《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Characterization Technique for Effective Radar Cross Section in CW-Doppler Physiological Sensing
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雷达截面（RCS）在生理雷达测量的解释中具有核心作用，但由于人体呼吸的动态性和分布式特性，其表征变得十分复杂。本研究提出了一种新颖的基于逐次测量（per-measurement, PM）校准并结合多段分析的RCS表征技术，以便从时变连续波（CW）多普勒雷达回波
雷达截面（RCS）在生理雷达测量的解释中具有核心作用，但由于人体呼吸的动态性和分布式特性，其表征变得十分复杂。本研究提出了一种新颖的基于逐次测量（per-measurement, PM）校准并结合多段分析的RCS表征技术，以便从时变连续波（CW）多普勒雷达回波中稳健地恢复有效雷达截面（ERCS）。研究人员使用周期性运动的矩形板，在近场与远场区域以及谐振散射区和光学散射区下，对PM校准的ERCS恢复进行了验证。相应的2.4 GHz和24 GHz人体测量在不同频率和实验距离上产生了一致的ERCS值，三名受试者在高信噪比（SNR）测量区域内仅有2%–6%的变化，从而验证了所提技术的准确性。逐周期分析揭示了由人体躯干分布式、非刚性结构引起的显著逐呼吸ERCS变异性。恢复得到的ERCS值落在先前报道的人体RCS范围内，并低于几何光学圆柱体预测值，这与躯干分布式散射的部分相干性一致。这项工作建立了一种可靠的ERCS恢复技术，并首次提供了使用CW多普勒雷达对逐呼吸ERCS变异性开展系统性实验表征的公开成果。
生理雷达感知因能够以非侵入、连续的方式进行监测，正被用于舱内安全、通感一体化与生物识别等应用。此类应用不仅需要存在性检测和心肺频率估计，还需要识别受试者之间以及随时间变化的细微生理差异。为定量解释位移调制的雷达回波，必须了解与人体时变散射相关的雷达截面（RCS）。然而，静态目标的RCS定义明确，人体呼吸却形成动态、分布式的散射几何，使位移和有效反射面均随时间变化；在连续波（CW）多普勒雷达中，只有与呼吸相关的躯干表面位移对回波有贡献，因此需要引入随时间变化的有效雷达截面（ERCS）。已有ERCS测量多局限于单一距离或近场条件，未同时满足远场与光学区条件，且缺乏跨频率、跨距离的系统性表征。为此，研究人员提出一种基于逐次测量（per-measurement, PM）校准并结合多段分析的ERCS表征技术，并在2.4 GHz与24 GHz下开展实验验证。
研究人员使用周期性运动的矩形铝板，在2.4 GHz谐振散射区和24 GHz光学散射区以及近场和远场条件下，验证了PM校准的绝对RCS恢复能力；随后对三名经夏威夷大学机构审查委员会（IRB）批准入组的受试者在0.5–3.5 m距离上采集人体CW多普勒雷达数据。结果表明，多周期段估计的ERCS在高信噪比（SNR）区域一致性良好，三名受试者变化仅2%–6%；逐周期分析则显示出显著的逐呼吸ERCS变异性。恢复的ERCS值处于既往人体RCS测量范围内，且比几何光学（GO）半圆柱模型预测值低约5–10 dB。该工作首次提供了CW多普勒雷达测量中逐呼吸ERCS变异性的系统性实验表征，为动态人体目标的生理雷达感知建立了可靠的ERCS恢复方法。
主要关键技术方法包括：基于CW多普勒雷达I/Q解调与圆弧半径（A
R）提取的RCS反演；逐次测量（PM）校准，使用已知GO RCS的矩形板在相同系统条件下归一化系统相关常数；多段分析技术，采用DC漂移≤20%、峰峰幅度变化≤20%且至少包含3个连续周期的判据识别稳定测量段；在2.4 GHz和24 GHz双频下，使用周期运动铝板在0.3–3.4 m范围进行验证，并对三名受试者在0.5–3.5 m范围进行人体测量，实验覆盖近场与远场、谐振散射与光学散射区。
A. 周期性运动校准目标的PM校准RCS
在2.4 GHz和24 GHz下，对三块不同尺寸的矩形铝板进行0.3–3.4 m距离的CW多普勒测量。尽管2.4 GHz下三块板处于谐振散射区，PM校准恢复的RCS在全程基本不随距离变化，并保持目标间尺寸排序；与GO近似值的偏差Δσ较小。这表明即使校准目标不在光学散射区，周期性运动目标也可通过CW多普勒测量可靠恢复绝对RCS，为后续人体ERCS测量提供了实验基础。
B. 人体ERCS测量结果的解读
研究人员分析代表性人体I/Q与位移数据，发现DC漂移和呼吸深度变化会扭曲圆弧半径估计。当DC漂移超过周期峰峰幅度约20%时，ERCS估计明显偏离；当峰峰幅度变化超过约20%–25%时，ERCS开始发散，超过30%则严重高估。因此，研究人员采用20%阈值和至少三个连续周期作为多周期稳定段的判据，以保证ERCS提取的可靠性。
C. 使用多周期段的人体ERCS随距离变化
三名受试者在2.4 GHz和24 GHz下的多周期ERCS在约2 m以内保持高度一致，独立选择的多周期段给出的ERCS值紧密聚集；在高SNR区域内，ERCS随距离变化仅为2%–6%，验证了ERCS的物理有效性和方法准确性。超过2 m后，SNR下降导致ERCS恢复出现发散或趋于零，最终在3.5 m处完全失去可靠恢复能力。
D. 逐呼吸人体ERCS变异性
对同一受试者65 s数据中的单个呼吸周期分别估计ERCS，发现单周期ERCS比多周期结果离散得多。短距离处变异性主要来自近场圆弧半径调制和小幅度运动扰动；中等距离处变异性有所减小；远距离处SNR恶化导致估计趋于零。24 GHz下所有距离均表现出更大的逐呼吸变异性，且无可观察到的低变异区域。该结果首次系统量化了CW多普勒雷达测量中逐呼吸ERCS的波动范围。
讨论部分将实测ERCS与GO半圆柱模型比较，发现人体ERCS比GO预测低约5–10 dB。这是因为GO模型假设整个照明面相干散射，而ERCS只包含呼吸引起的、空间相位足够一致的位移分量；此外，极化失配、躯干与腹部散射分量之间的相位偏移也会降低ERCS。ERCS在24 GHz高于2.4 GHz，但频率间比例因子在受试者间变化约3至11.5，反映出人体作为分布式非刚性散射体的形态、曲率和组织介电特性影响。与既往研究相比，已有静态或时间平均RCS研究多未同时评估散射区与远场行为，已有Doppler ERCS研究多为比值或单一距离结果，且未量化逐呼吸变异；本工作填补了该空白。
结论：本文实验验证了运动使能的CW多普勒RCS恢复在谐振与光学散射区以及
