1. 多站点SISO雷达系统实现多人呼吸监测的技术解析
在医疗监护和健康监测领域，非接触式呼吸监测技术正变得越来越重要。传统接触式传感器如呼吸带会给使用者带来不适，而摄像头监测又存在隐私问题。毫米波雷达技术因其高精度、隐私保护和全天候工作能力，成为这一领域的研究热点。
我最近参与了一个基于多站点SISO雷达系统的多人呼吸监测项目，该系统采用完全非相干架构，无需任何硬件同步，却能实现20cm间距内0.7bpm的呼吸率估计精度。这个方案特别适合夫妻同床睡眠监测等应用场景，解决了传统MIMO雷达在近距离多人监测时的角度分辨率不足问题。
2. 系统架构与核心挑战
2.1 传统方案的局限性
目前主流的呼吸监测雷达方案主要有两种：
单站点MIMO雷达：通过多天线形成虚拟阵列提升角度分辨率，但受限于设备尺寸，实际角度分辨率有限。当两人间距小于20cm时，系统难以区分。
相干多站点雷达网络：需要精确的硬件同步（有线连接或公共参考时钟），增加了系统复杂度和成本。
2.2 非相干多站点SISO方案优势
我们提出的方案采用两个完全独立的SISO雷达单元，具有以下特点：
- 每个单元仅需单个发射和接收天线
- 无需任何物理连接或时钟同步
- 雷达间距1米（实验配置）
- 工作频率60GHz，带宽1.5GHz
- 脉冲重复间隔0.02ms，每帧1024个脉冲
这种架构大幅降低了硬件复杂度和成本，但带来了新的技术挑战——虚影目标问题。
3. 虚影目标问题与解决方案
3.1 虚影目标形成机制
当两个雷达独立测量两个目标的距离时，会产生测量组合歧义。如图2(a)所示：
- 雷达1测得距离r11和r12
- 雷达2测得距离r21和r22
- 理论上存在四种可能的坐标组合
- 其中两个对应真实目标，两个是虚影
3.2 呼吸特征辅助的虚影抑制技术
我们创新性地利用呼吸信号的独特性来解决这一问题：
呼吸信号提取：
- 对每个距离门内的信号进行相位解调
- 提取呼吸引起的微多普勒特征
- 公式：x(t) ≈ (4πfc/c)Δr(t)
互相关分析：
- 计算雷达1和雷达2各距离门信号的互相关函数
- 公式：Rmk(τ') = ∫x1m(t)x2k(t+τ')dt
- 设置阈值γth=0.3（3σ噪声边界）
真实目标判定：
- 互相关峰值超过阈值且时延合理的组合判为真实目标
- 其余组合判定为虚影并剔除
4. 系统实现细节
4.1 硬件配置
我们选用Texas Instruments AWR6843ISK毫米波雷达传感器，主要参数：
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 中心频率 | 60GHz |
| 带宽 | 1.5GHz |
| 距离分辨率 | 0.1m |
| 最大探测距离 | 5m |
| 数据接口 | LVDS+Ethernet |
每个雷达单元通过DCA1000EVM实时数据采集卡连接主机，实现原始数据流传输。
4.2 信号处理流程
预处理：
- 距离FFT（256点）
- 静态杂波抑制（滑动平均）
- CFAR检测（OS-CFAR）
呼吸信号提取：
- 相位解调（I/Q信号解缠绕）
- 带通滤波（0.1-1Hz）
- 幅度归一化
目标关联：
- 互相关计算（滑动窗口）
- 峰值检测与配对
- 虚影剔除
呼吸率估计：
- 自相关函数计算
- 功率谱密度估计（Welch方法）
- 峰值频率检测
5. 实验验证与性能分析
5.1 实验设置
我们在实验室环境中模拟了四种典型睡眠姿势组合：
- 两人仰卧（Supine-Supine）
- 一人仰卧一人右侧卧（Supine-Right lateral）
- 一人仰卧一人左侧卧（Supine-Left lateral）
- 一人左侧卧一人右侧卧（Left lateral-Right lateral）
每种姿势持续监测30分钟，两人躯干间距保持<20cm。使用呼吸带作为基准测量设备。
5.2 性能指标
系统在以下关键指标上表现优异：
| 指标 | 性能 |
|---|---|
| 呼吸率估计RMSE | 0.7bpm |
| 最小可分辨间距 | 20cm |
| 最大探测距离 | 2m |
| 采样率 | 50Hz |
| 处理延迟 | <0.5s |
5.3 典型问题与解决方案
在实际部署中，我们遇到了几个典型问题：
大肢体运动干扰：
- 现象：翻身等动作导致呼吸信号中断
- 解决：增加运动检测算法，暂停呼吸率估计
多径效应：
- 现象：床体反射导致虚假距离门
- 解决：基于先验知识的距离门筛选
呼吸谐波干扰：
- 现象：深呼吸产生的高次谐波
- 解决：自适应谐波抑制滤波器
6. 应用前景与改进方向
这套系统在以下场景具有应用潜力：
- 家庭睡眠监测（夫妻同床）
- 医院病房多患者监护
- 养老院老人健康监测
- 婴幼儿呼吸异常预警
未来改进方向包括：
- 增加雷达节点数量提升覆盖范围
- 引入深度学习提高信号分离能力
- 开发低功耗嵌入式版本
- 集成心率监测功能
在实际部署中，雷达安装高度建议1-1.5米，倾斜角度15-30度，可获得最佳胸腹部位信噪比。系统对棉被等寝具的穿透能力良好，但金属床架可能引起多径干扰，需适当调整位置。
这套非相干多站点SISO雷达系统以其低成本、易部署和高精度的特点，为非接触式多人呼吸监测提供了一种实用解决方案。通过独特的呼吸特征辅助处理技术，成功突破了传统雷达系统在近距离多人监测中的分辨率限制。
