[논문 리뷰] Towards Radar-Agnostic Gait Analysis Across UWB and FMCW Systems

Charalambos Hadjipanayi, Maowen Yin외 3명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 07.

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한 줄 요약

이 논문은 동일한 처리 프레임워크가 collocated UWB 및 FMCW 레이더에서 작동하는 시공간 보행 분석을 위한 통합 처리 프레임워크를 검증하고, 모션 캡처와의 높은 일치도 및 모달 간 일관성을 달성한다.

ABSTRACT

Radar sensing has emerged in recent years as a promising solution for unobtrusive and continuous in-home gait monitoring. This study evaluates whether a unified processing framework can be applied to radar-based spatiotemporal gait analysis independent of radar modality. The framework is validated using collocated impulse-radio ultra-wideband (IR-UWB) and frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radars under identical processing settings, without modality-specific tuning, during repeated overground walking trials with 10 healthy participants. A modality-independent approach for automatic walking-segment identification is also introduced to ensure fair and reproducible modality performance assessment. Clinically relevant spatiotemporal gait parameters, including stride time, stride length, walking speed, swing time, and stance time, extracted from each modality were compared against gold-standard motion capture reference estimates. Across all parameters, both radar modalities achieved comparably high mean estimation accuracy in the range of 85-98%, with inter-modality differences remaining below 4.1%, resulting in highly overlapping accuracy distributions. Correlation and Bland-Altman analyses revealed minimal bias, comparable limits of agreement, and strong agreement with reference estimates, while intraclass correlation analysis demonstrated high consistency between radar modalities. These findings indicate that no practically meaningful performance differences arise from radar modality when using a shared processing framework, supporting the feasibility of radar-agnostic gait analysis systems.

연구 동기 및 목표

• 다양한 레이더 모달리티에서 모달리티 특이적 튜닝 없이 보행 매개변수를 추출할 수 있는 단일 처리 프레임워크를 증명한다.
• 레이더 유도 보행 매개변수와 골드 표준 모션 캡처(MOCAP) 간의 일치를 정량화한다.
• 동일한 처리 설정에서 UWB와 FMCW 시스템 간의 레이더 간 일관성을 평가한다.

제안 방법

• 두 개의 레이더 모달리티를 공동 배치하여 데이터 수집: IR-UWB (7.29 GHz, 1.4 GHz BW)와 FMCW (60 GHz).
• 두 모달리티에 동일한 오프라인 처리 파이프라인을 적용하여 range–Doppler–time 표현 및 RDT 프레임을 얻는다.
• 고역통과 필터 및 적응적 지수 이동 평균 필터링을 사용하여 잡음(clutter)을 억제하고, 이어서 STFT 기반 도플러 분석으로 보행 관련 엔벨로프를 도출한다.
• 발 속도 궤적에 대한 단일시간 자기상관을 통한 자동 보행 구간 탐지로 모달리티 독립적 보행 마스크를 생성한다.
• 레이더를 통해 얻은 발 속도에서 보행 이벤트(HS, TO)를 탐지하고 보폭 시간/길이, 보행 속도, swing/stance 시간 등의 시공간 보행 매개변수를 계산한다.
• 상관분석, Bland–Altman, 및 ICC 분석을 사용하여 레이더 추정치를 MOCAP 골드 표준과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모달리티별로 튜닝 없이 적용하였을 때 UWB와 FMCW 레이더로부터 같은 보행 매개변수 추정이 가능한가?
• RQ2 레이더 유도 보행 매개변수와 골드 표준 MOCAP 간의 일치 정도는 모달리티에 걸쳐 어떤가?
• RQ3 동일한 처리 파이프라인 하에서 UWB와 FMCW 레이더 간 보행 매개변수 추정은 얼마나 일관적인가?

주요 결과

• FMCW 및 UWB 레이더는 MOCAP과의 높은 상관관계를 달성한다 for torso range/velocity (≈0.999) 및 발 궤적은 약 0.90–0.99 사이의 상관을 보인다.
• HS/TO 위치에 대한 보행 이벤트 탐지 정확도는 99.7%를 초과하며 모달 간 범위-시간 차이는 작다(평균 HS 시간 및 HS 범위 차이 ≈0.08–0.19%).
• Mean gait-parameter accuracy differences between modalities range from 0.3% to 4.1% across parameters, with walking velocity showing the largest inter-modality difference (4.1%).
• Bland–Altman and correlation analyses indicate near-zero bias and strong agreement with MOCAP for most parameters; walking speed shows near-perfect inter-modality agreement (r ≈ 0.98, ICC ≈ 0.97).
• Correlation between FMCW and UWB estimates is high for all parameters (e.g., walking speed r ≈ 0.98, stride time r ≈ 0.88).
• The results support radar-agnostic gait analysis using a shared pipeline.