基于FPGA的生命探測(cè)儀算法研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

雷達(dá)式非接觸生命探測(cè)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(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(cè)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(cè)儀克服了基于激光、紅外生命探測(cè)儀受溫度影響嚴(yán)重、遇物體阻擋失效的問(wèn)題,也克服了超聲探測(cè)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)?guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［1］。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(cè)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(zhēng)（隔墻監(jiān)控罪犯、解救人質(zhì)）等場(chǎng)合。

1生命探測(cè)儀算法研究

1.1生命探測(cè)雷達(dá)工作原理

生命探測(cè)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(chēng)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(cè)對(duì)象，返回的信號(hào)被調(diào)制而具有被探測(cè)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)果虬

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:

式(1)中，兀是雷達(dá)的發(fā)射波頻率,(P為初相，/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:

式⑵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(t)為:

R(t)=Ro-Vrt(3)

式⑶中,Ro為t=0時(shí)的距離,v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*遠(yuǎn)小于電磁波速度c，故時(shí)延t可近似寫(xiě)為:

回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相比，高頻相位差可表示為:

由于式(5)中的P是時(shí)間t的函數(shù)，故在速度v為常數(shù)時(shí)其產(chǎn)生的頻率差為：

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(zhǎng)兀當(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(cè)生命體是否存在。

1.2生命探測(cè)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(lái)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(jiǎn)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Q,幅度為A的簡(jiǎn)諧振動(dòng):

由式(12)可見(jiàn)，雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)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)&、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(zhǎng)人成反比。

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,和pi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)。

回波信號(hào)除了生命信號(hào)外，還包含有雜波和噪聲等客觀存在的信號(hào)，主要包括地表物體、云雨和人為施放的干擾等。墻壁等固定物體的回波和干擾信號(hào)可以建模成高斯色噪聲，人體的呼吸、心跳信號(hào)可以建模成諧波過(guò)程，因此可假設(shè)接收的回波信號(hào)模型為：

實(shí)際工作中，信號(hào)都是釆樣后的離散信號(hào)，則回波的表達(dá)式為：

本文所述的生命探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)釆用1.5GHz的工作頻率。

根據(jù)正常人的生命體征參數(shù)可以進(jìn)行多普勒頻率的估計(jì)。平靜狀態(tài)下人的心跳頻率大約是60次/分鐘，即1次/秒，心臟跳動(dòng)一次有擴(kuò)和張各一次，每次擴(kuò)張的位移大約D=5mm,則多普勒頻率fd=2vd/A=2(2D/t)/A=0.11Hz；呼吸頻率是20次/分鐘即0.33次/秒，呼吸一次有呼和吸各一次，每次呼吸的位移D=5mm，則多普勒頻率fd=2vd/A=2(2D/t)/Z=0.04Hz:步行的速度約為fd=2vd/X=5Hz。根據(jù)以上推斷，人體心跳和呼吸微動(dòng)的多普勒頻移分別為0.11Hz和0.04Hz；體動(dòng)的多普勒頻率約為5~50Hz，生命信號(hào)歸屬于微弱的低速目標(biāo)多普勒信號(hào)。

本文即采用數(shù)字濾波器在FPGA中進(jìn)行生命信號(hào)的處理，針對(duì)人體呼吸、心跳和體動(dòng)等不同頻率多普勒頻移，設(shè)計(jì)了兩路FIR濾波器完成干擾及雜波的濾除。

2基于FPGA的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

本生命探測(cè)儀采用連續(xù)波雷達(dá)體制，由天線、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、顯示控制平臺(tái)等組成，其中信號(hào)處理機(jī)是生命探測(cè)儀算法實(shí)現(xiàn)的主要部分。信號(hào)處理機(jī)由一塊電路板組成，分別進(jìn)行模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)處理。本設(shè)計(jì)中FPGA芯片主要完成超低速微弱信號(hào)的去噪以及低頻濾波的工作，選用Altera公司的Cyclonem系列的EP3C80F484C7芯片。FPGA器件能夠以高速、實(shí)時(shí)、低成本、高靈活性的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，利用它來(lái)進(jìn)行數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。

圖1所示為本文的信號(hào)處理機(jī)系統(tǒng)功能框圖。圖中，輸入信號(hào)是低頻微弱信號(hào)，為了降低信號(hào)處理板與微波前端的相互影響，在信號(hào)調(diào)理電路中采用一級(jí)電壓跟隨電路，起到緩沖隔離的作用，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換，再送入數(shù)字信號(hào)處理單元。

圖1     信號(hào)處理機(jī)系統(tǒng)功能框圖

3FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA是本系統(tǒng)的核心模塊，承載了全部的數(shù)字元電路設(shè)計(jì)。FPGA完成的功能如下：

（1）為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)序信號(hào)，包括A/D采樣時(shí)鐘、運(yùn)放以及A/D等器件控制信號(hào)；

（2）完成兩路FIR濾波器硬件實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA內(nèi)部模塊主要包括兩個(gè)濾波器、FIFO、串口、控制模塊，圖2所示是FPGA內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)原理圖。

3.1基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)分節(jié)的延時(shí)線，每一節(jié)的輸出加權(quán)累加，得到濾波器的輸出。數(shù)學(xué)上可以表示為［3］：

由此可以得出FIR濾波器的傳遞函數(shù)為:

從濾波器的傳遞函數(shù)可以知道，它是恒穩(wěn)定的，不需要回饋。而且只要加權(quán)系數(shù)h(i)=h(N-1-i)其中，(0<i<N-1),FIR濾波器就具有線性相位。一般而言，常用的FIR濾波器是線性相位的，即濾波器的系數(shù)滿足某種對(duì)稱(chēng)性。于是線性相位濾波器的輸出為：

從濾波器的傳遞函數(shù)可以知道，它是恒穩(wěn)定的，不需要 回饋。而且只要加權(quán)系數(shù)h(i)=h(N- 1 - i)其中，(0<i<N-1), FIR濾波器就具有線性相位。一般而言，常用的FIR濾波器 是線性相位的，即濾波器的系數(shù)滿足某種對(duì)稱(chēng)性。于是線性 相位濾波器的輸出為：

這樣，只需要做N/2(當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)為(N+1)/2)次而不是N次乘法，就可以實(shí)現(xiàn)濾波器的功能，可以大大地節(jié)約硬件資源的消耗，還可以提高速度。

本文采用Matlab的窗函數(shù)方法設(shè)計(jì)并在FPGA上實(shí)現(xiàn)的方案。根據(jù)實(shí)際要求，可以分為有人靜止存在只有呼吸心跳和有人存在并且有體動(dòng)兩種情況。經(jīng)計(jì)算，分別為截止頻率0.5Hz的低通濾波器獲取呼吸心跳信息和通帶頻率1~50Hz的帶通濾波器獲取體動(dòng)信息。我們選擇海明窗作為系數(shù)計(jì)算窗函數(shù),低通濾波器階數(shù)N=412階，帶通濾波器階數(shù)N=168階。然后通過(guò)Matlab中的FIR函數(shù)確定各階系數(shù)，再由FPGA硬件實(shí)現(xiàn)FIR濾波器。由于目前的FPGA器件只能支持定點(diǎn)計(jì)算,從Matlab計(jì)算所得的系數(shù)h是浮點(diǎn)值，需要轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)值,即進(jìn)行系數(shù)量化。為了滿足精度要求，把所有系數(shù)乘以216后再四舍五入即可。

用MATLAB設(shè)計(jì)完成濾波器系數(shù)和結(jié)構(gòu)在具體硬件實(shí)現(xiàn)之前先對(duì)它進(jìn)行濾波的功能仿真。濾波器應(yīng)能使通頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，對(duì)通頻帶外的信號(hào)給予極大地衰減，阻止其通過(guò)。

這里輸入信號(hào)由MATLAB產(chǎn)生，頻率分量分別位于濾波器的通頻帶之內(nèi)和之外。首先驗(yàn)證截止頻率為0.5Hz的400階低通濾波器，它的采樣頻率是250Hz。MATLAB產(chǎn)生幅度為1,頻率分量分別為1Hz、3Hz和10Hz的正弦信號(hào)，把它們相迭加并且加入5dB高斯白噪聲。濾波器的時(shí)域波形和頻域波形如圖3所示。

圖3通頻帶為0~1Hz的低通濾波器時(shí)域與頻域波形對(duì)于通頻帶為1~50Hz的200階帶通濾波器，輸入幅度為1，頻率分量分別為30Hz和60Hz的帶噪正弦信號(hào)，其濾波器輸入輸出的時(shí)域與頻域波形如圖4所示。

圖4     通頻帶1~50Hz帶通濾波器時(shí)域與頻域波形

由圖3和圖4可以看出，兩路濾波器的通頻帶外的信號(hào)都已經(jīng)被濾除地很干凈，并且通頻帶外的噪聲也得到了極大地抑制。由于MATLAB濾波輸出是將輸入數(shù)據(jù)與濾波器系數(shù)直接卷積而得出的，濾波器的輸出相較于輸入有一定的延遲。兩路濾波器的設(shè)計(jì)都滿足系統(tǒng)性能要求規(guī)范。

3.2異步FIFO設(shè)計(jì)

FIFO是一種先入先出的內(nèi)存數(shù)組，其控制邏輯將執(zhí)行所有必要的讀寫(xiě)指針管理，并產(chǎn)生狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)和可選擇的與用戶(hù)邏輯電路接口連接的握手信號(hào)。由于數(shù)據(jù)采樣數(shù)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于串口數(shù)據(jù)傳輸速率，濾波器輸出與串行通信接口之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，這里使用異步FIFO模塊實(shí)現(xiàn)不同時(shí)鐘模塊間的數(shù)據(jù)傳送。圖5所示是異步FIFO時(shí)序仿真波形。

圖5     異步FIFO時(shí)序仿真波形

若寫(xiě)入時(shí)鐘頻率為250Hz，讀出頻率為500Hz。則由圖5可以看出利用Quartus提供IP核即可以完成異步讀寫(xiě)功能,從而實(shí)現(xiàn)不同時(shí)鐘間的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

3.3UART的設(shè)計(jì)

RS-232使用異步通訊協(xié)議。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)的傳輸沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)，接收端必須有某種方式，使之與接收數(shù)據(jù)同步。UART是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，UART允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信。圖6所示是UART模塊的設(shè)計(jì)框圖UART主要包括接收模塊和發(fā)送模塊。接收模塊將FIFO從異步接收輸入信號(hào)SIN接收到的異步信號(hào)通過(guò)接收器完成串行/并行的轉(zhuǎn)換，形成異步數(shù)據(jù)幀；發(fā)送器將CPU發(fā)出的8位數(shù)據(jù)進(jìn)行并行/串行轉(zhuǎn)換，從SOUT發(fā)送出去。

圖6     UART模塊設(shè)計(jì)圖

本文采用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)UART波特率發(fā)生器、接收器和發(fā)送器模塊，并設(shè)計(jì)了一種16位數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。本系統(tǒng)的UART的波特率設(shè)定為19200,數(shù)據(jù)幀格式為1b起始位,8b數(shù)據(jù)位，1b停止位，沒(méi)有奇偶校驗(yàn)位，也即數(shù)據(jù)幀為10b。3.3.1波特率發(fā)生器

波特率發(fā)生器實(shí)際上是一個(gè)分頻器，根據(jù)給定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和要求的波特率算出波特率分頻因子，利用波特率發(fā)生器可以產(chǎn)生任意頻率時(shí)鐘。由設(shè)置的波特率可以算出分頻系數(shù)，具體算法為分頻因子X(jué)=2"#曾。其中m為所用寄存器位數(shù)，Baud為波特率，clk為時(shí)鐘頻率。系統(tǒng)全局時(shí)鐘為40MHz，傳輸波特率為19.2Kb/s?？捎纱耸剿愠龇诸l因子X(jué)=31.5,四舍五入后得X=32,實(shí)際產(chǎn)生的波特率為Baudclk=19193,跟理想的19200波特率誤差為0.04%。

3.3.2串口發(fā)送模塊

串口發(fā)送模塊主要實(shí)現(xiàn)將FIFO輸出的8位并行數(shù)據(jù)封8進(jìn)行串行發(fā)送的功能。發(fā)送時(shí)對(duì)于異步傳輸協(xié)議，不需要同接收端進(jìn)行時(shí)間同步。幀的傳送靠起始位來(lái)同步，起始位低電平，用下降沿沿通知對(duì)方接收方傳輸?shù)拈_(kāi)始，緊跟著是8位數(shù)據(jù)位，傳輸時(shí)低位元在前，高位在后。數(shù)據(jù)位后面是停止位,高電平有效。串口發(fā)送模塊仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7     串口發(fā)送模塊仿真結(jié)果

3.3.3串口接收模塊

串口接收模塊主要實(shí)現(xiàn)將上位機(jī)發(fā)送的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)的功能。接收模塊實(shí)際上是發(fā)送模塊的逆過(guò)程，當(dāng)檢測(cè)到低電平時(shí)，表示有資料到來(lái)。為了確定新數(shù)據(jù)的到來(lái),即檢測(cè)開(kāi)始位，我們使用8倍于波特率的采樣時(shí)鐘對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣，以防止因?yàn)槊痰仍斐慑e(cuò)誤判斷。當(dāng)8位數(shù)據(jù)接收完成后，ready輸出高電平，數(shù)據(jù)輸出有效。串口接收模塊仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8     串口接收模塊仿真結(jié)果

4結(jié)語(yǔ)

本文從理論上研究了雷達(dá)式生命探測(cè)儀的算法，推導(dǎo)出了人體呼吸和運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移范圍，設(shè)計(jì)了生命探測(cè)儀信號(hào)處理板硬件系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了利用FPGA實(shí)現(xiàn)濾波、異步存取以及數(shù)據(jù)收發(fā)和控制。利用FPGA與ARM9的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了生命探測(cè)儀的小型化與便攜化。實(shí)驗(yàn)證明，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的生命探測(cè)儀達(dá)到了隔墻心跳探測(cè)大于4m，人體移動(dòng)大于10m，實(shí)現(xiàn)了較高的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。