本文档于2021年2月15日发表在期刊 IEEE Sensors Journal (第21卷，第4期)上。文章标题为《Multi-resident Non-contact Vital Sign Monitoring Using Radar: A Review》，作者包括 Anuradha Singh、Saeed ur Rehman、Sira Yongchareon 和 Peter Han Joo Chong，他们分别来自新西兰奥克兰理工大学电子与电气工程系、信息技术与软件工程系，以及澳大利亚弗林德斯大学科学与工程学院。
本文是一篇综述性论文，旨在对利用雷达技术进行非接触式生命体征监测的当前研究现状进行全面评述，特别是聚焦于多居民室内环境这一新兴且具有挑战性的应用场景。
论文主要观点与评述
1. 从接触式到非接触式生命体征监测的必要性与技术演进 论文开篇强调了心率与呼吸率等生命体征持续监测对于健康管理的至关重要性。传统的“金标准”心电图等接触式方法存在诸多局限，如需要导电凝胶、易致敏、需要专业人员操作，且不适用于婴儿、烧伤或皮肤过敏患者进行长期连续监测。因此，非接触式生命体征监测应运而生，其应用场景广泛，包括婴儿监护（特别是针对婴儿猝死综合征）、老年人家庭健康护理、睡眠监测等。文章回顾了光学、声学、热成像、RGB摄像头、超声波等多种非接触式监测技术，并指出了它们各自的局限性，例如对光照条件敏感、需要标记物、易受运动伪影影响等。相比之下，微波雷达技术因其能穿透衣物和材料、受环境光照和温湿度影响较小，并得益于超大规模集成电路技术的进步使得硬件小型化成为可能，从而成为非接触连续监测领域极具潜力的研究方向。
2. 雷达技术基础：拓扑结构、架构与工作原理 文章系统梳理了用于非接触式生命体征监测的雷达系统核心技术原理。首先，介绍了两种主要雷达拓扑：连续波雷达和超宽带雷达。CW雷达结构简单，但无法测距且易受直流偏移影响；其扩展形式FMCW雷达通过频率调制克服了测距难题；UWB雷达则利用短脉冲实现高分辨率测距，但系统复杂度较高。作者通过表格对比了三者的特性，指出在单目标场景下，CW雷达因结构简单且能精确测量胸壁位移而被广泛采用，而FMCW和UWB雷达提供的距离信息在多目标场景中则变得至关重要。其次，阐述了射频前端接收机架构，主要包括外差式和零中频式，并分析了各自的优缺点，如外差式对直流偏移更鲁棒但电路复杂，零中频式结构简单但存在直流偏移导致饱和的问题。第三，介绍了单通道与正交通道架构，重点说明了“零点”问题及其解决方案——正交接收机通过I/Q两路输出确保至少一路信号不处于检测零点。最后，从数学角度推导了多普勒雷达监测生命体征的基本操作原理：雷达发射连续波信号，经目标（人体）反射后被接收，胸壁由呼吸和心跳引起的周期性微小位移会对反射信号的相位进行调制，通过对接收信号解调、滤波并分析其相位变化，即可提取出呼吸率和心率信息。
3. 发射功率、工作频率对系统设计与人体健康的影响 这部分深入探讨了雷达系统设计中的关键权衡因素。提高发射功率可以增强接收信号强度，但受到国际非电离辐射防护委员会等机构制定的电磁暴露安全指南的严格限制，以防止对人体组织产生热效应等生物影响。因此，无法通过无限增加功率来提升性能。另一个关键因素是工作频率。文章通过图表和数据指出，大多数现有研究集中于24 GHz以下的频段。然而，随着对更高精度和分辨率的需求，以及全球监管机构逐步淘汰24 GHz超宽带频段的趋势，研究焦点正在向毫米波频段转移。毫米波（如77 GHz）具有诸多优势：更宽的带宽带来极高的距离分辨率，有利于多目标分离和环境建模；更高的频率使得天线尺寸大幅缩小，便于集成；更窄的波束宽度提高了方向性和探测距离。文章同时分析了毫米波在大气中的衰减特性，指出在70-100 GHz频段内衰减在可接受范围内。关于毫米波暴露对人体健康的影响，论文援引研究指出，毫米波光子能量属于非电离辐射，不会破坏分子键。其生物效应主要是表皮加热，而遵循安全标准的低功率长时间暴露不会导致显著的温升，对眼睛等敏感部位也有相应的安全距离要求。综述认为，在安全限值内，毫米波用于生命体征监测是安全的，甚至可能有某些尚未完全证实的生物益处。
4. 实际应用中的硬件与信号处理挑战 本部分详细列举并分析了阻碍雷达非接触式生命体征监测系统走向实用的核心挑战。 硬件非理想性方面包括：硬件不准确性与射频非线性，如压控振荡器的频率/相位漂移和相位噪声、放大器非线性、混频器引入的失真等，文中提到了采用共享VCO的“距离相关”技术、六端口干涉仪、数字重采样等技术来缓解这些问题。“零点”问题，即目标处于特定距离时解调灵敏度为零，文章综述了双边带传输、复信号解调、频率/相位分集、使用可调移相器等解决方案。幅相误差，主要存在于正交接收机中，I/Q两路的不平衡会导致信号失真，影响位移估计精度，文中介绍了椭圆拟合算法和机器学习方法进行不平衡校正。天线特性，天线的增益、方向性、波束宽度直接影响系统性能。高指向性天线能提高信噪比但可能增加功耗，文章比较了螺旋天线、微带贴片天线、维瓦尔第天线等在不同场景下的优劣，并提到了自适应波束成形天线作为解决方案。 信号处理与检测算法方面面临的挑战更为复杂：随机体动伪影，其信号强度远大于生命体征信号，是主要噪声源。综述介绍了使用双雷达系统通过复信号解调或反正切解调来对消体动、利用FMCW雷达的距离选通特性滤波、以及基于稀疏频谱重建的自适应滤波等方法。环境杂波，来自墙壁、家具等的反射会严重降低信噪比。文中提到了从头部测量、利用超宽带MIMO雷达的时域选通、背景减除技术等来抑制杂波。强呼吸谐波与互调产物的干扰，呼吸信号的二次、三次谐波幅度可能与心率基频相当，且互调产物会落入心率频带，使得微弱的心跳信号提取极为困难。文章综述了谐波消除器、使用可穿戴标签产生非线性散射、双导数法、峰值检测算法、谐波路径算法以及经验模态分解等多种算法来应对此挑战。直流偏移与噪声效应，由收发泄漏、电路不匹配等引起，可导致放大器饱和。解决方案包括交流耦合、直流耦合自适应调谐架构、梯度下降算法进行动态直流偏移跟踪与校正等。数字滤波与采样率的影响，不恰当的滤波会引入相位失真，影响时序信息；高采样率产生海量数据，增加实时处理负担。文章讨论了滤波器类型选择、数字下变频技术、压缩感知处理以及高效的解调算法（如改进的DFT算法）来平衡性能与复杂度。
5. 多居民生命体征检测的特殊挑战与未来方向 这是本文的核心贡献与聚焦点。文章指出，现有研究大多在实验室单目标、静态环境下进行，而现实场景中常存在多人共处一室的情况，这带来了全新的挑战。主要问题包括：目标定位与分离：需要将多个目标在距离-角度平面上分离开。这要求雷达系统具备高角度分辨率，通常需要通过多天线阵列和复杂的数字波束成形算法来实现，增加了硬件复杂度和计算成本。当目标距离小于雷达理论分辨率时，其生命体征信号会混叠在同一波束内，发生“相位碰撞”，难以分离。信号源分离与归属：即使成功提取出混合信号中的多个生命体征频率成分，也难以将其准确分配给对应的个体。文章综述了当前应对多目标挑战的主要技术路径：一是硬件方案，如采用多输入多输出雷达配置，通过时分复用发射和多个接收通道，对接收信号进行两次FFT处理（距离FFT和方位FFT），将不同目标映射到不同的距离-方位单元中，再对各单元内的慢时间相位信号进行处理以提取生命体征。二是先进的信号处理算法，如结合FFT与MUSIC算法进行高分辨率谱估计、使用希尔伯特振动分解方法分解信号分量、利用步进频率连续波雷达优化参数以提高距离分辨率等。然而，这些方法仍面临诸多挑战，例如目标必须保持相对静止、随机体动会严重干扰信号、在杂波密集环境中的鲁棒性不足、以及算法计算复杂度高等。因此，论文在结论部分强调，开发适用于多居民室内环境、能够处理目标移动、杂波干扰和信号混叠的鲁棒性硬件架构与高效信号处理算法，是未来研究的关键方向。
论文的意义与价值 本文的学术价值在于，它不仅仅是对雷达非接触式生命体征监测技术的又一次泛泛综述，而是有针对性地聚焦于“多居民环境”这一从实验室走向实际应用必须攻克的瓶颈问题。文章系统性地整合了从基础原理、频率选择、硬件设计到信号处理算法的全链条技术细节，并清晰地指出了每个环节在当前应用于多目标场景时面临的特殊挑战。它为该领域的研究人员提供了一份全面的“技术地图”和“问题清单”，明确了未来研究需要着力突破的方向，例如开发更智能的源分离算法、设计低成本高分辨率的多天线毫米波雷达前端、以及建立包含多目标动态场景的公共数据集用于算法验证。其实用价值在于，推动非接触式健康监测技术真正走向家庭、医院病房、养老院等多人员共存的环境，实现规模化、实用化的健康管理，具有巨大的社会效益和市场潜力。