The systematic monitoring of vital signs such as respiration and heart rate has a significant influence on many conditions in the medical field. During the past several decades, medical technology has improved remarkably, and bio-sensor systems have been used to detect the respiration and heart rate. Nowadays, respiration and heart rate monitoring with Doppler radar offers an attractive alternative to commonly pre-scribed chest strap monitors. By utilizing these techniques, non-contact detection can be used to monitor the vital signs of humans or animals from a significant distance away, without any sensor attached to the body. As microwaves have great penetration capability, Doppler radar can detect the heart and respiration rates through clothing, making it a non-invasive method. As interest in health increases, many research institutions have studied radar structures, demodulation techniques, and detection algorithms to achieve accurate performance.
Various Doppler radar systems for detecting respiration and heart rate are proposed. First, Doppler ra-dar which has a direct-conversion and single channel receiver structure is presented in Chapter 3. It can be integrated with compact size because of its simplicity and increase the sensitivity using a circular polarization characteristic. The operating frequency of the system is in the X-band and the radar size is 95 x 50 x 13 mm3. Second, X-band radar system which has a heterodyne and a quadrature receiver with series-fed array antenna is proposed. An array antenna with high gain and elliptical polarization make the detection range up to 5 meters. Last, Doppler radar system with high sensitivity for long range detection at Ku-band in Chapter 4. Heterodyne structure, highly sensitive quadrature receiver, and leakage cancellation technique have been implemented in order to increase the detectable range of the radar system. Arctangent demodulation without additional dc offset compensation technique can be applied because of the heterodyne receiver structure and the leakage cancellation technique. The proposed radar system with high sensitivity can, with very low transmitted power, measure bio-signals. Heart rate variability (HRV) analysis of the radar system and the electrocardiogram signal are compared. The measurement results indicate that, up to a distance of 35 meters, the proposed radar system can detect the respiration and the heart rate with only a small error rate. Furthermore, the proposed system also detects close range vital signs at 2 meters with a very low transmitted power of -46dBm using the highly sensitive quadrature receiver.
본 논문에서는 사람의 호흡과 심박수를 비 침습 측정을 위한 레이더 시스템에 관한 연구를 하였다. 심박수 감지 레이더는 의료분야, 건물에 매몰된 생존자 구조, 거짓말 탐지기 등 여러 응용분야에 적용이 가능할 것으로 기대되어 여러 연구기관에서도 활발히 연구중에 있다. 본 논문에서는 세 가지 종류의 서로 다른 주파수와 송수신단 구조를 이용하여 레이더 시스템을 구현하였다. 10GHz대역의 신호를 이용한 레이더 시스템은 원형편파특성을 이용하여 수신감도를 향상시켰다. 송신 안테나와 수신 안테나의 편파가 서로 같을 경우와 서로 반대의 편파를 가질 경우, 수신감도는 실험을 통해 검증하였다. 단일 채널 수신단과 direct-conversion 구조로 설계되어 작은 크기의 모듈로 송수신단을 설계할 수 있었다. 송신 출력은 약 0dBm 으로 1미터 거리에 떨어져 있는 사람의 호흡과 심박수를 검출할 수 있다. 11.74GHz의 주파수로 동작하는 레이더 시스템은 quadrature receiver와 heterodyne 구조를 이용하여 단일 채널 수신단이 갖는 거리에 따른 수신감도의 변화를 극복하고, 안테나 이득이 높은 어레이 안테나를 이용하여 감지 거리를 늘릴 수 있었다.
마지막으로, 제안한 14GHz 대역의 CW 도플러 레이더의 설계 목표는 세 가지이다. 첫째, 레이더의 정확도를 높이는 것이다. 레이더의 정확도를 검증하기 위해서 레이더 실험과 동시에 심전도 계측기를 이용하여 심전도 파형을 측정한다. Quadrature 수신기의 출력인 I/Q 신호를 합성한 아크탄젠트 복조 방식을 이용하여 레이더의 정확도를 높일 수 있었다. 정확도 비교를 위해 HRV 해석을 이용하여 직교 복조기에서의 하나의 출력신호와 아크탄젠트 복조한 신호와의 비교를 통해 아크탄젠트 복조한 신호가 더욱 심전도 신호와 유사한 값을 가지고 있다는 것을 검증하였다. 두번째 목표는, 송신 출력을 최대한 낮추는 것이다. 요즘 전자파에 대한 유해성에 대해 논란이 일어나고 있고, 전자파는 인체에 해로운 것이라고 인식이 되고 있다. 본 논문에서 설계되는 레이더는 목표물이 사람이기 때문에 피실험자의 거부감을 줄일 수 있고, 장시간 측정에도 안전할 수 있도록 송신 출력을 낮추는 노력을 하였다. 이는 수신감도가 좋은 수신단을 설계함으로서 해결할 수 있었다. 현재까지 가장 작은 출력 파워로 감지에 성공한 논문은 -47 dBm의 송신 파워로 1미터 거리에 있는 사람이 호흡하지 않을 때 측정한 것이다. 본 논문에서는 2미터 거리에 있는 사람의 호흡수와 심박수를 -46dBm의 파워를 이용하여 정확히 감지할 수 있었다. 마지막 목표는 감지 거리를 최대로 늘리는 것이다. 지금까지 발표된 대부분의 심박수 감지 레이더는 근거리에서만 측정이 가능한 한계점을 가지고 있었다. 이를 극복하기 위해 수신감도가 좋은 수신단을 이용하고 송신 출력을 늘려 감지 거리를 늘릴 수 있을 것이라 생각되었다. 하지만 CW 레이더는 송수신단이 연속적으로 상항 열려있기 때문에 송신안테나에서 수신안테나로 수설되는 전력이 생기게 된다. 이는 출력 파워가 낮을 때는 문제가 되지 않지만, 출력 파워가 높아질수록 누설되는 전력은 시스템의 SNR에 영향을 주게 된다. 이로 인한 영향은 매틀랩을 이용한 SNR 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 이를 극복하기 위해 원거리에서 감지가 가능하도록 누설 전력의 반대 위상을 갖는 신호를 누설전력과 더해줌으로써 최소화시키는 방법으로 안테나 격리도를 증가시킬 수 있었고, 감지 거리를 최대 35 미터까지 늘릴 수 있었다.