A novel phase-canceling demodulation scheme to improve the linearity of a self-injection-locked (SIL) ultrasonic radar is proposed with the goal of solving the null detection problem and accurately sensing large displacements of a moving target. A proportional-integral (PI) controller regulates the phase of the injection signal and cancels the Doppler phase shift by tuning a delay in the received echo signal, and this tunable delay serves as the radar output, which is linearly proportional to the displacement of the target. Without assuming weak injection, the frequency and phase equations for an SIL oscillator are derived, supporting the construction of a plant model and the design of a PI controller. Also, a new ultrasonic radar equation is presented for estimating the radar detection range. The SIL radar with phase regulation is operated in its anti-phase injection mode for better performance. The proposed design is implemented on an FPGA to make a 40 kHz continuous-wave ultrasonic radar. The maximum detectable peak-to-peak motion is up to 120 mm (approximately 14 wavelengths of displacement), with a total harmonic distortion as low as 2.3% for the detection of 1 Hz harmonic motion. The radar is used to detect the human chest movement for non-contact monitoring of the respiratory rate and heart rate. Due to the high linearity and sensitivity, the radar is capable of faithfully detecting the relatively large involuntary body movements and lung movements while still preserving the weak heartbeat rhythm buried in them, with the average error of measured heart rates less than 1 BPM.

中文翻译：

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高度线性的相位消除自注入锁定超声雷达，用于呼吸和心跳的非接触式监测

提出了一种新的相位消除解调方案，以提高自注入锁定（SIL）超声雷达的线性度，其目的是解决零检测问题并精确地感测运动目标的大位移。比例积分（PI）控制器通过调整接收回波信号中的延迟来调节注入信号的相位并消除多普勒相移，并且该可调延迟用作雷达输出，与雷达的位移成线性比例关系。目标。在不假设弱注入的情况下，可以推导出SIL振荡器的频率和相位方程，从而支持工厂模型的构建和PI控制器的设计。此外，提出了一个新的超声波雷达方程，用于估计雷达探测距离。具有相位调节功能的SIL雷达以其反相注入模式运行，以实现更好的性能。拟议的设计在FPGA上实现，以制造40 kHz连续波超声雷达。可检测的最大峰峰值运动高达120 mm（大约14个位移波长），对于1 Hz谐波运动的检测，总谐波失真低至2.3％。雷达用于检测人的胸部运动，以非接触方式监测呼吸频率和心率。由于具有很高的线性度和灵敏度，该雷达能够忠实地检测相对较大的非自愿身体运动和肺部运动，同时仍然保留了隐藏在其中的微弱的心律，而测得的心率的平均误差小于1 BPM。拟议的设计在FPGA上实现，以制造40 kHz连续波超声雷达。可检测的最大峰峰值运动高达120 mm（大约14个位移波长），对于1 Hz谐波运动的检测，总谐波失真低至2.3％。雷达用于检测人的胸部运动，以非接触方式监测呼吸频率和心率。由于具有很高的线性度和灵敏度，该雷达能够忠实地检测相对较大的非自愿身体运动和肺部运动，同时仍然保留了隐藏在其中的微弱的心律，而测得的心率的平均误差小于1 BPM。拟议的设计在FPGA上实现，以制造40 kHz连续波超声雷达。可检测的最大峰峰值运动高达120 mm（大约14个位移波长），对于1 Hz谐波运动的检测，总谐波失真低至2.3％。雷达用于检测人的胸部运动，以非接触方式监测呼吸频率和心率。由于具有很高的线性度和灵敏度，该雷达能够忠实地检测相对较大的非自愿身体运动和肺部运动，同时仍然保留了隐藏在其中的微弱的心律，而测得的心率的平均误差小于1 BPM。可检测的最大峰峰值运动高达120 mm（大约14个位移波长），总谐波失真低至2.3％，可检测到1 Hz的谐波运动。雷达用于检测人的胸部运动，以非接触方式监测呼吸频率和心率。由于具有很高的线性度和灵敏度，该雷达能够忠实地检测相对较大的非自愿身体运动和肺部运动，同时仍然保留了隐藏在其中的微弱的心律，而测得的心率的平均误差小于1 BPM。可检测的最大峰峰值运动高达120 mm（大约14个位移波长），对于1 Hz谐波运动的检测，总谐波失真低至2.3％。雷达用于检测人的胸部运动，以非接触方式监测呼吸频率和心率。由于具有很高的线性度和灵敏度，该雷达能够忠实地检测相对较大的非自愿身体运动和肺部运动，同时仍然保留了隐藏在其中的微弱的心律，而测得的心率的平均误差小于1 BPM。