基于激光调频连续波测距系统的生命体征测量方法技术方案

本发明专利技术提供了一种利用激光调频连续波测距系统测量人体生命体征的方法。建立了基于激光调频连续波绝对距离测量系统，将激光发射接收准直器和人体胸腔置于同一水平面，激光投射至人体胸腔，由于呼吸和心跳造成的胸腔起伏会改变目标点和激光发射器之间的距离，将测得的波形进行平滑滤波，随机身体运动信号去除，再将处理过的信号进行集合经验模态分解，可分离出心跳信号和呼吸信号。利用该系统测量人体生命体征，并将频率采样法用于对测量信号拍频非线性校正，使得校正精度高，速度快及装置简捷。有益效果：利用非接触测量人体生命体征，可适用于一些特殊场景，如早产儿生命监护，重度烧伤病人生命监护，新冠患者无接触生命体征测量等。等。

【技术实现步骤摘要】
基于激光调频连续波测距系统的生命体征测量方法


[0001]本专利技术涉及光学测量
，主要涉及一种基于激光调频连续波测距系统和测量结果处理方法。

技术介绍

[0002]生命体征是现代医疗检测中的重要指标，能够为医生提供可靠的诊断和治疗依据。因此，对呼吸信号和心跳信号进行实时监测对临床疾病的诊断、健康监测等领域的发展有至关重要的作用。传统的接触式生命体征测量方法中，对于呼吸的检测方法一般有压力传感器法，呼吸感应体积描记法等；对于心跳的检测方法一般有心电图，光电式脉搏波测量法等。传统的接触式生命体征测量方法往往装置体积较大，操作较为复杂，因此检测装置的使用场合受限。而非接触式生命体征检测恰好可以弥补这些不足，适用于一些特殊场景。比如在临床医疗中，适合长时间生命体征测量，不会给患者带来生理不适感；实现早产儿在保温箱内的生命监护，由于早产儿器官发育和免疫系统不成熟，非接触式测量能最大程度减少外界刺激；对于大面积烧伤危重病人生命体征监护，避免接触造成压力刺激导致感染。
[0003]非接触生命体征检测手段包括红外、生物、静电场、超声波等。作为一种新兴的生命体征检测手段，激光调频连续波绝对距离测量技术由于其测量精度高，工作距离长，抗干扰性强等诸多优点在生命体征检测方面具有独特优势。如何实现呼吸信号和心跳信号分离是非接触式测量生命体征向前发展的关键性因素。

技术实现思路

[0004]为了解决接触式生命体征测量使用场景受限问题，本专利技术提供一种非接触式测量方案，即调频激光器向目标发射信号，同时接收目标反射的回波，根据测量信号发射时刻和返回光到达接收器的时间间隔进行测距，可以得到目标的距离信息。在生命体征检测方面，使用调频激光测量人体胸腔运动，得到心跳呼吸活动引起的振动信息。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]激光调频连续波测距系统，其包含以下设备：调频激光器、隔离器、耦合器A、耦合器B、延迟单模光纤、3dB耦合器A、平衡探测器A、耦合器C、环形器、准直镜头、3dB耦合器B、平衡探测器B、采集卡。
[0007]调频激光器输出可被线性调制的三角波，通过隔离器、耦合器A后分成校正干涉路和测量干涉路，分光比为1：99。在校正干涉路中，经过耦合器B进行分束，一路经过延迟单模光纤，另一路作为本振信号，两路信号在3dB耦合器A中耦合，在平衡探测器A上形成拍信号，将拍信号相位每经过2π时刻作为外部时钟信号接入采集卡。在测量干涉路中，信号再经耦合器C进行分束，一束穿过环形器，经过准直镜头投射至目标，带着目标信息原路返回，返回后经过3dB耦合器B到达平衡探测器B并于本振光发生外差干涉，形成测量信号。测量信号经过平衡探测器A形成的拍信号时钟采样后，拍频非线性得到校正。
[0008]对校正过的目标信息，进行以下处理：
[0009]步骤一：对校正后的原始数据进行平滑滤波。
[0010]步骤二：对平滑滤波后的波形进行去趋势处理，去除随机身体运动。
[0011]步骤三：对预处理后的信号进行集合经验模态分解。
[0012]步骤四：对集合经验模态分解后的小波信号进行数据采集，选取时域信号在呼吸和心跳范围内的信息，分离出心跳信号和呼吸信号。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益是：利用激光调频连续波进行非接触式生命体征测量，解决接触式测量使用场景受限问题。将频率采样法用于测量信号拍频非线性校正，校正精度高、速度快及装置简捷。
附图说明
[0014]附图1是本专利技术装置示意图
[0015]附图2是激光上下扫频周期示意图
[0016]附图3是测量实验示意图
[0017]附图4是探测目标平滑滤波前后距离像
[0018]附图5是去除身体随机运动后的波形
[0019]附图6是经EEMD分解后的信号分量
[0020]附图7是呼吸信号的时域波形
[0021]附图8是心跳信号的时域波形
[0022]图中：1
‑
调频激光器；2
‑
隔离器；3
‑
耦合器A；4
‑
耦合器B；5
‑
延迟单模光纤；6
‑
3dB耦合器A；7
‑
平衡探测器A；8
‑
耦合器C；9
‑
环形器；10
‑
准直镜头；11
‑
3dB耦合器B；12
‑
平衡探测器B；13
‑
采集卡。
具体实施方式
[0023]下面根据具体实例，结合附图，对本专利技术作进一步具体说明。
[0024]根据附图1所示，1输出可被线性调制的三角波，通过2、3后分成校正干涉路和测量干涉路，分光比为1：99。在校正干涉路中，经过4进行分束，一路经过5，另一路作为本振信号，两路信号在6中耦合，在7上形成拍信号，将拍信号相位每经过2π时刻作为外部时钟信号接入13。在测量干涉路中，信号再经8进行分束，一束穿过9，经过10投射至目标，带着目标信息原路返回，返回后经过11到达12并于本振光发生外差干涉，形成测量信号。测量信号经过7形成的拍信号时钟采样后，拍频非线性得到校正。
[0025]激光调频连续波对距离测量主要是由校正和测量干涉光路两部分组成。校正信号可以表示为：
[0026][0027]其中，R1表示校正干涉仪长臂与短臂的光纤长度差，n1表示光纤折射率。
[0028]将校正干涉仪校正信号相位每经过2π时刻作为外部采样时钟，即选择每个周期上升沿的过零点时刻，即I1＝0，即可推得：
[0029][0030]由于测量信号和校正信号来源于同一个激光器，因此同一时刻它们的光频形式相
同，因此测量信号为：
[0031][0032]其中R2为目标在空气中的距离，R
2f
为光纤出射端面与本振光路之间的距离差，n
2f
为光纤出射端面的折射率。将[00029]代入[00031]，并将常数项用代替，整理可得：
[0033][0034]上表明经过频率采样法校正拍频非线性后，测量信号变成以k
n
为自变量的余弦信号，此时目标频谱变成单峰。校正干涉路和测量干涉路对应的时延分别为τ1和τ2，整理后得：
[0035][0036]则采样频率f
s
＝c/(R1n1),测量信号拍频频率为f
s
τ2/τ1。对上式进行傅里叶变换可以计算出目标时延与辅助干涉仪时延的比值，即τ2/τ1，通过预先标定出校正干涉路时延τ1，可以得到时延τ2,因此目标距离(包含测量路光纤部分)为：
[0037][0038]其中τ
2F
表示目标在空气中的时延，τ
2f
表示测量路光纤和本振路的时延差，两者时延之和即为测量干涉路总时延τ2。同理,由测量路光纤与本振光路发生拍频干涉，经过频率采样法测得的距离为：
[0039][0040]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光调频连续波测距系统的实现非接触式人体生命体征测量的方法，该激光调频连续波测距系统包含以下设备：调频激光器(1)、隔离器(2)、耦合器A(3)、耦合器B(4)、延迟单模光纤(5)、3dB耦合器A(6)、平衡探测器A(7)、耦合器C(8)、环形器(9)、准直镜头(10)、3dB耦合器B(11)、平衡探测器B(12)、采集卡(13)，其特征在于：调频激光器(1)输出可被线性调制的三角波，通过隔离器(2)、耦合器A(3)后分成校正干涉路和测量干涉路，分光比为1：99。在校正干涉路中，经过耦合器B(4)进行分束，一路经过延迟单模光纤(5)，另一路作为本振信号，两路信号在3dB耦合器A(6)中耦合，在平衡探测器A(7)上形成拍信号，将拍信号相位每经过2π时刻作为外部时钟信号接入...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雅婷，许新科，金陈凯，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：