脉搏信号相干检测方法的实验研究

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1、脉搏信号相干检测方法的实验研究肖婷婷，高福斌，田小建（吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春130012）摘要：脉搏信号是评估人体健康状况的一个重要因素。由于脉搏信号频率低、幅值小，常常被淹没在噪声内，为了提取脉搏信号，需要对信号进行去噪处理，因此采用相干检测实现去除噪声，通过对采集到的脉搏信号进行处理，得到了良好的输出波形。针对脉搏信号的特点，给出了实际可行的电路和测试方法。由实验结果可知，该系统具有良好的测量稳定性。.jyqkV的范围内，脉搏信号是接近周期性的微弱信号，且属于低频信号，频率一般在30Hz以内，由于脉搏信号的幅度小、频率低，

2、在脉搏信号的数据采集时一般容易引进极大的噪声干扰，因而信噪比低，这为脉搏的测量与分析带来了一定的难度。在手指末端含有较高的动脉成分，且厚度较薄，当动脉搏动时，指端的微血管床会产生血管容积的改变，当受到一定波长的光照射时，血管对光的吸收量将不同，在非血液组织中，光的吸收量是一定的，透过指端的光强随着动脉的搏动将发生变化，利用光敏元件将光强的变化转换为电信号从而测出脉搏信号。1.2相干检测基本原理由于确定信号之间具有较强的相干性，而由于噪声的随机性较强，信号与噪声之间是不相干的，通过这种差异，可以将淹没在噪声下的信号提取出来。设被测信号为s（t

3、），n（t）为随机噪声，则输入信号x（t）=s（t）+n（t），其中s（t）为：2脉搏信号相干检测的系统设计图2为脉搏信号相干检测的系统框图，主要由信号采集、信号通道、参考通道以及相干检测4部分组成。（1）信号采集。脉搏信号为人体生理信号，因此需要将脉搏信号转换为电信号，本文选取光电式传感器采集脉搏信号。（2）信号通道。信号通道主要由放大电路和低通滤波器构成。脉搏信号具有较低的频率，其频率在1~30Hz范围内。系统易受到工频噪声的干扰，由于脉搏信号的频率小于工频噪声50Hz，因此本文采用二阶低通滤波器来去除噪声。（3）相干检测。相干检测是微

4、小信号检测的核心部分，对整个测试系统起着决定性的作用。本文的相干检测由乘法器和低通滤波组成。乘法器采用ANALOGDEVICES公司的AD633，它是一款功能完整的四象限模拟乘法器，包括高阻抗差分X和Y输入，高阻抗求和输入Z，单端输出Hz带宽和20V/μs压摆率，并且能驱动容性负载。外围器件较少，应用简单方便。相干检测对信噪比的改善主要由低通滤波器实现，用低通滤波器实现窄带化过程，低通滤波器在截至频率很低的情况下其频率特性仍能保持稳定，低通滤波器只允许频率在参考信号附近的噪声信号通过，随着滤波器的截至频率越小，系统的通带频率越窄，抑制噪声的

5、能力就越强。3传感器的选择随着科学技术的进步，不同种类，性能各异的传感器也出现在各种脉搏测量仪器中，目前常见的脉搏传感器有：压电式传感器、电阻式传感器、压磁式传感器和光电式传感器等。各种传感器优缺点如下：（1）压电式传感器：将动脉出的压力变化的转换为电信号，在测量脉搏方面主要运用PVDF压电薄膜传感器。压电传感器具有较宽的动态范围、高精度和良好的灵敏度，然而电路复杂且成本较高。（2）电阻式传感器：通过待测信号的变化引起电阻阻值的改变。电阻式传感器具有较强的过载承受能力，稳定性好，且应用广泛，但分辨率不高，且受环境的影响较大。（3）压磁式传感

6、器（磁弹性传感器）：传感器将作用力的变化转化为传感器导磁率的变化，导致输出的信号也随之改变，这种传感器具有较强的抗干扰能力，输出功率大，为有源传感器，但电路复杂。（4）光电式传感器：利用光电效应将接收到的光信号转换为电信号，光电式传感器应用广泛，技术成熟，抗干扰能力强、灵敏度好、结构简单、操作灵活，但对环境要求较高。综上所述，本文采用光电式传感器获取脉搏信号，根据朗伯?比尔定律，当入射光为单色光时即光波长一定时，物质的吸光度A与吸光物质的浓度c和吸收物质的厚度l成正比：式中K为吸收系数。在手指末端含有较高的动脉成分，且厚度较薄，当动脉搏动时

7、，指端的微血管床会产生血管容积的改变，当受到一定波长的光照射时，血管对光的吸收量将不同，在非血液组织中，光的吸收量是一定的，透过指端的光强随着动脉的搏动将发生变化，利用光敏元件将光强的变化转换为电信号从而测出脉搏信号。光电传感器主要由光敏元件组成，光敏元件的性能直接决定了脉搏信号获取的好坏。光电传感器主要有光电二极管、光电三极管、光敏电阻CdS、光电池及光电耦合器等。光敏电阻体积小、价格低廉、具有较宽的光谱响应范围、输出电流大、灵敏度高且无极性之分，使用方便。但频率特性差，响应时间长。光电池不用外加偏置电压，可靠性高、成本低、受光面积大、有

8、较高的灵敏度结构简单，但抗干扰能力差。光电二极管、光电三极管受光面积小，具有非常好的频率特性且灵敏度高，工作电压低，但受温度影响大。通过实验的对比与分析，本实验采用光电传感器OP