[论文解读] Power-Based Real-Time Respiration Monitoring Using FMCW Radar

Sherif Abdulatif, Fady Aziz+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2017

Non-Invasive Vital Sign Monitoring参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于FMCW雷达的实时、基于功率的呼吸监测技术，通过分析距离剖面峰值的幅度波动来检测胸部微运动。该方法实现了长达4.7米的探测距离和高达30°的宽角度探测，相较于传统的带通滤波和小波变换方法，在实时性能和在衣物遮挡及非理想视角等挑战性条件下的鲁棒性方面表现更优。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于FMCW雷达的实时、非复杂化的非接触式呼吸监测方法。
• 克服基于带通滤波或小波变换的现有技术的局限性，这些技术会限制实时性能，并且仅适用于短距离和窄角度。
• 评估在现实世界条件下（包括厚重衣物和不同视角）基于功率的检测可行性。
• 对比两个载波频率不同的FMCW雷达模块在性能上的差异，包括带宽、输出功率水平。

提出的方法

• 该方法通过分析对应于目标胸部微运动的距离剖面峰值的时变功率波动来检测呼吸。
• 对收到的chirp信号进行快速傅里叶变换（FFT），生成连续的距离剖面，其中目标峰值表示距离，功率与雷达散射截面（RCS）相关。
• 采用自适应恒虚警率（CFAR）技术实时抑制杂波和噪声。
• 该技术依赖于随时间观察主导目标峰值的幅度变化，这些变化与呼吸运动直接相关。
• 测试了两个FMCW雷达模块：一个工作在120 GHz（6 GHz带宽，2.5 cm分辨率），另一个工作在94 GHz（14 GHz带宽，1 cm分辨率），两者在输出功率、增益和波束孔径方面存在差异。
• 系统性地测试了视角和距离的变化，以评估其鲁棒性和探测极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不依赖频域滤波或小波变换的情况下，FMCW雷达距离剖面中的功率波动是否能可靠指示呼吸？
• RQ2 使用这种基于功率的方法，呼吸监测的最大探测距离和最大视角是多少？
• RQ3 雷达参数（频率、带宽、输出功率、波束宽度）的差异如何影响检测性能？
• RQ4 衣物厚度（如冬季服装）对使用该方法探测胸部微运动的影响如何？
• RQ5 该方法是否能在多样的环境和目标朝向条件下保持实时性能？

主要发现

• 94 GHz雷达模块实现了4.7米的最大探测距离和30°的最大视角，显著优于120 GHz模块。
• 120 GHz模块在2米范围内和最多20°的视角下可检测呼吸，显示出有限的探测距离和角度容忍度。
• 94 GHz模块凭借更高的输出功率、更好的信噪比（SNR）以及更宽的波束孔径（11°），相比120 GHz模块（3°波束宽度）表现出更优越的性能。
• 该方法成功检测到厚重衣物下的呼吸，表明对多层材料引起的信号衰减具有鲁棒性。
• 基于功率的方法实现了无需复杂信号处理的实时监测，而小波或特征值方法则会牺牲实时性能。
• 结果证实，距离剖面峰值的幅度波动是呼吸的可靠且实用的指示器，尤其在远距离和大角度条件下表现更优。