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摘要: 全球老龄化趋势日益加剧，健康生活理念深入人心，居民对居家健康监测的需求也随之而来。为了减少健康监测对日常活动的影响，非接触式监测系统的需求量激增。然而，目前主流的检测方法存在隐私信任度低、电磁兼容性差和制造成本高等问题。对此，该文提出一种基于超声波雷达的非接触式生命体征信号测量系统——U-Sodar，包括一套基于3发4收MIMO架构的硬件和一套信号处理算法。其中U-Sodar本振采用分频技术，相位噪声低，检测精度高；接收机采用前端直接采样技术，在简化结构的同时有效减少外部噪声；发射采用可调PWM直接驱动，可发射多种超声波形，具备软件定义超声波系统特性。U-Sodar的信号处理算法采用信号弦长的图处理技术，利用图片滤波后重构的方法可在5 dB信噪比下实现信号相位的准确恢复。试验测试了U-Sodar系统的抗干扰性能与穿透性能，证明了超声穿透是依赖材料孔隙而非跨介质振动传导。并推导了给定信噪比与正确解调概率下的最小可测量位移。实际生命体征信号测量实验中，U-Sodar可分别在3.0 m和1.5 m距离内实现呼吸率和心率的准确测量，在1.0 m内可测得心跳波形。实验结果证明了U-Sodar超声波雷达在非接触式生命体征检测应用中的可行性及发展潜力。Abstract: Amidst the global aging trend and a growing emphasis on healthy living, there is an increased demand for unobtrusive home health monitoring systems. However, the current mainstream detection methods in this regard suffer from low privacy trust, poor electromagnetic compatibility, and high manufacturing costs. To address these challenges, this paper introduces a noncontact vital signal collection device using Ultrasonic radar (U-Sodar), including a set of hardware based on a three-transmitter four-receiver Multiple Input Multiple Output (MIMO) architecture and a set of signal processing algorithms. The U-Sodar local oscillator uses frequency division technology with low phase noise and high detection accuracy; the receiver employs front-end direct sampling technology to simplify the involved structure and effectively reduce external noise, and the transmitter uses an adjustable PWM direct drive to emit various ultrasonic waveforms, possessing software-defined ultrasonic system characteristics. The signal processing algorithm of U-Sodar adopts the graph processing technique of signal chord length and realizes accurate recovery of signal phase under 5 dB Signal-to-Noise Ratio (SNR) using picture filtering and then reconstruction. Experimental tests on the U-Sodar system demonstrated its anti-interference and penetration capabilities, proving that ultrasonic penetration relies on material porosity rather than intermedium vibration conduction. The minimum measurable displacement for a given SNR with correct demodulation probability is also derived. The results of actual human vital sign signal measurement experiments indicate that U-Sodar can accurately measure respiration and heartbeat at 3.0 m and 1.5 m, respectively, and the heartbeat waveforms can be measured within 1.0 m. Overall, the experimental results demonstrate the feasibility and application potential of U-Sodar in noncontact vital sign detection.
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Key words:
- Non-contact detection /
- Vital signals detection /
- CW radar /
- Ultrasound /
- U-Sodar
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1. 引言
海用雷达在对海上目标探测过程中易受海杂波影响，高海况、复杂气象条件下尤为严重。开展海杂波特性、海杂波抑制、海上目标检测跟踪与识别方法研究[1-5]，需要多种条件下的海杂波和海上目标回波实测数据，海军航空大学海上目标探测课题组于2019年提出一项“雷达对海探测数据共享计划”[6]，旨在利用X波段固态全相参雷达等多型雷达开展对海探测试验，获取不同海况、分辨率、擦地角条件下海杂波数据和海上目标回波数据，并同步获取海洋气象水文数据、目标位置与轨迹的真实数据，形成信息全记录的雷达试验数据集。
2020年度主要开展了3个方面的多次试验，包括目标雷达散射截面积(Radar Cross-Section, RCS)定标数据采集试验、不同海况海杂波与目标探测数据采集试验、海上机动目标检测跟踪数据采集试验。下面针对每个方面的试验进行介绍，并给出典型数据示例。
2. 目标RCS定标数据采集试验
目标RCS定标数据采集试验，主要是在海上投放定标体(不锈钢球，RCS为0.25 m2)，使其漂浮于海面以上，用船只拖拽定标体沿雷达径向慢速往返运动，在沿途部分位置点静止(漂浮)，雷达工作模式固定不变，采集试验全程的雷达与配合传感器数据。
如图1所示，试验期间，雷达架设地点为烟台养马岛试验点[6]，架高约为30 m。如图2所示，渔船用尼龙绳拖拽不锈钢球沿图1中所示的航线慢速运动。不锈钢球放置在4个泡沫塑料浮子上，使其完全浮于海面以上，如图2(d)所示，渔船与不锈钢球沿雷达径向的间距为100 m以上，且二者在方位上也错开一定的角度。渔船在设定海上航线的部分位置点(见图1所示航线中的黄色圆点)处静止(漂浮)，此时调整了雷达天线转速，采集多种转速条件下的雷达数据。试验期间海面状态如图2(f)所示，对应的气象水文数据如图3所示，红色原点与试验时段相对应，每15 min更新一次，综合判断海况等级为1级。
图 1 试验点及定标体运动轨迹示意图Figure 1. Experimental site and schematic diagram of calibration body’s trajectory
图 3 浪(有效波高、浪向、周期、浪速)和风(风向、风速)要素信息(红色标点对应试验时段)Figure 3. Wave (effective wave height, direction, period, speed) and wind (direction, speed) information (The red punctuation marks correspond to the experimental period)X波段试验雷达具体参数请见文献[6]，此处不再赘述。试验期间，定标体在较近距离时雷达工作于3 nm量程，脉冲重复频率(Pulsed Repetitive Frequency, PRF)为3 kHz；定标体在较远距离时雷达工作于6 nm量程，PRF为1.6 kHz。整个试验过程中，雷达主要工作于2 r/min的扫描速度，在目标静止(漂浮)时天线转速有所调整。雷达工作模式调整与采集雷达数据对应的情况，在与数据配套的数据记录表中有详细对照说明。由于雷达转速较慢，单次扫描周期的数据量大，这里仅给出了目标所在扇区的回波数据，示例数据如图4所示。
试验过程中，还同步获取了渔船的自动定位系统(Automatic Identification System, AIS)数据(MMSI: 413659899，见表1)，以及雷达视野内其他非合作船只目标的AIS数据。由于试验中所使用AIS设备自身原因，数据更新率为每次2～6 min，因此，AIS给出的位置信息与雷达给出的位置信息并不严格同步，在数据使用中可通过插值实现时空信息同步。
表 1 配试船只目标AIS数据示例Table 1. The sample AIS data of the experimental boat东经(°) 北纬(°) 时间 121.60965 37.47404 2020-07-08 09:10:00 121.61134 37.47551 2020-07-08 09:38:00 121.61275 37.476685 2020-07-08 09:40:00 121.61628 37.479015 2020-07-08 09:42:00 ··· ··· ··· 121.62507 37.48345 2020-07-08 13:50:00 121.62124 37.480255 2020-07-08 13:56:00 121.61803 37.4774 2020-07-08 13:58:00 3. 海杂波与目标探测数据采集试验
海杂波与目标探测数据采集试验，主要是采集不同海况等级条件下的海杂波数据、海上船只目标数据。此试验以天线凝视观测模式为主，采集不同方位下的雷达回波数据。
试验期间，雷达架设地点为烟台第1海水浴场试验点，如图5所示，架高约为80 m，在不同海况等级等环境下，调整雷达天线凝视的方位，凝视海面锚泊船只或航道浮标，采集几秒至几分钟时长不等的雷达凝视模式数据。采集数据时雷达工作量程为3 nm, 6 nm，对应的PRF分别为3.0 kHz, 1.6 kHz。
采集数据列表如表2所示。前7组数据均为天线凝视模式数据，由于采集数据期间，风速较大，雷达天线凝视方位随风有轻微偏移，具体偏移情况从雷达数据头中的“方位”信息位中可以得到；第8组数据为天线扫描模式数据，其中方位143°～274°范围内为发射屏蔽区，此区域内雷达发射静默。此外，扫描模式数据还有配套的AIS数据，但由于试验时海况等级较高，所有船只均回港避风，因此无运动目标，仅有锚泊的船只和航道浮标两类目标。
表 2 海杂波与目标回波数据列表Table 2. List of sea clutter and target echo data序号 数据类型 海况等级(级) 凝视方位(°) 脉冲个数 描述信息 1 海杂波 3～4 1.53 >104 4.84 km处有一个航道浮标 2 海杂波 3～4 42.18 >104 纯海杂波 3 海杂波 3～4 48.36 >104 近程为纯海杂波，6 km后有岛屿回波 4 海杂波+目标 3～4 17.36 >104 2.778 km和4.115 km处有2个漂浮目标(船+航道浮标) 5 海杂波+目标 3～4 8.01 >104 2.81 km和4.16 km处有2个漂浮强目标(2艘锚泊船只)，5.5 km后为岛屿回波 6 海杂波+目标 2 9.58 >104 小快艇，回波较强，距离8.15 km进入雷达视野而后离开，存在同频异步干扰 7 海杂波+目标 2 58.31 >104 3.86 km和7.15 km处有2个目标(船+岛屿) 8 海杂波+目标 3～4 扇区：257～360
0～1269个扫描周期 24 r/min扫描模式数据，有配套AIS数据 典型的海杂波数据、海杂波+目标数据如图6(a)—图6(d)所示，限于篇幅，这里仅给出两组实测数据的时域原始回波与多普勒谱。
4. 海上机动目标检测跟踪数据采集试验
海上机动目标检测跟踪数据采集试验，主要是利用小型快艇作为配试目标，沿预定航线运动，并在某些特定位置点进行机动，雷达工作于扫描模式，采集试验全程的雷达与配合传感器数据。
试验期间，雷达架设地点为烟台第1海水浴场试验点，架高约为80 m，如图5所示。雷达工作于6 nm量程、24 r/min的扫描模式，PRF为1.6 kHz。试验时间为14:32—15:18，共采集1186个连续扫描周期数据，雷达工作模式调整与采集雷达数据对应的情况，在与数据配套的数据记录表中有详细说明。典型试验数据示例如图7所示，试验期间风和浪要素数据如图8所示，有效波高为1 m左右，综合判断海况等级为3级。
图 8 浪(有效波高、浪向、周期、浪速)和风(风向、风速)要素信息(红色标点对应试验时段)Figure 8. Wave (effective wave height, direction, period, speed) and wind (direction, speed) information (The red punctuation marks correspond to the experimental period)配试目标为约10 m长小型快艇，如图9所示，沿预定航线行驶，示意图如图10所示，受海上航道来往船只影响，小快艇的实际航线与预定航线有偏差。快艇上安装了AIS设备，具体位置信息可查阅AIS数据(MMSI: 413659899)，如表3所示。此外，试验时还同步记录了雷达视野内非合作目标的AIS信息，可用作参考。
表 3 配试船只目标AIS数据示例Table 3. The sample AIS data for experimental boat东经(°) 北纬(°) 时间 121.4206 37.551258 2020-07-22 14:32:00 121.421776 37.553226 2020-07-22 14:34:00 121.4288 37.561104 2020-07-22 14:40:00 121.43016 37.559105 2020-07-22 14:42:00 ··· ··· ··· 121.43651 37.553654 2020-07-22 15:14:00 121.43177 37.54867 2020-07-22 15:16:00 121.4288 37.547638 2020-07-22 15:18:00 5. 总结
“雷达对海探测数据共享计划”2020年度完成了雷达目标RCS定标数据采集试验、不同海况海杂波与目标探测数据采集试验、海上机动目标检测跟踪数据采集试验3个方面的多次试验，获取了不同海况、目标以及雷达工作模式下的海杂波与目标回波数据，并同步获取了风和浪要素数据、目标AIS数据、可见光/红外数据等配合传感器数据。同时在试验过程中也发现了一些问题，例如目标AIS信息更新率过慢，导致将目标AIS数据作为真值数据使用时，与雷达数据存在严重的数据时空不匹配；可见光/红外设备数据在恶劣天气下获取图像不清晰或难以获取远距离目标图像；现有雷达在高海况、恶劣天气下天线凝视方位不稳定等问题，后续还需不断解决。
附录
X波段雷达对海探测实测数据的公开共享将依托雷达学报官方网站进行，试验数据于每次试验后上传至“数据/雷达对海探测数据”页面中(如附图1所示)，具体网址为http://radars.ie.ac.cn/web/data/getData?dataType=DatasetofRadarDetectingSea，数据将根据对海探测试验进度定期更新。
2020年度对海探测实测数据量巨大，因此截取具有代表性的试验段数据分3期发布，数据发布信息表如附表1所示。
第1期主要发布海杂波与目标凝视模式探测数据，分为两组，包括纯海杂波数据、海杂波+目标回波数据，数据量约17 GB；第2期主要发布雷达目标RCS定标试验数据，提供下载的数据为截取的配试船拖不锈钢球向雷达运动阶段的数据，数据量大于20 GB；第3期主要发布海上机动目标检测跟踪试验数据，提供下载的数据是截取的配试快艇沿图10所示航线中右上方第1个圆运动的数据，数据量不低于40 GB。
1 2020年度数据发布信息表1. Annual data release information table of 2020发布期号 试验日期 海况等级(级) 数据量(GB) 雷达天线
工作模式发射脉冲
模式目标位置
信息记录气象水文
数据1 2021.01.04～
2021.01.062～4 >10 凝视、扫描 模式2 有距离方位记录 有 2 2020.07.08 1～2 >20 扫描(2 r/min为主) 模式2 有船只AIS数据 有 3 2020.07.22 3 >40 扫描(24 r/min为主) 模式2 有船只AIS数据+5个航道浮标距离方位记录 有 注：① 所有雷达数据均为脉压后的I/Q复数据；② 发射脉冲模式2，对应每个重复周期雷达相继发射1个单载频脉冲和1个LFM脉冲；③ AIS数据更新周期较长，约2 min更新一次，与雷达目标数据率不匹配；④ 数据格式与2019年度第1期数据格式相同[6]。 -
图 1 基于U-Sodar的人体生命体征信号测量示意图
Figure 1. Overview of U-Sodar vital signal monitoring system
图 3 回波信号基带组成的星座图示意图
Figure 3. Constellation diagram depicting the baseband composition of the echo signal
图 4 含噪信号在相位解调中的解调误差示意图
Figure 4. Schematic of demodulation error in phase demodulation of noise-containing signals
图 5 给定信噪比与解调正确概率下的最小可测量相差图
Figure 5. The minimum measurable phase difference for a given SNR and probability of correct demodulation
图 8 U-Sodar方向图测试场景布置
Figure 8. Arrangement of the test scene for U-Sodar directional diagram testing
图 15 各通道测量静止墙面信号矢量图
Figure 15. Measurement of stationary wall signal vector diagram for each channel
图 20 不同信噪比信号处理结果对比
Figure 20. Comparison of signal processing results with different signal-to-noise ratios
图 21 不同体动幅度模拟结果对比
Figure 21. Comparison of simulation results for different body movement distances
图 22 基于U-Sodar的生命体征测量实验场景示意图
Figure 22. Schematic of the experimental setup for measuring vital signs with U-Sodar
表 1 各类型非接触测量方案比较
Table 1. Comparing various types of non-contact measurement schemes
比较内容 可见光/红外光 微波雷达 声学信号 U-Sodar 隐私保护 – • – • 毫米级位移测量 – • – • 信号来向区分 • • – • 抗电磁干扰 • – • • 无电磁辐射 • – • • 穿透能力 – • • • 环境适应能力 – • – – 目前设备体积 • • • – 设备成本 – – • • 注：•为优秀，–为较差。 
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表 2 U-Sodar系统的关键芯片型号
Table 2. U-Sodar system key chip models
芯片功能 芯片型号 主控芯片 STM32F030F4P6 发射驱动芯片 SRV8837 接收放大器芯片 MS8051 LDO电源芯片 RT9193 逻辑门芯片 SN74LVC1G02DCKR USB串口转换芯片 CH340N 收发换能器探头 TCT40-16
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表 3 受试者信息
Table 3. Volunteer information
受试者编号 性别 年龄 身高(cm) 体重(kg) BMI (kg/m2) 标识色 1 男 26 173 60.0 20.0 棕 2 男 24 180 78.5 24.2 蓝 3 男 23 178 71.0 22.4 红 4 女 24 166 63.0 22.9 绿 5 女 22 155 46.0 19.1 紫 注：根据中国BMI标准：≤18.4为偏瘦、18.5～23.9为正常、24.0～27.9为过重、≥28为肥胖。
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