一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法

摘要

本发明公开了一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法。射频前端模块通过天线发射电磁波到待测运动生物体表面；下变频模块将反射回来的信号数字正交下变频到基带信号；对基带信号进行动态圆心追踪算法去除无用的直流分量并且保留有用的直流分量，再应用拓展反正切算法解调出的相位信息不受到相位模糊度的限制，从而恢复出被测物体的运动信息。本发明相比于传统的非接触式生物信号探测系统只能探测亚波长级别的小幅度运动，所述的系统具有多功能和应用场景的优点，能突破小幅度运动的限制，应用于数米级别的多个波长大幅度运动的探测，来实现生物医疗等领域的相关非接触大幅度运动探测应用。

主权项

一种用于大动态范围多普勒生物信号成像方法，射频前端模块通过天线发射电磁波到待测运动生物体表面；下变频模块将反射回来的信号数字正交下变频到基带信号；其特征在于：对基带信号进行动态圆心追踪算法去除无用的直流分量并且保留有用的直流分量，再应用拓展反正切算法解调出的相位信息不受到相位模糊度的限制，从而恢复出被测物体的运动信息；其具体工作过程如下：(1)所述射频前端模块对着待测运动生物体表面发射单频载波电磁波信号，经过待测运动生物体表面被反射，射频前端模块接收到反射电磁波信号，并将反射电磁波信号数字正交下变频，生成信号Q和信号I两路，分别满足：$I\left(t\right)=A_I\left(t\right)\cos [\theta +\frac{4\mathrm{\pi x}\left(t\right)}{\lambda }]+{\mathrm{DC}}_I\left(t\right),$$Q\left(t\right)=A_Q\left(t\right)\sin [\theta +\frac{4\mathrm{\pi x}\left(t\right)}{\lambda }]+{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right);$其中，A_I(t),A_Q(t)分别为信号I和信号Q的幅度；由于数字域的正交解调，忽略幅度不平衡，即A_I(t)＝A_Q(t)＝A_R(t)；θ为一固定相移，与射频前端模块距离待测物体的初始距离有关；x(t)为运动物体的位移信息；λ为载波波长；DC_I(t)和DC_Q(t)分别为信号I和信号Q的直流偏移；(2)在小幅度运动测量情况下，信号Q和信号I中的直流偏移变化很小，幅度变化也很小，此时认为不变；因此信号I和信号Q组成了一段以直流偏移(DC_I(t)，DC_Q(t))为圆心、幅度A_R(t)为半径的圆弧曲线：[I(t)‑DC_I(t)]²+[Q(t)‑DC_Q(t)]²＝A_R²(t)而当测量大幅度运动时，信号Q和信号I中包含的直流偏移是时变的；此时其构成的圆弧的圆心位置偏移到坐标(DC_I(t)，DC_Q(t))；为了消除变化的直流偏移信号对最终成像结果的影响，需要使用动态圆心追踪算法获取坐标(DC_I(t)，DC_Q(t))；(3)之后在信号Q和信号I中对其进行补偿消除，获得以下的运动物体的位移信息x(t)：$x\left(t\right)=\frac{\lambda }{4\pi }\{\arctan \frac{[Q\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right)]/A_Q\left(t\right)}{[I\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_I\left(t\right)]/A_I\left(t\right)}-\theta \}$但是由于反三角函数具有(‑π/2,π/2)的值域限制，该模块的测量结果中会包含一些不连续点；为提高系统稳定性，使用拓展的反正切算法进行计算；所述需要使用动态圆心追踪算法获取坐标(DC_I(t)，DC_Q(t))；就是将大幅度运动划分为直流偏置和功率不变的小幅度运动，每段小幅度段运动上，对(DC_I,DC_Q,A_R)的方程求最优解：$F({\mathrm{DC}}_I\left(t\right),{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right),A_R\left(t\right))=\min \underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|(\sqrt{{(I\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_I\left(t\right))}^2+{(Q\left(t\right)-{\mathrm{DC}}_Q\left(t\right))}^2}-A_R\left(t\right))\right|.$