專利名稱：探測活的物體的生命功能的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種探測活的物體所具有的生命功能(vitalfunk-tion)的裝置，特別是用于探測活著的人體的生命功能，采用電磁波信號及其接收裝置，該裝置包括從電磁波信號中獲取活體的特性頻率組分的裝置，本發(fā)明還涉及根據(jù)接收的電磁波信號探測活體，尤其是人體所具有的生命功能的方法，以及該裝置和/或方法的應用。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，活的物體以及活著的人的軀體通過其重要的生命功能，即通過心跳以及呼吸，可對高頻電磁波信號產(chǎn)生不可估量的影響。
一般來說，這種生命功能具有公知的頻率范圍，例如人體，心率允許范圍為0.5-3.4Hz，一般在1-2Hz范圍內(nèi)，呼吸范圍為0.1-1.5Hz，從而確定了特性頻率間隔。當人位于接收區(qū)內(nèi)時，接收和記錄電磁波信號過程中，可觀察到這些頻率間隔。此外依據(jù)接收和加工的信號可以確定已定方位的人數(shù)。這里體現(xiàn)了生物學多樣性和特殊性的原理的應用，在此基礎上，可以區(qū)分出不同人的心率和呼吸頻率模式。但是從四個人起，各人的頻率的疊加使每人的頻率模式難于區(qū)分出來。也就是說，從這個人數(shù)開始，只能這樣說“至少具有四個人在場?！痹诟鞣N情況下，從0.01到10Hz的頻率范圍包括了所有人體可能的生命功能的頻率。
值得注意的認識是，在沒有發(fā)射功率的情況下，一個接收裝置與一個獲得活著的物體特性頻率組分的裝置共同作用能夠得到所希望的生命功能的證明。
這也就是說，至少在該接收器附近的一個活著的物體提供了在上述頻率范圍內(nèi)的信號組分，而不必進行具有載波信號(Traegersig-nal)的輻射。
本發(fā)明人采用電磁波信號接收器和獲取活著的物體的特性頻率組分的裝置能夠可靠地檢測出3米以遠或一層樓層的距離外所存在的活著的物體，而無需附加輻射信號。
在本發(fā)明的一個簡化的實施例中，采用下面將描述的直接檢波器足以實現(xiàn)對活體特性頻率組分的接收，該直接檢波器是一種二極管直接接收器。
之后人們使用附加的發(fā)射機照射檢測區(qū)域，接收反射的、傳輸?shù)幕蚴芸卣{(diào)節(jié)的射線，對上述的頻率組分的研究證實了要監(jiān)視的生命功能的存在。
出于監(jiān)控和安全的考慮，為了能夠在一定的距離還能接收到電磁射線，應采用電磁射線的頻率范圍是幾百MHz到10GHz，這一頻率范圍保證了高的滲入深度。
這些射線經(jīng)過調(diào)相，使高頻載波信號附加幾個Hz偏移的邊帶。這樣的話，對這樣彼此相鄰很近的頻帶的證明需要采用傳統(tǒng)接收技術(shù)的偏差小于10-12的短時穩(wěn)定振蕩器，這是至今認為難以實現(xiàn)的，花費過大。對于一般的采用很小的接收信號功率的情況，這個問題變得更為突出和尖銳化了。
下面將說明在從屬權(quán)利要求中所體現(xiàn)的實施例的優(yōu)越之處。
首先，顯然可以采用已知的調(diào)相器來接收電磁波信號。例如常規(guī)的零差法、外差法、鎖相環(huán)路法以及對一局部振蕩回路的側(cè)向激勵的方法。但是可以肯定，這些已有方法中沒有一個能夠以合理的成本提供所希望的結(jié)果。只有采用直接檢波器才能得到所需的效果，它可對調(diào)制的頻率直接進行分頻。因此，本發(fā)明對于已有接收方法進行了改進，并且未增加相應設備的投資。
采用具有非線性電流/電壓特性曲線的元件作為分頻元件，可以即經(jīng)濟又可靠地對感興趣的頻率成分實現(xiàn)檢波(demodulation)。這種非線性元件可以是一個二極管，一個雙極性晶體管或一個場效應晶體管，均可取得令人滿意的效果。
這些器件不僅價廉，而且便于應用，這些器件的最佳工作區(qū)為100KHz-200MHz，在高接收頻率的情況下，可在檢波器前面串聯(lián)一個頻率變換裝置。雖然這個變頻裝置在該信號產(chǎn)生時間區(qū)域內(nèi)導致可容許的失真，不過只疊加了極小的附加噪聲。
采用一個以固定頻率發(fā)射電磁載波信號的發(fā)射裝置能夠提高要接收的信號；但最大的注意力應放在載波頻率的穩(wěn)定性上，以便將感興趣的頻率范圍內(nèi)的不希望的檢波排除在外。一個具有高品質(zhì)因數(shù)的振蕩回路的簡單的石英晶體穩(wěn)定的模擬發(fā)射電路在經(jīng)歷了足夠長的過程穩(wěn)定化時間后顯示出可作為合適的振蕩器使用。
本發(fā)明的方法和本發(fā)明的裝置適用于目標監(jiān)視和/或安全系統(tǒng)。在下面的實施例說明中將介紹穩(wěn)定的監(jiān)控裝置。
采用不同于高頻數(shù)字濾波器的模擬掃描濾波器(Abtastfilter)絕對不會提供不利的附加的頻率成分。其主要的作用是保持信號的質(zhì)量。不希望出現(xiàn)的附加的信號成分(例如噪聲和疊加的干擾)將通過在掃描之前和在模/數(shù)變換之前限制電磁波信號的帶寬的高頻上限加以抑制。
還有一點很重要，應采用一個模擬高通濾波器，以阻止發(fā)射振蕩器和內(nèi)部組件中的與頻率有關的1/f噪聲的低頻成分。
本發(fā)明的裝置及本發(fā)明的方法具有意料之外的優(yōu)越特性，可適用于許多領域。
例如在司法執(zhí)行和精神病院中，利用本發(fā)明裝置可監(jiān)視可能有危險的人，而無需特護人員的連續(xù)監(jiān)視。
本發(fā)明將根據(jù)附圖和各實施例得到進一步詳細說明。


圖1本發(fā)明裝置的實施例的主要部分的示意圖；圖2本發(fā)明裝置的一個簡化實施例的核心部分的示意圖；圖3計算程序的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4和4a信號處理步驟的流程圖；圖5和6采用本發(fā)明裝置獲取的包含活著的人體生命功能頻譜的電磁波信號的光譜曲線；圖7沒有串接變換器的一個二極管直接接收電路；圖8a一模擬高通濾波器和一作為低通的去假頻濾波器構(gòu)成的電路的電路圖；圖8b電壓對稱電路的電路圖9本發(fā)明生命功能監(jiān)視儀第一實施例側(cè)視圖；圖10圖9所示的本發(fā)明實施例的頂端從下面看的視圖；圖11用于固定點安裝的本發(fā)明的第二實施例的側(cè)視圖；圖12沿圖11的本發(fā)明第二實施例的切線A-A的剖面視圖；圖13用于室內(nèi)監(jiān)視的本發(fā)明的第三實施例；圖14圖13所示裝置的另一變型，用于監(jiān)視具有多層的樓房；圖15用于房間和/或建筑物監(jiān)視的又一種變型裝置；圖16用于房間和建筑物前部區(qū)域監(jiān)視的又一變型裝置。
下面將根據(jù)各實施例詳細說明本發(fā)明。
圖1所示的裝置具有一發(fā)射機1和一發(fā)射天線2，它以固定頻率發(fā)射，頻率范圍最好幾百MHz-10GHz范圍內(nèi)。
發(fā)射天線2最好是瓣狀的，具有固定的方位特性。根據(jù)本發(fā)明的這個實施例，發(fā)射機1和發(fā)射天線2可以制成便攜式裝置或固定安裝。
用標號3代表的整個部分是接收器，在圖2所示的簡化實施例中，它包括接收天線4，連接到一個直接檢波器5上，該檢波器從所接收的電磁波信號中檢波出包含活體生命功能特性的頻譜。這一檢波可以是相位檢波或頻率檢波，在其輸出端得到所希望的頻率成分。
圖7中展示了一種直接檢波器的實施例，不過這里也可采用公知的整流電橋式電路結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一電壓倍壓或電壓四倍壓有效信號。
在接收器3中，檢波器5的前面串接一個頻率變換器6，它對在大約200MHz到THz頻率范圍內(nèi)接收的信號變換到一定的頻率范圍，提高了檢波器5的接收功率。在采用二極管、雙極性或場效應晶體管時，上述適當?shù)?、向下變換的最佳工作區(qū)域為大約100KHz-200MHz。
接在直接檢波器之后的是一個濾波器7，負責濾出不希望要的信號成分，它限制掃描之前(模/數(shù)變換之前)的電磁波信號的帶寬頻率高限，這個濾波器7也限制了帶寬頻率低限。接在濾波器7之后的放大器8提高接收信號的電壓或電流，并且放大后的信號輸向模/數(shù)變換器9進行變換。
經(jīng)過模/數(shù)變換之后，含有活體特性頻率成分的信息由一個計算機10進行頻譜分析處理，并顯示該頻譜圖。計算機提供活體特性頻率成分的強度，并說明已探測的人體的生命功能的存在。
關于對該信號的時間分析，是將該數(shù)字信號與接收機3的反向傳遞函數(shù)進行折疊而對該信號進行修正。
因為該信號的可靠的檢測非常困難，所以在下面將結(jié)合二極管直接接收器描述帶有非線性元件的直接接收器。
二極管直接接收器反射的信號是經(jīng)過調(diào)相或頻率調(diào)制的。這種調(diào)制采用一般的FM(調(diào)頻)和PM(調(diào)相)接收技術(shù)是不可能完成或非常困難的。要精確檢出一個具有0.2Hz的調(diào)相信號(例如在10GHz的情況下，為0.2±0.02Hz)，短時穩(wěn)態(tài)的同步振蕩器所具有的偏差必須小于10-12。這種要求到目前為止似乎在技術(shù)上尚未達到。
因此人們嘗試一條出路，直接檢測接收信號的調(diào)制。
例如采用具有在大范圍內(nèi)平方的(quadratisch)特性典線的器件；這些器件包括場效應晶體管，具有指數(shù)的特性曲線的器件(這些器件的特性曲線可以部分地用平方曲線來近似)，二極管和晶體管。如果兩個頻率之和作為附加的接收電壓，則會產(chǎn)生高次項。
如果存在一個平方項，除整流電流外，會產(chǎn)生差頻。為了將由被檢測人體反射的調(diào)相信號檢波，可以采用新的方式接入一個常規(guī)的整流裝置，盡管對頻率比的要求有所提高。
這個調(diào)相信號疊加到非線性特性曲線上，產(chǎn)生正比于調(diào)相頻率Ω和其倍頻k*Ω的電流。雖然這個調(diào)制曲線的形式根據(jù)檢波原理并未保持不變，然而可以確信，本發(fā)明的大部分應用中曲線的變化是可以允許的，因為已足以能夠檢出調(diào)制信號。
在直接檢測過程中，信噪比確定了靈敏度極限。距離為3米，所用振蕩器功率大約為5mW時，對于呼吸頻率的信噪比超過46分貝，對于心率的為26分貝。
假定由心臟發(fā)出球面波，發(fā)射和接收功率之間的關系與距離的二次冪成反比。呼吸頻率UA與噪聲UN或心率UH與噪聲的幅值之比按上述關系可估算在發(fā)射功率為1瓦時，關于心跳的接收極限距離約為50米，關于呼吸的接收極限距離為160米。
具有高增益和輕微噪聲成分的天線在本發(fā)明的實施方案中可以相應地提高上述數(shù)值。
關于飽和電流I0和溫壓的理想二極管是硅功率二極管1N4004，作為整流器，這種二極管由于其較大的阻擋層電容只適用在高頻。接著是小信號硅二極管1N4148，之后是硅肖特基二極管BAT46以及兩個鍺二極管AA116和AA144。
一個二極管直接接收器分別調(diào)節(jié)到440MHz，1.3GHz，2.4GHz，5.6GHz和10GHz。有二極管直接接收機的接收天線構(gòu)成上述5個頻率中的4個440MHz半波偶極子V＝0.940，Z＝60.5Ω，BAT461.3GHz半波偶極子V＝0.906，Z＝57.4Ω，BAT462.4GHz半波偶極子V＝0.940，Z＝60.5Ω，BAT465.6GHz整波長—三角形面積偶極子V＝0.73，Z＝140Ω，BAT46在這些接收器中，相對于2.4GHz接收器的靈敏度已大大下降，而在10GHz的情況下，不能檢出任何可用的電壓，于是干脆不用10GHz的二極管直接接收器。因此，可用的二極管在高頻時不再具有可用的整流效應。
由于本發(fā)明的信號從專家角度是分級具有測量極限的，因此對于所使用的天線類型應給予足夠重視。
天線天線的正向-反向比必須盡可能的大些，以便拒絕接收與主入射方向相反的信號?；诖它c，旁瓣也必須最小化，總的波瓣圖應具有盡可能緊湊的主瓣，而且沒有旁瓣。
在本發(fā)明中，天線的輸入阻抗能夠和應該與實阻抗或復阻抗相匹配，這樣在發(fā)射時可以實現(xiàn)功率匹配，而在接收時可以實現(xiàn)噪聲匹配。依靠天線的結(jié)構(gòu)形式不可能同時滿足上述要求。
可用的天線是端射天線，因為相比較而言同等規(guī)格的背射天線總是具有極差的正向-反向比，因為波導結(jié)構(gòu)必須沿反向被激勵。該天線應該是盡可能寬帶式的，無需再進行補償。對數(shù)周期性結(jié)構(gòu)是公知的具有十分出色的正向-反向比的寬帶式天線。根據(jù)波導結(jié)構(gòu)的對數(shù)級，既可實現(xiàn)帶寬性，又可實現(xiàn)輸出定向性。與同等規(guī)格的諧振天線相比，其結(jié)果不同，增益較小，一般不會對本發(fā)明的應用產(chǎn)生干擾。
可以用多圓錐面天線代替旋轉(zhuǎn)拋物面天線，因為拋物面的結(jié)構(gòu)的小于1/10個波長的偏差并沒有對天線的性能產(chǎn)生不良的影響。拋物面的偏差即使為1/5個波長，增益損失也在2分貝以下，因此在大部分情況下，這一損失可忽略不計。
可以用易于實現(xiàn)的多圓錐反射器取代拋物面反射器結(jié)構(gòu)，而不產(chǎn)生任何缺點。比較起來供電需求增大，使用與波長相比較大的且其輻射只限于內(nèi)部區(qū)域的反射器可以改善正向-反向比。
為了克服偏振的問題，在本發(fā)明的實施例中，采用兩個具有高頻(5.6GHz和10.368GHz)的環(huán)形偏振天線，一個用作接收天線，一個用作發(fā)射天線。這種方案自然也會有損耗，一般至多為3分貝，但是與回轉(zhuǎn)直線式偏振天線比較，所產(chǎn)生的損耗要小得多。
在本發(fā)明的一個實施例中，利用一個環(huán)形器(波導鐵氧體旋磁元件)，可以只用一個總的發(fā)射/接收天線實現(xiàn)輸入和輸出波的分離。
由于所列舉的測量技術(shù)的困難之處，應該對高頻組件給予足夠的重視。
高頻組件下面說明必要的高頻組件。該裝置需考慮基本組件和附助器件之間的聯(lián)系。這相應于本發(fā)明實現(xiàn)的配置結(jié)構(gòu)。
在高頻區(qū)，即高于約200MHz的頻區(qū)，在轉(zhuǎn)換到中間頻率137.5MHz后采用直接調(diào)制器。在這個頻率下，二極管和晶體管的工作性能較好。
1.二極管混頻器二極管混頻器由一個對稱的四倍壓電路構(gòu)成，其輸入端上帶有一諧振回路，其輸出端上帶有一低通器。
與作為直接接收器的二極管的情況相反，這里的二極管混頻器輸出電壓可達四倍電壓，因為電源是串聯(lián)連接的。由此而有限提高的內(nèi)阻不會對其性能造成多大影響。
在實際運行中，這種二極管混頻器的信噪比優(yōu)于其他己知的混頻器。
低頻組件在低頻區(qū)中工作的全部組件均由一個單獨的電源饋電。這里采用一個12V/2Ah的具有電壓監(jiān)控電路和合閘開關的鉛蓄電池。在使用網(wǎng)絡部件導致產(chǎn)生明顯的干擾后，所有供電單元都必須嚴格分開。
從總的布置上看，發(fā)射側(cè)是完全隔離的，接收側(cè)只通過微計算機與網(wǎng)絡連接，對于便攜式的制成帶電池驅(qū)動的設備。
1.前置放大器這里采用一種低噪聲的四級運算放大器作為前置放大器。其中一個放大器連接成工作電壓對稱方式，其余三個構(gòu)成帶通濾波器，并通過高通濾波器相互耦合。
一個低通濾波器限制第一級的噪聲，經(jīng)過一可選擇的電阻二極管直接接收器經(jīng)過該前置放大器被提供起始電流?？偣膊捎脙蓚€具有不同放大系數(shù)的前置放大模塊。由于總設備的靈敏度可能導致模/數(shù)變換器的過載和數(shù)據(jù)丟失，因此有必要使用一個受控調(diào)節(jié)的放大器。
2.掃描濾波器(去假頻濾波器)掃描與時間有關的信號必須具有一個高于雙信號輸入信號中所包含的最高頻率的頻率。因此輸入信號必須在模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前必須對其進行頻譜的限制。根據(jù)本發(fā)明的目的，這種限定必須采用一個模擬濾波器實現(xiàn)，而不能采用數(shù)字處理的方式。如果不考慮這點，就會出現(xiàn)對高于一半掃描頻率的頻譜成分的欠掃描(Unterabtastung)的情況。該頻譜成分被混入低頻區(qū)，導致不可逆轉(zhuǎn)的信號錯誤，這樣本發(fā)明的結(jié)果有可能不被達到。
用戶認為在模/數(shù)變換后能夠進行頻帶限定的數(shù)字式去假頻濾波器對該問題完全不起作用；所有與掃描不足有關的錯誤都出現(xiàn)了。對已損壞的信號內(nèi)容已不可能再進行數(shù)字校正。
有關專家關于模擬和數(shù)字參量大都有這種不正確的認識用于模擬參量的數(shù)字化處理的測量系統(tǒng)的設計參數(shù)根據(jù)廠家的說明和這些廠家提供的硬和軟件不能被達到。
后續(xù)處理對于模擬式去假頻低通濾波器提出相當高的要求。因此動態(tài)范圍至少比接在其后的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器好1比特，線性和非線性失真比模/數(shù)轉(zhuǎn)換器至少好1比特。雖然一個N比特的模/數(shù)變換器的動態(tài)范圍大多數(shù)實際上總共只有N-2比特，但必須考慮這種關系。如果運用檢波理論而且實現(xiàn)了足夠的動態(tài)區(qū)，也可以采用開關-電容-濾波器。
用掃描濾波器將輸入信號折疊會引起信號幅值和相位畸變，并且由于濾波器的群時延引起包絡線畸變。通過在計算機中將掃描濾波器的反向傳遞函數(shù)與已掃描的信號折疊的方法，在必要時對這一信號的失真進行校正。只有在正確掃描情況下才可采用這個程序。在欠掃描的情況下，則正相反，錯誤將進一步放大。
在上限信號頻率fs，掃描頻率fa，漸近斜率或掃描濾波器的級數(shù)N和過掃描因子K之間存在以下關系K=ln(fa)-ln(fs)ln(2)-1]]>A＝K*N＋1A單位是比特，表示精度或分辨率。
當分辨率A＝13比特，極限頻率fs＝2Hz時，可實現(xiàn)下列可能性1級濾波器(N＝1)→掃描頻率fa＝16384Hz3級濾波器(N＝3)→掃描頻率fa＝64Hz6級濾波器(N＝6)→掃描頻率fa＝16Hz上面最后一種組合正是本發(fā)明裝置的實施例。如果是較小級數(shù)的濾波器，就其傳遞函數(shù)來說具有“好”的特性。但卻必須考慮到最極端的過掃描情況，以便得到可實用的結(jié)果。盡管掃描頻率高于16KHz，然而僅有最高達2Hz的頻譜分量被正確檢出(當A＝16位，fs＝20KHz，F(xiàn)a＝44KHz時，應采用109級濾波器，從而實現(xiàn)符合檢波理論的檢波)。
過掃描的優(yōu)點在于每個模/數(shù)變換器既使具有理想的特性曲線，也會在要檢波的信號上添加上量子化噪聲，因此這個信號不僅通過量子化(即幅值不連續(xù))被摻雜，而且還補入了噪聲。
這一噪聲可以近似認為是白色噪聲，于是在較大的掃描帶寬上，即過掃描情況下，在信號帶寬內(nèi)僅落入很少的噪聲，因而能夠成正比地改善上述變換器而不是信號的信噪比。
6級掃描低通濾波器是由兩個3級低通濾波器串聯(lián)構(gòu)成(漸近邊緣斜度18dB/octave或60dB/decade)的。每個低通濾波器包括一個作為電壓輸出器的運算放大器和一個RC電路。
通過將時間函數(shù)用上述信號通道的反向傳遞函數(shù)T-1(W)折疊并從而完成一個完整的極點-零點補償?shù)霓k法，可以通過所有濾波器的頻率和相位特性變化及群時延來還原振幅，相位和包絡線的失真。這種補償是必要的，當原有的時間信號應還原時，和由模/數(shù)變換器和傳輸鏈上的元件產(chǎn)生的變形必須避免時，必須進行這種補償。但有一種應用情況無需補償，即需顯著地檢出頻譜線的情況。
在本發(fā)明的一個實施例中，時間信號從變換器(接收天線)到個人計算機(模/數(shù)變換器)至少經(jīng)過一個15級高通濾波器和一個第21級低通濾波器，它們是測量鏈的各元件的傳遞函數(shù)的乘積(直接混頻器，前置放大器，2*低通濾波器，2*高通濾波器，模/數(shù)變換器)。
這個電子電路中模擬部分的動態(tài)特性可在需要時通過直接進行極點—零點補償?shù)慕M件加以改善。這樣可降低噪聲，可改善不良的傳遞特性，或者能實現(xiàn)按一定的標準的優(yōu)化的傳遞特性。
3.高通濾波器輸入信號的針對低頻的頻譜限制是有利的，按照本發(fā)明其原因有三個1)1/f噪聲
1/f噪聲的幅度隨頻率的降低而增大。因此隨著測量時間的增長，噪聲分量總是隨低頻而產(chǎn)生，并且使測量信號失真，1/f噪聲的主要來源是發(fā)射振蕩器，轉(zhuǎn)換振蕩器和運算放大器。
2)慢動被檢測活體以恒定速度的運動相應產(chǎn)生一個多普勒頻移，并由此產(chǎn)生能夠落入要探測的頻帶內(nèi)的頻譜成分。但是活體的不規(guī)則運動會產(chǎn)生一個寬的附加帶。運動越慢，頻譜的頻率越低，導致很難分離出噪聲成分。
3)計算時間為了識別頻率f的頻譜線，必須測量的最短時間為t＝1/f，也就是說，要探測的頻率越低，測量需時越長。由于無法保證測量時間是感興趣的頻譜成分的整數(shù)倍，在進行傅利葉分析時會出現(xiàn)泄漏效應(Leckeffekt)。這導致頻譜的擴展(Spreizung)。因此在分析低頻時必須保持一個為周期長度的整數(shù)倍的測量時間，精度隨測量時間成正比地提高。當頻譜分析中誤差為10％且為0.2Hz的低頻時，一般來說必須按50秒長的測量時間計算。
圖3表示該計算程序的結(jié)構(gòu)。作為中心部件的微計算機采用IBM-PC兼容機，其容量和功率足以支持本發(fā)明的目的。
圖4和圖4a給出了實施處理步驟的方塊圖，其中F{}表示傅利葉變換，F(xiàn)-1{}表示傅利葉逆變換。
結(jié)果經(jīng)過不同的試驗，確定在單極分辨率為13比特(總分辨率14比特)時較合適的掃描速率為16Hz。頻譜分析的窗口寬度選擇為大約每33秒512個數(shù)值；窗口選用漢明窗口。
圖5表示被試者在停止呼吸下的心率。頻譜組分上升非常明顯，以致不必作進一步加工即可檢出被試者的心跳。圖中劃出的是相對于頻率(Hz)的任意單位的頻譜大小。本例中在2.4GHz時進行測量，接收器采用二極管直接接收器，即1/2偶極子，發(fā)射機是局部振蕩器，被試者屏住呼吸。
圖6顯示由一個呼吸的被試者反射的信號的頻譜，這里采用二極管直接接收器和對數(shù)周期定向天線以及1.3GHz的發(fā)射振蕩器作為信號源。圖中同時存在心率和呼吸頻率。
在頻率為440MHz時，本發(fā)明的試驗遇到了困難，因為總的設備的靈敏度已達極限值。幾乎所有的試驗都顯示出過激勵和對外部事件的反應。
這個過激勵的問題可采用相應的衰減解決，這樣并不影響對呼吸和心跳狀態(tài)的檢測。
人們可如上所述使用一帶天線的環(huán)形器，同時發(fā)射和接收。
這里所列舉的實例表明，可以檢測出活著的人體的存在，不管墻還是幾十米的距離都不能構(gòu)成障礙。合適的工作頻率為1.3和2.4GHz。使用輕便式天線也能保持足夠高的靈敏度，能夠重現(xiàn)接收的結(jié)果，即心跳和呼吸清楚地識別出來，無需進行復雜的數(shù)字處理，因為接收信號本身具有很強的可識別性。
高通和去假頻低通濾波器電路8a和8b展示了用于限定帶寬的組件的電路圖。第三級高通濾波器抑制低頻噪聲，尤其是1/f噪聲。接著第三級低通濾波器限制較高頻率的頻譜。然后一個線性發(fā)大級進行電平調(diào)整。工作電壓是電對稱的，因此一個單極電源足以滿足要求。兩個這種組件串聯(lián)滿足掃描原理的設計要求。
二極管檢波器電路圖一個二極管檢測器用于與中間頻率混頻的接收信號的相位檢波，并且用作展開的接收天線的直接檢波器。其電路圖如圖7所示。這個電路相應于一種典型的電導計；起始電流可以從輸出側(cè)注入。輸入阻抗能夠與ZF混頻器或與天線相匹配。
二極管直接接收器電路圖二極管直接接收器由具有1/2或1個波長長度的、乘以相應的縮短因數(shù)的二極管檢測器串接形成。從輸出端可以輸入一起始電流。
此外，每個裝置帶有一個單獨的穩(wěn)壓電源和一個開/合開關，保證了具有較大時間常數(shù)的組件(局部振蕩器，前置放大器，低通濾波器)能夠持續(xù)運行，并且達到一種熱力和電力上的平衡，同時能夠中斷在使用中間具有大電流消耗的組件(發(fā)射末端級，變換器)。
下面將介紹本發(fā)明優(yōu)選實施例。
本發(fā)明的第一個實施例包括用于醫(yī)療領域監(jiān)測呼吸和/或心跳的生命功能的系統(tǒng)，在外殼14內(nèi)具有一發(fā)射天線2和接收天線4，各種帶有相應的反射器。發(fā)射天線2與發(fā)射機1相連接，發(fā)射機向一個377Ω(實數(shù))的等效負載提供20毫瓦的功率。
天線的水平和垂直的開角與各種應用相適配。為了在比較緊湊的區(qū)域進行監(jiān)視，接收天線至少應具有這樣的接收特性，即它具有很小的旁瓣，并且其主探測區(qū)具有人體胸廓般大小。接收天線4，Rx與一接收器相連接，該接收器通過一變換器6將輸入信號變換到前述頻率區(qū)域。接著是檢波器5，放大器，濾波器7和一信號傳輸用的驅(qū)動器。
通過圖中未示出的屏蔽的引線將信號送到分立的另處安裝的模/數(shù)變換器9中。這個模/數(shù)變換器9和其他前述的計算電子裝置可以裝在一便攜式手提箱內(nèi)，也可以裝在固定的電網(wǎng)供電的設備中，或者是在醫(yī)院監(jiān)測中心的具有以圖5和6描述的方式表示的生命功能的集中顯示的中央監(jiān)測裝置的一部分。為了能準確無誤地計算在時間區(qū)域內(nèi)的信號，進行與位于模/數(shù)變換之前的信號通路的反向傳遞函數(shù)的折疊。于是在中心監(jiān)控站或手提式設備的監(jiān)視器上可以顯示出當時的生命功能，或帶有圖像存儲設備的，還可顯示出以前存檔的生命功能。
在圖10的簡化實施例中，面板15上裝有一個開/合開關16以及一個光學指示器17和/或一個聲學指示器18。光學指示器17可如圖10所示裝在面板15的透明部分內(nèi)，也可如圖9所示裝在外殼的上面。在本發(fā)明第一個實施例中，利用這種在圖9中被用符號表示為螺絲連接裝置的端子連接裝置19可以很容易地到達要探測病人的床附近，并且固定就位。顯然，在本發(fā)明范圍內(nèi)，這種定位裝置可選用多種形式，例如采用配有固定安裝配合件的機械連接或插口連接。這個裝置可以在家庭范圍固定在要探測的病人的床上或附近。
本裝置通過一個活節(jié)桿21和在桿21端部連接的旋轉(zhuǎn)絞鏈22共同作用可伸向任何想探測的方向。
在圖11所示的另一實施例中，在外殼15的中部通過一個拉拔裝置23固定到屋頂24上，拉拔裝置23應是一種高度上可調(diào)節(jié)的裝置，特別是可使外殼15向下降低，從而使探測裝置可達到對其下面平躺的人體能實現(xiàn)最佳檢測的位置，而且該裝置向上升時不應受到任何阻力。
考慮到醫(yī)院的現(xiàn)實情況，應將所測的頻率的帶寬限定在0.02Hz-6Hz之間，于是可檢測出的呼吸周期為166毫秒-50秒和脈沖率為每分鐘1.2-360次。接在后面的一個計算電路求出受到頻譜限制的信號的高度，并且控制閾值調(diào)節(jié)，當生命功能警告信號消失時，發(fā)出一光學的和/或聲學的警報，或者在集成系統(tǒng)中，將該報警信號繼續(xù)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)。
在又一種變化方案中，可探測的呼吸周期限定為低于30秒，因此直到對該信號進行分析時的時間間隔不超過30秒。
前述實施例的主要應用范圍是指對有自殺危險的人的監(jiān)測，對昏迷不醒的人以及帶有燒傷的人的無線監(jiān)視。在醫(yī)院或在家里該裝置可完成對最需要照顧的人以及幼小兒童的監(jiān)視，以防其生命功能消失(突然死亡)。當除了純機械上的障礙外，也減少心理上的負擔時，由緊湊監(jiān)視站的情況知道，通過敷設電纜造成的睡眠障礙可以被減輕，或部分消除。
本裝置還可對懷孕期的婦女腹中胎兒的心跳進行監(jiān)測。而且無需使用傳統(tǒng)檢測方法的電極，這種監(jiān)測是毫無痛苦的和完整無缺的。
在圖13所示的本發(fā)明的又一實施例中，可在房間25的一個墻角上安裝發(fā)射/接收器實現(xiàn)對該房間的監(jiān)測。如同前述各實施例的有關說明，發(fā)射天線2和接收天線4與信號分析電子電路連接。
發(fā)射機1的發(fā)射范圍最好在300MHz-3GHz之內(nèi)，它向50Ω(實數(shù))或377Ω(實數(shù))的等效負載輸出從幾毫瓦-幾瓦的功率。在室內(nèi)監(jiān)測的情況下，天線2，4如圖13所示，采用三極三棱鏡(Tripol-Prisma)。
在圖14所示的又一實施例中，在建筑物27的屋頂閣樓26內(nèi)安裝環(huán)形偏振式發(fā)射/接收天線2，4。通過選擇發(fā)射天線2的適當?shù)目臻g發(fā)射特性和接收天線4的適當?shù)目臻g接收特性，使它們與所希望的探測區(qū)域(通常為需監(jiān)控的建筑物的大小)相適配。此外可以在監(jiān)測區(qū)內(nèi)設置多個發(fā)射天線2以及接線天線4，各自與信號分析電路相連接。
圖15給出的實施例中，在一個有關的屋頂28的后面安裝發(fā)射或接收天線2，4，這種大平面的擴展式安裝能精確地確定監(jiān)測區(qū)域。在圖15上側(cè)壁29上還加裝有一個隱蔽的監(jiān)控裝置。
在圖16中，在對空間30的監(jiān)測時，加裝有一個發(fā)射-接收天線組合體2，4，用于前面區(qū)域的監(jiān)控。圖中所示的區(qū)域30可代表私人房屋的前面空場，也可代表辦公建筑的露天空場。例如可用于對監(jiān)獄和精神病院的低層建筑或平房進行無間斷的監(jiān)控。其后可接一個計算電子電路，它的設計同前述醫(yī)院應用的相同，工作中可獨立發(fā)信號。
其他可應用的重要領域包括化工企業(yè)以及核動力源或核燃料制備和回收的輻射設備。對這些化學或核輻射區(qū)域可進行上述平面覆蓋式監(jiān)視，這樣，要在有關的報告獲準時才可進入這些區(qū)域，而不必觸發(fā)報警，或在排除有危害的材料時位于排料口附近的人都可被監(jiān)測。
還有一個重要的應用領域是消防救火領域。一般到處都存放有滅火用的滅火劑或采用專用滅火方法，以防火災損失過大(特別是印刷廠和計算機工業(yè))，但是如果確定著火的建筑物中還有活著的人存在時，為了不對人造成危險，法律上對滅火劑的應用時間有限制性規(guī)定，但其缺點是對消防人員的軀體和生命不利，引起很大爭議。因此需要快速地從著火的空間外面確定出火災現(xiàn)場是否還有人活著，這樣消防人員能快速準確地救出圍困在火災現(xiàn)場中的活著的人，也能大大降低消防人員的風險。而且人撤出后可加快開始用滅火劑滅火的過程，使火災損失最小化。
權(quán)利要求
1.一種探測活著的物體、特別是人體的生命功能的裝置，應用電磁波信號和電磁波信號接收器，其特征在于，該電磁波信號接收器(3)包括一個從電磁波信號中獲取活著的人體的特性頻率成分的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，所述接收裝置(3)包括一直接檢波器，該直接檢波器從接收的電磁波信號中對活著的人體的特性頻率成分直接進行檢波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其特征在于，直接檢波器(5)具有一個具有非線性的電流/電壓特性曲線的器件，在對人體特性頻率成分檢波時用作選頻器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其特征在于，直接檢波器(3)包括一個二極管，一個雙極性晶體管或場效應晶體管，作為選頻器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的裝置，其特征在于，接收器(3)包括一個與檢波器(5)串連的頻率變換器(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一的裝置，其特征在于，所述裝置還包括一個發(fā)射機(1)，用于發(fā)射固定頻率的電磁載波信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其特征在于，所述載波信號的頻率范圍大約從1MHz-1THz。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一的裝置，其特征在于，該獲取活體特性頻率的裝置還包括一濾波器(7)，一掃描裝置，一模/數(shù)變換器(9)和計算機(10)，用作頻譜分析。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其特征在于，濾波器(7)至少包括一個模擬掃描濾波器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其特征在于，該掃描濾波器在掃描前和模/數(shù)變換前將電磁波信號的帶寬限制一個上限。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10之一的裝置，其特征在于，發(fā)射天線(2)和接收天線(4)裝在一個帶有一可拆下的固定裝置(19)的可轉(zhuǎn)動及擺動的外殼(14)內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-10中之一的裝置，其特征在于，發(fā)射天線(2)和接收天線(4)安裝在一個總殼體(14)內(nèi)，并且通過一個高度可調(diào)的固定裝置(23)固定到天花板(24)上。
13.一種借助于電磁波信號的探測活著的物體，特別是人體的生命功能的方法，其特征在于，活著的人體的特性頻率是從接收的電磁波信號中獲得的，所接收的電磁波信號被直接檢波。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于，對接收到的電磁波信號直接檢波。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的方法，其特征在于，將接收的電磁波信號變換到一中間頻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求13到15之一的方法，其特征在于，對接收信號的頻率限制一個上限和下限。
17.根據(jù)權(quán)利要求13-16之一的方法，其特征在于，接收的電磁波信號經(jīng)過濾波器檢波后被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，這個數(shù)字信號通過時間域的一個窗口函數(shù)，與接收器的反向傳遞函數(shù)折疊。
19.根據(jù)權(quán)利要求16、17或18的方法，其特征在于，這個數(shù)字信號在被分析和作為輸出信號被顯示之前，由時間域轉(zhuǎn)換到頻率域。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于，對頻率范圍在約0.01Hz至約10Hz，尤其是約0.01Hz至約3Hz的上述已變換的信號作關于活著的物體的心跳和/或呼吸的特性頻率成分的分析。
21.根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一的裝置和/或方法的應用，用于集約醫(yī)學領域(Intensivmedizin)無接觸地監(jiān)護需精心護理的病人(Intensivpatienten)的生命功能。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-20之一的裝置和/或方法的應用，用于監(jiān)測幼兒或呼吸暫停病人的呼吸和/或心跳狀態(tài)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1-20之一的裝置和/或方法的應用，在司法執(zhí)行中用于監(jiān)視在押犯人。
24.根據(jù)權(quán)利要求1-20之一的裝置和/或方法的應用，用于監(jiān)視和/或保證室內(nèi)，建筑物內(nèi)和/或周圍附近的露天區(qū)域的安全。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種探測活的物體所具有的生命功能的裝置，特別是用于探測活著的人體的生命功能，采用電磁波信號及其接收裝置，該裝置包括從電磁波信號中獲取活體的特性頻率組分的裝置，該接收裝置帶有一個直接檢波器，本發(fā)明還涉及根據(jù)接收的電磁波信號探測活體，尤其是人體所具有的生命功能的方法，以及該裝置和/或方法的應用。
文檔編號C08F218/00GK1146242SQ95192176
公開日1997年3月26日 申請日期1995年1月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月20日
發(fā)明者哥德·朱根·施密特 申請人:希萊克喬尼克安全和特種電子技術(shù)股份有限公司