非接触式多目标生命体征监测理论和关键技术的研究

Aiming at monitoring multi-target simultaneity in non-contact vital sign monitoring field, MIMO radar theory is introduced into this field. Multi-target localization could be accomplished through utilizing the difference of AOA, so as to realize the multi-target vital signs monitoring at the same time. Firstly, this project makes MIMO radar theory suitable for non-contact vital sign monitoring field through the establishment of MIMO radar multi-target near-field model. Then, we discuss MIMO radar array design problem from the perspective of pattern optimization, taking into account that traditional method only optimize lobe amplitude while ignoring main lobe performances. And then, we carry out the orthogonal waveform optimization design of MIMO radar based on genetic algorithm, taking into account the problem of genetic algorithm inefficient due to parameter variations. Lastly, we study the problem of multi-target localization, focusing on joint estimation algorithm of multi-target vital signs based on independent component analysis. This study is expected to break through the limitation of current non-contact vita sign monitoring technology, and this technology will most likely have an impact on the fields of clinical medical care and family health care.

针对非接触式生命体征监测领域尚未有效解决多目标同时监测的关键问题，本项目提出将MIMO雷达理论引入到非接触式生命体征监测技术里，利用不同目标到达角（AOA）的差异完成多目标定位，进而实现多目标生命体征同时监测。项目通过建立MIMO雷达的多目标近场模型，使得MIMO雷达理论适用于非接触式生命体征监测领域；开展基于方向图拟合法的MIMO雷达布阵优化设计，重点解决目前方向图优化仅考虑降低旁瓣而忽略主瓣宽度性能的问题；开展基于遗传算法的MIMO雷达正交波形优化设计，重点解决参数变化导致遗传算法效率低下的问题；开展基于传播算子的MIMO雷达的多目标定位研究，重点考虑基于独立成分分析的多目标生命体征参数联合估计算法设计。本项研究有望突破目前非接触式生命体征监测技术仅能适用于单目标监测的技术局限，同时监测多目标的生命体征，进而推动非接触式生命体征监测技术向临床医学监护方向发展。

本项目提出将MIMO雷达理论引入到非接触式生命体征监测技术里，利用利用不同目标到达角（AOA）的差异完成多目标定位，进而实现多目标生命体征同时监测。本项研究有望突破目前非接触式生命体征监测技术仅能适用于单目标监测的技术局限，同时监测多目标的生命体征，进而推动非接触式生命体征监测技术向临床医学监护方向发展。围绕研究目标，本项目在多目标近场模型的建立、MIMO雷达的布阵优化设计、MIMO雷达的正交波形优化设计和MIMO雷达的多目标定位及生命体征参数联合估计等方面进行了广泛而又深入的研究。主要成果如下：..1 建立了 MIMO 雷达的多目标近场模型。解决了MIMO 雷达理论不能直接适用于非接触式生命体征监测领域的问题。.2 MIMO 雷达的布阵优化设计。对MIMO雷达结合智能优化算法知识进行了一维阵列优化问题的建模，并运用MATLAB进行了多次仿真取平均值并进行了对比分析；对MIMO雷达结合智能优化算法知识进行了二维阵列优化问题的建模，对方阵、三角阵、圆阵、稀疏阵等四种二维阵列进行仿真，对最后的优化结果进行了不同阵型、不同算法、不同雷达的比较分析。.3 MIMO 雷达的正交波形优化设计。为了改善匹配照射下多输入多输出（MIMO）雷达在杂波及复高斯白噪声中的目标检测性能，进行了发射波形自适应优化设计研究。利用OFDM信号的频率分集特性，依据匹配照射理论，给出了基于交替迭代算法联合优化子载波调制系数向量和滤波器系数向量的方法。考虑到OFDM信号的高PAPR特性不利于实际工程应用，进一步提出了改进的交替迭代算法用于自适应优化设计随机相位编码发射波形。.4 MIMO 雷达的多目标定位及生命体征参数联合估计。以时间序列的频谱估计为背景，针对MIM雷达体制下的非接触式生命体征探测问题，研究了一种基于稀疏重构的超分辨频谱估计方法。该方法通过基于多测量矢量模型的数据重排与求解，加强了对心跳频率的估计能力。从抑制呼吸谐波干扰的角度出发，进一步提出一种分段式原子范数最小化算法（Stepwise Atomic Norm Minimization，StANM），完成多目标背景下生命体征参数联合估计。