基于FPGA的生命探測儀算法研究與系統設計

摘要：給出了一種基于FPGA的生命探測信號處理系統的設計方法。從理論上研究了生命探測儀的算法及其軟硬件系統。其中在FPGA軟件設計中利用模塊化的思想方法分別設計了FIR濾波器、異步FIFO、UART、電池監控、功能控制等功能模塊。最后完成人體特征信號和體動(dòng)信號的分析與提取，實(shí)現了非接觸情況下生命探測與發(fā)現。相對于傳統的生命探測儀，該設備具有體積小，功耗低，操作簡(jiǎn)單，攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于野外和戰場(chǎng)生命探測等應用場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：生命探測儀；FPGA；FIR濾波器；FIFO；UART

0 引言
雷達式非接觸生命探測技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，是融合雷達技術(shù)、生物醫學(xué)工程技術(shù)于一體，可穿透非金屬介質(zhì)(磚墻、廢墟等)，不需要任何電極或傳感器接觸生命體，可在較遠的距離內探測到生命體的生命信號(呼吸、體動(dòng))的一種特殊電子裝置。該探測儀克服了基于激光、紅外生命探測儀受溫度影響嚴重、遇物體阻擋失效的問(wèn)題，也克服了超聲探測空間傳播衰減大、受環(huán)境雜物反射干擾、水、冰、泥土阻擋失效的問(wèn)題，因此近年來(lái)備受?chē)鴥韧鈱W(xué)者的關(guān)注。其基本原理是利用雷達天線(xiàn)發(fā)射的電磁波穿透一定障礙物照射到人體時(shí)，反射的回波信號受到人體生理運動(dòng)(如心跳、呼吸)引起表面微動(dòng)的多普勒調制，人體表面微動(dòng)信號就加載到了反射波中，這種人體的微動(dòng)與回波幅度相位之間具有相關(guān)性。對回波信號進(jìn)行A／D轉換、濾波等處理就可以提取到人體的生命特征信息。
現有設備多是基于單片機與PC機顯控系統，具有系統體積較大，靈活性差，實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。本文主要研究生命探測儀算法和基于FPGA的信號處理系統設計，上位機采用基于嵌入式系統的顯示控制單元。該系統體積小、成本低、攜帶方便，具有很高的實(shí)用價(jià)值，可廣泛應用于災害救援(地震、塌方傷員的探尋)、反恐斗爭(隔墻監控罪犯、解救人質(zhì))等場(chǎng)合。

1 生命探測儀算法研究
1．1 生命探測雷達工作原理
生命探測雷達的基本原理是多普勒效應。當發(fā)射源與接收者之間有相對徑向運動(dòng)時(shí)，接收到的信號頻率將發(fā)生變化，其頻率差別與兩者的相對運動(dòng)速度向量有關(guān)，這種現象被稱(chēng)為多普勒頻移。多普勒雷達發(fā)送連續的電磁波信號到被探測對象，返回的信號被調制而具有被探測對象運動(dòng)的信息，因此只要解調出返回信號就可以獲得所要結果。
如果忽略幅度的變化，由單頻連續波雷達發(fā)射的信號可以表示為：
s(t)=Acos(2πfct+φ) (1)
式(1)中，fc是雷達的發(fā)射波頻率，φ為初相，A為振幅。
雷達接收機接收到的目標回波信號sr(t)為：
sr(t)=Ks(t-tr)=KAcos[2πfc(t-tr)+φ] (2)
式(2)中，tr=2R／c為回波信號滯后于發(fā)射信號的時(shí)間：R為目標和雷達之間的距離：c為電磁波傳播速度，在自由空間傳播時(shí)，c等于光速；K為回波的衰減系數。
當目標和雷達之間有相對運動(dòng)時(shí)，距離R隨時(shí)間變化。設目標以勻速相對雷達運動(dòng)，則在t時(shí)刻目標與雷達的距離R月(t)為：
R(t)=R0-vrt (3)
式(3)中，R0為t=0時(shí)的距離，vr為目標相對雷達的徑向運動(dòng)速度。
由于通常雷達和目標間的相對速度vr遠小于電磁波速度c，故時(shí)延tr可近似寫(xiě)為：

多普勒頻率正比于相對運動(dòng)的速度，而反比于工作波長(cháng)λ。當目標以接近雷達的方向運動(dòng)時(shí)，多普勒頻率為正值，接收信號頻率高于發(fā)射信號頻率；當目標以背離雷達的方向運動(dòng)時(shí)，多普勒頻率為負值，接收信號的頻率低于發(fā)射信號的頻率。
生命的特征在于運動(dòng)，如人體呼吸和心跳時(shí)胸腔的運動(dòng)以及人的體動(dòng)等。當電磁波照射到人體時(shí)，反射波會(huì )產(chǎn)生多普勒頻移。根據人的呼吸、心跳和體動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率的特性，可以探測生命體是否存在。
1．2 生命探測雷達回波信號分析
人體生命體征信號(呼吸、心跳和體動(dòng))是一種極微弱的低速目標信號。理論上，人體連續的心臟跳動(dòng)和呼吸會(huì )引起胸腔的起伏運動(dòng)，進(jìn)而會(huì )產(chǎn)生系列多普勒頻移信號，這些信號可以用連續波的形式來(lái)表示。實(shí)際中，由于雷達內部運動(dòng)、人體體動(dòng)等情況，目標回波信號除了包括心跳和呼吸信號外還包括其它連續波分量。將人體簡(jiǎn)化為復合介電常數的球體和圓柱體模型。設人體生命體征運動(dòng)(呼吸和心跳)是頻率為Ω，幅度為A的簡(jiǎn)諧振動(dòng)：
X(t)=Acos(Ωt+φ) (7)
設質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度為：
v(t)=dX／dt=-AΩsin(Ωt+φ) (8)
則雷達發(fā)射信號入射到人體表面產(chǎn)生的多普勒頻移為：
fd(t)=2v(t)／λ=-(2AΩ／λ)sin(Ωt+φ) (9)
式(9)中，λ為雷達發(fā)射信號的波長(cháng)。若設發(fā)射信號為St(t)=Atcos(ωct+θ0)，則經(jīng)過(guò)人體表面反射后的雷達信號為：
Sr(t)=Arcos[ωc(t-tr)]+θ0+kg(t) (10)
式(10)中，為回波信號滯后于發(fā)射信號的時(shí)間；k為常數，用于反映人體振動(dòng)面對雷達發(fā)射信號的相位調制度，且k|g(t)|1。分析可知：
Sr(t)≈Arcos(ωct+θ0)-Arkg(t)sin(ωct+θ0) (11)
Sr(t)經(jīng)過(guò)放大后與相干本振信號sln(ωct+θ0)進(jìn)行相干混頻，再經(jīng)過(guò)低通濾波，即可得出人體生命信號：
a(t)=-(ArGk／λ)X(t) (12)
由式(12)可見(jiàn)，雷達回波信號經(jīng)過(guò)處理后所得的人體生命體征信號a(t)的輸出幅度與雷達的發(fā)射信號Ar、人體振動(dòng)面雷達相位調制度k和雷達系統處理增益G成正比，與雷達發(fā)射信號波長(cháng)λ成反比。
人體的呼吸、心跳信號是一種窄帶、低幅值、準周期信號，易受噪聲和環(huán)境干擾的影響。呼吸頻率的不均勻和胸腔的多點(diǎn)反射導致信號的頻譜有一定展寬。因為回波信號體現了人體呼吸和心跳產(chǎn)生的多普勒頻移，在頻域上出現不同的諧波，可以將心跳和呼吸的回波信號表示成多個(gè)多普勒頻移信號的組合：

式(3)中，ai、fi和φi分別為第i個(gè)諧波分量的幅度、歸一化頻率和初始相位，p是諧波個(gè)數。