|
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生理信號。 這款收發器系統配備了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中添加了實時信號處理功能。 人體生命跡象的非接觸式遠端偵測系統引起了科學界與業界的高度關注，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出現了，但本世紀以來人類陸續開發出高級硬件與信號處理演算法，相關的技術研究也就變得越來越深入。 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，多普勒雷達技術就已用來感測生理活動。 不過這些技術大多采用儀器架構，需要不少高級RF/微波元件，例如頻譜分析儀、信號發生器、信號分析儀等[3]， 所以生物雷達系統的造價非常高。 此外，一旦開始測量，就必須使用不同的技術來執行后續的信號處理。 然而，我們選用了NI PXI硬件來實現此系統，無需零散的微波元件，也可以通過LabVIEW實時處理信號，同時采集數據。 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矢量信號發生器(VSG)包含了NI PXIe-5450 400 MS/s I/Q信號發生器、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機箱內，并且由PXIe-8133所控制。 此外也可選用其他類型的機箱與控制器。 圖1為整個系統的連接設定。 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動而受到調制。 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LO可用于傳輸器與接收器，以便充分發揮范圍相關效應[4]的優勢，進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過下變頻，并且由NI PXIe-5622加以數字化，LabVIEW編程就能用來讀取數字化的I/Q通道數據，并且顯示時域數據。 快速傅里葉變換也可用來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. 整個系統的程序框圖
圖2. 頻域與時域內的呼吸測量 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RFSA Acquire Continuous I/Q VI獲得。 呼吸頻率出現一個明確的高峰，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人的呼吸狀況。 未來計劃 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形態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形態，就必須執行自動的校準[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，為信號處理專家、雷達工程師、生醫工程專業人員提供了無限的發揮空間。 |
