基于FPGA的生命探測儀算法研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

0 引言
雷達(dá)式非接觸生命探測技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新技術(shù)，是融合雷達(dá)技術(shù)、生物醫(yī)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(yuǎn)的距離內(nèi)探測到生命體的生命信號(hào)(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(yán)重、遇物體阻擋失效的問題，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、泥土阻擋失效的問題，因此近年來備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。其基本原理是利用雷達(dá)天線發(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(hào)受到人體生理運(yùn)動(dòng)(如心跳、呼吸)引起表面微動(dòng)的多普勒調(diào)制，人體表面微動(dòng)信號(hào)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(duì)回波信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、濾波等處理就可以提取到人體的生命特征信息。
現(xiàn)有設(shè)備多是基于單片機(jī)與PC機(jī)顯控系統(tǒng)，具有系統(tǒng)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(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，上位機(jī)采用基于嵌入式系統(tǒng)的顯示控制單元。該系統(tǒng)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(yīng)用于災(zāi)害救援(地震、塌方傷員的探尋)、反恐斗爭(隔墻監(jiān)控罪犯、解救人質(zhì))等場合。

1 生命探測儀算法研究
1．1 生命探測雷達(dá)工作原理
生命探測雷達(dá)的基本原理是多普勒效應(yīng)。當(dāng)發(fā)射源與接收者之間有相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的信號(hào)頻率將發(fā)生變化，其頻率差別與兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度向量有關(guān)，這種現(xiàn)象被稱為多普勒頻移。多普勒雷達(dá)發(fā)送連續(xù)的電磁波信號(hào)到被探測對(duì)象，返回的信號(hào)被調(diào)制而具有被探測對(duì)象運(yùn)動(dòng)的信息，因此只要解調(diào)出返回信號(hào)就可以獲得所要結(jié)果。
如果忽略幅度的變化，由單頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)可以表示為：
s(t)=Acos(2πfct+φ) (1)
式(1)中，fc是雷達(dá)的發(fā)射波頻率，φ為初相，A為振幅。
雷達(dá)接收機(jī)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)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(hào)滯后于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間：R為目標(biāo)和雷達(dá)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(shù)。
當(dāng)目標(biāo)和雷達(dá)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，距離R隨時(shí)間變化。設(shè)目標(biāo)以勻速相對(duì)雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，則在t時(shí)刻目標(biāo)與雷達(dá)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(biāo)相對(duì)雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)速度。
由于通常雷達(dá)和目標(biāo)間的相對(duì)速度vr遠(yuǎn)小于電磁波速度c，故時(shí)延tr可近似寫為：

多普勒頻率正比于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度，而反比于工作波長λ。當(dāng)目標(biāo)以接近雷達(dá)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率為正值，接收信號(hào)頻率高于發(fā)射信號(hào)頻率；當(dāng)目標(biāo)以背離雷達(dá)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率為負(fù)值，接收信號(hào)的頻率低于發(fā)射信號(hào)的頻率。
生命的特征在于運(yùn)動(dòng)，如人體呼吸和心跳時(shí)胸腔的運(yùn)動(dòng)以及人的體動(dòng)等。當(dāng)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(jù)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(dá)回波信號(hào)分析
人體生命體征信號(hào)(呼吸、心跳和體動(dòng))是一種極微弱的低速目標(biāo)信號(hào)。理論上，人體連續(xù)的心臟跳動(dòng)和呼吸會(huì)引起胸腔的起伏運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生系列多普勒頻移信號(hào)，這些信號(hào)可以用連續(xù)波的形式來表示。實(shí)際中，由于雷達(dá)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)、人體體動(dòng)等情況，目標(biāo)回波信號(hào)除了包括心跳和呼吸信號(hào)外還包括其它連續(xù)波分量。將人體簡化為復(fù)合介電常數(shù)的球體和圓柱體模型。設(shè)人體生命體征運(yùn)動(dòng)(呼吸和心跳)是頻率為Ω，幅度為A的簡諧振動(dòng)：
X(t)=Acos(Ωt+φ) (7)
設(shè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度為：
v(t)=dX／dt=-AΩsin(Ωt+φ) (8)
則雷達(dá)發(fā)射信號(hào)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(dá)發(fā)射信號(hào)的波長。若設(shè)發(fā)射信號(hào)為St(t)=Atcos(ωct+θ0)，則經(jīng)過人體表面反射后的雷達(dá)信號(hào)為：
Sr(t)=Arcos[ωc(t-tr)]+θ0+kg(t) (10)
式(10)中，為回波信號(hào)滯后于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間；k為常數(shù)，用于反映人體振動(dòng)面對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的相位調(diào)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)過放大后與相干本振信號(hào)sln(ωct+θ0)進(jìn)行相干混頻，再經(jīng)過低通濾波，即可得出人體生命信號(hào)：
a(t)=-(ArGk／λ)X(t) (12)
由式(12)可見，雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過處理后所得的人體生命體征信號(hào)a(t)的輸出幅度與雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)Ar、人體振動(dòng)面雷達(dá)相位調(diào)制度k和雷達(dá)系統(tǒng)處理增益G成正比，與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波長λ成反比。
人體的呼吸、心跳信號(hào)是一種窄帶、低幅值、準(zhǔn)周期信號(hào)，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(dǎo)致信號(hào)的頻譜有一定展寬。因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)體現(xiàn)了人體呼吸和心跳產(chǎn)生的多普勒頻移，在頻域上出現(xiàn)不同的諧波，可以將心跳和呼吸的回波信號(hào)表示成多個(gè)多普勒頻移信號(hào)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(shù)。