动画化雷达仿真输出的生命体征：基于物理光学仿真输出与28.5 GHz信道测量的对比

动画化雷达仿真输出的生命体征：基于物理光学仿真输出与28.5 GHz信道测量的对比

概论

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监测复杂环境中的呼吸、心率等生命体征以及其他肢体动作，是医疗健康到自动驾驶等众多新兴应用的基础。设计能够远程监测这些动作的雷达系统，既需要开展实际测量，也需要结合先进的机器学习算法。尽管相关应用前景广阔，且验证系统设计需要大量多样化数据集，但现有文献中关于多径环境下人体运动仿真的研究范例仍十分有限。

为填补这一研究空白，本文提出了一种精确模拟时变人体运动雷达回波的方法。具体而言，我们通过基于物理光学的仿真技术，采用解剖学精确的数学模型实现了呼吸运动动态模拟，并利用美国国家标准与技术研究院（NIST）在半电波暗室中搭建的28.5 GHz信道探测系统进行单站雷达测量验证。实验通过监测2米外受试者呼吸过程中相位与路径损耗的时变特性，完成了仿真结果的实证检验。

基于生命体征传感器的实测数据作为基准，我们验证了动态模拟结果与人体真实呼吸模式及心率的吻合性。实验表明，仿真数据与十次呼吸周期的实测相位信号高度一致，路径损耗的均方根误差（RMSE）仅为2.1分贝。

图1. 测量实验与仿真中人体对象的尺寸及其相对于接收天线(Rx)的空间位置关系。接收天线中心距地面高度1.53米，人体胸部与接收天线水平距离2米，头顶距地面高度1.82米。

图5. 仿真相位与实测相位的对比结果

图6. 仿真功率谱密度与实测功率谱密度对比

图7. 仿真路径损耗与实测路径损耗对比分析

结论

本研究提出了一种基于开源软件Blender构建高拟真人体模型的方法，并通过WaveFarer雷达仿真工具实现了呼吸与心跳所致胸腔回波的动态模拟。经与美国国家标准与技术研究院（NIST）提供的28.5 GHz实测数据对比验证，WaveFarer中的物理光学（PO）算法模拟结果呈现出2.1 dB的均方根误差（RMSE）。

实验数据同时显示接收相位具有极高的匹配度。后续研究将拓展至站立、卧姿等不同人体姿态的散射特性分析，并引入呼吸频率、心率及其位移幅度随时间变化的更真实人体运动模型。我们将通过WaveFarer的参数扫描功能优化仿真与实测的一致性，同时拟在仿真中加入表面粗糙度因子等参数，以研究衣物等附加噪声源的影响。

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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