远程监视生理机能的系统和方法

专利名称：远程监视生理机能的系统和方法
技术领域：
本发明涉及远程监视个体的生理机能和/或身体活动的系统和方法。
背景技术：
各种用于监视对象的一个或多个生理机能的装置是公知的。传统 装置可实现对一个或多个心血管机能、 一个或多个呼吸机能或其它生 理机能的监视。心血管机能可包括心率、心率变率、脉搏转变时间、 脉搏形状和/或其它心血管机能。呼吸机能可包括呼吸率、呼吸努力 (respiratory effort)和/或其它呼吸机能。
通常，为了监视对象的生理机能，传统装置的操作典型地需要在 身体上靠近和/或接近对象。例如，可通过接触(例如，通过血管和/ 或靠近对象皮肤的动脉来监视血流，通过胸腔的起落来监视心跳等)、 声音(例如，通过听诊器等)或通过需要在身体上靠近和/或接近对象 的另一机制来监视心血管机能。例如，可通过测量最靠近对象的气道
的气流速率，或通过需要在身体上靠近和/或接近对象的另一机制来监 视呼吸机能。
由传统装置用来监视生理机能所需要的在身体上靠近和/或接近 对象的处理可能是插入式的，并且/或者会不舒服，这在某些情形下会 妨碍监视对象。例如，在没有改变对象的情况下不可能监视对象。在 其它情况下，监视对象会减弱所述对象在被监视的同时进行休息的能 力。使用传统装置的其它缺陷也是众所周知的。
使用 一个或多个激光雷达测量线性距离的各种测量装置是公知 的。所述测量装置会产生相对于目标距离测量装置的距离或距程
(range)以及目标相对于测量装置的速度或距变率的信息。这种距程 和距变率信息可用于各种设置中。为了这种应用目的，术语距变率指 的是目标与测量装置之间的距程的改变率。

发明内容
本发明各个实施例的一方面可涉及一种根据本发明某些实施例 远程监视个体的系统和方法。更具体地说，可监视个体的一个或多个 生理机能和/或身体活动。为了监视个体，可随着时间确定个体的一处 或多处表皮(例如，皮肤、衣服、嘴唇等)上的一个或多个点的距程 和/或距变率(即，速度)。基于对个体的表皮上的点的距程和/或距 变率的确定，可监视个体的一个或多个生理机能和/或身体活动。这使 得在不接近或靠近个体的情况下，能够远离个体地监视生理机能和/ 或身体活动。这使得能够按照个体无法察觉的方式，实现对个体的生 理机能和/或身体活动的监视。
在本发明的某些实施例中，激光雷达系统可将电磁辐射波束投向 个体，以便在个体表皮上的点处入射到个体。可由表皮发射(或散射) 投向个体表皮上的点的某些或全部辐射波束，其随后可被收回激光雷 达系统。基于发射之前和/或反射之后所述辐射的一个或多个方面(例 如，频率、相位、强度等)，激光雷达系统可确定表皮上的点相对于 激光雷达系统的距程和距变率之一或距程和距变率两者。
根据本发明的各个实施例，激光雷达系统可在一段时间内(例如， 以周期性速率)多次确定个体的一处或多处表皮上的一个或多个点的
距程和/或距变率。可通过用于估计由个体展示的躯体(或躯体组成) 运动的监视器模块来实现确定的距程和/或距变率在所述一段时间内 的总趋势，同时来自感知的趋势的剩余偏差可用于估计个体表皮的表 皮震动。观察的表皮震动可包括短期震动和长期震动之一或短期震动 和长期震动两者。基于估计的躯体运动和/或表皮震动，可由监视器模 块来监视个体的一个或多个生理机能和/或身体活动。
在某些实施例中，可由激光雷达系统来确定个体的一处或多处表 皮上的多个点的距程和/或距变率。例如，激光雷达系统可在发射期间 扫描辐射波束，从而按照光栅在个体上扫描所述辐射。在所述实施例 中，激光雷达系统可监视个体上的一处或多处表皮区域(例如，胸腔 区域、颈部区域、腕部区域、面部区域等)，或者激光雷达系统可监 视暴露于激光雷达系统的视线上的个体的整个表皮。
根据本发明的各个实施例，由监视器模块基于对个体的躯体运动
和/或表皮震动的估计而监视的个体的生理机能和/或身体活动包括 一个或多个心血管机能、 一个或多个呼吸机能、其它生理机能和其它 身体活动。心血管机能可包括心率、心率变率、脉搏转变时间、脉 搏形状和/或其它心血管机能。呼吸机能可包括呼吸率、呼吸努力和 /或其它呼吸机能。身体活动可包括说话、咳嗽、喷噢、走路、跑步 或其它身体活动。在某些示例中，生理机能和/或身体活动可包括可从 其它生理机能和/或身体活动推断的一个或多个生理机能。其示例可包 括可从脉搏转变时间推断的血管紧张度和/或可从脉搏形状推断的自 发紧张度。
本发明各个实施例的另一方面涉及一种激光雷达系统，其清楚地 检测目标的距程以及所述目标正相对于激光雷达系统运动的距变率。 本发明各个实施例的另 一方面涉及一种激光雷达系统，其使用多个激 光雷达部分来获得多个同时测量(或基本同时测量)，由此可确定距 程和距变率两者，而不会产生由使用采取顺序测量的单激光部分的系 统引入的瞬时效应。此外，本发明各个实施例的其它方面能够更加快 速地确定目标的距程和速率，更加精确地确定目标的距程和速率，并 说明书第4/22页
且/或者可提供其它优点。
在本发明的某些实施例中，用于监视个体的表皮上的一个或多个 点以便监视个体的一个或多个生理机能和/或身体活动的这种激光雷 达系统的实现可提供对个体表皮上的点的距程和距变率的清楚确定， 由此可实现对个体的一个或多个生理机能和/或身体活动的增强监视。 例如，对个体表皮上的点的距程和/或距变率的清楚确定可减少确定的 距程和/或距变率中的噪声量。因此，激光雷达系统可增强确定距程和 距变率的精度。增强确定的距程和/或距变率的精度可增强对确定的距 程和/或距变率起杠杆作用的确定，其用于监视个体的生理机能和/或 身体活动。例如，可增强对指示躯体运动的距程和/或距变率的总趋势 的确定，和/或指示表皮震动的来自总趋势的剩余偏差。
在本发明的某些实施例中，激光雷达系统可向目标发射第一目标 波束和第二目标波束。可由目标将第一目标波束和第二目标波束反射 回激光雷达系统。激光雷达系统可接收反射的第一目标波束和笫二目 标波束，并且可确定目标距离激光雷达系统的距程以及目标的距变率
中的至少一个。在本发明的某些实施例中，激光雷达系统可包括第 一激光雷达部分、第二激光雷达部分和处理器。
在本发明的某些实施例中，第一激光雷达部分可产生第一目标波 束和第一参考波束。第一激光源能够以第一频率产生第一 目标波束和 第一参考波束，所述第一频率能够以第一啁湫(chirp)速率调制。可 将第一 目标波束投向目标上的测量点。第一激光雷达部分可组合第一 目标波束的一部分，所述第一目标波束可投向目标并从目标反射。可 通过具有已知或其它方式的固定路径长度的路径投射称为本地振荡器 波束的第一目标波束的另一部分。这可产生組合第一目标波束。
根据本发明的各个实施例，可相对于第一激光雷达部分配置和固 定第二激光雷达部分。更具体地说，对用于发送和接收各个激光波束 的相关光部件进行配置和固定。第二激光雷达部分可产生第二目标波 束和第二参考波束。第二激光源能够以第二频率产生第二目标波束和 第二参考波束，所述第二频率能够以第二啁啾速率调制。第二啁啾速
率可不同于笫一啁啾速率。这会有助于下游处理的一个或多个方面(诸 如信号鉴别)，或者下游处理的其它方面。可将第二目标波束投向与 第 一 目标波束被投向的相同的目标上的测量点。第二激光雷达部分可 组合第二目标波束的一部分，所述第二目标波束可投向目标并从目标 反射，可通过具有已知或其它方式的固定路径长度的路径投射笫二目 标波束的另一部分。这可产生组合第二目标波束。
根据本发明的各个实施例，处理器接收第一和第二组合目标波 束，并测量拍频，所述拍频由各个反射目标波束中的每一个与其相应 的本地振荡器波束之间在路径长度方面的差以及由相对于激光雷达系 统的目标运动产生的任何多普勒频移所引起。随后，可将拍频线性组 合，以便只要各个本地振荡器波束中的每一个与它的反射目标波束之 间的拍频与反射目标波束的同时(或基本同时)的瞬时分量相应，则 产生对目标的距程和距变率的清楚确定。反射目标波束的同时(或基 本同时)的瞬时分量可包括以下目标波束的瞬时分量，所述目标波束
1)入射在目标的基本相同的部分上，2)受类似的传输效应影响，3) 在基本相同的条件下通过扫描光学元件来进行投射，和/或4)共享其 它相似性。采用与反射目标波束的同时(或基本同时)的瞬时分量的
噪声(例如，见等式(1))。
由于可通过将第 一本地振荡器波束和第二本地振荡器波束分别 与不同的目标波束或相同目标波束的不同部分组合来产生组合目标波 束，所以就在最终处理之前，笫一组合目标波束和第二组合目标波束 可代表光信号，所述光信号会出现在两个分开但是同时的单源的频率 调制激光雷达系统。例如，组合目标波束可代表由单源系统中的目标 干涉仪产生的光信号。
根据各个实施例，可将目标波束投向分离的光路径上的目标，并
且/或者从所述目标接收目标波束。在某些实施例中，这些光路径可以 是类似但是有区别的。在其它实施例中，可在发射之前将第一目标波 束和第二目标波束进行耦合，以产生组合目标波束，其可沿着公共光
路径投向目标。在某些实施例中，可沿着与将目标波束投向目标的公 共光路径分开的接收光路径，由目标反射目标波束，并由激光雷达系 统接收目标波束。可将这种实施例标示为"收发分置"。或者，可由沿 着公共光路径的激光雷达系统接收组合目标光束。可将后者的实施例 标示为"收发合置"。当以互逆光的方式操作时，收发合置实施例可提 供优于它们的收发分置对应方的优点。更具体地说，本发明的收发合 置实施例尤其比较少得受差分多普勒效应影响，并比较少得由于散斑 而失真。例如，通过将目标波束投向目标上的不同位置的扫描镜来产 生差分多普勒效应。由于所述镜的不同部分以不同的速度运动，所以 目标波束的不同部分经历不同的多普勒频移，这会将误差引入距程和/
或距变率测量。Anthony Slotwinski等已经调查并分析了所述效应， 例如，参见由Digital Signal Corporation,謂3 Forbes Place, Springfield, VA.22131提交的NASA Langley Contract No. NASI -18890 (1991年5月)，Phase II Final Report, Appendix K,其全部 4S开于此以资参考。
在某些示例中，第一激光源和第二激光源可分别在第一栽频和第 二栽频产生电磁辐射。第一栽频可基本上与第二栽频相同。这可向激 光雷达系统提供各种改进，诸如作为示例的最小化由于散斑引起的失 真或者其它改进。
在某些实施例中，第一激光源和第二激光源可提供具有高度线性 化的频率啁啾的电磁辐射。为此，可基于频率(例如，以每个啁啾)， 或在某些实施例中连续地(或基本连续地)校准由第一激光源和第二 激光源发射的电磁辐射的线性。当操作者注意到降级的系统性能时， 当基于潜在的降级的性能促使操作员开始线性化时，或者当一个或多 个系统参数超出容限时等等，对电磁辐射的频率啁啾的所述线性化处 理会提供优于传统系统的改进的距程测量精度或其它改进，在传统系 统中，可在启动时进行线性化处理。频繁和/或自动的线性化处理可在 高速扫描期间减少镜像差分多普勒噪声，并可最大化双啁啾技术的有 效性以消除对距程估计的所述和其它噪声作用。
在本发明的某些实施例中，当目标距离激光雷达系统的距程落入 最小距程与最大距程之间的 一组距程内时，激光雷达系统能够以提高 的精度来确定目标的距程和距变率。当目标的距程没有落入该组距程 内时，激光雷达系统的精度会降级。这种降级可能是第一激光源和第 二激光源的相干长度的结果，相干长度本质上是有限的。例如，最小 距程与最大距程之间的距离可以是相干长度的函数。第一激光源和第 二激光源的相干长度越长，最小距程与最大距程之间的距离越大。因 此，增加第一激光源和第二激光源的相干长度会通过提供通过改进的 距程组进行确定的能力而增强由激光雷达系统对距程和距变率的确 定。
在本发明的某些实施例中，第一激光源和第二激光源之一或第一 激光源和第二激光源两者可实现用于可控地对来自辐射源的电磁辐射 进行啁啾变换的系统和方法。所述系统和方法可实现在可配置的周期 以基本线性的啁啾速率来产生电磁辐射。在某些实施例中，所述辐射 可包括单频移谐振模式。
在本发明的某些实施例中，系统可包括辐射源、 一个或多个形 成光学空腔谐振器的光学元件、频移器、光开关和光放大器。在某些 实施例中，可将频移器置于光学空腔谐振器内，以从光学空腔谐振器 接收电磁辐射，并将接收的电磁辐射的频移部分输出回光学空腔谐振 器。可将光开关置于光学空腔谐振器内以从光学空腔谐振器接收电磁 辐射。可控制光开关，以便或者将接收的电磁辐射从光学空腔谐振器 转开，或者将接收的电磁辐射返回光学空腔谐振器。在某些示例中， 可控制光开关，以便在将接收的电磁辐射从光学空腔谐振器转开的同 时将来自辐射源的辐射耦合到光学空腔谐振器，所述来自源的辐射在 光开关以初始频率被接收。
根据本发明的各个实施例，可通过在与光学空腔谐振器的光长相 应的时间段将从激光源以初始频率发射的辐射投入光学空腔谐振器， 来"填充"光学空腔谐振器。在某些实施例中，可通过光开关将来自激 光源的辐射投入光学空腔谐振器。尽管来自激光源的电磁辐射被投入
ii
所述空腔，但是可控制光开关以将通过光开关接收的辐射从光学空腔 谐振器转开，或者从所述空腔"去除"。 一旦所述空腔被"填满，，(例如， 在与光学空腔谐振器的光长相应的时间段过去之后)，从激光源到光 学空腔谐振器的輻射流会中断。在某些实施例中，可通过将激光源断 电来中断从激光源到光学空腔谐振器的辐射流。在其它实施例中，可 通过控制光开关将来自激光源的辐射流从光学空腔谐振器去除来中断 从激光源到光学空腔谐振器的辐射。在"填充"光学空腔谐振器的同时 注入所述空腔的辐射可通过光开关在所述空腔内流通，可控制所述光 开关以将从光学空腔谐振器接收的辐射投回光学空腔谐振器。
在本发明的某些实施例中，随着电磁辐射在光学空腔谐振器内流 通，可在围绕光学空腔谐振器的每次往返期间，由频移器增加地调整 辐射的频率。通过这种周期性的增加式调整，能够以基本线性的方式 对光学空腔谐振器内的辐射频率进行啁啾变化。对电磁辐射的频率进 行啁啾变换的速率可涉及由频移器应用的增加式频率调整和所述空腔 的光长之一或由频移器应用的增加式频率调整和所述空腔的光长两 者.因此，可经由所述变量之一或两者来控制对辐射的频率进行啁啾 变换的速率。
在某些实施例中，光学空腔谐振器的品质因数会由于光学空腔谐 振器内的各种损失而降级。例如，从光学空腔谐振器输出到装置的辐 射会形成损失。还会存在其它损失，诸如，由于光学元件中的不完善 所引起的损失或其它寄生损失。为了对付品质因数的降级，可将光放 大器置于光学空腔谐振器内。可选择并控制光放大器，以向光学空腔 谐振器内的辐射提供足够的增益来克服空腔损失的总和，从而可保持 从光学空腔谐振器输出的辐射的预定或受控强度。还可基于一个或多 个其它特征来选择光放大器，所述特征诸如作为示例的均匀线宽、增 益带宽或其它规格。
在本发明的某些实施例中，可将啁啾速率之一设置为等于o。换
言之，激光源之一能够以恒定频率发射辐射。这使得能够以更简单的 设计、较小的覆盖区、较轻的重量、降低的成本或其它可向整个系统
提供优点的改进来实现以恒定频率发射的激光源。在这些实施例中，
啁啾速率设置为等于0的激光雷达部分可用于仅确定目标的距变率。
在本发明的某些实施例中，处理器可将笫一组合目标波束和第二 组合目标波束以数字方式线性地组合，以产生距程信号和距变率信号。 例如，处理器可包括第一检测器和第二检测器。第一检测器可接收第 一组合目标波束，并可产生与第 一组合目标波束相应的第 一模拟信号。 可由第一转换器将第一模拟信号转换为第一数字信号。处理器可包括 第一频率数据模块，其可确定与第一数字信号的一个或多个频率分量 相应的第一组频率数据。
第二检测器可接收第二组合目标波束，并可产生与第二组合目标
波束相应的第二模拟信号。可由第二转换器将第二模拟信号转换为第 二数字信号。处理器可包括第二频率数据模块，其可确定与第二数字 信号的一个或多个频率分量相应的第二组频率数据。
可由频率数据组合模块接收第 一组频率数据和第二组频率数据。 频率数据组合模块可产生源于第一组频率数据和第二组频率数据的距 变率信号和距程信号。
在本发明的其它实施例中，处理器能够以电子方式混合第一组合 目标波束和第二组合目标波束，以产生距程信号和距变率信号。例如， 处理器可包括调制器。调制器可将由第一检测器产生的第一模拟信号 与由第二检测器产生的第二模拟信号相乘以产生组合模拟信号。在所 述实施例中，处理器可包括第一滤波器和第二滤波器，它们接收组合 模拟信号。第 一滤波器可对组合模拟信号滤波以产生第 一滤波信号。 可由第一转换器转换第一滤波信号，以产生距变率信号。第二滤波器 可对组合模拟信号滤波以产生第二滤波信号。可由第二转换器转换第 二滤波信号，以产生距程信号。
根据本发明的其它实施例，处理器能够以光学方式混合第一组合 目标波束和第二组合目标波束，以产生距程信号和距变率信号。例如， 处理器可包括检测器，其接收第一组合目标波束和第二组合目标波束， 并基于对第一组合目标波束和第二组合目标波束的检测来产生组合模拟信号。在所述实施例中，处理器可包括第一滤波器和第二滤波器， 它们接收组合模拟信号。第 一滤波器可对组合模拟信号滤波以产生第 一滤波信号。可由第一转换器转换第一滤波信号，以产生距变率信号。 第二滤波器可对组合模拟信号滤波以产生第二滤波信号。可由第二转 换器转换第二滤波信号，以产生距程信号。


图l示出根据本发明一个或多个实施例的用于监视个体的系统。
图2示出根据本发明一个或多个实施例的可在用于监视个体的系 统中实现的激光雷达系统.
图3示出根据本发明一个或多个实施例的可在用于监视个体的系 统中实现的激光雷达系统。
图4示出根据本发明 一个或多个实施例的以数字方式混合两个组 合目标波束的处理器。
图5示出根据本发明一个或多个实施例的以电子方式混合两个组 合目标波束的处理器，
图6示出根据本发明 一个或多个实施例的以光学方式混合两个组 合目标波束的处理器。
具体实施例方式
图1是根据本发明某些实施例的用于远程监视个体112的系统 110的示意性示图。系统110可监视个体112的一个或多个生理机能 和/或身体活动。系统110可包括激光雷达系统116，其能够确定到个 体112的表皮(例如，皮肤、衣服和嘴唇等)上的点的距程和/或所述 点的距变率(即，速度)。系统110可包括监视器模块118，其能够 基于激光雷达系统116的确定来监视个体112的一个或多个生理机能 和/或身体活动。系统110可在没有直接接触个体112的情况下实现远 离个体112地监视生理机能和/或身体活动。换言之，可按照个体112 无法察觉的方式，实现经由系统110对个体112的生理机能和/或身体
活动的监视。
在本发明的某些实施例中，激光雷达系统116可将电磁辐射114 的波束投向个体112，以便在将被测量的个体112的表皮上的点处入 射到个体112。可由表皮发射投向个体112的表皮上的点的辐射114 中的某些或全部，其随后可被收回激光雷达系统116。如下所述，基 于发射之前或反射之后所述辐射114的一个或多个方面(例如，频率、 相位、强度等)，激光雷达系统116可确定表皮上点相对于激光雷达 系统116的距程和距变率之一或距程和距变率两者。
根据本发明的各个实施例，激光雷达系统116可在 一 段时间内(例 如，以周期性速率)多次确定个体112的表皮上的点的距程和/或距变 率。监视器模块118可实现确定的距程和距变率，以确定距程和/或距 变率在所述时间段内的总趋势，以及来自确定的总趋势的剩余偏差。 监视器模块118可实现确定的距程和/或距变率的总趋势，以估计躯体 (或躯体组成)运动，同时来自确定的趋势的剩余偏差可用于估计个 体112的表皮的表皮震动。观察的表皮震动可包括短期震动和长期震 动之一或短期震动和长期震动两者.基于估计的躯体运动和/或表皮震 动，可由监视器模块118来监视个体112的一个或多个生理机能和/ 或身体活动。
在某些实施例中，可由激光雷达系统116来确定个体112的一处 或多处表皮上的多个点的距程和/或距变率。例如，激光雷达系统116 可在发射期间扫描辐射114，从而可按照光栅越过个体112来扫描个 体112上辐射114所投向的点。在所述实施例中，激光雷达系统116 可监视个体112上的一处或多处表皮区域(例如，胸腔区域、颈部区 域、腕部区域、面部区域等)，或者激光雷达系统116可监视暴露于 激光雷达系统116的视线上的个体112的整个表皮。
根据本发明的各个实施例，由监视器模块118基于对个体112的 躯体运动和/或表皮震动的估计而监视的个体112的生理机能和/或身 体活动可包括 一个或多个心血管机能、 一个或多个呼吸机能、其它 生理机能和其它身体活动。心血管机能可包括心率、心率变率、脉
搏转变时间、脉搏形状和/或其它心血管机能。呼吸机能可包括呼吸 率、呼吸努力和/或其它呼吸机能。身体活动可包括说话、咳嗽、喷 噢、走路、跑步或其它身体活动。在某些示例中，生理机能和/或身体 活动可包括可从其它生理机能和/或身体活动推断的一个或多个生理 机能。其示例可包括可从脉搏转变时间推断的血管紧张度和/或可从 脉搏形状推断的自发紧张度。
图2示出根据本发明某些实施例的如激光雷达系统116的可在系 统110内实现的频率调制激光雷达系统210。系统210可包括激光源 212，其发射电磁辐射波束214。可以以不断改变或咽啾变换的频率来 发射波束214。在某些示例中，对频率进行啁啾变换可包括以周期 性方式(例如，锯齿波形、三角波形等)扫过较低频率与较高频率(反 之亦然)之间的频率。可由光耦合器216将波束214划分为目标波束 218和参考波束220。
在传统实施例中，系统210可包括目标干涉仪222和参考干涉仪 224。目标干涉仪222可接收目标波束218，并且可在光耦合器226划 分目标波束。目标干涉仪222典型地用于产生目标信号，其可取决于 目标230 (例如，个体112)距离目标干涉仪222的距程。目标干涉仪 可通过将目标波束218的一部分228投向目标230，并将目标波束218 的其它部分232经过具有固定路径长度的光路径投向目标频率差模块 234来完成以上处理。可由目标230反射目标波束218的部分228，其 可经由光耦合器226和光纤236被发送到目标频率差模块234。基于 在耦合器248的部分236与232之间的千扰，目标频率差模块234可 产生目标信号，其与目标波束218的部分236和232的拍频相应，所 述拍频由于所述部分的路径长度之间的差引起。
根据本发明的各个实施例，参考干涉仪224可接收参考波束220， 并且可产生与参考波束224的两部分之间的频率差相应的参考信号， 所述两部分可经由具有已知的路径长度差的两个分开的固定路径来投 射。更具体地说，可由光耦合器240将参考波束220划分为第一部分 242和第二部分244。第一部分242可具有相对于第二部分244的固定
光路径长度差。基于在耦合器246的部分242与244之间的干扰，参 考频率差模块250可产生参考信号，其与参考波束220的部分242和 244的拍频相应，所述拍频由于所述部分的路径长度之间的固定差引 起。
如将理解的，已经将目标干涉仪222和参考干涉仪224显示并描 述为Mach-Zehnder干涉仪。然而，可采用其它干涉仪配置。例如， 目标干涉仪222和参考干涉仪224可包括能够形成Michelso-Morley 干涉仪的实施例。
在某些实施例中，系统210可包括处理器238。处理器238可接 收目标信号和参考信号，并且可处理这些信号以确定目标230的距程。 基于目标信号和参考信号确定的距程信息可用于确定目标230相对于 目标干涉仪222的距变率。
图3示出根据本发明某些实施例，如激光雷达系统116的用于监 视个体112的表皮上的一个或多个点的可在系统110内实现的激光雷 达系统310的示例性实施例。激光雷达系统310可采用两个或多个激 光雷达部分，其中的每一个均向目标发射辐射的目标波束。例如，第 一激光雷达部分374向目标316 (例如，个体112 )发射第一 目标波束 312，第二激光雷达部分376向目标316 (例如，个体112 )发射第二 目标波束314。在本发明的某些实施例中，可对第一目标波束312和 第二目标波束314进行啁啾变换以创建双啁啾系统。在系统110中实 现用于监视个体112的表皮上的一个或多个点的激光雷达系统310可 提供对个体112的表皮上的点相对于系统110的距程和距变率的清楚 确定，并且可通过监视模块118实现对个体112的一个或多个生理机 能和/或身体活动的增强监视。例如，对个体112的表皮上的点的距程 和/或距变率的清楚确定可减少确定的距程和/或距变率中的噪声量。 如果存在噪声，则噪声会影响确定距程和/或距变率的精度。确定的距 程和/或距变率的不精确会妨碍对确定的距程和/或距变率起杠杆作用 的确定，其用于监视个体112的生理机能和/或身体活动，所述确定例 如，对指示躯体运动的距程和/或距变率的总趋势的确定，和/或指示
表皮震动的来自总趋势的剩余偏差。
根据本发明的各个实施例，激光部分374可包括激光源控制器 336、第一激光源318、第一光耦合器322、第一波束延迟器344、第 一本地振荡器光耦合器330和/或其它部件。第二激光部分376可包括 激光源控制器338、第二激光源320、第二光耦合器324、第二波束延 迟器350、第二本地振荡器光耦合器332和/或其它部件。例如，可获 得激光雷达部分374和376中的每一个的某些或所有部件，作为来自 Metris USA的相干激光雷达系统。来自Metris USA的相干激光雷达 系统可向激光雷达系统310提供在确定目标316的距程和距变率方面 的各种优点，诸如增强的线性功能、增强的相位漂移校正以及其它 优点，
在本发明的某些实施例中，可由目标316将第一 目标波束312和 第二目标波束314反射回激光雷达系统310。激光雷达系统310可接 收第一 目标波束312和第二目标波束314，并且可确定目标316距离 激光雷达系统310的距程和目标316的距变率中的至少一个。
根据本发明的各个实施例，第一激光源318可具有第一栽频。第 一激光源318能够以第一频率发射第一激光波束340。可以按第一啁 啾速率来调制第一频率。可以按电子方式、机械方式、声光方式或其 它清楚的调制方式来调制第一频率。可由第一光耦合器322将第一激 光波束340划分为第一目标波束312和第一本地振荡器波束342。可 在第 一 波束延迟器344将第 一本地振荡器波束342保持第 一延迟周期。
在本发明的某些实施例中，第二激光源320能够以第二频率发射 第二激光波束346。可以按不同于第一啁啾速率的第二啁啾速率来调 制第二频率。可以按电子方式、机械方式、声光方式或其它调制方式 来调制第二频率。第一啁啾速率和第二啁啾速率可产生第一激光波束 340与第二激光波束346之间的计数器啁啾。
在某些示例中，第二载频可与第一载频基本相同。例如，在某些 实施例中，第一基线频率与第二基线频率之间的百分比差小于.05%。 这可向激光系统310提供各种改进，诸如作为示例的最小化由于散斑
引起的失真或其它改进。可由第二光耦合器324将第二激光波束346 划分为第二目标波束314和第二本地振荡器波束348。可在第二波束 延迟器350将第二本地振荡器波束348保持第二延迟周期。第二延迟 周期可不同于第一延迟周期。
在某些实施例中，可使用在作为示例的Metris USA Model MV200中提供的机制来线性化第一激光源318和/或第二激光源320 的输出(例如，第一激光波束340和/或第二激光波束346).可使用 在作为示例的Metris USA Model MV200中提供的机制来校正第一激 光源318和/或第二激光源320的输出的相位漂移。
在本发明的某些实施例中，当目标316距离激光雷达系统310的 距程落入最小距程与最大距程之间的 一组距程内时，激光雷达系统 310能够以提高的精度来确定目标316的距程和距变率。当目标316 的距程没有落入该组距程内时，激光雷达系统310的精度会降级。
根据本发明的各个实施例，第一波束延迟器344和第二波束延迟 器350可以是可调的。调整第一波束延迟器344和第二波束延迟器350 可实现对激光雷达系统310的调整，以便使得可在其上进行更加精确 的确定的该组距程更靠近或远离激光雷达系统310。可调整第一波束 延迟器344和第二波束延迟器350,以保证目标316的距程落入最小 距程与最大距程之间的该组距程内，从而可精确地确定目标316的距 程和距变率。可由用户来调整第一波束延迟器344和第二波束延迟器 350，或者以自动方式来进行所述调整。
这种当目标316的距程在该組距程之外时，对距程和距变率的确 定的降级可能是第一激光源318和第二激光源320的相干长度的有限 本质的结果。例如，最小距程与最大距程之间的距离可以是相干长度 的函数。第一激光源318和第二激光源320的相干长度越长，最小距 程与最大距程之间的距离会越大。因此，增加第一激光源318和第二 激光源320的相干长度会通过提供通过改进的距程组进行确定的能力 而增强由激光雷达系统310对距程和距变率的确定。
在本发明的某些实施例中，可将第一本地振荡器波束342划分为
多个第一本地振荡器波束，并可将第二本地振荡器波束348划分为多 个第二本地振荡器波束。在所述示例中，激光雷达系统310可包括多 个波束延迟器，它们可将变化延迟周期的延迟应用于多个第 一本地振 荡器波束和多个第二本地振荡器波束。这可保证可将多个第一本地振 荡器波束之一和多个第二本地振荡器波束之一延迟以下的延迟周期， 所述延迟周期能够实现对目标的距程和距变率的精确确定。
因此，在本发明的某些实施例中，第一激光源318和第二激光源 320可发射带有增强的相干长度的啁啾电磁辐射。例如，第一激光源 318和/或第二激光源320可包括如图3所示并如上所述的系统310。
根据各个实施例，可将第一 目标波束312和第二目标波束314投 向分离的光路径上的目标316，并且/或者从所述目标316接收第一 目 标波束312和第二目标波束314。在某些实施例中，这些光路径可以 是类似但是有区别的。在其它实施例中，可在发射之前由目标光耦合 器326将第一 目标波束312和第二目标波束314耦合成组合目标波束 352，其可沿着公共光路径投向目标316。在某些实施例中，可沿着与 将组合目标波束352投向目标316的公共光路径分开的接收光路径， 由目标316反射组合目标波束352 (或者如果被分开投向目标316,则 指的是第一目标波束312和第二目标波束314)，并由激光雷达系统 310接收所述组合目标波束352。可将这种实施例标示为"收发分置"。 或者，可沿着公共光路径，如反射目标波束356般由激光雷达系统310 接收组合目标光束352。可将后者的这些实施例标示为"收发合置"。 当以互逆光的方式操作时，收发合置实施例可提供优于它们的收发分 置对应方的优点。在收发合置实施例中，公共光路径可包括光构件 328,其可提供用于发射组合目标波束352和接收反射目标波束356 的公共端口。光构件328可包括光循环器、光耦合器或其它清楚的 光构件。
在某些实施例中，公共光路径可包括扫描元件337。扫描元件337 可包括诸如以下示例的光学元件镜、透镜、天线或其它光学元件， 可对它们进行振荡，旋转或其它方式的激励，以使得组合目标波束352
能够扫描目标316。在某些示例中，扫描元件337可实现高速扫描。 在传统系统中，扫描元件可能是由于散斑或会使这些系统的精度降级 的其它光效应引起的镜像差分多普勒噪声的源。然而，因为激光雷达 系统310的各个实施例使用同时测量(或基本同时的测量)来清楚地 确定距程和距变率，所以可避免由高速扫描引入的不精确等。
在本发明的某些实施例中，目标光耦合器354可将反射目标波束 356划分为第一反射目标波束部分358和第二反射目标波束部分360。 第一本地振荡器光耦合器330可将第一本地振荡器波束342与第一反 射目标波束部分358组合成第一组合目标波束362。第二本地振荡器 光耦合器332可将第二本地振荡器波束348与第二反射目标波束部分 360组合成第二组合目标波束364。在附图中没有示出的某些实施例 中，其中，作为示例，可分开地将第一目标波束312和第二目标波束 314投向目标316并/或从目标316接收所述波束，第一本地振荡器光 耦合器330可将反射的第一目标波束312与第一本地振荡器波束342 组合，以产生第一组合目标波束362，并且可将反射的第二目标波束 314与第二本地振荡器波束348组合，以产生第二组合目标波束364 。
因为可将第 一本地振荡器波束342和第二本地振荡器波束348与 不同的目标波束，或相同目标波束的不同部分(例如，反射目标波束 356)组合，所以就在最终处理之前，笫一组合目标波束362和第二组 合目标波束364可代表光信号，所述光信号会出现在两个分开但是同 时的单激光源的频率调制激光雷达系统。例如，可将激光源控制器 336、第一激光源318、第一光耦合器322、第一波束延迟器344和第 一本地振荡器光耦合器330看作第一激光雷达部分374，其可产生第 一组合目标波束362,所述第一组合目标波束362与可由第二激光雷 达部分376产生的第二组合目标波束364分离。第二激光雷达部分376 可包括激光源控制器338、第二激光源320、第二光耦合器324、第 二波束延迟器350和第二本地振荡器光耦合器332。
在某些实施例中，激光雷达系统310可包括处理器334。处理器 334可包括检测模块366、混合模块368、处理模块370和/或其它模
块。可以通过硬件(包括光部件和检测部件)、软件、固件或者硬件、
软件和/或固件的组合来实现所述模块。处理器334可接收第一组合目 标波束362和第二组合目标波束364。基于第一组合目标波束362和 第二组合目标波束364，处理器334可产生距程信号和距变率信号。 基于距程信号和距变率信号，可清楚地确定目标316的距程和距变率。 在本发明的某些实施例中，处理器334可确定第一组合本地振荡 器波束362的第一拍频。第一拍频可包括第一本地振荡器波束342的 频率方面的差(可归因于路径长度方面的差)以及反射目标波束356 的分量，所述反射目标波束356与从目标316反射的第一 目标波束312 相应。处理器334可确定第二组合本地振荡器波束364的第二拍频。 第二拍频可包括第二本地振荡器波束348的频率方面的差(可归因于 路径长度方面的差)以及反射目标波束356的分量，所述反射目标波 束356与从目标316反射的第二目标波束314相应。可同时(基本同 时)确定第一拍频和第二拍频，以消除由环境或其它效应引入的噪声。 可采取一个或多个步骤以使得第一拍频和第二拍频能够与第一组合目
标波束362内的其它频率分量、笫二组合目标波束364内的其它频率 分量区别开，并且/或者使得笫一拍频和第二拍频能够彼此区别开。例 如，所述测量可包括使用两个分离的调啾速率作为第一调啾速率和 第二啁啾速率，分别在笫一波束延迟器344和第二波束延迟器350将 第一本地振荡器波束342和第二本地振荡器波束350延迟不同的延迟 时间，或者可采取其它测量。
将认识到尽管图3示出主要使用光纤和光耦合器来实现本发明 的示例性实施例，但是所述实施例并不是限制目的。存在本发明范围 内的可替换实施例，其中，可使用其它光学元件对电磁辐射进行投射、 組合、转移、集中、分散、放大或以其它方式处理电磁辐射，其中， 所述其它光学元件诸如作为示例的棱镜、镜、半透明反射镜、波束分 裂器、两向色薄膜、透镜或其它光学元件。
根据本发明的各个实施例，处理器334可混合第一组合目标波束 362与第二混合目标波束364，以产生混合信号。混合信号可包括拍
频和分量，其可与第一拍频和第二拍频的和相应；以及拍频差分量， 其可与第一拍频与第二拍频之间的差对应。对于具有恒定速度的目标， 可将第 一激光波束340和第二激光波束346的拍频描述如下
<formula>formula see original document page 23</formula>其中，/(,)代表第一拍频，/2(,)代表第二拍频。A和4是两种光波
形，v是目标速度，K和h与各自的啁啾速率成比例，i 是测量的距程，
/ Q和/ 02代表两个激光雷达的距程偏移。现在，假设^ = ^ =义。我们
可将等式相减以得到
(3)
重新排列(3)，我们获得
<formula>formula see original document page 23</formula>作为校正的距程测量。类似地，我们可组合(1)和(2)，以获 得表达式
<formula>formula see original document page 23</formula>及O, _及02 l-丘
(5)，
其提供了目标速度的测量。
根据本发明的各个实施例，可从混合信号滤除以上在等式4中描 述的拍频和分量，以产生距程信号。通过包括在距程信号中的拍频和 分量(例如，,《 + /2W)，可确定从激光雷达系统310到目标316的 距离。基于距程信号的所述确定可以是清楚的，并且可以不依赖于多 普勒频移的瞬时状态或平均状态(例如，WA)。
23
在某些实施例中，可从混合信号滤除以上在等式4中描述的拍频 差分量，以产生距变率信号。通过包括在距变率信号中的拍频差分量， 可清楚地确定目标316的距变率。为了确定目标316的距变率，可将
"2 表示为与第一啁湫速率与第二啁嗽速率之间的啁啾速率 差成比例的值。这使得能够提取多普勒频移信息，其可表示目标316 的瞬时速度(即，距变率)。
在本发明的某些实施例中，可将笫二啁湫速率设置为0。换言之， 激光源318能够以恒定频率发射辐射。这使得能够以更简单的设计、 较小的覆盖区、较轻的重量、降低的成本或其它可向整个系统提供优 点的改进来实现第二激光源318。在这些实施例中，激光雷达系统310 可包括频移装置。所述频移装置可包括声光调制器372或其它装置。 声光调制器372可向第二本地振荡器波束348提供频率偏移，这可增 强下游处理。例如，频率偏移可使得表示静态目标的距变率的第二本 地振荡器波束348与第二反射目标波束部分360之间的静态目标拍频 能够从O偏移，从而可通过拍频确定目标运动的方向以及运动的速率 大小。本发明的所述实施例具有的优点还在于其可允许连续监视目 标距变率，不会被啁啾回转或回扫打断。啁啾回转或回扫会产生时间 间隔，在所述时间间隔期间，不可能对啁啾激光雷达部分进行精确的 测量。在这些实施例中，尽管激光雷达系统310保有测量距程和距变 率两者的能力，但是激光雷达部分376可仅确定目标316的距变率。
图4示出根据本发明一实施例的处理器334。处理器334能够以 数字方式混合第一组合目标波束362和第二组合目标波束364。例如， 处理器334可包括第一检测器410和第二检测器412。第一检测器410 可接收第一组合目标波束362，并可产生与第一组合目标波束362相 应的第一模拟信号。可由第一转换器414将第一模拟信号转换为笫一 数字信号。处理器334可包括第一频率数据模块416，其可确定与第 一数字信号的一个或多个频率分量相应的第一组频率数据。在某些示 例中，可在第一平均器模块418平均第一数字信号。在所述示例中，
可随后将平均的第一数字信号发送到第一频率数据模块416。
第二检测器412可接收第二组合目标波束364，并可产生与第二 组合目标波束364相应的第二模拟信号。可由第二转换器420将第二 模拟信号转换为第二数字信号。处理器334可包括第二频率数据模块 442，其可确定与第二数字信号的一个或多个频率分量相应的第二组频 率数据。在某些示例中，可在第二平均器模块424平均第二数字信号。 在所述示例中，可随后将平均的第二数字信号发送到第二频率数据模 块422。
可由频率数据组合模块426接收第 一组频率数据和第二组频率数 据。频率数据组合模块426可线性地组合第一组频率数据和第二组频 率数据，并且可产生源于混合频率数据的距变率信号和距程信号。
图5示出根据本发明另一实施例的处理器334。处理器334可包 括第一检测器510和第二检测器512，它们可分别接收第一组合目标 波束362和第二組合目标波束364。第一检测器510和第二检测器512 可分别产生与第一组合目标波束362和第二组合目标波束364相关的 第一模拟信号和第二模拟信号。处理器334能够以电子方式混合笫一 組合目标波束362和第二组合目标波束364，以产生距程信号和距变 率信号。例如，处理器334可包括调制器514。调制器514可将由第 一检测器510产生的第一模拟信号与由笫二检测器512产生的第二模 拟信号相乘以产生组合模拟信号。在所述实施例中，处理器334可包 括第一滤波器516和第二滤波器518，它们接收组合模拟信号。笫一 滤波器516可对组合模拟信号滤波以产生第一滤波信号。在某些示例 中，第一滤波器516可包括低通滤波器。可由第一转换器520转换第 一滤波信号，以产生距变率信号。第二滤波器518可对组合模拟信号 滤波以产生第二滤波信号。例如，第二滤波器518可包括高通滤波器。 可由第二转换器522转换第二滤波信号，以产生距程信号。
图6示出根据本发明另一实施例的处理器334。处理器334能够 以光学方式混合第一组合目标波束362和第二组合目标波束364,以 产生距程信号和距变率信号。例如，处理器334可包括检测器610，
其接收第一组合目标波束362和第二组合目标波束364并基于所述检 测产生组合模拟信号。在所述实施例中，处理器334可包括第一滤波 器612和第二滤波器614，它们接收组合模拟信号。第一滤波器612 可对组合模拟信号滤波以产生第一滤波信号。第一滤波器612可包括 低通滤波器。可由第一转换器616转换第一滤波信号，以产生距变率 信号。第二滤波器614可对组合模拟信号滤波以产生第二滤波信号。 第二滤波器614可包括高通滤波器。可由第二转换器618转换第二滤 波信号，以产生距程信号。
尽管已经在这里就各个实施例描述了本发明，但是本领域的技术 人员将清楚本发明并不受限于此，而是由所附权利要求的范围来限 定。
权利要求
1、一种远程监视个体的系统，所述系统包括:激光雷达系统，在一段时间内确定个体的一处或多处表皮上的一个或多个点的距程和距变率；以及监视器模块，基于由激光雷达系统确定的距程和距变率来监视个体的一个或多个生理机能或身体活动。
2、 如权利要求1所述的系统，其中，监视器模块确定距程和距 变率的一个或多个总趋势以及距程和距变率的一个或多个剩余偏差，并基于距程和距变率的总趋势和/或距程和距变率的剩余残差来监视 个体的一个或多个生理机能或身体活动。
3、 如权利要求2所述的系统，其中，监视器模块从距程和距变 率的总趋势估计个体的躯体运动，从来自距程和距变率的总趋势的剩 余偏差来估计个体的表皮的表皮振动，并基于估计的躯体运动和/或估 计的表皮振动来监视个体的一个或多个生理机能或身体活动。
4、 如权利要求l所述的系统，其中， 一个或多个生理机能或身 体活动包括心血管机能或呼吸机能中的至少一个。
5、 如权利要求4所述的系统，其中， 一个或多个生理机能或身 体活动包括以下内容中的至少一个心率、心率变率、脉搏转变时间、 脉搏形状、呼吸率或呼吸努力。
6、 如权利要求l所述的系统，其中， 一个或多个生理机能或身 体活动包括以下内容中的至少一个说话、咳嗽、喷噢、走路或跑步。
7、 一种远程监视个体的方法，所述方法包括 顺序地向个体的一处或多处表皮上的一个或多个点发射辐射波束；接收从个体的表皮上的所述点反射的辐射波束的一部分； 基于辐射波束的一个或多个方面来确定个体的表皮上的点的距 程和距变率；以及基于个体的表皮上的点的距程和距变率来监视个体的一个或多个生理机能或身体活动。
8、 如权利要求7所述的方法，还包括确定距程和距变率的一 个或多个总趋势以及距程和距变率的一个或多个剩余偏差，并且，其 中，监视个体的一个或多个生理机能或身体活动的步骤包括基于距 程和距变率的总趋势和/或距程和距变率的剩余残差来监视个体的一 个或多个生理机能或身体活动。
9、 如权利要求8所述的方法，还包括 从距程和距变率的总趋势估计个体的躯体运动；以及 从来自距程和距变率的总趋势的剩余偏差来估计个体的表皮的表皮振动，并且，其中，监视个体的一个或多个生理机能或身体活动的步骤 包括基于估计的躯体运动和/或估计的表皮振动来监视个体的一个或 多个生理机能或身体活动。
10、 如权利要求7所述的方法，其中， 一个或多个生理机能或身 体活动包括心血管机能或呼吸机能中的至少一个。
11、 如权利要求IO所述的方法，其中， 一个或多个生理机能或 身体活动包括以下内容中的至少一个心率、心率变率、脉搏转变时 间、脉搏形状、呼吸率或呼吸努力，
12、 如权利要求7所述的方法，其中， 一个或多个生理机能或身 体活动包括以下内容中的至少一个说话、咳嗽、喷噢、走路或跑步。
13、 一种监视个体的系统，所述系统包括 第一相干激光雷达部分，包括激光源，产生第一激光波束，干涉仪，将第一激光波束分裂为投向个体的第一目标波束 和第一本地振荡器波束，并从自个体返回的第一目标波束的第 一反射部分和第 一本地振荡器波束产生第 一组合目标波束； 第二相干激光雷达部分，包括激光源，产生第二激光波束，干涉仪，将第二激光波束分裂为随着第一目标波束投向个 体的第二目标波束和第二本地振荡器波束，并从自个体返回的 第二目标波束的第二反射部分和第二本地振荡器波束产生第二组合目标波束；处理器，从第一组合目标波束和第二组合目标波束确定在一段 时间内，个体的一处或多处表皮上的一个或多个点的距程和距变率， 并且其中，处理器基于由处理器确定的距程和距变率来监视个体的一 个或多个生理机能或身体活动。
14、 如权利要求13所述的系统，其中处理器确定距程和距变 率的一个或多个总趋势以及距程和距变率的一个或多个剩余偏差，并 基于距程和距变率的总趋势和/或距程和距变率的剩余残差来监视个 体的一个或多个生理机能或身体活动。
15、 如权利要求14所述的系统，其中处理器从距程和距变率 的总趋势估计个体的躯体运动，从来自距程和距变率的总趋势的剩余 偏差来估计个体的表皮的表皮振动，并基于估计的躯体运动和/或估计 的表皮振动来监视个体的一个或多个生理机能或身体活动。
16、 如权利要求13所述的系统，其中， 一个或多个生理机能或 身体活动包括心血管机能或呼吸机能中的至少一个。
17、 如权利要求16所述的系统，其中， 一个或多个生理机能或 身体活动包括以下内容中的至少一个心率、心率变率、脉搏转变时 间、脉搏形状、呼吸率或呼吸努力。
18、 如权利要求13所述的方法，其中， 一个或多个生理机能或 身体活动包括以下内容中的至少一个说话、咳嗽、喷喷、走路或跑 步。
全文摘要
一种根据本发明某些实施例远程监视个体的系统和方法。更具体地说，可监视个体的一个或多个生理机能和/或身体活动。为了监视个体，可随着时间确定个体的一处或多处表皮(例如，皮肤、衣服、嘴唇等)上的一个或多个点的距程和/或距变率(即，速度)。基于对个体的表皮上的点的距程和距变率的确定，可监视个体的一个或多个生理机能和/或身体活动。这使得在不接近或靠近个体的情况下，能够远离个体地监视生理机能和/或身体活动。
文档编号A61B5/02GK101394783SQ200580031816
公开日2009年3月25日 申请日期2005年9月21日 优先权日2004年9月21日
发明者理查德·L.·塞巴斯蒂安, 肯道尔·L.·贝尔斯雷 申请人:数字信号公司