“我們使用LabVIEW與PXI打造出生物雷達(dá)系統(tǒng)，有助于在遠(yuǎn)端輕松監(jiān)控個人的呼吸狀況。”

- Sharmi Banerjee, Texas Tech University

挑戰(zhàn)：

針對人體生命跡象，構(gòu)建非接觸式遠(yuǎn)端偵測系統(tǒng)原型，具備一定的靈活性以證實(shí)新的信號處理方式與結(jié)構(gòu)概念。

解決方案：

運(yùn)用NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件與NI PXI硬件，打造出連續(xù)多普勒雷達(dá)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可套用多普勒效應(yīng)以測量人類生理信號。這款收發(fā)器系統(tǒng)配備了2個平板天線與NI PXIe-8133控制器，可測量生命跡象，并且還在LabVIEW中添加了實(shí)時信號處理功能。

人體生命跡象的非接觸式遠(yuǎn)端偵測系統(tǒng)引起了科學(xué)界與業(yè)界的高度關(guān)注，因?yàn)榇讼到y(tǒng)還能夠搜尋地震生還者、追蹤腫瘤、管理智能型電子醫(yī)療、監(jiān)控熟睡中的嬰兒或成人以便及早發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的概念就已經(jīng)出現(xiàn)了，但本世紀(jì)以來人類陸續(xù)開發(fā)出高級硬件與信號處理演算法，相關(guān)的技術(shù)研究也就變得越來越深入。

需要PXI架構(gòu)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(dá)技術(shù)就已用來感測生理活動。不過這些技術(shù)大多采用儀器架構(gòu)，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(dá)系統(tǒng)的造價非常高。此外，一旦開始測量，就必須使用不同的技術(shù)來執(zhí)行后續(xù)的信號處理。然而，我們選用了NI PXI硬件來實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)，無需零散的微波元件，也可以通過LabVIEW實(shí)時處理信號，同時采集數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)需求與設(shè)置

PXI構(gòu)架的雷達(dá)系統(tǒng)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(shù)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(diào)制器和NI PXI-5652
· NI PXI-5691前置放大器
· 2個平板天線，可以其他類型的天線取代

整個PXI儀器安裝在PXIe-1075機(jī)箱內(nèi)，并且由PXIe-8133所控制。此外也可選用其他類型的機(jī)箱與控制器。

圖1為整個系統(tǒng)的連接設(shè)定。NI PXIe-5673 VSG會生成5.8 GHz的單音信號，傳輸天線(Tx)則會把此信號傳輸至待測物。  一旦接觸到人體此信號就會反彈，并且通過呼吸與心跳等生理運(yùn)動而受到調(diào)制。接收天線(Rx)會捕捉已反射的信號，而PXI-5691前置放大器則會初步放大此信號。接著所收到的信號會提供給NI PXIe-5663 VSA，在此NI PXIe-5601會初步將此信號下變頻，同時NI PXIe-5652會提供5.8 GHz的局部振蕩器(LO)信號。然后NI PXIe-5622會把IF信號數(shù)字化，最后該信號會分為I與Q通道輸出。

選擇平板天線的原因是可以通過和VSG產(chǎn)生的相同頻率來傳輸/接收信號。我們這次演示將輸出功率設(shè)為5 dBm，這也是VSG的輸出功率準(zhǔn)位最大值。

請注意，在理想的情況下，單個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(yīng)[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(dāng)作參考時鐘源。然而，該方法也有不利之處，那就是無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)過下變頻，并且由NI PXIe-5622加以數(shù)字化，LabVIEW編程就能用來讀取數(shù)字化的I/Q通道數(shù)據(jù)，并且顯示時域數(shù)據(jù)。快速傅里葉變換也可用來查看頻域內(nèi)復(fù)雜的整合數(shù)據(jù)頻譜。只要設(shè)置正確，就可以在時域內(nèi)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(nèi)看到對應(yīng)的峰值。

圖1. 整個系統(tǒng)的程序框圖

圖2. 頻域與時域內(nèi)的呼吸測量

結(jié)果

如圖2所示，這是一名女性(坐在距離雷達(dá)1米遠(yuǎn))的監(jiān)控測量結(jié)果。  上方的子圖為接收器輸出的復(fù)雜信號頻譜，通過RFSA Acquire Continuous I/Q VI獲得。呼吸頻率出現(xiàn)一個明確的高峰，代表受測人員的呼吸速度為每分鐘22次。第二個子圖則是I與Q通道雷達(dá)輸出的時域信號。最后一個子圖代表了I與Q通道在星座圖內(nèi)的軌跡分布。我們使用LabVIEW與PXI打造出生物雷達(dá)系統(tǒng)，有助于在遠(yuǎn)端輕松監(jiān)控個人的呼吸狀況。

未來計(jì)劃

除了本研究演示的呼吸速度偵測之外，準(zhǔn)確測量心跳速度與生理運(yùn)動形態(tài)對于許多醫(yī)療與診斷應(yīng)用而也非常重要。如要準(zhǔn)確還原心跳速度與原本的運(yùn)動形態(tài)，就必須執(zhí)行自動的校準(zhǔn)[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(dá)系統(tǒng)搭載了強(qiáng)大的PXI與LabVIEW工具，為信號處理專家、雷達(dá)工程師、生醫(yī)工程專業(yè)人員提供了無限的發(fā)揮空間。

作者：
Sharmi Banerjee - Texas Tech University
Changzhan Gu - Texas Tech University
Changzhi Li - Texas Tech University