Die Rolle der 77 GHz Single-Chip-Radarsensoren im Kfz

Vitalzeichen-Überwachung für den Fahrer

Eine wichtige Anwendung der FMCW-Radartechnik, die der Verkehrssicherheit zugutekommt, ist die fortlaufende Überwachung der Vitalzeichen des Fahrers. Hierzu wird die Herz- und Atemfrequenz der am Steuer sitzenden Person präzise erfasst. Die kleinen Abmessungen des Sensors gestatten dabei eine unauffällige Implementierung, indem der Sensor beispielsweise in die Rückenlehne des Fahrersitzes eingebaut wird.

Wie erwähnt, ist die Phasenlage des empfangenen Signals eines FMCW-Radarsystems äußerst empfindlich gegenüber kleinen Positionsänderungen des Objekts, sodass sich die Phase des per Entfernungs-FFT verarbeiteten Daten um 180° verändert, wenn sich das Objekt um 1 mm bewegt. Mithilfe dieser Eigenschaft lässt sich die Frequenz feststellen, mit der ein Objekt vibriert (z. B. die von der Atmung und dem Herzschlag erzeugten Schwingungen). Der Baustein sendet eine Folge von Chirps aus, und eine Spitze im Entfernungs-FFT-Diagramm kennzeichnet eine starke Reflexion, die von der Brust des Fahrers ausgelöst wurde. Der Algorithmus im Baustein verfolgt daraufhin die Phasenlage dieser Spitze von einem Chirp zum anderen und führt eine Spektralanalyse dieser Phasensequenz aus, um die Herz- und Atemfrequenz zu ermitteln.

In Bild 8 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer exemplarischen Signalverarbeitungskette dargestellt. Als erstes führt der Baustein eine Entfernungs-FFT-Operation mit den ADC-Daten aus, die einem gesendeten Chirp entsprechen. Nach der Detektierung der relevanten Spitze wird die Phase dieser Spitze von einem Chirp zum anderen verfolgt. Die Brust kann sich infolge der Atmung um etwa 12 mm bewegen, was einem Vielfachen der Wellenlänge des Radarsystems von rund 4 mm bei 77 GHz entspricht. Eine korrekte Interpretation der Ergebnisse setzt deshalb ein geeignetes Abwickeln der Phasenlage voraus.

Der Algorithmus des Bausteins nimmt anschließend eine Bandpassfilterung der Phasensequenz vor, um das interessierende Spektrum zu extrahieren (Atmung: 0,1 bis 0,5 Hz; Herzschlag: 0,8 bis 2 Hz). Durch Spektralanalyse des Resultats per FFT lassen sich dann die Herz- und die Atemfrequenz feststellen. Im Interesse erhöhter Robustheit kann optional ein Bewegungserkennungs-Block zum Einsatz kommen, um Bewegungen des Fahrers zu erkennen und diese Bewegungen entweder entsprechend zu kompensieren oder die betreffende Messung zu verwerfen. In dieser Anwendung fehlt das Konzept eines Frames. Stattdessen werden die Chirps als kontinuierlicher Stream ausgesendet, und die Verarbeitung erfolgt dementsprechend in einem beweglichen Fenster.

Tabelle 2 gibt eine repräsentative Chirp-Konfiguration für diese Anwendung wieder. Im Interesse optimaler Leistungsfähigkeit sollten die Chirps so gewählt werden, dass sich eine maximale Entfernungsauflösung ergibt, denn dies hilft dabei, die von der Brust stammenden Reflexionen von anderen Echos zu separieren. Mithilfe von Winkelmessungen unter Verwendung mehrerer Antennen ergeben sich weitere Möglichkeiten, den Fahrer von umgebenden Echos zu unterscheiden oder sogar die Vitalzeichen mehrerer Personen gleichzeitig zu erfassen. Da sowohl die Atmung als auch der Herzschlag von geringer Frequenz sind, können die Abstände zwischen den Chirps groß gewählt werden. 20 Chirps pro Sekunde reichen aus, damit es zwischen den Abtastungen zu keiner Phasenüberlappung kommt. Mehr Chirps pro Sekunde wären hilfreich zum Messen der Herzfrequenz-Variabilität (momentane Änderungen der Herzschlag-Intervalle), die, wie Studien gezeigt haben, im Zusammenhang mit Schläfrigkeitssymptomen stehen.

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