Введение: Преимущества миллиметрового радара для бесконтактного мониторинга
В связи с быстрым развитием технологий «умных домов», здравоохранения и систем безопасности в автомобилях растёт спрос на бесконтактный физиологический мониторинг . Традиционные контактные датчики, такие как электроды ЭКГ, нагрудные ремни или фотоплетизмографы (ФПГ), обеспечивают точные измерения, но могут вызывать дискомфорт при длительном использовании и ограничивать их применение в спальнях, больницах и общественных местах.
Радар миллиметрового диапазона (мм-волн) предлагает инновационное решение. Передавая электромагнитные волны в диапазоне 60–77 ГГц, радар миллиметрового диапазона может обнаруживать едва заметные движения грудной клетки, вызванные дыханием и сердцебиением, обеспечивая бесконтактный круглосуточный мониторинг с сохранением конфиденциальности . В отличие от камер, радар не делает идентифицируемых изображений, защищая конфиденциальность пользователя. В отличие от контактных датчиков, радар не требует использования носимых устройств, обеспечивая более естественный пользовательский опыт.
Однако в реальных условиях на показания одного радара могут влиять поза, ориентация тела или наличие препятствий. Суми и Сакамото (2025) предложили подход, основанный на слиянии данных нескольких радаров в сочетании с многомерной вариационной модовой декомпозицией (MVMD) , что значительно повышает точность и стабильность бесконтактного мониторинга дыхания, предлагая надежное решение для практического применения.
Слияние данных нескольких радаров: принципы и преимущества
Один радар фиксирует смещение грудной клетки только с одной точки обзора. Когда испытуемый отворачивается или меняет позу, амплитуда сигнала может уменьшаться, а уровень шума увеличиваться, искажая форму дыхательной волны.
Для решения этой проблемы исследовательская группа использовала три радара миллиметрового диапазона , одновременно регистрируя сигналы смещения грудной клетки под разными углами. Сигналы обрабатывались с помощью ММД , что обеспечивало эффективное слияние информации и подавление шума.
Принцип MVMD
MVMD — это многомерное расширение вариационной модовой декомпозиции, которое обрабатывает несколько связанных каналов сигнала, сохраняя при этом согласованность фаз. Его преимущества включают:
Совместное разложение : общие закономерности дыхания по всем каналам эффективно извлекаются.
Подавление шума : шум окружающей среды и артефакты движения удаляются, что улучшает качество сигнала.
Слияние режимов : метод главных компонентов (PCA) объединяет режимы для создания стабильных форм волн дыхания.
Рабочий процесс:
Каждый радар получает сигналы смещения грудной клетки xi(t)x_i(t) .
MVMD разлагает сигналы на внутренние модовые функции (IMF).
Фазовая синхронизация применяется ко всем модам.
PCA объединяет выровненные режимы для получения стабильного и надежного сигнала дыхания.
Объединяя несколько радиолокационных перспектив, система эффективно смягчает эффекты положения и ориентации.
Экспериментальный дизайн и результаты
Экспериментальная установка
Система прошла валидацию в контролируемых лабораторных условиях:
Конфигурация радара : три FMCW-радара с частотой 60 ГГц, расположенные на расстоянии 120° вокруг объекта.
Испытуемые : Шесть здоровых взрослых, обследованных в трех ориентациях (спереди, сбоку, сзади).
Расстояния измерения : 1,5 м и 3,0 м.
Многопользовательский сценарий : 10 человек контролируются одновременно для оценки разделения сигналов.
Контрольные интервалы дыхания измерялись с помощью контактных датчиков.
Результаты
Система мультирадар + МВМД продемонстрировала высокие результаты в однообъектных испытаниях:
| Метрическая | Одиночный радар | Мультирадар + МВМД | Улучшение |
|---|---|---|---|
| Среднеквадратическая ошибка интервала дыхания | – | ↓ 35,5% | ✔ |
| Частота дыхания MAE | – | ↓ 30,8% | ✔ |
| Точность дыхания | – | ↑ 9,4 процентных пункта | ✔ |
В многопользовательских сценариях производительность оставалась стабильной:
Среднеквадратическая погрешность интервала дыхания улучшилась на 23,5%
Частота дыхания (MAE) улучшилась на 22,3%
Точность увеличилась на 6,2 процентных пункта
Эти результаты показывают, что слияние данных нескольких радаров с MVMD позволяет надежно извлекать информацию о дыхании в разных позах и в присутствии нескольких человек, значительно повышая надежность и достоверность.
Основные преимущества радара миллиметрового диапазона
1. Бесконтактно и удобно
Не требуется прямого контакта с кожей, что обеспечивает естественный и комфортный опыт использования в домашних условиях и в медицинских учреждениях.
2. Сохранение конфиденциальности
Радар фиксирует только данные о движении, а не идентифицируемые изображения, обеспечивая конфиденциальность в спальнях, больницах и общественных местах.
3. Проникает в одежду и постельное белье.
Миллиметровые волны способны проникать через тонкую одежду и одеяла, обеспечивая надежный сбор данных в повседневных условиях.
4. Высокое разрешение и мониторинг в реальном времени
Радар миллиметрового диапазона обеспечивает сигналы смещения с высоким разрешением, что позволяет непрерывно отслеживать дыхание для анализа сна, контроля состояния здоровья и обнаружения аномалий.
5. Возможность применения в различных сценариях
Подходит для умных домов, здравоохранения, мониторинга в транспортных средствах и взаимодействия человека с машиной. Объединение данных нескольких радаров обеспечивает стабильный мониторинг в сложных условиях.
6. Надежность за счет объединения данных нескольких радаров
Объединение сигналов с разных углов с помощью MVMD обеспечивает надежную выдачу сигнала дыхания, даже если субъект меняет позу или отворачивается от радара.
Ценность применения Linpowave
Радарные модули Linpowave с частотой 60 ГГц (например, R60A , R60ABD1 ) поддерживают синхронизацию нескольких устройств и согласованную по фазе обработку, что идеально подходит для приложений слияния сигналов нескольких радаров MVMD.
Типичные области применения включают в себя:
Умные дома : мониторинг сна и управление здоровьем.
Здравоохранение и уход за пожилыми людьми : бесконтактный мониторинг дыхания у пациентов и пожилых людей.
Мониторинг состояния транспортного средства : определение статуса водителя и пассажира для повышения безопасности.
Взаимодействие человека и машины : интеллектуальные роботы, определяющие состояние пользователя и обеспечивающие адаптивные реакции.
Дополнительная информация:
FAQ (часто задаваемые вопросы)
В1: Может ли радар миллиметрового диапазона определять частоту сердечных сокращений?
A1: Сигналы дыхания имеют большую амплитуду, а сигналы сердечного ритма — более тонкие. Благодаря слиянию данных нескольких радаров и высокому разрешению выборки будущие реализации могут обеспечить мониторинг сердечного ритма.
В2: Сложна ли настройка нескольких радаров?
A2: Три радара, расположенные с шагом 120°, могут охватывать основные позиции. Модули Linpowave поддерживают синхронизацию нескольких устройств, упрощая настройку и обработку данных.
В3: Могут ли одежда или одеяла влиять на сигналы радаров?
A3: Миллиметровые волны могут проникать через тонкую одежду и одеяла. Очень толстые одеяла могут немного ослаблять сигналы, но их влияние на мониторинг дыхания минимально.
В4: Можно ли одновременно следить за несколькими людьми?
A4: Да, эксперименты показывают, что слияние данных нескольких радаров позволяет различать сигналы дыхания от нескольких человек, что подходит для использования в домах, палатах или учреждениях общественного здравоохранения.
В5: Безопасен ли радиолокационный мониторинг?
A5: Мощность миллиметровых волн на частоте 60 ГГц ниже, чем у мобильных телефонов или Wi-Fi, классифицируется как неионизирующее излучение, безопасное для длительного использования.
В6: Является ли развертывание дорогостоящим?
A6: Благодаря снижению стоимости модулей многорадарные системы становятся экономически эффективными и гибкими, подходящими для коммерческого и домашнего применения.
Заключение и перспективы
Объединение данных нескольких радаров с MVMD обеспечивает высокоточное, стабильное и удобное решение для бесконтактного физиологического мониторинга.
Благодаря интеграции многоперспективного сбора данных и интеллектуальной обработки сигналов система адаптируется к различным позам, многопользовательским сценариям и повседневным условиям, обеспечивая непрерывный, свободный от помех и сохраняющий конфиденциальность мониторинг дыхания.
По мере дальнейшего развития технологии радаров миллиметрового диапазона этот подход будет играть все более значимую роль в умных домах, здравоохранении и мониторинге транспортных средств, обеспечивая более интеллектуальное, спокойное и ориентированное на человека зондирование окружающей среды .