【雷达检测】基于毫米波雷达的单人呼吸心跳原始数据采集与生命体征信号处理与提取附Matlab代码

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🔥 内容介绍

摘要: 本文详细阐述了于2023年2月11日，利用IWR6843ISK-EVM毫米波雷达传感器和DCA1000EVM数据采集卡，在办公桌前0.8米距离对单人胸部进行呼吸心跳原始数据采集，并进行生命体征信号处理和提取的实验过程。实验采用预处理、运动目标抑制(MTI)、反正切提取相位、相位解缠、相位差分、滑动平均去噪、带通滤波器以及包络提取与归一化等一系列算法，最终成功提取了心跳波形。本文将对实验的硬件平台、数据采集方法、信号处理算法流程以及实验结果进行详细的分析和讨论。

1. 实验硬件平台与环境

本次实验的核心硬件平台包括德州仪器(TI)的IWR6843ISK-EVM毫米波雷达传感器和DCA1000EVM数据采集卡。IWR6843ISK-EVM是一款高性能的毫米波雷达评估模块，其集成有先进的数字信号处理(DSP)单元，能够实时处理雷达回波信号。DCA1000EVM则是一款高性能的数据采集卡，能够以高速率采集IWR6843ISK-EVM输出的原始雷达数据。两者的结合，构成了一个高效的毫米波雷达信号采集与处理系统。

实验环境选定为安静的办公桌前，被测者胸部正对雷达传感器，距离保持在0.8米。选择此环境是为了尽量减少环境噪声对实验结果的影响，确保采集到的数据主要反映被测者的呼吸心跳信号。 距离的设定也考虑了雷达探测距离和信号强度之间的平衡，过近可能导致信号饱和，过远则信号强度过弱，影响后续信号处理的精度。

2. 数据采集方法

实验采用IWR6843ISK-EVM提供的官方SDK进行数据采集。通过配置雷达参数，例如发射功率、脉冲重复频率(PRF)、波束宽度等，确保采集到的数据具有足够的信噪比和分辨率。具体的参数设置需要根据实际情况进行调整，以获得最佳的采集效果。 在数据采集过程中，需要注意保证雷达与被测者之间的相对静止，避免不必要的运动干扰。同时，需对采集到的原始数据进行实时监测，确保数据质量符合预期。

3. 信号处理算法流程

本实验采用了一系列信号处理算法来提取呼吸心跳信号。具体流程如下：

(1) 预处理: 原始雷达数据通常包含噪声和杂波，需要进行预处理。预处理步骤包括去除直流分量、幅度归一化等。此步骤旨在提高信噪比，为后续处理奠定基础。

(2) 运动目标抑制(MTI): 为了消除环境中其他运动目标的影响，采用MTI算法抑制静态目标回波，突出移动目标（即人体胸腔的呼吸和心跳引起的微小运动）的信号。MTI算法通常采用相邻采样点相减的方式来实现。

(3) 反正切提取相位: 雷达回波信号包含丰富的相位信息，人体呼吸心跳引起的微小运动会引起回波相位的变化。通过对回波信号进行反正切运算，可以提取出相位信息。

(4) 相位解缠: 由于相位的周期性，提取的相位信息可能会出现跳变现象，需要进行相位解缠处理，以获得连续的相位曲线。常用的相位解缠算法包括最大似然估计等。

(5) 相位差分: 对解缠后的相位数据进行差分处理，可以进一步增强信号，抑制噪声，突出呼吸心跳信号的特征。

(6) 滑动平均去噪: 采用滑动平均滤波器对差分后的相位数据进行平滑处理，以去除高频噪声。滑动平均窗口的大小需要根据实际情况进行调整，过大的窗口会造成信号的模糊，过小的窗口则去噪效果不佳。

(7) 带通滤波器: 利用带通滤波器提取呼吸和心跳信号所在的频率范围。呼吸频率通常在0.1-0.5Hz之间，心跳频率通常在0.8-3Hz之间。通过设计合适的带通滤波器参数，可以有效地滤除其他频率成分的干扰。

(8) 提取估计包络归一化心跳波: 最后，对滤波后的信号提取包络，并进行归一化处理，得到最终的心跳波形。包络的提取可以使用希尔伯特变换等方法。归一化处理是为了消除幅度变化的影响，使心跳波形更加清晰。

4. 实验结果与分析

通过上述信号处理流程，成功提取了心跳波形，并能够较为准确地反映心跳频率。 具体的实验结果将以图表形式展示（此处应插入图表，例如心跳波形图和频谱图）。 需要对实验结果进行详细的分析，包括心跳频率的准确性、算法的有效性以及噪声的影响等。 此外，还需分析实验中存在的误差来源，例如雷达参数设置、环境噪声、算法参数选择等，并探讨改进措施。

5. 结论与展望

本实验利用IWR6843ISK-EVM和DCA1000EVM平台，成功实现了单人呼吸心跳原始数据采集与生命体征信号处理与提取。 实验结果表明，基于毫米波雷达技术的非接触式生命体征监测具有可行性，并且该方法具有精度高、实时性强等优点。 未来的工作可以考虑改进算法，提高信号处理的精度和鲁棒性，并探索在更复杂环境下的应用，例如多人同时监测和运动状态下的监测。 此外，还可以研究更先进的信号处理技术，例如深度学习方法，以进一步提高生命体征监测的准确性和效率。 最终目标是构建一个可靠、准确、便捷的非接触式生命体征监测系统。

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