基于微波传感器的非接触式人体体征监测系统设计

本文基于微波探测的原理与方法，建立了人体的心跳和呼吸两个主要生命体征与微波雷达传感器信号之间的科学联系，设计了一种基于微波传感器的人体体征监测系统，能够对人体进行非接触式人体生命体征测量，对于诸如无法接触式监测的严重烧伤病人、地震灾害时瓦砾下掩埋的生还者等，提供连续、实时的高效监测。

微波雷达传感器在物体距离、大小的检测中可以提供厘米甚至毫米级别的精度，并能够捕捉微弱的振动或颤动，成为人类生命体征信号，如呼吸、心跳等的理想且先进的传感技术[1] [2] [3] [4]。值得一提的是，由于微波能够穿透一定厚度的人体衣物或人造预制水泥板等，微波雷达传感器能够实现非接触式的连续呼吸和心跳的测量与监控，对于医生、搜救人员和患者、遇难者而言，都比较方便。随着半导体技术的发展，微波雷达传感器芯片技术越来越成熟，国产化程度也越来越高，但大多集中在智能楼宇照明、智能交通等通用领域。最近几年，24 GHz、60 GHz 以及77 GHz 高度集成雷达芯片的相关应用越来越多，如小米米家的毫米波雷达人体存在传感器等产品，但只局限于人体的存在状态，如有无、动静的监控。更精密地应用于临床医护、灾区搜救的人体生命体征非接触式监测的微波传感器技术，还有待进一步的研究与开发[1]-[10]。

本设计旨在利用微波雷达传感器，进行非接触式人体生命体征监测技术的研究。将该技术应用在一些特殊情况，如无法接触式心律监控的严重烧伤病人、地震灾害时瓦砾下掩埋的生还者等的生命探测等情境中，能够可靠、持续地进行非接触式人体生命体征的探测。

2. 工作原理 2.1. 微波特性分析 微波受物质的影响能力，是由物质的介质损耗因数决定的。介质损耗因数大，则物质的吸收能力就强，与之相反，介质损耗因数小，那么它的吸收微波的能力也就弱。不同物质的损耗因数是不一样的， 水分子属于极性分子，其介电常数比较大，介质损耗因数也大，所以对微波表现出较强的吸收能力。但是碳水化合物、蛋白质等的介电常数比较小，所以对微波的吸收能力与水相比就小得多。对于人体衣物或人造预制板(水泥板、瓦砾等)等，由于其非有机物的特性，使该类物质水分子含量少，其机制损耗因数较小，因而微波能够以损耗较少功率的代价，进入介质内部，或穿透介质[5] [6] [7]。

本文基于微波的这种穿透特性，设计一种微波雷达传感器，能够穿透人体衣物或人造预制板等，实现非接触式人体呼吸、心跳的实时监测。

2.2. 雷达工作原理 微波雷达传感器通常工作于两种工作体制，连续波体制和脉冲体制。基于人体心跳和呼吸的微动特征， 连续波体制的多普勒雷达能够实现该类微动的速度和幅度的探测。

由于并非是同时对多个目标监测，