近日，南边科年夜学深港微电子学院刘晓光传授团队于面向非接触式生命体征检测的雷达传感体系标的目的取患上系列主要进展，研究结果接踵发表于于微波毫米波范畴顶级期刊IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques期刊上。刘晓光传授课题组聚焦老年人持久康健状态（呼吸心跳等生命指征及睡眠质量）及突发性事务（如颠仆）的监测，针对于差别的场景，提出差别的技能手腕，于掩护用户隐私的同时，为居家及集中养老提供高正确率不间断的康健监护技能解决方案。

继2017年印发《聪明康健养老财产成长步履规划（2017—2020年）》，工业及信息化部、平易近政部、国度卫生康健委在2021年再次印发《聪明康健养老财产成长步履规划（2021—2025）》， 夸大信息化技能于养老康健财产成长中的主要作用。《规划》中提出要重点成长”防颠仆、防走掉、紧迫呼叫、 室表里定位等智能装备。鼓动勉励成长能为养老照顾护士员减负赋能、提高事情效率和质量的搬运呆板人、智能照顾护士床、智能床垫、离床报警器、睡眠监测仪等智能关照产物。”

患上益在集成电路及人工智能技能成长，非接触式的生命体征与康健指标监护技能正逐渐步入实用阶段。非接触式康健检测监护重要包括各种音频、视频、红外和雷达等无线传感器。对于比接触式检测监护，非接触式无需接触生命体方针，防止了佩带电极、接触式传感装备带来的不恬静感，更有助在将康健检测监护融入一样平常糊口，于是提供了一种越发便捷、合用度高的非侵入式监测方式。对于比非接触式音频、视频、红外等传感器，雷达传感器可以经由过程人体方针反射的电磁回波旌旗灯号正确辨认人体方针位置、提取人体生命体征信息、辨识人体心理状况等，经由过程物联网技能可将康健数据传输到云端供医护职员、办事机构或者被监护人家人。雷达传感器不依靠在室内温度、光照、障碍物等情况因素，具备情况顺应性好、穿透性强、无隐私问题等显著上风，于聪明康健养老和智能家居、营救救护等诸多方面均具备主要的运用远景。

高敏捷度的双PLL低中频雷达架构

于近期发表的论文[1-2]中，课题组提出了一种双PLL 低中频CW 雷达用在检测生命体征例如微弱心跳旌旗灯号，体系道理如图1（a）。低中频雷达体系架构能有用按捺中频放年夜器1/f 闪耀噪声，提高体系探测敏捷度。针对于图1（b）的吸收旌旗灯号-噪声模子框图，经由过程数学理论推导，成立了体系的旌旗灯号-噪声模子，获得抱负CW体系的信噪比SNR：

xp是心跳运动引起的胸腔升沉位移（约0.25妹妹），λ是CW载波频率，PIF1是中频旌旗灯号功率，SAM是吸收前真个幅度噪声，SPLL(fm)是PLL芯片于心跳旌旗灯号频率fm处的固有噪声功率谱密度。按照上述SNR公式获得的旌旗灯号、噪声随发射功率瓜葛如图1（c）。数值阐发成果注解只有当幅度噪声占主导时，增年夜发射功率例如发射功率从-40dBm变化到-20dBm可以对于应的增长吸收旌旗灯号巨细，从而改善SNR。但当体系中相位噪声占主导时，纯真增年夜发射功率其实不能改善体系SNR，于是没法改善雷达传感器体系的探测间隔及敏捷度。

图1 双PLL低中频CW雷达（a）体系道理图，（b）吸收链路旌旗灯号-噪声模子道理图，

（c）无TX-RX耦合泄露旌旗灯号时的旌旗灯号和噪声功率谱密度随TX功率变化瓜葛，

（d）思量TX-RX耦合泄露旌旗灯号时的旌旗灯号和噪声功率谱密度随TX功率变化瓜葛

另外一方面，对于在任何现实雷达传感器，其发射-吸收之间都存于必然水平的直接泄露滋扰，是以需要对于上述SNR模子举行批改来正确猜测雷达传感器体系机能。当思量发射-吸收耦合泄露旌旗灯号后，体系SNR可以批改为：

PIFc是耦合泄露旌旗灯号混频后对于应的中频旌旗灯号功率。批改后的SNR注解发射-吸收耦合泄露旌旗灯号不会转变生命体征旌旗灯号巨细，但会引入分外噪声功率，于是会恶化体系SNR。图1（d）给出了思量发射-吸收存于40dB耦合泄露旌旗灯号后的体系噪声特征，该数值阐发实例中40dB耦合泄露旌旗灯号造成SNR恶化了17dB。且当发射功率从-30dBm最先增年夜时，相位噪声也随之增年夜，即增年夜发射功率其实不能改善体系SNR。

图2双PLL低中频CW雷达用在心跳旌旗灯号检测（a）体系道理图，（b）雷达体系什物，

（c）测试场景，（d）差别发射功率下中频旌旗灯号频谱，

（e）旌旗灯号和噪声功率谱密度随TX功率变化瓜葛

于图2（a-c）中，基在分立模块搭建了双PLL低中频CW雷达体系道理样机，并举行了试验测试。图2（d）的中几次谱申明心跳运动旌旗灯号及噪声功率随TX发射功率同时增长。于图2（e）中，当发射频率从-50dBm增长到-35dBm时，旌旗灯号功率增长而噪声功率稳定，体系SNR 提高。这是因为该发射功率区间内幅度噪声占主导，增长发射功率可以改善体系SNR。但当发射功率跨越-35dBm并继承增长时，相位噪声占主导并随TX功率增长，致使体系SNR连结稳定，即纯真增长TX功率其实不能改善传感器体系SNR。这些试验数据及结论及上述体系SNR模子吻合，申明雷达传感器体系的发射-吸收直接走漏对于在生命体征微弱旌旗灯号探测的敏捷度有直接决议作用，这对于在现实传感器体系设计具备主要引导意义。

自顺应TX-RX耦合泄露旌旗灯号对于消

基在上述理论模子及试验测试，于文章[1]中，课题组提出了一种自顺应对于消电路技能来消弭TX-RX直接耦合泄露旌旗灯号对于体系SNR的恶化影响。如图3（a），对于消电路由可调衰减器及移相器构成，可以提供一起等幅反信赖号与TX-RX耦合泄露旌旗灯号叠加抵消。节制端对于吸收端中频旌旗灯号举行幅度采样检测，并经由过程梯度优化算法（如图3（b））实现最优对于消。图3（c）对于比了自顺应对于消先后的吸收旌旗灯号频谱，经由过程优化算法于中频载波频率处实现34.5dB按捺，噪声功率谱也随之降落，体系SNR改善了15dB。图3（d）对于比试验室中，当没有自顺应对于消时，心跳微弱旌旗灯号被沉没于体系噪声中。当引入自顺应对于消后，可以清楚检测到心跳微弱旌旗灯号，而且检测成果并与市道上血氧仪产物的测试成果吻合很是优良。

图3具备自顺应对于消电路的双PLL低中频CW雷达（a）体系道理图，（b）最优对于消优化，（c）吸收旌旗灯号功率谱，（d）吸收心跳旌旗灯号解调成果

用在多方针生命体征检测的MIMO雷达

于试验中发明生命体征回波旌旗灯号易受滋扰，尤其是来自在丈量方针身体其他部位例如四肢的随机动作会滋扰呼吸心跳等微弱旌旗灯号检测。针对于该问题，课题组于文章[3]中提出了基在 MIMO体系体例的高分辩雷达，一方面提高波束定向性，按捺情况杂波滋扰，解除肢体运动对于呼吸心跳旌旗灯号的滋扰，并更邃密的区别识人体自身滋扰动作，另外一方面可联合数字波束合成技能（DBF）于数字域合成多波束，分辩多个方针体，笼罩多方针检测。于图4中设计了6发6收MIMO阵列体系，此中6个发射天线采用分时正交，6个吸收天线同时事情。于本试验中，针对于场景内的双方针，使用DBF于数字域形成两个高增益波束，别离指向双方针胸腔，实现双方针呼吸心跳检测。

图4MIMO雷达体系（a）体系道理图和标的目的图，（b）体系测试图，（c）双方针呼吸检测，（d）双方针心跳检测

跟着微波技能及半导体行业的飞速成长，非接触式生命体征检测监护雷达也从初期的零散研究逐渐成为微波行业及雷达行业的研究热门，雷达体系精度、体积、成本、精度等指标不停提高。课题组将继承摸索面向非接触式生命体征检测，具备极低功耗及高精度的雷达传感体系，并联合集成电路进步前辈制程工艺研制雷达传感器芯片，鞭策相干技能的财产转化。

相干文献：

[1]Xiaonan Jiang, Xiaohu Wu, Xiaomeng Gao, Qun Jane Gu, and Xiaoguang Liu, “Automatic RF cancellation for improved remote vital sign detection using low-IF dual-PLL radar system,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, pp. 1–16, early access, 2023.

[2]Xiaonan Jiang, Xiaomeng Gao, Heng Zhao, Hong Hong and Xiaoguang Liu, A Compact Digital Low-IF Dual-PLL Doppler Radar for Remote Vital Sign Detection, 2021 IEEE 21st Annual Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON), 2021, pp. 1-4.

[3]Chen Feng, Xiaonan Jiang, Min-Gyo Jeong, Hong Hong, Chang-Hong Fu, Xiaohui Yang, E. Wang, Xiaohua Zhu, and Xiaoguang Liu, “Multitarget vital signs measurement with chest motion imaging based on MIMO radar,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 69, no. 11, pp. 4735-4747, Nov. 2023.

刘晓光传授课题组简介

深港微电子学院刘传授课题组聚焦在高频高速集成电路与体系的设计及实现技能，详细的研究标的目的包括：高频（射频到太赫兹）及高速集成电路设计，高频电路技能于工业及医疗等范畴的运用，光电传感器（CIS与ToF）电路与体系设计，以和微电子、光电子、微电机器件设计与制备。刘传授课题组于多个研究标的目的（如高效率太赫兹频率源，高功率承载能力的射频微电机器件，可调射频滤波器等）得到了世界领先的科研结果，于知论理学术期刊及集会（IEEE-TMTT，IEEE-JSSC，IEEE-JMEMS等）发表了跨越120篇论文。

刘晓光传授课题组接待优异的本科生、硕士/博士研究生及博士后插手，接洽方式：liuxg@sustech.edu.cn。