動畫化雷達模擬輸出的生命體征：基於物理光學(PO)模擬輸出與28.5 GHz信道測量的對比
動畫化雷達模擬輸出的生命體征：基於物理光學(PO)模擬輸出與28.5 GHz信道測量的對比
概論
監測複雜環境中的呼吸、心率等生命體征以及其他肢體動作，是醫療健康到自動駕駛等衆多新興應用的基礎。設計能够遠程監測這些動作的雷達系統，既需要開展實際測量，也需要結合先進的機器學習算法。儘管相關應用前景廣闊，且驗證系統設計需要大量多樣化數據集，但現有文獻中關於多徑環境下人體運動模擬的研究範例仍十分有限。
爲填補這一研究空白，本文提出了一種精確模擬時變人體運動雷達回波的方法。具體而言，我們通過基於物理光學的模擬技術，采用解剖學精確的數學模型實現了呼吸運動動態模擬，幷利用美國國家標準與技術研究院（NIST）在半電波暗室中搭建的28.5 GHz信道探測系統進行單站雷達測量驗證。實驗通過監測2米外受試者呼吸過程中相位與路徑損耗的時變特性，完成了模擬結果的實證檢驗。
基於生命體征傳感器的實測數據作爲基準，我們驗證了動態模擬結果與人體真實呼吸模式及心率的吻合性。實驗表明，模擬數據與十次呼吸周期的實測相位信號高度一致，路徑損耗的均方根誤差（RMSE）僅爲2.1分貝。
圖1. 測量實驗與模擬中人體對象的尺寸及其相對於接收天綫(Rx)的空間位置關係。接收天綫中心距地面高度1.53米，人體胸部與接收天綫水平距離2米，頭頂距地面高度1.82米。
圖5. 模擬相位與實測相位的對比結果
圖6. 模擬功率譜密度與實測功率譜密度對比
圖7. 模擬路徑損耗與實測路徑損耗對比分析
結論
本研究提出了一種基於開源軟件Blender構建高擬真人體模型的方法，幷通過WaveFarer雷達模擬工具實現了呼吸與心跳所致胸腔回波的動態模擬。經與美國國家標準與技術研究院（NIST）提供的28.5 GHz實測數據對比驗證，WaveFarer中的物理光學（PO）算法模擬結果呈現出2.1 dB的均方根誤差（RMSE）。
實驗數據同時顯示接收相位具有極高的匹配度。後續研究將拓展至站立、臥姿等不同人體姿態的散射特性分析，幷引入呼吸頻率、心率及其位移幅度隨時間變化的更真實人體運動模型。我們將通過WaveFarer的參數掃描功能優化模擬與實測的一致性，同時擬在模擬中加入表面粗糙度因子等參數，以研究衣物等附加噪聲源的影響。
S. Mukherjee et al., "Animating Vital Signs in Radar Simulations: Comparing Physical Optics Against 28.5 GHz Channel Measurements," 2024 IEEE Radar Conference (RadarConf24), Denver, CO, USA, 2024, pp. 1-5, doi: 10.1109/RadarConf2458775.2024.10548317.
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