專利名稱：使用雙邊帶信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距感測(cè)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號(hào)探測(cè)與處理領(lǐng)域，更具體地，涉及使用雙邊帶信號(hào)進(jìn) 行探測(cè)。
背景技術(shù)：
多普勒雷達(dá)運(yùn)動(dòng)感測(cè)系統(tǒng)一M射連續(xù)波(CW)信號(hào)，該信號(hào)被目 標(biāo)反射，然后在接收器中解調(diào)。根據(jù)多普勒理論，位置隨時(shí)間變化的、而 不是凈零速度(net zero velocity)的目標(biāo)會(huì)在與隨時(shí)間變化目標(biāo)的位置成 比例地對(duì)發(fā)射信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)制后^Jt該發(fā)射信號(hào)。
現(xiàn)在，微波多普勒雷M無線傳感器應(yīng)用中已使用了許多年。微波多 普勒雷達(dá)比較普遍的應(yīng)用有天氣感測(cè)、位置和距離感測(cè)以及汽車速度感 測(cè)。然而，最近微波多普勒雷達(dá)作為用于進(jìn)行健勤目關(guān)的以及生命體征的 監(jiān)測(cè)和探測(cè)的i^巨感測(cè)裝置，受到越來越多的關(guān)注。在健康護(hù)理監(jiān)測(cè)與生 命體征感測(cè)領(lǐng)域中，微波多普勒雷達(dá)用于感測(cè)生理現(xiàn)象、感測(cè)生命體征以 便對(duì)困在地震碎石中的人進(jìn)行定位以及對(duì)患有睡眠呼吸暫停綜合征的患 者進(jìn)行心肺監(jiān)測(cè)。
例如，利用上述多普勒理論，能夠?qū)⑷?諸如受監(jiān)測(cè)的患者)的胸壁 作為目標(biāo)，CW雷達(dá)型感測(cè)系統(tǒng)將接收到從該目標(biāo)反射的信號(hào)，該信號(hào)類 似于發(fā)射到該目標(biāo)的信號(hào)。然而，>^射信號(hào)的相位將#^的胸壁的隨時(shí)間 變化的位置所調(diào)制。人的心跳和/或呼吸信號(hào)能夠通it^目位解調(diào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 因此，其將提供與胸壁位置成比例的信號(hào)，從而提供與由于人的心跳和呼 吸引起的動(dòng)作有關(guān)的信息。
在大量情況下，需M測(cè)和測(cè)量人的心肺活動(dòng)。例如，在患者的內(nèi)科 診斷與治療中，通常需要心肺測(cè)量。在許多情況下，需要對(duì)心肺活動(dòng)進(jìn)行 持續(xù)監(jiān)測(cè)。例如，在患者嚴(yán)重患病或者患慢性病的情況下。例如在患者患 有心臟相關(guān)的以及呼吸相關(guān)的紊亂如睡眠呼吸暫停綜合征的情況下，，監(jiān) 測(cè)心肺活動(dòng)特別重要。監(jiān)測(cè)心肺活動(dòng)也可以適合成為對(duì)嬰幼兒或老年人的 護(hù)理的一部分。
使用微波多普勒雷達(dá)具有i^巨感測(cè)心肺活動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，允許不與患者直 接接觸而監(jiān)測(cè)心跳和呼吸速率。如上所述，利用多普勒雷達(dá)，心臟和呼吸 特征是基于受監(jiān)測(cè)患者的胸部運(yùn)動(dòng)來確定的。
然而，這樣使用微波多普勒雷達(dá)的重大限制在于，這種系統(tǒng)一般采用 重的、體積龐大并且昂貴的波導(dǎo)部件，該波導(dǎo)部件通常只應(yīng)用于特定應(yīng)用。 一種用于消除這些問題的方法是將微波多普勒雷達(dá)與射頻集成電路
(RTIC)技術(shù)結(jié)合。然而，這種結(jié)合產(chǎn)生其自身的一系列問題。 一個(gè)問 題是這種基于RFIC的系統(tǒng)中經(jīng)常采用的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體
(CMOS )振蕩器受到相當(dāng)高的相位噪聲的困擾，該噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于結(jié)合了 片外的高質(zhì)量電感器的混合振蕩器的噪聲。
高相位噪聲問題是對(duì)CMOS運(yùn)動(dòng)探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)的重大限制。由于生 理運(yùn)動(dòng)是以無線電信號(hào)的相位調(diào)制來進(jìn)行編碼的，所以近程距相位噪聲 (close-in phase noise)是關(guān)鍵參數(shù)。該問題能夠通過利用程距相關(guān)相位 噪聲濾波器作用(range correlation phase noise filter effect)來減輕相位 噪聲的影響而得到解決。
然而，其余問題是關(guān)于基于RTIC的微波多普勒雷達(dá)系統(tǒng)的頻率范 圍。常規(guī)的CW感測(cè)一般使用位于電磁頻鐠的低頻范圍內(nèi)的波?？拷@ 種系統(tǒng)通常工作的頻率范圍的低端相當(dāng)擁擠，這是由于許多其他應(yīng)用工作 在這種頻率或接近這種頻率處。例如，2.4GHz ISM頻帶用于無線LAN、 無繩電話、藍(lán)牙和其他類似應(yīng)用。隨著這類應(yīng)用的數(shù)目不斷增長(zhǎng)，這個(gè)問 題在將來可能會(huì)更嚴(yán)重。因此，低頻帶由于也是許多其他應(yīng)用工作的頻帶， 所以將被擠滿。事實(shí)上，如果不是大多數(shù)的話，也是有許多工業(yè)、科學(xué)和 醫(yī)療(ISM)設(shè)備在2.4GHz ISM頻帶內(nèi)的RT頻率下工作，在所述頻帶 內(nèi)，假如各種類型的設(shè)備都遵守最;UL射功率限制進(jìn)行工作，則所述設(shè)備 都可以進(jìn)行工作而無需操作者去獲取許可證。
或許，更成問題的是以下事實(shí)，即所使用的低頻電磁波具有較長(zhǎng)的波 長(zhǎng)，使其對(duì)受監(jiān)測(cè)目標(biāo)的小位移較不敏感。降低的精確度對(duì)于生理和患者 監(jiān)測(cè)尤其是個(gè)問題，在所述生理和患者監(jiān)測(cè)中，例如患者胸壁的小的動(dòng)作 是籃測(cè)裝置的目標(biāo)。
因此，尤其對(duì)于監(jiān)測(cè)心肺活動(dòng)，需要一種遠(yuǎn)距探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠 工作在比可能干擾的應(yīng)用的頻率更高的頻帶中。另夕卜，需要在更高頻率帶 中工作時(shí)能夠有效地且高效地執(zhí)行i^E巨探測(cè)的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)使用雙邊帶信號(hào)如Ka波 段電磁波，該雙邊帶信號(hào)是通過組合兩個(gè)不同頻率的信號(hào)使得所述頻率之 間的間隔減輕或消除與高頻感測(cè)信號(hào)相關(guān)的嚴(yán)重的零點(diǎn)問題而產(chǎn)生的。本 發(fā)明使得例如通過使用Ka波段電磁波進(jìn)行的對(duì)小運(yùn)動(dòng)的探測(cè)具有顯著提 高的探測(cè)靈敏度。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一種^巨感測(cè)的方法。該方法可以包括發(fā)射 包括第一頻率分量和第二頻率分量的雙邊帶電磁波，在該電磁波被對(duì)象反 射后接收該電磁波。使用該方法，第一頻率分量和第二頻率分量之間的間 隔能夠在對(duì)應(yīng)于所述雙邊帶電磁波的一個(gè)邊帶的信號(hào)響應(yīng)中產(chǎn)生尖峰，來 與對(duì)應(yīng)于所述雙邊帶電磁波的另一個(gè)邊帶的信號(hào)響應(yīng)中的零點(diǎn)基本上交疊。
本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種感測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括收發(fā)器，該收 發(fā)器具有發(fā)射器鏈，其發(fā)射具有第一頻率分量和第二頻率分量的雙邊帶 電磁波；以及接收器鏈，其在該雙邊帶電磁波被目標(biāo)反射后接收該雙邊帶 電磁波。所述系統(tǒng)還可以包括用于從雙邊帶電磁波中提取信息內(nèi)容的基帶 電路。另外，所述系統(tǒng)可以在第一頻率分量和第二頻率分量之間提供間隔， 使得由雙邊帶電磁波的一個(gè)邊帶產(chǎn)生的信號(hào)響應(yīng)中的尖峰與由該雙邊帶 電磁波的另 一個(gè)邊帶產(chǎn)生的信號(hào)響應(yīng)中的零點(diǎn)基本上交疊。
本發(fā)明的另 一實(shí)施例是一種用于感測(cè)心肺活動(dòng)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包 括Ka波段收發(fā)器，其用于向受監(jiān)測(cè)對(duì)象發(fā)射感測(cè)信號(hào)和從所述受監(jiān)測(cè)目 標(biāo)接收經(jīng)調(diào)制的信號(hào)。更具體地，該感測(cè)信號(hào)可以具有在Ka波段范圍的 頻率內(nèi)的頻率，并且經(jīng)調(diào)制的信號(hào)可以基于受監(jiān)測(cè)對(duì)象的心肺活動(dòng)而被調(diào) 制。所述系統(tǒng)還可以包括連接到Ka波段收發(fā)器的基帶電路，該基帶電路 用于產(chǎn)生基于經(jīng)調(diào)制的信號(hào)并且指示受監(jiān)測(cè)對(duì)象的心肺活動(dòng)的基帶信號(hào) 輸出。
本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種用于存儲(chǔ)機(jī)器操縱的 (machine-directing)指令的機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。存儲(chǔ)的指令可以實(shí)現(xiàn) 發(fā)射包括第一頻率分量和第二頻率分量的雙邊帶電磁波，以及在該電磁波 被對(duì)象反射后接收該電磁波。第一頻率分量和第二頻率分量之間的間隔能 夠在對(duì)應(yīng)于雙邊帶電磁波的一個(gè)邊帶的信號(hào)響應(yīng)中產(chǎn)生尖峰，來與對(duì)應(yīng)于
該雙邊帶電磁波的另 一個(gè)邊帶的信號(hào)響應(yīng)中的零點(diǎn)基本上交疊。


在附圖中示出了目前優(yōu)選的實(shí)施例，然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于 所示出的明確的裝置和手段。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的用于遠(yuǎn)距感測(cè)心肺活動(dòng)的系統(tǒng)的示意圖。
圖2是利用圖1所示探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出頻譜的示例性顯示。
圖3是圖1所示探測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)的示意圖。
圖4A和4B分別是建模的心跳信號(hào)和仿真的基帶信號(hào)的示例性幅度 時(shí)間曲線罔，其仿真根據(jù)本發(fā)明另 一實(shí)施例的探測(cè)系統(tǒng)的操作。
圖5是一 系列最優(yōu)點(diǎn)和零點(diǎn)中各個(gè)之間的距離的示意圖。
圖6是一系列最優(yōu)點(diǎn)和零點(diǎn)中各個(gè)之間的距離的示意圖。
圖7是一系列最優(yōu)點(diǎn)和零點(diǎn)中各個(gè)之間的距離的示意圖。
圖8A-C是示例性的幅度距離曲線圖，仿真了根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例 的探測(cè)系統(tǒng)的操作。
圖9是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的頻率分隔單元的示意圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的遠(yuǎn)距感測(cè)目標(biāo)的方法的示例性步驟 的流程圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例、確定用于遠(yuǎn)距感測(cè)目標(biāo)的雙邊帶Ka 波段電磁波的頻率分量間隔的方法的示例性步驟的流程圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的嬰兒監(jiān)測(cè)器的示意圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的鍛練監(jiān)測(cè)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中示意性示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的用于遠(yuǎn)距感測(cè)的系統(tǒng) 100。該系統(tǒng)100被示出為包括收發(fā)器如Ka波段收發(fā)器102，以及電耦合 到該收發(fā)器的基帶電路104。如下所述，Ka波段收發(fā)器向受監(jiān)測(cè)對(duì)象(未 示出)如內(nèi)科患者或嬰幼兒發(fā)射感測(cè)信號(hào)，并從該受監(jiān)測(cè)對(duì)象接收經(jīng)調(diào)制
的信號(hào)。更具體地，所述感測(cè)信號(hào)具有可位于Ka波段范圍頻率內(nèi)的頻率。 所述經(jīng)調(diào)制的信號(hào)基于受監(jiān)測(cè)對(duì)象的心肺活動(dòng)而被調(diào)制。
更具體地，Ka波段收發(fā)器102可以包括接收器鏈和發(fā)射器鏈。如圖 所示，接收器鏈可以包括接收天線(Rx_Antenna )、低噪聲放大器(LNA )、 兩個(gè)下變頻器(Rx_Mixerl和Rx_Mixer2 )和中頻放大器(IF_AMP)。 發(fā)射器鏈可以包括發(fā)射天線Tx_Antenna和兩個(gè)上變頻器(Tx_Mixerl和 Tx—Mixer2 )?；鶐щ娐?04被示出為包括前置放大器(PreAMP )、帶通 濾k器(BPF)和l氐頻放大器(LF_AMP)。
需要注意，如圖所示，Ka波段收發(fā)器102還包括兩個(gè)功率分離器。 更具體地，相應(yīng)的功率分離器中每個(gè)可以是3dB功率分離器。所述功率 分離器將中頻(IF)載波信號(hào)的功率分成兩個(gè)分量& (t)和S2 (t)。 一半功率被饋送到發(fā)射器鏈，而另一半功率被饋送到接收器鏈。另外需要 注意，Tx—Mixerl即第一上變頻器的輸入以500的電阻器來終止。這種獨(dú) 特的部件^列能夠?qū)⑼ㄓ玫腒a波段收發(fā)器進(jìn)行變換，使其用作多普勒雷 達(dá)傳感器。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解，如上所述，Ka波段fel器102是 間接變換收發(fā)器，其釆用兩步變換以減輕嚴(yán)重的DC偏移問題，換句話說， DC偏移問題通常伴隨直接變換接收器出現(xiàn)。該獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)歸因于間 接接收器的最后一級(jí)的混頻器和VCO在低頻工作。這減小了在基帶的 DC偏移和相關(guān)的1/f噪聲。RF和IF頻率可以被調(diào)諧，以避免測(cè)量中的 "零"點(diǎn)。
發(fā)射和接收天線兩者都可以是制作在Rogers RO3003 PTFE/陶瓷片 上的4x4印刷貼片(printed patch)天線陣列，該Rogers RO3003 PTFE/ 陶瓷片的電介質(zhì)常數(shù)εγ＝3.0，并且襯底厚度是0.5mm。其中每個(gè)在28GHz 可以具有12.9 dB的最大天線增益，并且估計(jì)波束寬度為10°xl0°。與單 個(gè)貼片天線相比，該天線陣列具有較高的方向性增益。這增加了系統(tǒng)IOO 的探測(cè)距離，并減少了來自其他方向的干擾?；鶐щ娐房梢岳缡褂?LM324低功率運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)。帶通濾波器BPF可以使得從0.1Hz到 10Hz的信號(hào)頻率通過。前置放大器PreAMP可與低頻放大器LF_AMP 具有相同頻率，并可以具有從20dB到40dB的可變?cè)鲆妗?br> 當(dāng)發(fā)射器和接收器使用了相同的LO源時(shí)，程距相關(guān)作用(range correlation effect)大大減小了基帶的噪聲頻鐠。因此，盡管存在VCO高 相位噪聲，VCO也能夠被用作Ka波段多普勒雷達(dá)中的源。
本發(fā)明的一方面是使用雙邊帶電磁波如Ka波段電磁波，用于探測(cè)目 標(biāo)的小的運(yùn)動(dòng)。Ka波段電磁波的使用提供了顯著提高的探測(cè)靈敏度，但 也引起嚴(yán)重的零點(diǎn)問題。然而，本發(fā)明的另一方面克服了該零點(diǎn)問題。如 下更具體所述，本發(fā)明使用了根據(jù)本發(fā)明通過組合不同頻率的兩個(gè)信號(hào)使 得所述頻率之間的間隔減輕或消除零點(diǎn)問題而產(chǎn)生的雙邊帶Ka波段電磁 波。
利用本發(fā)明獲得的提高的探測(cè)靈敏度使得小移動(dòng)探測(cè)變得可行。本發(fā) 明使得能夠使用Ka波段頻率范圍中的電磁波對(duì)例如受監(jiān)測(cè)患者胸壁的心 跳引起的和/或呼吸引起的變化進(jìn)行探測(cè)。本發(fā)明的其他應(yīng)用包括與測(cè)謊 相關(guān)的身體反應(yīng)感測(cè)、其他類型的生物醫(yī)學(xué)感測(cè)以及雷達(dá)感測(cè)，如單個(gè)戰(zhàn) 士使用的用于"墻后"感測(cè)的雷達(dá)。
仍參考圖1，在實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的兩步信號(hào)變換時(shí)，第一低振蕩器 (LOl)產(chǎn)生頻率為f1的信號(hào)Si (t)。第二低振蕩器(L02)產(chǎn)生頻率為 f2的信號(hào)S2 (t)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解，Si (t)和S2 (t)的 功率能夠由兩個(gè)功率分離器如示出的3dB功率分離器進(jìn)行分離。 一半功 率被發(fā)送到發(fā)射器鏈，而另一半功率被發(fā)送到接收器鏈。
上變頻器(Tx—Mixer)的輸出T (t)不被濾波。因此，該輸出具有 兩個(gè)主頻率分量下邊帶fL=f2-f1以及上邊帶fL=f2+f1。一般地，在上變 頻器(Tx—Mixer)的輸出中還有一個(gè)頻率分量f2，其由來自第二低振蕩 器(L02)的LO泄漏產(chǎn)生。
再參考圖2，示出了在發(fā)射天線(Tx—Antenna)連接器測(cè)量的發(fā)射器 的輸出功率鐠。就這個(gè)特定實(shí)施例而言，下邊帶和上邊帶的頻率分別為 26.52GHz和27.64GHz，其功率電平分別為-7.210dBm和-9.64dBm。中 間的27.08GHz頻率是來自于第二低振蕩器(L02)由于上變頻器 (Tx_Mixer)的非理想隔離而引起的泄漏。如下所述，盡管LO泄漏明 顯，但其并不影響基帶信號(hào)探測(cè)。
在Ka波段收發(fā)器102的接收器鏈中，接收到的信號(hào)R (t)是來自目 標(biāo)的反射波，該目標(biāo)諸如是使用系統(tǒng)100探測(cè)和監(jiān)測(cè)其心跳和/或呼吸的 對(duì)象。接收信號(hào)R (t)與發(fā)射信號(hào)T (t)相關(guān)，但前一信號(hào)的相位被目 標(biāo)的隨時(shí)間變化的位置所調(diào)制，該目標(biāo)諸如是受監(jiān)測(cè)患者的胸壁。經(jīng)過第 一下變頻器(Rx—Mixerl)的第一下變換后，接收信號(hào)R (t)在頻率f1包括兩個(gè)經(jīng)調(diào)制的信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)分別從下邊帶fL=f2-f1以及上邊帶 fL=f2+f1下變換得到。
例如,胸壁位置信息被調(diào)制在頻率&處的這兩個(gè)信號(hào)的相位上。另夕卜，
接收信號(hào)R (t)也具有DC偏移和攜帶胸壁運(yùn)動(dòng)信息的基帶信號(hào)，前者 是由于L02泄漏發(fā)射的自混合產(chǎn)生的，而后者是由接收信號(hào)R (t)中的
f2分量下變換得到的。
如果實(shí)行直接的下變換，則DC偏移會(huì)引入嚴(yán)重的問題，例如使基帶 電膝炮和。同時(shí)，在更高頻率混頻器中難以通過利用隔離降低或減少LO 泄漏來實(shí)現(xiàn)DC偏移的減小，這導(dǎo)致4艮大的DC偏移。因此，才艮據(jù)本發(fā)明， 使用了間接變換接收器架構(gòu)。很大的DC偏移和附近的DC信號(hào)通過中頻 放大器(IF_AMP)的帶通頻率響應(yīng)移除。因此，在以下描述中，發(fā)射波 中的f2頻率分量可以被忽略，因?yàn)槠洳⒉挥绊懟鶐盘?hào)。經(jīng)過第二下變頻 器(Rx_Mixer2)的下變換后，輸出R2 (t)包括承載對(duì)象的胸部運(yùn)動(dòng)信 息的基i信號(hào)以;M^帶通電路104中濾出的多余的高頻毛刺(spur)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，使用了特別設(shè)計(jì)和制作的兩類低剖面 (low-profile)印刷貼片天線。 一種是制作在電介質(zhì)常數(shù)Sr為3.2、襯底厚 度為0.762mm的高頻襯底材料GML1000上的印刷單貼片天線。該天線 在30GHz具有3.9dB的最大天線增益，并且估計(jì)波束寬度為60°x80n。
另一天線是制作在電介質(zhì)常數(shù)Sr為3.0、襯底厚度為0.508mm的 Rogers RO3003 PTFE/陶瓷片上的4x4印刷貼片天線陣列?？偟拇笮∈?20.9x28.2mm2。根據(jù)本實(shí)施例，該天線陣列在28GHz具有的12.9dB的最 大天線增益，并且估計(jì)波束寬度為10°xl0°。其他類型的天線也能夠用于 發(fā)射和接收Ka波段信號(hào)，這些天線制作在一個(gè)共同的襯底上。天線陣列 與單貼片天線相比具有更高的方向性增益，從而增加了探測(cè)距離，并減少 了來自其他方向的其他無線電裝置的干擾。
根據(jù)系統(tǒng)100的又一實(shí)施例，基帶電路104包括兩個(gè)LM324低功率 運(yùn)算放大器。帶通濾波器(BPF)具有0.1Hz到10Hz的通帶。根據(jù)本實(shí) 施例，前置放大器(PreAMP)以及低頻放大器(LF_AMP)兩者都具有 從20dB到40dB的可變?cè)鲆妗Ｔ跍y(cè)量階段期間，可以使用22位的USB 數(shù)據(jù)采集模塊如IOtech Personal Daq/54 (DAQ模塊)來對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行 采樣。機(jī)器可讀代碼如Lab VIEW程序可以用于處理所采樣的數(shù)據(jù)，進(jìn) 一步濾出多余的由于受監(jiān)測(cè)對(duì)象的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的假響應(yīng)。
此時(shí)，描述本發(fā)明的一些理論M是有用的。由于只考慮相位調(diào)制， 所以可以忽略幅度變化而不散失一般性。因此，分別由第一低振蕩器 (LOl)和第二低振蕩器(L02)產(chǎn)生的兩個(gè)LO信號(hào)Si (t)和S2 (t)，可以寫成:
S1(t)=cos(2πf1t+Φ1(t)) (1)
S2(t)=cos(2πf2t+Φ2(t)) (2)
其中，f1和f2分別是S1(t)和S2(t)的頻率，t是經(jīng)過的時(shí)間，而Φ1(t) 和Φ2(t)分別是S1(t)和S2(t)的相位噪聲。
如果發(fā)射信號(hào)T (t)僅有一個(gè)頻率分量(單邊帶)f，那么T(t)=cos[2πft+Φ(t)] (3)
其中，Φ(t)是來自發(fā)射器鏈中的信號(hào)源和混頻器的總相位噪聲。
當(dāng)信號(hào)T (t)被相距d。的目標(biāo)(例如，患者的胸壁)反射回來時(shí)， 其中該目標(biāo)的隨時(shí)間變化的動(dòng)作由x (t)表示，則在發(fā)射器和接收器之間 經(jīng)過的總距離是2d (t) =2d0 (t)+2x(t)。圖3中示意性示出了在探測(cè) 對(duì)象的心跳和/或呼吸的情況下的操作實(shí)現(xiàn)。接收到的信號(hào)可以近似為<formula>complex formula see original document page 13</formula>(4)
其中，λ是信號(hào)的傳播速度，入是在空氣中的波長(zhǎng)，等于c/f。
接收到的信號(hào)類似于發(fā)射信號(hào)，但具有時(shí)間延遲，該時(shí)間延遲由目標(biāo) 的距離以及由于該目標(biāo)的周期性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的相位調(diào)制來確定。如果將該信號(hào)與LO信號(hào)混合，其中LO信號(hào)源自與發(fā)射信號(hào)相同的源，則能夠解調(diào) 出關(guān)于目標(biāo)(例如，對(duì)象的胸壁)的周期性運(yùn)動(dòng)的信息。這種雷達(dá)布局利 用了針對(duì)發(fā)射器和接收器使用相同振蕩器的能力，其使得這兩個(gè)信號(hào)的相 位噪聲保持相關(guān)。
經(jīng)過兩步下變換后得到的基帶信號(hào)B (t)近似為<formula>complex formula see original document page 13</formula>(5)
其中4πd0/λ是由到目標(biāo)的距離do引起的恒定相移，而θ0是由表面的反射以及無線電障礙之間的延遲引起的固定相移?！鳓?t)項(xiàng)是總的殘余相位噪聲，其在基帶中由于程距相關(guān)作用而通常相當(dāng)小。由于B (t)是 x (t)的函數(shù)，因此能夠從B (t)中提取例如周期性心跳和/或呼吸信號(hào)。
根據(jù)等式(5 ),基帶輸出的經(jīng)調(diào)制的相位4 7i x (t) /入與波長(zhǎng)成反比。 對(duì)于同樣的位移，系統(tǒng)100提供的波長(zhǎng)越短，則產(chǎn)生的相位調(diào)制越大。 Ka波段頻鐠可以從26GHz延伸到40GHz，對(duì)應(yīng)于11.5mm到7.5mm的 波長(zhǎng)。因此，例如由30GHz ( X=10mm)波產(chǎn)生的相位是在2.4GHz (入 =125mm)產(chǎn)生的相位的12.5倍。較短的波^N、位移更加敏感。這是使 用由系統(tǒng)100提供的Ka波段波的明顯好處。
假設(shè)對(duì)象的由于心跳引起的胸壁運(yùn)動(dòng)幅度為lmm,并且其波形根據(jù) 指尖傳感器(finger-tip sensor)的參考心跳信號(hào)來修正，如圖4A所示， 則關(guān)于探測(cè)或監(jiān)測(cè)例如對(duì)象的心跳和/或呼吸，可以對(duì)本發(fā)明的上述理論 方面進(jìn)行建模和仿真。忽略A(J) (t)且令6。為常數(shù)，則如圖4B所示， 當(dāng)波長(zhǎng)入等于10mm (30GHz)時(shí)，基帶信號(hào)B (t) fe巨離d。而變化。 如圖4B所示，B (t)幅度從最大值到最小值周期性地變化。當(dāng)B (t)的 幅度在^ = 2.23111111到達(dá)最小值時(shí)，可能難以獲取心跳信號(hào)，因?yàn)樵撔盘?hào) 全部都隱蓋在噪聲中。在此，B (t)的幅度為最小值時(shí)的距離稱為零點(diǎn)。 一般地，在進(jìn)行感測(cè)測(cè)量時(shí)，當(dāng)感測(cè)系統(tǒng)和目標(biāo)被分開引起零點(diǎn)的距離時(shí)， 探測(cè)靈敏度最低，因此傳感器具有最低的探測(cè)精確度。
相反的，當(dāng)B (t)的幅度在d。 = 3.48mm達(dá)到最大值時(shí)，由于對(duì)應(yīng)的 速率分布(rate profile)具有與圖4A所示的原始信號(hào)相同的形狀，所以 探測(cè)精確的心跳速率的難度大大降低。再次，將雷達(dá)系統(tǒng)和目標(biāo)分隔、并 且使B (t)的幅度最大的距離稱為最優(yōu)點(diǎn)。這使得測(cè)量具有大大提高的 探測(cè)靈敏度和探測(cè)精確度。
圖5示出了對(duì)于單邊帶發(fā)射波,零點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)隨雷達(dá)系統(tǒng)到對(duì)象的距 離的分布。對(duì)于30GHz波，相鄰的零點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)之間的距離只有1.25mm (入/8)，其大約與胸壁運(yùn)動(dòng)相似。該距離通常太小而無法容易得到足夠 有用的測(cè)量。
如果感測(cè)系統(tǒng)發(fā)射單音Ka波段波，則即使目標(biāo)的移動(dòng)很小，探測(cè)精 確度也隨其顯著變化，使得在這種情況下獲得所需探測(cè)精確度及其困難。 因此，如果雷達(dá)系統(tǒng)只發(fā)射單音波，則其在較高頻率無法勝任。
根據(jù)本發(fā)明，通過利用雙邊帶波解決了零點(diǎn)問題。系統(tǒng)100使用具有兩個(gè)Ka波段頻率分量fL和fu的Ka波段波作為發(fā)射信號(hào)T (t)。因此， 接收信號(hào)R (t)也具有這兩個(gè)頻率分量4和fu.在下文中，BL (t)和 Bu(t)分別表示根據(jù)fL和fu頻率分量得出的基帶信號(hào)。因此，得到下列 等式
<formula>complex formula see original document page 15</formula>(6)<formula>complex formula see original document page 15</formula> (7)<formula>complex formula see original document page 15</formula>(8)
以及
<formula>complex formula see original document page 15</formula>(9)
其中，入L和Au分別是下邊帶和上邊帶的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)入L和Xu分別等于
c/fL和c/fu。如上所述，6t和6u項(xiàng)是決定零點(diǎn)的位置和距離的相移。
根據(jù)以上討論，BL (t)或者Bu (t)都具有嚴(yán)重的零點(diǎn)問題，并且 無法提供可靠的探測(cè)。然而，當(dāng)Bl (t)和Bu (t)同時(shí)存在時(shí)，B (t) 是Bl (t)和Bu (t)的疊加。BL (t)和Bu (t)相似，但是它們之間具 有相位差。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)相位差被適當(dāng)調(diào)諧時(shí)，基帶輸出B (t)具有 的零點(diǎn)問題比單獨(dú)BL (t)或Bu (t)小得多.現(xiàn)在再參考圖6,其中示 意性地示出針對(duì)雙邊帶波的零點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)的分布。如果LOl頻率&被適 當(dāng)調(diào)諧，則來自下邊帶的零點(diǎn)和來自上邊帶的最優(yōu)點(diǎn)彼此交疊，反之亦然。
需要注意，當(dāng)來自 一個(gè)邊帶的零點(diǎn)與來自另 一個(gè)邊帶的最優(yōu)點(diǎn)交疊 時(shí)，探測(cè)精確度大大提高。即，當(dāng)來自下邊帶的零點(diǎn)與來自上邊帶的最優(yōu) 點(diǎn)交疊時(shí)，探測(cè)精確度大大提高。同樣，如果來自下邊帶的最優(yōu)點(diǎn)與來自 上邊帶的零點(diǎn)交疊，則探測(cè)精確度也大大提高.
由于程多E^目關(guān)的作用，等式(7)和(8)中相應(yīng)的殘余噪聲A(K(t) 和Ac[)u(t)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6和相位調(diào)制47Tx(t)/入。因此，在以下討論中， 忽略了A(K (t)和A(l)u (t)的作用而不散失一般性。由于入l和入u非 常接近，所以相位調(diào)制47TX (t) /入l和4ttx (t) /入u具有幾乎相等的幅 度。
當(dāng)6L和6u間隔7T的偶數(shù)倍時(shí)，BL (t)和Bu (t)同相且同步。因此，在相同地方，B (t)將產(chǎn)生與BL (t)或Bu (t)單獨(dú)產(chǎn)生的幾乎相 同的最優(yōu)點(diǎn)和零點(diǎn)，并且存在降低探測(cè)精確度的近間隔零點(diǎn)的相同的問 題。
當(dāng)6L和6u間隔7T的奇數(shù)倍時(shí)，BL(t)和Bu(t)異相。由于BL(t)
和Bu(t)具有基^目同的幅度，^f目位相反，所以它們彼此抵消。因此， B (t)的幅度相當(dāng)小，難以探測(cè)。
因此，當(dāng)6t和6xj之間的相位差是7T的整數(shù)倍時(shí)，在測(cè)量中出現(xiàn)新
的零點(diǎn)情形。如果單邊帶的零點(diǎn)定義為局部零點(diǎn)，那么新的零點(diǎn)情形定義
為全局零點(diǎn)。在該全局零點(diǎn)，探測(cè)精確度最低。相位差是
<formula>complex formula see original document page 16</formula>
其中
<formula>complex formula see original document page 16</formula>
(11)
將<formula>complex formula see original document page 16</formula>代入，得到下式:
<formula>complex formula see original document page 16</formula>
將<formula>complex formula see original document page 16</formula>代入等式(12)中，于是得到
<formula>complex formula see original document page 16</formula>
其中d。是距離。
當(dāng)6L和6u間隔7T/2奇數(shù)倍時(shí)，BL (t)與Bu (t)正交。BL (t)和
Bu (t)中至少一個(gè)不在零點(diǎn)。不在零點(diǎn)的那個(gè)將確定最終的輸出B (t)。 因此，在這種情況下，整體的探測(cè)精確度會(huì)高。該點(diǎn)被定義為全局最優(yōu)點(diǎn)。
因此，6u和6^之間的差為<formula>complex formula see original document page 17</formula>
重復(fù)以上等式(10) - (13)所描述的過程，得到
<formula>complex formula see original document page 17</formula>
上述分析顯示，當(dāng)對(duì)象的位置固定時(shí)，通過適當(dāng)選擇&頻率，可以將 該位置設(shè)置成全局最優(yōu)點(diǎn)或全局零點(diǎn)。例如，如果在&頻率，d。-lm的 對(duì)象位置'W為零點(diǎn)，則如果才艮據(jù)等式(13)和(15)將頻率&調(diào)諧到 &± (2k+l) xl8.75MHz,該零點(diǎn)就可以變成最優(yōu)點(diǎn)。因此，通過調(diào)整& 頻率而無需移動(dòng)對(duì)象的位置，總是能夠在最優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精確的探測(cè)。
當(dāng)fi頻率固定時(shí)，由于兩個(gè)基帶信號(hào)的疊加，針對(duì)雙邊帶波的全局零 點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)的分布與單邊帶情況不同。等式(13)和(15)可以分別重新 寫成
<formula>complex formula see original document page 17</formula>以及<formula>complex formula see original document page 17</formula>
根據(jù)等式(16)和(17)，每7w/8出現(xiàn)零點(diǎn)，最優(yōu)點(diǎn)也是如此。另外，相 鄰的零點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)間隔、/16。圖7示出了針對(duì)雙邊帶信號(hào)的零點(diǎn)和最優(yōu) 點(diǎn)的分布。
通常，頻率&比頻率f2低得多，因此相鄰的全局零點(diǎn)和全局最優(yōu)點(diǎn) 之間的距離長(zhǎng)很多。對(duì)于f1 = 500MHz，其遠(yuǎn)小于Ka波段頻率，則每75mm 出現(xiàn)零點(diǎn)，75mm相比針對(duì)單30GHz波的2.5mm長(zhǎng)的多，因此，通過調(diào) 節(jié)雷達(dá)的位置，可獲得可靠的探測(cè)精確度以及避開零點(diǎn)。
等式(16)和(17)指出，頻率&越低，則得到的零點(diǎn)相距越遠(yuǎn)。因此，零點(diǎn)問題在非常低的&得到解決。然而，當(dāng)頻率&太小時(shí)，4艮有可能在相當(dāng)長(zhǎng)的距離上零點(diǎn)由局部零點(diǎn)支配。圖8A-8C分別示出了當(dāng)f2 = 27.1GHZ時(shí)，針對(duì)f尸500MHz、 f產(chǎn)50MHz和f產(chǎn)5MHz的局部零點(diǎn)和全 局零點(diǎn)的不同分布。距離標(biāo)繪在橫軸上,信號(hào)的歸 一化幅度標(biāo)繪在縱軸上。 當(dāng)信號(hào)到ii^i時(shí)，幅度最小，因此探測(cè)精確度最低。細(xì)實(shí)線和細(xì)虛線分 別表示針對(duì)基帶信號(hào)BL (t)和Bu (t)的局部零點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)的分布。由 于收發(fā)器的頻率響應(yīng)平坦度的原因，BL (t)和Bu (t)的幅度具有小的 差別，但是在這里，為了分析的方便，假設(shè)具有相同幅度。
根據(jù)曲線圖，最接近的局部零點(diǎn)(谷值)間隔接近2.5mm。粗實(shí)線 表示針對(duì)B (t)的全局零點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)分布。如圖8A所示，當(dāng)f產(chǎn)500MHz 時(shí)，4^局零點(diǎn)間隔為75mm。然而，對(duì)于f產(chǎn)5MHz，全局零點(diǎn)間隔為7.5m。 如8 (c)所示，在整個(gè)0.1m范圍內(nèi)，B (t)與BL (t)和Bu (t)具有 相同的零點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)，其在前文在性質(zhì)上被定義為全局零點(diǎn)。從性質(zhì)上， 如果B (t)的信號(hào)^t幅度降到BL (t)或Bu (t)的《%值幅度的20 %以 下，則我們將B( t )定義為全局零點(diǎn)區(qū)域。利用該定義，B( t )針對(duì)f產(chǎn)5MHz 將保持在全局零點(diǎn)區(qū)域持續(xù)大約lm長(zhǎng)，針對(duì)50MHz為O.lm，而針對(duì) 500MHz為O.Olm。
為了克服測(cè)量中的這種零點(diǎn)問題，以及為了獲得高的探測(cè)精確度，最 好是通過移動(dòng)雷達(dá)位置或者改變&頻率來在最優(yōu)點(diǎn)或接近最優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行測(cè) 量。對(duì)于低至5MHz的L01頻率，難以將雷達(dá)移動(dòng)3m距離之多以到達(dá) 最接近的最優(yōu)點(diǎn)，所以唯一的方式是調(diào)節(jié)LOl頻率。
對(duì)于Ka波段波，to巨離的信號(hào)損失相比低頻波更高。對(duì)于接收器處 相同的功率電平，Ka波段波的傳播距離將短得多。在該測(cè)量中，如使用 低功率發(fā)射，當(dāng)距離增加到2.5111時(shí)，探測(cè)精確度開始快速下降。如果零 點(diǎn)出現(xiàn)在d。 = 2.5m處，那么，為了將該零點(diǎn)轉(zhuǎn)換成最優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)等式(15 )， A頻率需要改變至少7.5MHz。如^點(diǎn)出現(xiàn)在d(^0.1m處，則最小的調(diào) 諧階梯將是187.5MHz，這對(duì)于第一低振蕩器(LOl)是相當(dāng)大的調(diào)諧范 圍。因此，當(dāng)零點(diǎn)出現(xiàn)在接近系統(tǒng)100的距離處時(shí)，將一起考慮&頻率的 選捧和VCO調(diào)諧范圍。因此，優(yōu)選將系統(tǒng)100的從450MHz到800MHz 的調(diào)諧范圍選擇作為&源。同時(shí)，該VCO頻率提供大約75mm的零點(diǎn)間 隔，因此它也提供通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)100的相對(duì)于目標(biāo)的距離來避開零點(diǎn)的可 能性。
當(dāng)探測(cè)精確度很低時(shí)，可能出現(xiàn)以下問題可能難以確定是否系統(tǒng)100探測(cè)到由零點(diǎn)引起的錯(cuò)誤警告，還實(shí)實(shí)際上探測(cè)到重要結(jié)果，如針對(duì) 受監(jiān)測(cè)對(duì)象的警告。在這種情形下，如果通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)100相對(duì)于目標(biāo)的
位置或者通過改變頻率A可以顯著提高探測(cè)精確度，則意味著是由零點(diǎn)引 起的錯(cuò)誤警告。否則，例如在患者監(jiān)測(cè)的情況下，其指出患者可能具有心
肺問題。
如上所述，探測(cè)精確度一般取決于目標(biāo)的相對(duì)于所述系統(tǒng)的位置，所
述目標(biāo)位置可能在零點(diǎn)、最優(yōu)點(diǎn)或兩者之間的特定位置。然而，系統(tǒng)IOO 能夠通過調(diào)諧頻率A獲得最佳響應(yīng)。因此，無論目標(biāo)相對(duì)于系統(tǒng)100的位 置如何，系統(tǒng)100都可獲得高的探測(cè)精確度。
圖9 根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的頻率分隔單元900的示意圖。頻率分 隔單元900確定用于感測(cè)目標(biāo)的雙邊帶Ka波段電磁波的第一頻率分量& 與第二頻率分量f2之間的所需間隔。如圖所示，頻率分隔單元卯0包括頻 率確定模塊卯2、精確度估計(jì)模塊卯4以及相互通信的頻率控制模塊906。
工作時(shí)，頻率確定模塊卯2接收對(duì)應(yīng)于雙邊帶Ka波段電磁波的信號(hào) S (t)。例如，可以將雙邊帶Ka波段電磁波直接提供給該模塊?；蛘?， 可以提供代表雙邊帶Ka波段電磁波的物理參數(shù)的信號(hào)。代表雙邊帶Ka 波段電磁波的探測(cè)精確度的信號(hào)R (t)被提供給精確度估計(jì)模塊904，該 模塊確定是否有必要對(duì)第一頻率分量和第二頻率分量即&和f2的間隔進(jìn) 行調(diào)節(jié)。如果有必要，則頻率控制模塊906提供控制信號(hào)C (t)，該控制 信號(hào)C (t)導(dǎo)致所述頻率分量中的一者或兩者發(fā)生變化以實(shí)現(xiàn)如上所述 的所需頻率間隔，該頻率間隔將提高雙邊帶Ka波段電磁波的感測(cè)精確度。
更具體地，如上所述，通過調(diào)節(jié)頻率分量&和f2中的一者或兩者， 使得由雙邊帶Ka波段電磁波的一個(gè)邊帶引起的信號(hào)響應(yīng)的最優(yōu)點(diǎn)由于所 述兩個(gè)頻率分量之間的間隔的原因，與雙邊帶Ka波段電磁波的另一個(gè)邊 帶引起的信號(hào)響應(yīng)的零點(diǎn)完全或基本上交疊，從而顯著增加感測(cè)精確度。
應(yīng)當(dāng)理解，更一般地但仍然與這里描述的技術(shù)一致，如果雙邊帶Ka 波段電磁波的一個(gè)邊帶引起的信號(hào)響應(yīng)的尖峰與另 一個(gè)邊帶引起的信號(hào) 響應(yīng)的零點(diǎn)完全或基本上交疊，則探測(cè)精確度得以提高。再次，根據(jù)本發(fā) 明，這可以通過調(diào)節(jié)所述頻率分量&和f2中的一者或兩者以便獲得所述頻 率分量之間的所需間隔來實(shí)現(xiàn)。如這里限定的那樣，尖峰是超過預(yù)定閾值 的信號(hào)響應(yīng)。
頻率分隔單元90o的每個(gè)示例性模塊能夠以硬連線電路和/或機(jī)器可讀代碼來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，頻率分隔單元900結(jié)合到前述感測(cè)系統(tǒng)100中或 與其連接(見圖1)。
圖10是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的用于i^巨感測(cè)目標(biāo)的方法IOOO的示 例性步驟的流程圖。該方法包括在步驟1002中，發(fā)射包括第一頻率分 量和第二頻率分量的雙邊帶Ka波段電磁波。在步驟1004中，方法1000 在Ka波段電磁波被對(duì)象反射之后繼續(xù)接收該Ka波段電磁波。如上所述， 第 一頻率分量與第二頻率分量之間的間隔使得對(duì)應(yīng)于雙邊帶Ka波段信號(hào) 一邊帶的每個(gè)最優(yōu)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)于該雙邊帶Ka波段信號(hào)另 一邊帶的每個(gè)零點(diǎn) 基本上交疊。該方法結(jié)束于1006。
圖11是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例，用于確定用來i^巨感測(cè)目標(biāo)的雙邊 帶Ka波段電磁波的頻率分量間隔的方法1000的示例性步驟的流程圖。 該方法包括在步驟1102，對(duì)雙邊帶Ka波段電磁波的第一頻率分量和第 二頻率分量中的至少一個(gè)進(jìn)行調(diào)解。在步驟1104中，發(fā)射該雙邊帶Ka 波段電磁波。在步驟1106中，發(fā)射波^L^射和接收，之后，在步驟1108 中，評(píng)估該波的探測(cè)精確度。如果根據(jù)預(yù)定閾值或準(zhǔn)則，探測(cè)精確度不可 接受，則重復(fù)前述步驟直到獲得可接受的精確度。當(dāng)獲得了可接受的精確 度時(shí)，在步驟1110，該方法結(jié)束。
更具體地，才艮據(jù)本發(fā)明，對(duì)第一頻率和第二頻率即&和&中的一者 或兩者進(jìn)行調(diào)節(jié)，以致所述頻率之間的間隔使得來自雙邊帶Ka波段電磁 波的一個(gè)邊帶的最優(yōu)點(diǎn)與來自另一個(gè)邊帶的零點(diǎn)完全或基本上交疊。更一 般地，如上所述，當(dāng)對(duì)所述頻率中的一者或兩者進(jìn)行調(diào)解以l更實(shí)現(xiàn)頻率之 間的間隔時(shí)，其中，該間隔使得來自Ka波段電磁波的一個(gè)邊帶的尖峰與 來自另一個(gè)邊帶的零點(diǎn)完全或基本上交疊，則探測(cè)頻率得到提高。
如上所述，本發(fā)明在健康護(hù)理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如用于診斷和 監(jiān)測(cè)患者或傷殘者的心跳和呼吸。然而，本發(fā)明也涉及各種非醫(yī)療應(yīng)用。 圖12示意性示出了根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的一個(gè)這種應(yīng)用，其監(jiān)測(cè)嬰幼 兒或小孩子1200的心跳或呼吸。如圖所示，上述^巨感測(cè)系統(tǒng)100可以 結(jié)合到嬰兒監(jiān)測(cè)器1202中或與其連接。作為嬰兒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)100向 嬰兒1200發(fā)射信號(hào)1204,并且接收來自該嬰兒的反射信號(hào)1206。同樣如 上所述，系統(tǒng)IOO相應(yīng)地探測(cè)嬰兒1200的胸部動(dòng)作以監(jiān)測(cè)該嬰兒的心跳。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解，系統(tǒng)IOO能夠在集成芯片上實(shí)現(xiàn)且 ^嬰兒監(jiān)測(cè)器1202的殼體中。(系統(tǒng)100所使用的功率較低，而Ka波 段中信號(hào)的波長(zhǎng)較短，這允許使用相對(duì)于常規(guī)裝置其尺寸減小很多的天線，也是該系統(tǒng)能這樣實(shí)現(xiàn)的原因)。在可替選實(shí)施例中，系統(tǒng)100可以 安裝在膝上型電腦、蜂窩式電話或其他手持裝置中。另外，系統(tǒng)100可以 包括用于將發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)1204、 1206轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式以便在膝上 型電腦、蜂窩式電話或其他手持裝置的屏幕上創(chuàng)建如心電圖之類的圖像的 硬件和/或軟件。
根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例，嬰兒監(jiān)測(cè)器1200可以包括連接到系統(tǒng)100 的發(fā)射器(未明確示出)。該發(fā)射器能接收系統(tǒng)100的輸出，以及將該輸 出發(fā)射到遠(yuǎn)離嬰兒監(jiān)測(cè)器1200的無線裝置。例如，系統(tǒng)100的輸出能被 發(fā)射到具有屏幕的膝上型電腦或蜂窩式電話，在所述屏幕上能顯示如心電 圖之類的圖像或其他監(jiān)測(cè)信息。本實(shí)施例提供如下優(yōu)勢(shì)，即父母或護(hù)士能 夠在遠(yuǎn)離嬰兒房間的區(qū)域四處走動(dòng)，同時(shí)仍能夠密切監(jiān)測(cè)嬰兒。
圖13示意性示出了根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例、本發(fā)明的另一非醫(yī)療應(yīng) 用。根據(jù)本實(shí)施例，系統(tǒng)100用作鍛練監(jiān)測(cè)器。系統(tǒng)100被示出為裝入殼 體1300中，該殼體1300安裝到鍛練器械如踏車1302上或位于其附近。 當(dāng)系統(tǒng)100這樣置于參加鍛練或者在長(zhǎng)時(shí)間健身期間休息的人1304附近 時(shí)，系統(tǒng)100能夠監(jiān)測(cè)該人的心跳和/或呼吸。其他實(shí)施例包括，例如監(jiān) 測(cè)位于醫(yī)療機(jī)構(gòu)如醫(yī)院中的人以及監(jiān)測(cè)位于諸如研究試驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)中的動(dòng)物。
本發(fā)明具有多個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 一個(gè)優(yōu)勢(shì)是Ka波段頻鐠往往僅很少使 用，因此減少了所述系統(tǒng)受到來自其他應(yīng)用的干擾的風(fēng)險(xiǎn)。
另一優(yōu)勢(shì)這些頻率處信號(hào)的相對(duì)較短的波長(zhǎng)對(duì)小的位移更加敏感?；?帶輸出中的經(jīng)調(diào)制的相位與波長(zhǎng)成反比。因此，對(duì)于同樣的位移，波長(zhǎng)越 短，其產(chǎn)生的相位調(diào)制越大。例如，如果所述系統(tǒng)工作在26GHz到40GHz 的頻率范圍中，則對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是從ll.Smm下降到7.5mm。因此，30GHz 波(其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是10mm)產(chǎn)生的相位是2.4GHz波(具有125mm的 相應(yīng)波長(zhǎng))產(chǎn)生的相位的12.5倍，或者大接近22dB。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)使用的較短波長(zhǎng)產(chǎn)生另一好處。例如，Ka波段中信 號(hào)較短的波長(zhǎng)使得允許使用相對(duì)于常規(guī)裝置其尺寸減小很多的天線。事實(shí) 上，如上所述，這里描述的尺寸足夠小，使得能夠集成在芯片上。
這里，具體說明了使用Ka波段中的雙邊帶信號(hào)實(shí)施本發(fā)明的一些特 定優(yōu)勢(shì)。然而，盡管這里主要是在使用Ka波段信號(hào)的情況下描述本發(fā)明， 但很明顯，本發(fā)明在這方面不限于此。事實(shí)上，很明顯，這里描述的發(fā)明
可以使用Ka波段以上的頻率來實(shí)施。因此，盡管使用頻率在Ka波段的 雙邊帶信號(hào)具有特定好處，但本發(fā)明也適用于頻率在Ka波段以及Ka波 段以上的雙邊帶信號(hào)。
本發(fā)明能夠以硬件、軟件或硬件和軟件的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明能夠以 集中式在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，或者以分布式實(shí)現(xiàn)，其中在分布式中， 不同的元件散布在多個(gè)互聯(lián)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。適于執(zhí)行這里所述方法的任何類 型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或其他裝置都是適合的。硬件和軟件的典型組合可以是具 有計(jì)算機(jī)程序的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中該程序被加載或執(zhí)行時(shí)，控制該計(jì)
算機(jī)系統(tǒng)使其執(zhí)行這里所述的方法。
本發(fā)明也能嵌入到計(jì)算枳4呈序產(chǎn)品中，該計(jì)算積4呈序產(chǎn)品包括使得能 夠?qū)崿F(xiàn)這里所述的方法的全部特性，并且當(dāng)被加載到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中時(shí)能夠 執(zhí)行這些方法。在當(dāng)前情況下，計(jì)算^4呈序表示一組指令中釆用任何語言、 代碼或符號(hào)形式的任何表述，該組指令旨在使得具有信息處理能力的系統(tǒng) 直接地或在以下任一者或兩者之后執(zhí)行特定的功能a)轉(zhuǎn)換成另外的語 言、代碼或符號(hào)；b)以不同的材料形式再現(xiàn)。
本發(fā)明在不背離其精神和實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)的前提下，可以以其他形式實(shí) 施。因此，在指示本發(fā)明的范圍時(shí)，應(yīng)當(dāng)參考所附權(quán)利要求，而不是前述 說明書。
權(quán)利要求
1.一種遠(yuǎn)距感測(cè)的方法，該方法包括發(fā)射包括第一頻率分量和第二頻率分量的雙邊帶電磁波；以及在所述電磁波被對(duì)象反射后接收該電磁波；其中，所述第一頻率分量與所述第二頻率分量之間的間隔使得對(duì)應(yīng)于所述雙邊帶電磁波一個(gè)邊帶的信號(hào)響應(yīng)中的尖峰與對(duì)應(yīng)于所述雙邊帶電磁波另一個(gè)邊帶的信號(hào)響應(yīng)的零點(diǎn)基本上交疊。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述尖峰包括最優(yōu)點(diǎn)。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定所述第一頻率分量與所述 第二頻率分量之間的、使得所述尖峰與所^點(diǎn)基本上交疊的間隔。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對(duì)所述第一頻率分量和所述第 二頻率分量中的至少 一個(gè)進(jìn)行調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)使所述尖峰與所述零點(diǎn)基本 上交疊的間隔。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，確定所述間隔的步驟包括對(duì) 多個(gè)探測(cè)靈敏度測(cè)量值進(jìn)行采樣，其中每個(gè)測(cè)量值對(duì)應(yīng)于不同的間隔；以 及從所述不同的間隔中選出產(chǎn)生最高探測(cè)靈敏度的間隔。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過將第一信號(hào)與第二信號(hào)相 乘產(chǎn)生所述雙邊帶電磁波，其中，所述第一信號(hào)的頻率等于所述第一頻率 分量，所述第二信號(hào)的頻率等于所述第二頻率分量。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一頻率分量和所述第二 頻率分量的頻率在電磁頻譜的Ka波段內(nèi)。
8. —種感測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括收發(fā)器，該收發(fā)器包括發(fā)射器鏈，其發(fā)射具有第一頻率分量和第二頻率分量的雙邊帶電 磁波，以及接收鏈，其在所述雙邊帶電磁波被目標(biāo)反射后該接收雙邊帶電磁波；以及基帶電路，其用于從所述雙邊帶電磁波中提取信息內(nèi)容； 其中，所述第 一頻率分量與所述第二頻率分量之間的間隔4吏得所述雙 邊帶電磁波一個(gè)邊帶產(chǎn)生的信號(hào)響應(yīng)中的尖峰與所述雙邊帶電磁波另一 個(gè)邊帶產(chǎn)生的信號(hào)響應(yīng)中的零點(diǎn)基本上交疊。
9. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述尖峰是最優(yōu)點(diǎn)。
10. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述接收鏈?zhǔn)前凑諆刹介g接變 換接收器架構(gòu)而配置的。
11. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述目標(biāo)是受監(jiān)測(cè)患者。
12. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括頻率確定單元。
13. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述頻率確定單元包括頻率確 定模塊、精確度估計(jì)模塊和頻率控制模塊中的至少一個(gè)。
14. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括嬰兒監(jiān)測(cè)器。
15. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括用于對(duì)參加健身 的個(gè)人進(jìn)行監(jiān)測(cè)的鍛練監(jiān)測(cè)器。
16. —種機(jī)器可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，該存儲(chǔ)介質(zhì)包括機(jī)器操縱的指令，所 述機(jī)器操縱的指令用于發(fā)射包括第一頻率分量和第二頻率分量的雙邊帶電磁波；以及 在所述電磁波被對(duì)象反射之后接收該電磁波；其中，所述第一頻率分量和所述第二頻率分量之間的間隔4吏得對(duì)應(yīng)于 所述雙邊帶電磁波一個(gè)邊帶的信號(hào)響應(yīng)中的尖峰與對(duì)應(yīng)于所述雙邊帶電 磁波另 一個(gè)邊帶的信號(hào)響應(yīng)中的零點(diǎn)基本上交疊。
17. 如權(quán)利要求16所述的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中，所述尖峰是最優(yōu)點(diǎn)。
18. 如權(quán)利要求16所述的存儲(chǔ)介質(zhì)，還包括用于對(duì)所述第一頻率分 量和所述第二頻率分量中的至少一個(gè)進(jìn)行調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)所述間隔的機(jī)器 操縱的指令，其中所述間隔使所述尖峰與所述零點(diǎn)基本上交疊。
19. 如權(quán)利要求16所述的存儲(chǔ)介質(zhì)，還包括用于確定所述第一頻率 分量與所述第二頻率分量之間的所述間隔的機(jī)器操縱的指令，所述間隔使 所述尖峰與所述零點(diǎn)基本上交疊。
20. 如權(quán)利要求19所述的存儲(chǔ)介質(zhì)，其中，所述用于確定所述間隔 的機(jī)器操縱的指令包括以下指令，該指令用于對(duì)多個(gè)探測(cè)靈敏度測(cè)量值 進(jìn)行采用的指令，其中每個(gè)測(cè)量值對(duì)應(yīng)于不同的間隔；以及從所述不同的間隔中選出產(chǎn)生最高探測(cè)靈敏度的間隔。
21. 如權(quán)利要求16所述的存儲(chǔ)介質(zhì)，還包括用于通過將第一信號(hào)與第 二信號(hào)相乘產(chǎn)生所述雙邊帶電磁波的機(jī)器操縱的指令，其中，所述第一信 號(hào)的頻率等于所述第一頻率分量，所述第二信號(hào)的頻率等于所述第二頻率 分量。
22. —種用于感測(cè)心肺活動(dòng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括Ka波段收發(fā)器，其用于向受監(jiān)測(cè)對(duì)象發(fā)射感測(cè)信號(hào)以及從所述受監(jiān) 測(cè)對(duì)象接收經(jīng)調(diào)制的信號(hào)，所述感測(cè)信號(hào)具有在Ka波段范圍的頻率內(nèi)的 頻率，且所述經(jīng)調(diào)制的信號(hào)是基于所述受監(jiān)測(cè)對(duì)象的心肺活動(dòng)而被調(diào)制 的；以及連接到所述Ka波段M器的基帶電路，所逸基帶電路用于產(chǎn)生基于 所述經(jīng)調(diào)制的信號(hào)且指示所述受監(jiān)測(cè)對(duì)象的心肺活動(dòng)的基帶信號(hào)輸出。
23. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，還包括連接到所述基帶電路的、用 于處理所述基帶信號(hào)輸出的信號(hào)處理器。
24. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，還包括連接在所^帶電路與所述 信號(hào)處理器之間的信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換器，所述信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換器用于將所述基帶 信號(hào)輸出數(shù)字化。
25. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述Ka波段收發(fā)器包括間接 變換收發(fā)器，所述間接變換收發(fā)器用于在所述Ka波段收發(fā)器接收到所述 經(jīng)調(diào)制的信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)對(duì)該經(jīng)調(diào)制的信號(hào)的兩步變換，從而減輕潛在的 DC偏移問題。
26. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述Ka波段收發(fā)器包括 發(fā)射器鏈；接收器鏈；以及第一功率分離器和第二功率分離器，每個(gè)功率分離器電連接在所述發(fā)射器鏈和接收器鏈中的不同點(diǎn)之間，以便分離所^ic射器鏈和所述接收器鏈之間的載波信號(hào)的功率。
27. 如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，還包括連接到所述第二功率分離器 的壓控振蕩器，且其中所述發(fā)射器鏈包括發(fā)射天線，所述感測(cè)信號(hào)通過所所述發(fā)射天線發(fā)射；第一上變頻器和第二上變頻器，其用于將所述載波信號(hào)與所述感測(cè)信號(hào)混頻；其中，所述第一上變頻器凈皮連接到所述第一功率分離器，且所述第二 上變頻器被連接到所述第二功率分離器。
28. 如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，還包括連接到所述第二功率分離器 的壓控振蕩器，且其中所述接收器鏈包括接收天線，通過該接收天線接收所述經(jīng)調(diào)制的信號(hào)；以及第一下變頻器和第二下變頻器，其用于將所述載波信號(hào)與所述經(jīng)調(diào)制 的信號(hào)混頻；其中，所述第一下變頻器被連接到所述第二功率分離器，且所述第二 上變頻器被連接到所述第一功率分離器。
29. 如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，還包括連接在所述接收天線與所述 第 一下變頻器之間的低噪聲放大器，以及連接在所述第一下變頻器與所述 第二下變頻器之間的中頻放大器。
30. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述基帶電路包括前置放大 器、連接到所述前置放大器的帶通濾波器和連接到所述帶通濾波器的低頻 放大器。
全文摘要
提供了一種感測(cè)系統(tǒng)(100)，其包括收發(fā)器(102)。所述收發(fā)器包括發(fā)射器鏈和接收鏈，其中，所述發(fā)射器鏈發(fā)射具有第一頻率分量和第二頻率分量的雙邊帶電磁波，所述接收鏈在雙邊帶電磁波被目標(biāo)反射后接收該雙邊帶電磁波。系統(tǒng)(100)還包括用于從雙邊帶電磁波中提取信息內(nèi)容的基帶電路(104)。所述第一頻率分量與第二頻率分量之間的間隔使得雙邊帶電磁波一個(gè)邊帶產(chǎn)生的信號(hào)響應(yīng)中的尖峰與雙邊帶電磁波另一個(gè)邊帶產(chǎn)生的信號(hào)響應(yīng)中的零點(diǎn)基本上交疊。
文檔編號(hào)G01S13/00GK101203773SQ200680013324
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者林仁山, 肖艷明 申請(qǐng)人:佛羅里達(dá)大學(xué)研究基金會(huì)有限公司