具有 MVMD 的多雷达融合用于非接触式呼吸监测

简介：毫米波雷达用于非接触式监控的优势

随着智能家居、医疗保健和车载安全应用的快速增长，对非接触式生理监测的需求不断增加。传统的接触式传感器（例如 ECG 电极、胸带或光电体积描记法 (PPG)）可提供准确的测量，但长时间使用时可能会引起不适，并限制在卧室、医院和公共场所的部署。

毫米波 (mmWave) 雷达提供了创新的解决方案。通过在 60–77 GHz 频段传输电磁波，毫米波雷达可以检测由呼吸和心跳引起的细微胸部运动，从而实现非接触式、全天候、保护隐私的监控。与摄像头不同，雷达不会捕获可识别的图像，从而保护用户隐私。与接触式传感器相比，雷达无需穿戴设备，提供更自然的用户体验。

但是，在现实环境中，单个雷达可能会受到身体姿势、方向或障碍物的影响。 Sumi和Sakamoto（2025）提出了结合MVMD（多元变分模式分解）的多雷达融合方法，显着提高了非接触式呼吸监测的准确性和稳定性，为实际部署提供了可靠的解决方案。

多雷达融合：原理和优势

单个雷达仅从单个视点捕获胸部位移。当受试者转身或改变姿势时，信号幅度可能会降低，噪声会增加，从而使呼吸波形失真。

为了解决这个问题，研究团队部署了三个毫米波雷达，从不同角度同时捕捉胸部位移信号。采用MVMD对信号进行处理，实现了有效的信息融合和噪声抑制。

MVMD原理

MVMD 是变分模式分解的多元扩展，可处理多个相关信号通道，同时保持相位一致性。其优点包括：

联合分解：有效提取跨通道的常见呼吸模式。

噪声抑制：消除环境噪声和运动伪影，提高信号质量。

模式融合：主成分分析 (PCA) 集成模式以生成稳定的呼吸波形。

工作流程：

每个雷达获取胸部位移信号 $x_i(t)$ 。

MVMD 将信号分解为本征模函数 (IMF)。

跨模式应用相位对齐。

PCA 融合对齐模式以产生稳定、可靠的呼吸信号。

通过融合多个雷达视角，系统有效减轻姿态和方向影响。

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实验设计和结果

实验设置

系统在受控实验室环境中进行了验证：

雷达配置：三个 60 GHz FMCW 雷达，围绕目标间隔 120°。
受试者：六名健康成年人在三个方向（正面、侧面、背面）进行测试。
测量距离：1.5 m 和 3.0 m。
多人场景：同时监测 10 名受试者以评估信号分离。

参考呼吸间隔是使用接触式传感器测量的。

结果

多雷达+MVMD系统在单被试测试中取得了优异的成绩：

在多人场景下，性能依然强劲：

呼吸间隔 RMSE 改善了 23.5%
呼吸频率 MAE 改善22.3%
准确度提高了 6.2 个百分点

这些结果表明，多雷达与 MVMD 融合可以可靠地提取不同姿势和多人环境中的呼吸信息，显着增强鲁棒性和可靠性。

毫米波雷达的核心优势

1.非接触式舒适

无需直接皮肤接触，为家庭和医疗场景提供自然舒适的用户体验。

2.隐私保护

雷达仅捕获运动数据，而不捕获可识别图像，确保卧室、医院和公共场所的隐私。

3.渗透衣服和床上用品

毫米波可以穿透薄衣服和毯子，确保日常环境中可靠的数据收集。

4.高分辨率和实时监控

毫米波雷达提供高分辨率位移信号，支持连续呼吸跟踪，以进行睡眠分析、健康管理和异常检测。

5.多场景适用

适用于智能家居、医疗保健、车载监控、人机交互。多雷达融合，确保复杂环境下稳定监控。

6.通过多雷达融合实现稳健性

将多个角度的信号与 MVMD 相结合，确保可靠的呼吸波形输出，即使对象改变姿势或背离雷达时也是如此。

Linpowave 应用价值

Linpowave 的 60 GHz 雷达模块（例如 R60A、R60ABD1）支持多设备同步和相位一致处理，非常适合 MVMD多雷达融合应用。

典型应用包括：

智能家居：睡眠监测和健康管理。
医疗保健和老年护理：针对患者和老年人的非接触式呼吸监测。
车内监控：驾驶员和乘客状态检测以增强安全性。
人机交互：智能机器人感知用户状态以提供自适应响应。

更多信息：

雷达 SDK 文档 →
非接触式健康监测案例→

常见问题解答（常见问题）

Q1：毫米波雷达可以检测心率吗？
A1：呼吸信号幅度较大，心率信号较细微。通过多雷达融合和高分辨率采样，未来的实施可以实现心率监测。

Q2：多雷达设置复杂吗？
A2：三个雷达间隔120°可以覆盖主要姿态。 Linpowave模块支持多设备同步，简化设置和数据处理。

Q3：衣服或毯子会影响雷达信号吗？
A3：毫米波可以穿透薄衣服和毯子。很厚的毯子可能会稍微减弱信号，但对呼吸监测的影响很小。

Q4：可以同时监测多人吗？
A4：可以，实验表明多雷达融合可以区分多个人的呼吸信号，适用于家庭、病房或公共护理环境。

Q5：雷达监测安全吗？
A5：60 GHz毫米波功率低于手机或Wi-Fi，属于非电离辐射，长期使用安全。

问题6：部署成本高吗？
答6：随着模块成本的降低，多雷达系统成本效益高且灵活，适合商业和家庭应用。

结论与展望

多雷达与 MVMD 融合为非接触式生理监测提供了高度准确、稳定且用户友好解决方案。

通过集成多视角数据采集和智能信号处理，系统适应各种姿势、多人场景和日常环境，提供连续、无干扰、保护隐私的呼吸监测。

随着毫米波雷达技术的不断进步，这种方法将在智能家居、医疗保健和车载监控中发挥越来越重要的作用，从而实现更智能、更平静、更以人为本的环境传感。

公制	单雷达	多雷达 + MVMD	改进
呼吸间隔 RMSE	–	↓ 35.5%	✔
呼吸速率 MAE	-	↓ 30.8%	✔
呼吸准确度	-	↑ 9.4 个百分点	✔

多雷达融合与 MVMD：实现稳定的非接触式生理监测