Silicon Radar: о дистанционном измерении дыхания и пульса

№ 3’2017
PDF версия
Задача дистанционного измерения пульса актуальна как для медицинских целей, так и для идентификации живых объектов с помощью робототехники. В статье представлено решение этой задачи с использованием демонстрационного комплекта SiRad Easy компании Silicon Radar [1] и приемопередатчика TRX_120_001 [2] в его составе, который работает не только в нелицензируемом в РФ диапазоне ISM 122–123 ГГц, но и за его пределами.

Принцип работы

Принцип работы ЛЧМ-радара основан на линейной модуляции зондирующего сигнала. Поскольку отраженный от объекта сигнал запаздывает на время, прямо пропорциональное расстоянию до этого объекта, ПЧ разностного сигнала, который получается смешиванием зондирующего и отраженного сигналов, также пропорциональна расстоянию до объекта. Эти соотношения выражаются формулой:

FПЧ = 2•BW•R/(T•c), (1)

где FПЧ — промежуточная частота, Гц, BW — полоса модуляции сигнала ЛЧМ, Гц, T — длительность сигнала ЛЧМ, с, R — расстояние до объекта, м, c — скорость света, м/с.

Далее ПЧ оцифровывается АЦП и переносится в частотную область с помощью БПФ. Алгоритм БПФ, используемый для обработки сигналов, широко описан в литературе, например в  [3]. Учитывая, что оцифровка сигнала производится за время свипа Т, минимальная ПЧ, определяемая с помощью БПФ, равна 1/T. Поскольку отсчеты БПФ кратны этой частоте, она также определяет точность, с которой определяется ПЧ в амплитудном спектре. Таким образом, ей соответствует минимальная дальность, определяемая с помощью БПФ, а также точность, с которой определяется расстояние до объекта. При подстановке FПЧ = 1/T формула (1) принимает вид:

1 = BW•2•RР/c, (2)

или RР = c/2•BW, (2a)

или FПЧ_Р = 2•BW/c, (2б)

где RР — точность по расстоянию, м, FПЧ_Р — точность БПФ по частоте, Гц.

Таким образом, точность по расстоянию в амплитудном спектре зависит лишь от скорости света и ширины полосы модуляции, и, что важно, не зависит от времени свипа. Подставив в формулу (2а) BW = 7300 МГц, получим: RР = 3•108/2•7,3•109 = 3/146 = 0,02054 м, или 20,54 мм.

Количество отсчетов БПФ за время Т определяет требуемую частоту дискретизации АЦП и максимальную дальность, определяемую БПФ.

RМАКС = RР•N/2, (3)

где N — количество отсчетов в выборке (для БПФ кратно степени 2), RМАКС — максимальная дальность, определяемая БПФ, м.

FАЦП = (N‑1)/TВ, (4)

где FАЦП — требуемая частота дискретизации АЦП, Гц, TВ — время сбора данных, с.

Поскольку на практике требуемая частота дискретизации не всегда реализуема, длительность ЛЧМ-сигнала, как правило, несколько превышает время оцифровки.

Для 128 отсчетов формула (3) даст нам: RМАКС = 0,02054•128/2= = 1,31456 м.

Точность по расстоянию в амплитудном спектре 20,54 мм не является достаточной для решения нашей задачи. Тем не менее, как покажет эксперимент, учет набега фазы обеспечит субмиллиметровую точность. Поскольку радар фактически измеряет расстояние до грудной клетки, которое меняется под воздействием дыхания и пульса, человек при измерении должен быть неподвижен.

 

Конфигурация комплекта SiRad Easy и сбор данных

Комплект SiRad Easy [4] компании Silicon Radar работает с 24‑ и 122‑ГГц модулями. Первый выполнен на основе приемопередатчика TRX_024_007, второй — TRX_120_001. Этот комплект довольно подробно описан в [5], как и его модификация SiRad Simple. Внешний вид SiRad Easy со 122‑ГГц модулем показан на рис. 1. Пластиковая линза, используемая для фокусирования сигнала, позволяет получить диаграмму направленности 5°, что на расстоянии в 80 см соответствует области диаметром около 7 см. Мы будем получать «сырые» данные с АЦП модуля через COM-порт с помощью программы Realterm [6], а их обработку проводить на ПК позже с помощью LabView.

Демонстрационный комплект SiRad Easy с модулем 122 ГГц

Рис. 1. Демонстрационный комплект SiRad Easy с модулем 122 ГГц

Частота сердечного пульса в норме, как правило, составляет 60–90 ударов в минуту, или примерно один–полтора раза в секунду. Соответственно, для его достоверного определения требуется, чтобы частота съема данных составила около 10–15 раз в секунду. Несмотря на большую полосу, длительность свипа двух каналов I/Q по 512 точек у модуля равна всего 207–2869 мкс. К сожалению, скорость считывания данных через COM-порт невысока, фиксирована и составляет всего
230 400 бод [7]. Принимаемые программой RealTerm данные показаны на рис. 2. Для передачи одного отсчета АЦП используются пять байтов. Соответственно, выборка данных из 1024 отсчетов (два канала по 512 отсчетов АЦП) передается примерно за 1024•5 байтов•8 (бит/байт)/230 400 бод = 0,18 с, что означает около пяти реализаций в секунду.

Пакет данных, принятый программой RealTerm

Рис. 2. Пакет данных, принятый программой RealTerm

Поскольку на практике эта цифра меньше и составляет около четырех реализаций, что неприемлемо для рассматриваемой задачи, мы уменьшим количество точек по двум каналам в четыре раза до 128, что увеличит скорость получаемых данных примерно до 15,3 реализаций в секунду (920 реализаций в минуту). Дальность работы радара при этом составит 1,024 м, а скорость свипа — 717 мкс. Эти параметры рассчитываются радарным модулем и высылаются по COM-порту перед данными.

Заметим, что в таком режиме работы за секунду радар излучает всего лишь 717 мкс•15,3 Гц = 10 970 мкс/с, т. е. его скважность составляет около 91. В сочетании с невысокой излучаемой мощностью в районе –7…1 дБм [2], которая подводится к антенне TRX_120_001, можно утверждать, что средняя излучаемая мощность на человека не превысит 10 мкВт или –20 дБм.

Режим работы комплекта конфигурируется текстовыми командами через COM-порт. Выбранную конфигурацию зададим с помощью командных строк !S00112A00 & !BB0347016, используя служебную программу на LabView. При этом модуль высылает в ответ свои текущие параметры: начальную и конечную частоты свипа, максимальную дистанцию, время и полосу свипа (рис. 3). Поскольку мы используем «сырые» данные АЦП, параметр Resolution не является актуальным. На двух диаграммах в центре рис. 3 показаны сигналы I/Q с АЦП, что позволяет оценить качество сигнала и отсутствие его ограничения со стороны АЦП. На диаграммах справа показаны амплитудный и фазовый спектр по каналам I/Q. Отметим, что «0» шкалы амплитудного спектра сдвинут на 30 отсчетов; таким образом, у нас оба максимума находятся на 40‑м отсчете БПФ, что соответствует дальности 80 см. Почти точное попадание частоты ПЧ в 40‑й отсчет БПФ видно также по равенству амплитуд смежных отсчетов (39 и 41).

Окно вспомогательной программы

Рис. 3. Окно вспомогательной программы

Теперь мы можем получать данные с АЦП «по запросу». При посылке команды !N (три раза) модуль в ответ выдает нам строки конфигурации и данные.

Для получения непрерывного потока данных сначала сконфигурируем Realterm для записи в данных в файл во вкладке Capture, затем пошлем команду !S00112A02. Радарный модуль начнет выдавать данные непрерывно, а программа RealTerm — сохранять их на диск. Для остановки выдачи данных и перевода модуля обратно режим «по запросу» пошлем команду !S00112A00. Данные в файле доступны для дальнейшей обработки (рис. 4). В начале пакета данных стоит маркер M0100, который означает размер передаваемой выборки в шестнадцатеричном формате. В данном случае 0100 (HEX) = 256 (DEC). Данные разделяются символом «/», каналы I/Q чередуются. Завершаются данные символом «|».

Массив данных с радарного модуля

Рис. 4. Массив данных с радарного модуля

 

О стабильности фазы

Оценим стабильность фазы при сильном отраженном сигнале на расстоянии 80 см от модуля. В качестве отражающего объекта используем треугольный уголковый отражатель, изготовленный из фольгированного стеклотекстолита. Сторона ребра отражателя — 11 см, ЭПР = 101,56 м2 на частоте 122 ГГц. Выборка фазы по каналам I/Q, снятая за 30 с, представлена на рис. 5. Девиация фазы в градусах на разном расстоянии, снятая по каналам I/Q, показана в таблице.

Таблица. Девиация фазы на разном расстоянии, снятая по каналам I/Q

Расстояние, м

Девиация фазы, °

Мин.

Макс.

0,2

0,67

0,88

0,4

1,06

1,47

0,8

1,67

3,19

2,6

4,48

5,35

 
Видно, что при увеличении расстояния девиация возрастает из-за увеличения задержки между излучаемым и отраженным сигналами и накоплением нестабильностей генератора.
 
Фаза по каналам I/Q при отражении от уголкового отражателя

Рис. 5. Фаза по каналам I/Q при отражении от уголкового отражателя

Как уже упоминалось, точность по расстоянию при использовании БПФ и полосе ЛЧМ 7300 МГц составляет 20,54 мм. Оценим число фазовых набегов между соседними отсчетами БПФ. Для этого проведем простой эксперимент, по возможности плавно сдвигая уголковый отражатель по линейке на 20,5 мм по направлению к модулю два раза и затем возвращая его на исходные позиции. Результат опыта показан на рис. 6. На нижнем графике показан фазовый набег в градусах по каналам I/Q, полученный с помощью функции Phase_Unwrap LabView. Видно, что он практически одинаковый в начале и конце эксперимента. На верхней диаграмме белой линией показан максимум амплитудного спектра, а красной и зеленой линиями — его соседние отсчеты. Их равенство внизу графика означает точное попадание ПЧ в отсчет БПФ, амплитуда которого показана белой линией. Их равенство в средней части графика, которое совпадает с минимумом белой линии, означает, что ПЧ находится точно между двумя соседними отсчетами БПФ.

Амплитудный спектр и набег фазы при смещении уголкового отражателя

Рис. 6. Амплитудный спектр и набег фазы при смещении уголкового отражателя

Фазовый набег при смещении уголкового отражателя на 20,5 мм с учетом погрешности эксперимента находится в диа­пазоне 4500–5500°, т. е. составляет как минимум 12 вращений фазы по 360° между соседними отсчетами БПФ. Теперь можно пересчитать девиацию фазы из таблицы для расстояния 80 см и погрешность по дальности: 3,19°•20 мм/(12•360°) = 0,015 мм.

Таким образом, учет фазового набега позволяет определить погрешность измерения как ±30 мкм с вероятностью 95% на расстоянии до одиночного объекта 80 см. Заметим, что для корректного расчета фазового набега изменение фазы от точки к точке не должно превышать 180°, иначе будет накапливаться ошибка. Таким образом, при заданных параметрах скорость движения объекта должна быть меньше 20 мм/(12• (360/180)/15 Гц) = 12,5 мм/с.

 

Измерение дыхания и пульса

Наблюдение за дыханием не представляет собой большой сложности. На рис. 7 показан фазовый набег по каналам I/Q за 40 с при отражении сигнала от живота. Отчетливо видны два вдоха и выдоха, минимумы на графике соответствуют вдоху. Амплитудный спектр не приводится, т. к. он сильно изрезан и неинформативен. Заметим, что красная и белая линии в конце графика довольно-таки существенно расходятся, что говорит о накоплении ошибок в фазовых набегах по каналам I/Q. Ошибку можно сократить, увеличив скорость съема данных и используя более совершенные алгоритмы их обработки. Тем не менее, даже сейчас можно легко измерить такие параметры, как частоту дыхания, время вдоха, выдоха и паузы и их глубину. Так, длительность паузы здесь составляет: ((345–125)/920)•60 с = 14,34 с, а интервал между вдохами: ((380–65)/920)•60 с = 20,54 с.

Набег фазы при двух дыхательных циклах при отражении от области живота

Рис. 7. Набег фазы при двух дыхательных циклах при отражении от области живота

Измерение пульса представляет собой более сложную, но, тем не менее, решаемую задачу.

На рис. 8 показан амплитудный спектр и фазовый набег при отражении сигнала от области горла. Интересно, что здесь пульс четко прослеживается лишь в боковой составляющей амплитудного спектра, которая изображена красной линией.

Амплитудный спектр и набег фазы при отражении от области горла

Рис. 8. Амплитудный спектр и набег фазы при отражении от области горла

Наилучшие результаты получены при отражении сигнала от центра грудины перпендикулярно ее поверхности при задержке дыхания (рис. 9). Пульс четко прослеживается как на нижней диаграмме по фазовому набегу, так и на верхней по белой линии, которая показывает значение максимума в амплитудном спектре. 21 удар пульса укладывается в 293 временных отсчета за время выборки t, что определяет частоту: 21 удар/t• (920 отсчет/мин/293 отсчет/t) = 65,9 ударов/мин.

Амплитудный спектр и набег фазы при отражении от центра грудины

Рис. 9. Амплитудный спектр и набег фазы при отражении от центра грудины

Заметим, что при потенциальной скорости съема 100 реализаций/с частоту сердечных сокращений можно измерять при получении достоверных данных лишь о 2–3 ударах пульса.

Мы рассмотрели возможность дистанционного измерения дыхания и пульса с помощью отладочного комплекта SiRad Easy на основе микросхемы TRX_120_001. Наилучшие результаты измерения дыхания получены при отражении от живота, пульсовая волна при этом практически не прослеживается.

Измерение пульса значительно сложнее. Для него требуется: точное позиционирование датчика, фиксированное положение тела, его расслабление и задержка дыхания. Наилучшие результаты измерения пульса получены при перпендикулярном падении луча в центр грудины. Установлено, что в ряде случаев пульс лучше отслеживается и в амплитудном спектре, что, по всей видимости, вызвано изменением отражающей способности при кровенаполнении.

Актуальными задачами в этом направлении являются: точное решение задачи позиционирования (возможно, с подстройкой по углу или многолучевым приемом); увеличение дальности и скорости съема данных; выделение пульса на фоне дыхания; применение более сложных алгоритмов обработки данных для получения более достоверных и быстрых результатов.

Для увеличения отражающей способности от живых объектов можно использовать металлическую метку или одежду с частичной металлизацией, что позволит увеличить дальность действия или фиксировать движение более мелких объектов, например сокращение мышц.

Помимо ЛЧМ, 122‑ГГц радарные модули SiRad Easy и SiRad Simple можно также использовать в допплеровском режиме или режиме частотной манипуляции. Заметим также, что обе микросхемы компании Silicon Radar TRX_120_001 и TRX_120_002 выпускаются серийно и потому вполне доступны для самостоятельного применения.

Литература
  1. www.siliconradar.com.
  2. www.siliconradar.com/datasheets/160721_Datenblatt_TRX_120G.pdf /ссылка утеряна/
  3. www.analog.com/en/education/education-library/mixed_signal_dsp_design_book.html.
  4.  www.siliconradar.com/datasheets/UserGuide_EasyRadar.pdf /ссылка утеряна/
  5.  Константин Горбатов. Знакомство с компанией Silicon Radar. Компоненты и технологии. 2017. № 5.
  6. https://realterm.sourceforge.io.
  7.  www.siliconradar.com/datasheets/160627_short_desc_protocol.pdf /ссылка утеряна/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.