Techniques radars hyperfréquence et traitement de signal associé pour la mesure de signes vitaux

In the context of securing transportation systems, short-range monitoring of people's activity, in particular the driver's activity in a vehicle, is a major issue in the improvement of the driver assistance system. The application targeted in this work concerns mainly the railway domain.Respiratory and heart rates of the driver are key indicators for the evaluation of the physiological state. Conventional methods of measuring these vital signs rely on sensors operating in direct contact with the skin. Therefore, the intrusive character of these solutions is not suited for the transportation domain, especially because of the induced discomfort. In this work, a microwave radar solution operating at low power is proposed for the continuous measurement of respiratory and cardiac activity signals. In particular, physiological signals (heartbeat, mechanical movement of the rib cage) are indicators of human activity that can be detected at a distance (up to ten meters) using radiated microwave electromagnetic waves.Although the literature shows a growing interest in the development of radar techniques dedicated to the surveillance of people, there is no robust, sensitive and accurate commercial device available to date. A detailed analysis of the electrical and geometrical parameters of the radar technique is proposed in this work in order to identify the sources of uncertainties, to define the optimal parameters, to validate experimentally the proposed solution. An original signal processing, based on the cyclostationary approach, is implemented in order to extract the parameters of interest in reference or disturbed measurement environments. The proposed hardware solutions associated with an optimal signal processing allow to foresee radar architectures adapted to non-laboratory contingencies.Dans le contexte de la sécurisation des systèmes de transport, la surveillance à courte distance de l’activité des personnes, en particulier du conducteur dans un véhicule, constitue un enjeu majeur dans l’amélioration du système d’aide à la conduite. L’application visée dans ce travail concerne principalement le domaine du ferroviaire.Les fréquences respiratoire et cardiaque du conducteur sont des indicateurs clés pour l’évaluation de l’état physiologique. Les méthodes de mesure conventionnelles de ces signes vitaux reposent sur des capteurs opérant en contact direct avec la peau. Par conséquent, le caractère intrusif de ces solutions ne s’avère pas adapté au domaine du transport, en particulier du fait de la gêne induite. Dans le cadre de ces travaux, une solution radar hyperfréquence opérant à faible puissance est proposée pour la mesure en continue des signaux d’activités respiratoire et cardiaque. En particulier, les signaux physiologiques (battements du cœur, mouvement mécanique de la cage thoracique) sont des indicateurs de l’activité humaine qui peuvent être détectés à distance (jusqu’à une dizaine de mètres) au moyen d’ondes électromagnétiques hyperfréquences rayonnées.Bien que la littérature montre un engouement grandissant pour le développement de techniques radars dédiés à la surveillance des personnes, il n’existe pas, à ce jour, de dispositif commercial robuste, sensible et précis. Une analyse fine des paramètres électriques et géométriques de la technique radar est proposée dans ce travail afin d’identifier les sources d’incertitudes, de définir les paramètres optimaux, de valider expérimentalement la solution proposée. Un traitement de signal original, basé sur l’approche cyclostationnaire, est mis en œuvre afin d’extraire les paramètres d’intérêt dans des environnements de mesure de référence ou perturbés. Les solutions matérielles proposées associées à un traitement de signal optimal permettent d’entrevoir des architectures de radar adaptées aux contingences hors laboratoire

Techniques radars hyperfréquence et traitement de signal associé pour la mesure de signes vitaux

Dans le contexte de la sécurisation des systèmes de transport, la surveillance à courte distance de l’activité des personnes, en particulier du conducteur dans un véhicule, constitue un enjeu majeur dans l’amélioration du système d’aide à la conduite. L’application visée dans ce travail concerne principalement le domaine du ferroviaire.Les fréquences respiratoire et cardiaque du conducteur sont des indicateurs clés pour l’évaluation de l’état physiologique. Les méthodes de mesure conventionnelles de ces signes vitaux reposent sur des capteurs opérant en contact direct avec la peau. Par conséquent, le caractère intrusif de ces solutions ne s’avère pas adapté au domaine du transport, en particulier du fait de la gêne induite. Dans le cadre de ces travaux, une solution radar hyperfréquence opérant à faible puissance est proposée pour la mesure en continue des signaux d’activités respiratoire et cardiaque. En particulier, les signaux physiologiques (battements du cœur, mouvement mécanique de la cage thoracique) sont des indicateurs de l’activité humaine qui peuvent être détectés à distance (jusqu’à une dizaine de mètres) au moyen d’ondes électromagnétiques hyperfréquences rayonnées.Bien que la littérature montre un engouement grandissant pour le développement de techniques radars dédiés à la surveillance des personnes, il n’existe pas, à ce jour, de dispositif commercial robuste, sensible et précis. Une analyse fine des paramètres électriques et géométriques de la technique radar est proposée dans ce travail afin d’identifier les sources d’incertitudes, de définir les paramètres optimaux, de valider expérimentalement la solution proposée. Un traitement de signal original, basé sur l’approche cyclostationnaire, est mis en œuvre afin d’extraire les paramètres d’intérêt dans des environnements de mesure de référence ou perturbés. Les solutions matérielles proposées associées à un traitement de signal optimal permettent d’entrevoir des architectures de radar adaptées aux contingences hors laboratoire.In the context of securing transportation systems, short-range monitoring of people's activity, in particular the driver's activity in a vehicle, is a major issue in the improvement of the driver assistance system. The application targeted in this work concerns mainly the railway domain.Respiratory and heart rates of the driver are key indicators for the evaluation of the physiological state. Conventional methods of measuring these vital signs rely on sensors operating in direct contact with the skin. Therefore, the intrusive character of these solutions is not suited for the transportation domain, especially because of the induced discomfort. In this work, a microwave radar solution operating at low power is proposed for the continuous measurement of respiratory and cardiac activity signals. In particular, physiological signals (heartbeat, mechanical movement of the rib cage) are indicators of human activity that can be detected at a distance (up to ten meters) using radiated microwave electromagnetic waves.Although the literature shows a growing interest in the development of radar techniques dedicated to the surveillance of people, there is no robust, sensitive and accurate commercial device available to date. A detailed analysis of the electrical and geometrical parameters of the radar technique is proposed in this work in order to identify the sources of uncertainties, to define the optimal parameters, to validate experimentally the proposed solution. An original signal processing, based on the cyclostationary approach, is implemented in order to extract the parameters of interest in reference or disturbed measurement environments. The proposed hardware solutions associated with an optimal signal processing allow to foresee radar architectures adapted to non-laboratory contingencies

Cyclostationary-based vital signs detection using microwave radar at 2.5 GHz

International audienceNon-contact detection and estimation of vital signs such as respiratory and cardiac frequencies is a powerful tool for surveillance applications. In particular, the continuous wave bio-radar has been widely investigated to determine the physiological parameters in a non-contact manner. Since the RF-reflected signal from the human body is corrupted by noise and random body movements, traditional Fourier analysis fails to detect the heart and breathing frequencies. In this effort, cyclostationary analysis has been used to improve the radar performance for non-invasive measurement of respiratory rate and heart rate. However, the preliminary works focus only on one frequency and do not include the impact of attenuation and random movement of the body in the analysis. Hence in this paper, we evaluate the impact of distance and noise on the cyclic features of the reflected signal. Furthermore, we explore the assessment of second order cyclostationary signal processing performance by developing the cyclic mean, the conjugate cyclic autocorrelation and the cyclic cumulant. In addition, the analysis is carried out using a reduced number of samples to reduce the response time. Implementation of the cyclostationary technique using a bi-static radar configuration at 2.5 GHz is shown as an example to demonstrate the proposed approach