[논문 리뷰] Power-Based Real-Time Respiration Monitoring Using FMCW Radar

Sherif Abdulatif, Fady Aziz외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 25.

Non-Invasive Vital Sign Monitoring참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 FMCW 레이더를 사용하여 흉부의 미세한 운동을 범위 프로파일 피크의 진폭 변동을 분석함으로써 실시간으로 전력 기반의 호흡 모니터링 기술을 제안한다. 이 방법은 장거리(최대 4.7m) 및 광각(최대 30°) 호흡 감지를 구현하며, 옷차림이나 비이성적인 시야각과 같은 도전적인 조건에서도 기존의 밴드패스 필터링 및 웨이블릿 기반 방법보다 실시간 성능과 강건성 면에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Non-contact vital sign detection is a required application nowadays in many fields as patient monitoring and static human detection. Within the last decade, radar has been introduced as a smart and convenient sensor for non-contact respiration monitoring. Radar sensors are considered suitable for such application for its capability to work through obstacles and in harsh environmental conditions. FMCW radar has been introduced as a powerful tool in this field for its capability of detecting both the breathing target position and his chest micro-motions induced due to breathing. Most of the presented techniques for using the radar for respiration detection is based on bandpass filtering or wavelet transforms on the required harmonics in either the range or Doppler dimension. However, both techniques affect the real-time capability of the monitoring and work on limited distances and aspect angles. A recognizable fluctuation effect is observed in the received range spectrum overtime due to respiration chest movements. The proposed technique in this paper is based on detecting and processing the power changes in real-time over different aspect angles and distances. Two radar modules working on different carrier frequency bands, bandwidths and output power levels were tested and compared.

연구 동기 및 목표

• FMCW 레이더를 이용한 비접촉 호흡 모니터링을 위한 실시간이며 비복잡한 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 밴드패스 필터링 또는 웨이블릿 변환 기반 기술의 한계를 극복하기 위해, 이는 실시간 성능을 저해하고 짧은 거리 및 좁은 각도에 국한되기 때문이다.
• 무거운 옷차림과 다양한 시야각과 같은 실제 환경 조건에서 전력 기반 감지의 가능성 평가하기 위해.
• 다른 캐리어 주파수, 대역폭 및 출력 전력 수준을 가진 두 개의 FMCW 레이더 모듈 간 성능 비교하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 목표물의 흉부 미세 운동에 해당하는 범위 프로파일 피크의 시간에 따라 변하는 전력 변동을 분석하여 호흡을 감지한다.
• 수신된 치르프에 대해 빠른 푸리에 변환(FFT)을 적용하여 연속적인 범위 프로파일을 생성하며, 여기서 목표 피크는 거리와 관련되고 전력은 레이더 단면적(RCS)과 관련된다.
• 실시간으로 잡음과 클러터를 억제하기 위해 적응형 일정한 거짓경고율(CFAR) 기법을 적용한다.
• 이 기법은 시간에 따라 주요 목표 피크의 진폭 변동을 관찰하는 데 의존하며, 이는 직접적으로 호흡 운동과 관련된다.
• 두 개의 FMCW 레이더 모듈을 테스트한다: 하나는 120 GHz(6 GHz 대역폭, 2.5 cm 해상도), 다른 하나는 94 GHz(14 GHz 대역폭, 1 cm 해상도)이며, 출력 전력, 이득 및 빔 앵글에서 다릅니다.
• 시야각과 거리의 변화를 체계적으로 테스트하여 강건성과 감지 한계를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 도메인 필터링이나 웨이블릿 변환에 의존하지 않고도 FMCW 레이더의 범위 프로파일에서의 전력 변동이 호흡을 신뢰성 있게 나타낼 수 있는가?
• RQ2 이 전력 기반 방법을 사용할 때 호흡 모니터링의 최대 감지 거리와 시야각은 얼마인가?
• RQ3 주파수, 대역폭, 출력 전력, 빔 폭 등의 레이더 파arameter 차이가 감지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 의복 두께(예: 겨울철 의복)가 이 방법을 통해 흉부의 미세 운동을 감지하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 방법은 다양한 환경 조건과 목표물의 방향성 조건에서도 실시간 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 94 GHz 레이더 모듈은 최대 감지 거리 4.7 m와 최대 시야각 30°를 달성하여 120 GHz 모듈보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.
• 120 GHz 모듈은 최대 2 m까지 호흡을 감지하고 시야각 최대 20°까지 감지할 수 있었으며, 이는 거리 및 각도에 대한 내성의 제한을 보였다.
• 94 GHz 모듈은 더 높은 출력 전력, 더 나은 신호 대 잡음비(SNR), 더 넓은 빔 앵글(11°) 덕분에 120 GHz 모듈(3° 빔폭)보다 우수한 성능을 보였다.
• 이 방법은 두꺼운 옷차림을 통해도 호흡을 성공적으로 감지하여 다층 재료에 의한 신호 감쇠에 강건함을 보였다.
• 웨이블릿 또는 고유값 기반 방법과 달리, 전력 기반 접근법은 복잡한 신호 처리 없이도 실시간 모니터링을 가능하게 하였다.
• 결과적으로 범위 프로파일 피크의 진폭 변동은 장거리 및 광각에서 특히 신뢰성 있고 실용적인 호흡 지표임을 확인하였다.