Universidad del AzuayFacultad de Ciencias de la Administración

Escuela de Ingeniería de Sistemas y TelemáticaTratamiento Digital de SeñalesDetector de respiración humana usando técnicas de radar

doppler

Realizado por: Jorge Luis Calle Castro

Profesor: Ing. Kenneth Palacio

Cuenca - Ecuador

IntroducciónUna de las mayores dificultades del personal de rescate es encontrar con vida a personas luego de un desastre, por lo que hoy día se utilizan radares doppler a 2.4 GHz para encontrar vida humana bajo escombros en caso de siniestros, el radar envía señales electromagnéticas, estas traspasan elementos como rocas, tierra, madera, vidrio y concreto, una vez encontrada a la persona la señal refleja el movimiento del tórax por los latidos cardiacos, pudiendo así detectar la respiración de la persona.

Efecto Doppler

El efecto doppler consiste en la variación de frecuencia de una onda que es emitida y recibida por un objeto en movimiento, cuando el emisor de una onda electromagnética se acerca al receptor, la frecuencia de la onda recibida será mayor que la frecuencia emitida, al contrario si se aleja del receptor la frecuencia recibida será menor

CaracterísticasLos signos vitales pueden ser detectados vía radar, mediante los parámetros de respiración y latidos de corazón, mediante el efecto doppler se envían ondas electromagnéticas que reflejan el movimiento del tórax, esto se lo realiza con procesamiento especializado de banda–base cuyo oscilador funciona en banda X a 10 GHz, combinado con varias técnicas de procesamiento de señales, la FFT y la transformada de Wavelet que nos permite separar el latido del corazón a partir de la respiración

DesarrolloUn sistema de radar doppler que ha sido implementado consta de un oscilador que produce una salida de 2.4 GHz con una potencia de 25 mW, esta señal es capaz de atravesar barreras y llegar hacia el tórax de la víctima, en donde el movimiento de la cavidad toráxica es la que modula la señal, la cual es recibida por una antena receptora produciendo una señal que contiene la respiración.

DesarrolloEsta señal es filtrada y amplificada para determinar la frecuencia de respiración y los signos vitales de la persona los cuales deberían estar entre valores de 0.1Hz y 0.66 Hz para respiraciones normales.

CálculosPara determinar la distancia en la que se encuentra en cuerpo y enviar la señal entre las dos antenas con respecto al tórax y el movimiento que es realizado por los latidos cardiacos se utiliza la siguiente ecuación matemática:

- f4(t) es la señal que se obtiene a partir del sistema de radar

- AR y fR son la amplitud y la frecuencia de la respiración

- d0 es la distancia fija entre el radar y el tórax

- A3 es la amplitud de la señal recibida

- τ es la longitud de onda.

Modelamiento del Sistema

La frecuencia minina de respiración es de 0.1Hz, por lo tanto se ha establecido un valor de tres veces este periodo, para que en un tiempo óptimo de medición de 32 segundos, se pueda obtener una buena resolución de la frecuencia al momento de realizar la FFT , por otro lado la frecuencia de respiración máxima de una persona agitada es de 1.4 Hz

Modelamiento del SistemaEn la siguiente tabla se muestra los valores que se tiene que emitir para detectar tejidos de los seres humanos todos esto valores están bajo el estándar de la IEEE

Señales procesadas mediante hardware

Con el sistema de radar X de base banda se ha podido obtener señales de respiración en frecuencias de 0.37Hz, esto indica que se esta trabajando con un error porcentual de 5% por lo quiere decir que la señal es confiable pese a que haya existido barreras entre el radar y la persona, a continuación se muestra una tabla comparativa de las frecuencias obtenidas por el osciloscopio y por el DSP.

Señales procesadas mediante hardware

Detección de señales vía microondas

Consiste en una onda producida por una señal sinusoidal de 10.45GHz y una señal baja de un amplificador de ruido, el radar emite ondas electromagnéticas y recoge la señal mediante una antena transmisora la cual contiene la respiración e información de los latidos del corazón de la persona, esta señal es amplificada y enviada a un detector en donde la amplitud y la fase se modulan de acuerdo con el movimiento de la respiración y el ritmo cardiaco .

Detección de señales vía microondas

Referencias

- K.M Chen, D Misra, H. Wang, H.R. Chuang, “And

x-band microwave life detection system” no. 7, pp697-701

- An X-Band Microwave Life-Detection System

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=4122367&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D4122367

- Julián Alberto Herrera M,Sc, Diana Patricia Buitrago, Juan Camilo Castellanos, “Detector de Señal de respiración humana usando técnica de Radar” Ingeniería Electrónica,” Universidad Nacional de Colombia.

- IEEE Std C95.1 - 2005 IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300GHz, IEEE Std., 2006