來(lái)越深入。 需要PXI架構的非接觸式生命跡象偵測器 早在我們的研究之前，多普勒雷達技術(shù)就已用來(lái)感測生理活動(dòng)。 不過(guò)這些技術(shù)大多采用儀器架構，需要不少高級RF/微波元件，例如頻譜分析儀、信號發(fā)生器、信號分析儀等[3]， 所以生物雷達系統的造價(jià)非常高。 此外，一旦開(kāi)始測量，就必須使用不同的技術(shù)來(lái)執行后續的信號處理。 然而，我們選用了NI PXI硬件來(lái)實(shí)現此系統，無(wú)需零散的微波元件，也可以通過(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)處理信號，同時(shí)采集數據。 系統需求與設置 PXI構架的雷達系統需要下列儀器： • NI PXIe-5663矢量信號分析儀(VSA)包含了NI PXIe-5652 RF信號生成器、NI PXIe-5601 RF下變頻器、NI PXIe-562216 位IF數字化儀 • NI PXIe-5673矢量信號發(fā)生器(VSG)包含了NI PXIe-5450 400 MS/s I/Q信號發(fā)生器、NI PXIe-5611 I/Q矢量調制器和NI PXI-5652 • NI PXI-5691前置放大器 • 2個(gè)平板天線(xiàn)，可以其他類(lèi)型的天線(xiàn)取代 整個(gè)PXI儀器安裝在PXIe-1075機箱內，并且由PXIe-8133所控制。 此外也可選用其他類(lèi)型的機箱與控制器。 圖1為整個(gè)系統的連接設定。 NI PXIe-5673 VSG會(huì )生成5.8 GHz的單音信號，傳輸天線(xiàn)(Tx)則會(huì )把此信號傳輸至待測物。 一旦接觸到人體此信號就會(huì )反彈，并且通過(guò)呼吸與心跳等生理運動(dòng)而受到調制。 接收天線(xiàn)(Rx)會(huì )捕捉已反射的信號，而PXI-5691前置放大器則會(huì )初步放大此信號。 接著(zhù)所收到的信號會(huì )提供給NI PXIe-5663 VSA，在此NI PXIe-5601會(huì )初步將此信號下變頻，同時(shí)NI PXIe-5652會(huì )提供5.8 GHz的局部振蕩器(LO)信號。 然后NI PXIe-5622會(huì )把IF信號數字化， 最后該信號會(huì )分為I與Q通道輸出。 選擇平板天線(xiàn)的原因是可以通過(guò)和VSG產(chǎn)生的相同頻率來(lái)傳輸/接收信號。 我們這次演示將輸出功率設為5 dBm，這也是VSG的輸出功率準位最大值。 請注意，在理想的情況下，單個(gè)LO可用于傳輸器與接收器，以便充分發(fā)揮范圍相關(guān)效應[4]的優(yōu)勢，進(jìn)一步避免振蕩器的相位噪音。 然而，如果VSA與VSG使用兩個(gè)不同的LO，就可以更輕松的控制硬件。 為了同步VSG與VSA，我們把PXI 10 MHz背板始終源當作參考時(shí)鐘源。 然而，該方法也有不利之處，那就是無(wú)法確保傳輸器與接收器之間的密切同步性。 只要接收到的信號經(jīng)過(guò)下變頻，并且由NI PXIe-5622加以數字化，LabVIEW編程就能用來(lái)讀取數字化的I/Q通道數據，并且顯示時(shí)域數據。 快速傅里葉變換也可用來(lái)查看頻域內復雜的整合數據頻譜。 只要設置正確，就可以在時(shí)域內查看到周期性的生理信號，也可在呼吸與心跳頻率的頻譜內看到對應的峰值。 
圖1. 整個(gè)系統的程序框圖
圖2. 頻域與時(shí)域內的呼吸測量 結果 如圖2所示，這是一名女性(坐在距離雷達1米遠)的監控測量結果。 上方的子圖為接收器輸出的復雜信號頻譜，通過(guò)RFSA Acquire Continuous I/Q VI獲得。 呼吸頻率出現一個(gè)明確的高峰，代表受測人員的呼吸速度為每分鐘22次。 第二個(gè)子圖則是I與Q通道雷達輸出的時(shí)域信號。 最后一個(gè)子圖代表了I與Q通道在星座圖內的軌跡分布。 我們使用LabVIEW與PXI打造出生物雷達系統，有助于在遠端輕松監控個(gè)人的呼吸狀況。 未來(lái)計劃 除了本研究演示的呼吸速度偵測之外，準確測量心跳速度與生理運動(dòng)形態(tài)對于許多醫療與診斷應用而也非常重要。 如要準確還原心跳速度與原本的運動(dòng)形態(tài)，就必須執行自動(dòng)的校準[3]，LabVIEW也可納入更多的高級信號處理方法。 我們的智能型生物雷達系統搭載了強大的PXI與LabVIEW工具，為信號處理專(zhuān)家、雷達工程師、生醫工程專(zhuān)業(yè)人員提供了無(wú)限的發(fā)揮空間。 |
