Multi-Radar Fusion с MVMD для бесконтактного мониторинга дыхания

Введение: преимущества радара миллиметрового диапазона для бесконтактного мониторинга

В условиях быстрого роста приложений для умных домов, здравоохранения и обеспечения безопасности в транспортных средствах растет 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 использование в спальнях, больницах и общественных местах.

Радар миллиметрового диапазона (мм) 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 фиксирует идентифицируемые изображения, защищая конфиденциальность пользователей. По сравнению с контактными датчиками, радару не требуются носимые устройства, что обеспечивает более естественное взаимодействие с пользователем.

Однако в реальных условиях на работу одного радара могут влиять положение тела, ориентация или препятствия. Суми и Сакамото (2025) предложили подход объединения нескольких радаров в сочетании с MVMD (многомерное вариационное разложение мод), который значительно повышает точность и стабильность бесконтактного мониторинга дыхания и предлагает надежное решение для практического применения.

Слияние нескольких радаров: принципы и преимущества

Один радар фиксирует смещение грудной клетки только с одной точки зрения. Когда субъект отворачивается или меняет позу, амплитуда сигнала может уменьшиться, а шум увеличиться, искажая форму волны дыхания.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа развернула три радара миллиметрового диапазона, одновременно улавливающие сигналы смещения грудной клетки под разными углами. Сигналы обрабатывались с использованием MVMD, что позволило добиться эффективного объединения информации и подавления шума.

Принцип MVMD

MVMD — это многомерное расширение вариационной декомпозиции, которое обрабатывает несколько связанных каналов сигналов, сохраняя при этом согласованность фазы. К его преимуществам относятся:

Совместное разложение: эффективно извлекаются общие закономерности дыхания по каналам.
Шумоподавление: шум окружающей среды и артефакты движения удаляются, что улучшает качество сигнала.
Объединение режимов: анализ главных компонентов (PCA) объединяет режимы для генерации стабильных сигналов дыхания.

Рабочий процесс:

Каждый радар регистрирует сигналы смещения грудной клетки $x_i(t)$ .
MVMD разлагает сигналы на функции внутреннего режима (IMF).
Выравнивание фаз применяется во всех режимах.
PCA объединяет согласованные режимы для получения стабильного и надежного сигнала дыхания.

Объединяя несколько ракурсов радара, система эффективно смягчает эффекты положения и ориентации.

План эксперимента и результаты

Экспериментальная установка

Система прошла проверку в контролируемой лабораторной среде:

Конфигурация радара: три радара FMCW с частотой 60 ГГц, расположенные на расстоянии 120 ° вокруг объекта.
Субъекты: шесть здоровых взрослых, протестированных в трех положениях (спереди, сбоку, сзади).
Расстояния измерения: 1,5 м и 3,0 м.
Сценарий для нескольких человек: одновременное наблюдение за 10 субъектами для оценки разделения сигналов.

Эталонные интервалы дыхания измерялись с помощью контактных датчиков.

Результаты

Система «мультирадар + MVMD» достигла высоких показателей в однообъектных испытаниях:

В сценариях с участием нескольких человек производительность оставалась высокой:

Среднеквадратическое значение интервала дыхания улучшилось на 23,5%
Частота дыхания MAE улучшилась на 22,3 %
Точность повысилась на 6,2 процентных пункта

Эти результаты демонстрируют, что объединение нескольких радаров с MVMD может надежно извлекать информацию о дыхании в разных позах и в условиях присутствия нескольких человек, что значительно повышает надежность и надежность.

Основные преимущества миллиметрового радара

1. Бесконтактно и удобно

Прямой контакт с кожей не требуется, что обеспечивает естественное и комфортное использование 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 могут проникать сквозь тонкую одежду и одеяла, обеспечивая надежный сбор данных в повседневной обстановке.

4. Высокое разрешение и мониторинг в реальном времени

Радар миллиметрового диапазона передает сигналы смещения высокого разрешения, позволяя непрерывно отслеживать дыхание для анализа сна, управления состоянием здоровья и обнаружения аномалий.

5. Многосценарная применимость

Подходит для умных домов, здравоохранения, мониторинга в автомобиле и взаимодействия человека и машины. Объединение нескольких радаров обеспечивает стабильный мониторинг в сложных условиях.

6. Надежность благодаря Multi-Radar Fusion

Объединение сигналов под разными углами с помощью MVMD обеспечивает надежный вывод сигналов дыхания, даже когда субъект меняет позу или смотрит в сторону от радара.

Ценность приложения Linpowave

Радарные модули Linpowave 60 ГГц (например, R60A, R60ABD1) поддерживают синхронизацию нескольких устройств и фазосогласованную обработку, что идеально подходит для приложений мультирадарного синтеза MVMD.

Типичные приложения включают:

Умные дома: мониторинг сна и управление здоровьем.
Здравоохранение и уход за пожилыми людьми: бесконтактный мониторинг дыхания для пациентов и пожилых людей.
Мониторинг в автомобиле: определение статуса водителя и пассажира для повышения безопасности.
Взаимодействие человека и машины: интеллектуальные роботы распознают состояния пользователя и обеспечивают адаптивные ответы.

Дополнительная информация:

Документация Radar SDK →
Кейс для бесконтактного мониторинга здоровья →

Часто задаваемые вопросы (часто задаваемые вопросы)

Вопрос 1: Может ли радар миллиметрового диапазона определять частоту сердечных сокращений?
A1: Сигналы дыхания имеют большую амплитуду, а сигналы сердечного ритма более тонкие. Благодаря объединению нескольких радаров и выборке данных с высоким разрешением будущие реализации могут обеспечить мониторинг сердечного ритма.

Вопрос 2. Сложно ли настроить несколько радаров?
A2. Три радара, расположенные на расстоянии 120 °, могут охватывать основные положения. Модули Linpowave поддерживают синхронизацию нескольких устройств, упрощая настройку и обработку данных.

Вопрос 3: Будет ли одежда или одеяла влиять на сигналы радара?
О3: ммволны могут проникать через тонкую одежду и одеяла. Очень толстые одеяла могут немного ослаблять сигналы, но влияние на мониторинг дыхания минимально.

Вопрос 4: Может ли он контролировать несколько людей одновременно?
О4: Да, эксперименты показывают, что объединение нескольких радаров может различать сигналы дыхания от нескольких людей, что подходит для домов, палат или общественных учреждений.

Вопрос 5. Безопасен ли радиолокационный мониторинг?
A5. Мощность миллиметровых волн на частоте 60 ГГц ниже, чем у мобильных телефонов или Wi-Fi, классифицируется как неионизирующее излучение, безопасно для длительного использования.

Вопрос 6. Дорого ли развертывание?
О6. Благодаря снижению стоимости модулей системы с несколькими радарами становятся экономичными и гибкими, подходящими для коммерческого и домашнего применения.

Выводы и перспективы

Слияние нескольких радаров с MVMD обеспечивает высокоточное, стабильное и удобное решение для бесконтактного физиологического мониторинга.

Благодаря интеграции многоракурсного сбора данных и интеллектуальной обработки сигналов система адаптируется к различным позам, сценариям работы с несколькими людьми и повседневным условиям, обеспечивая непрерывный, бесшумный и сохраняющий конфиденциальность мониторинг дыхания.

Поскольку технология миллиметровых радаров продолжает развиваться, этот подход будет играть все более важную роль в умных домах, здравоохранении и автомобильном мониторинге, позволяя более умное, спокойное и более ориентированное на человека измерение окружающей среды.

Метрика	Единый радар	Мультирадар + MVMD	Улучшение
Среднеквадратичное значение интервала дыхания	–	↓ 35,5%	✔
Частота дыхания MAE	–	↓ 30,8%	✔
Точность дыхания	–	↑ 9,4 процентных пункта	✔

Multi-Radar Fusion с MVMD: обеспечение стабильного бесконтактного физиологического мониторинга