雷达式生命探测系统

雷达式生命探测系统

一、选题依据

1、发展现状和趋势

“生命探测技术”是用来探测人类生命体并确定其状态的技术，在应急救援、军事和反恐等领域有着广泛的应用前景。目前国际上“生命探测技术”按探测原理主要分为：音频探测、视频探测和雷达式探测等。与基于红外、光学及超声的探测技术相比，雷达式生命探测技术具有非接触、穿透力强、能精确定位的特点，成为目前最具潜力的生命探测技术。

信息和网络技术的应用是应急救援预案设置工作的一项重要内容，而建立一个快速高效的应急移动通信系统，则是保证突发事件应急指挥和处理所必须的硬件。汶川大地震发生后，在地震重灾区北川，一台在废墟、瓦砾中搜寻生命的仪器，以它有效的战绩，引起了救援队伍的关注，它就是我国自主研制的搜救利器——“生命探测雷达”。“生命探测雷达”是基于雷达技术、生物医学工程技术研制的高科技应急救援装备，可通过探测呼吸、心跳等生命体征，快速搜寻被埋于倒塌建筑物、废墟等复杂环境中的幸存者。“生命探测雷达”在汶川地震搜寻中主要发挥了以下两个重要作用：

（1）在进入灾害现场的初期，首先利用该雷达可探测生命体的大概位置和距离这一功能，对有呼救能力的受困者进行位置确定，为营救人员提供指导信息，争取救援时间和降低救援危险；

（2）在救援中后期，对无呼救能力的被掩埋者进行搜寻。搜寻探测方式主要有两种：一是根据存活者提供的压埋信息，对废墟进行有针对性的探测搜寻，以确定被压埋者是否存活及大致位置。二是对无任何线索的废墟进行拉网式搜寻探测，确定大片废墟中是否还有存活者。在受灾严重的北川县城，雷达搜救小组在60 多个小时的黄金救援搜寻过程中，大约探测搜寻了25 处大型倒塌的建筑废墟，在50 多个点、区内发现生命信息。搜救小组将探测结果及时反馈给营救人员，为及时营救生命提供了重要的指导信息，使后续的救援人员成功地营救了20 位幸存者。

雷达式生命探测技术是近年来迅速发展起来的一项前沿技术，英国《新科学家》杂志近期将该技术评价为未来30 年内最酷的10 项发明之一。非接触生命探测雷达是伴随着雷达技术、生物医学工程技术、微电子技术、计算机技术等的发展，以及军事、医学等领域的需要而产生的，是指借助于外来能量(探测媒介)，不接触生命体，可在一定距离范围内、隔一定介质(如衣服、纱布、砖墙、废墟等)、在对人体无约束的情况下，探测生命信号，这是一种新型的探测技术。该探测技术克服了激光、红外生命探测技术受温度影响严重、遇物体阻挡失效的问题，也克服了超声探测空间传播衰减大、受环境杂物反射干扰、水、冰、泥土阻挡失效的问题。采用该探测技术探测生命信息，不仅弥补了接触式探测技术的局限性 (需要电极、传感器接触生命体)；而且还弥补采用激光、红外、声波等探测生命信息的局限性 (穿透力弱) , 因此近年来备受国内外学者的关注。目前国外该技术的研究主要集中在美国、日本、德国、希腊等国家。我国也不甘落后，从1998 年起，第四军医大学生物医学工程系王健琪教授带领的研究小组，在我国率先对这一课题开展系统研究。经过长达十年的不懈努力，研制出具有自主知

识产权和国际先进水平的“生命探测雷达”。打破了我国“生命探测”装备长期依赖进口，完全受制于人的局面。

2、存在的问题和难点

由于雷达式生命探测仪采用单天线连续波收发体制，因此较厚建筑物对发射信号的强直接反射（直接反射信号又被称为强杂波信号）会造成接收机的饱和，使生命探测仪的接收机无法正常工作。在非接触雷达式生命探测仪中，对强杂波信号的处理非常重要，而对强杂波信号处理的好坏，则直接影响生命探测仪的探测灵敏度。

3、参考文献

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二、研究方案

1、雷达探测法工作原理

雷达发射机产生足够的电磁能量,经过收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射出去。电磁波遇到波束内的目标后,将沿着各个方向产生反射,其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向,被雷达天线获取。天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机,形成雷达的回波信号。由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减,雷达回波信号非常微弱,几乎被噪声所淹没。接收机放大微弱的回波信号,经过信号处理机处理,提取出包含在回波中的信息,计算出目标的

距离、方向、速度并进行显示。美国超视安全系统公司的LifeLocator 生命侦测仪就是一种基于超宽带雷达技术的先进生命侦测设备。雷达信号发送器连续发射电磁信号,对一定空间进行扫描,接收器不断接收反射信号并对返回信号进行算法处理。通过对不同时间段内所接受到的信号进行比较等算法处理,就可以判断目标是否在动。由于呼吸的频率较低,一般每秒1到2次,就可以把呼吸运动和其他较高频率的运动区分开来。

雷达探测系统穿透力较强、定位精确、携带、操作及维护方便、费用较低、抗干扰能力强,而且克服了其他系统不能辨别被困者生死的缺点,在时间资源有限的情况下为优先营救生还者赢得了宝贵的时间。系统原理如图1所示。

(1)基本原理

本系统主要针对,测量目标的距离及方位。

1)目标距离的测量

()/2R v t t =-?

式中: t —询问与回答脉冲之间的时间间隔; t ?—系统延迟; v —电磁波在均匀介质中的传播速度。通过以上公式可求出被困人员到雷达天线的大致距离R 。

2) 目标方位的测量

主要采取类似全球卫星定位系统( GPS)的方式,它是基于测量学中的空间后方交会原理:雷达接收机分别在三个位置利用测距原理测出被困人员到雷达接收机的大致距离123,,R R R 并分别记录三个位置的坐标,,i i i x y z ,这样可以

得到三个空间球(联立方程组) , 三个空间球的交点就是被困人员的位置坐标。其定位原理如图2所示。

三点定位计算公式如下:

在理想情况下方程组得解是确定的, 即三个球面交于目标点,但由于误差的存在,三个球面往往并不严格交于目标点, 而是围绕在目标点周围形成一个由四个球面围成的曲面,可近似看作四面体,选取四面体内哪一个点来代表目标点是精确定位的首要问题,本文选取球面四面体内切球的球心代表目标点,设球面四面体内切球半径为ε,以ε修正三个距离123,,R R R 为1R ε-、2R ε-、

3R ε-,改写三点定位方程组如下:

根据修改后的方程组即可求得目标点坐标。

(2) 硬件组成

基于DSP 系统硬件配置如图3 所示。DSP(Digital Signal Processor)即数字信号处理器,是一种特别适用于进行数字信号处理的微处理器,它采用改进型哈佛总线,具备硬件乘法器,工作电压只有1.6V,不但在信号处理速度和小型化方面有技术优势,而且符合电气安全标准。基于DSP 的预处理器、信号处理器与雷达天线是整合在雷达机箱里,信号处理器完成数据处理后,通过802. 11无线通信协议与掌上电脑PDA 进行通信将计算结果显示并予保存。

基于低频二次雷达技术的改进型生命探测系统能成功地解决多项困扰传统安全救生系统在煤矿救援中所遇到的问题,在分秒必争的营救工作中,可以帮助搜救人员迅速准确安全地发现仍然存活的被困矿工,从而为营救工作争取到宝贵的时间,有着较高的实用和推广价值。

2、雷达式生命探测研究内容

雷达式生命探测研究的主要内容如何确定测量目标的距离及方位。因此与以下几种关系比较密切：

（1）可测距：采用P秒级脉冲雷达技术，方便的对目标进行距离定位；

（2）穿透能力：采用超宽谱雷达技术；

（3）抗干扰能力：双通道相关检波技术使复杂现场的各类干扰无法进入；

（4）探测灵敏度：采用新颖的生物医学信号处理技术；

（5）操作安全性：探测器与显示控制器分离设计，减小操作危险。

3、雷达式生命探测技术路线

由于雷达式生命探测仪采用单天线连续波收发体制，因此较厚建筑物对发射信号的强直接反射（直接反射信号又被称为强杂波信号）会造成接收机的饱和，使生命探测仪的接收机无法正常工作。在非接触雷达式生命探测仪中，对强杂波信号的处理非常重要，而对强杂波信号处理的好坏，则直接影响生命探测仪的探测灵敏度。“自动对消信号合成”电路是生命探测仪的关键部件之一，其目的就是为了解决强杂波信号的对消问题。

（1）自动对消信号合成原理

“自动对消信号合成”的原理框图如图所示。“自动对消信号合成”电路由振荡信号功率调节电路、可变延迟器、振荡信号衰减器、回波信号检测电路以及运算控制电路等组成。

自动对消算法及流程如图所示。运算电路将回波信号()r S t 与经过可变延迟

器、衰减器的振荡信号()S t 的相位和幅度进行比较运算，得出运算结果0()S t ；将0()S t 与算法内事先确定好的标准值'0()S t 进行比较：如果'00()()S t S t <，则算

法控制可变衰减器和可变延迟器已改变()S t ，使()S t 朝利于0()S t 上升的方向变

化；如果'00()()S t S t >，则算法控制改变()S t ，使()S t 朝利于0()S t 下降的方向

变化。变化后的()S t 再次进入循环与()r S t 进行比较，计算出新的0()S t 。()S t 的

变化遵循先粗调后细调的方式，调节幅度由大到小，最终使得'00()()S t S t =，

衰减器输出信号和回波信号的相位和幅度差值进入阈值允许范围之内，自动对消完成。

（2） 对消信号合成实际运算过程

可变衰减器控制振荡信号()

S t的幅度，可变延迟器控制振荡信号()

S t的相位。因为电路电源为+5 V 供电，同时限于电路的实际情况，()

S t的幅度可变范围为0～5 V；相位可变范围为0°～200°。对消信号合成实际运算过程大概如下：先固定幅度，将相位在0°～200°范围内以一定的步进（粗调）变化，记录每

次变化后的

0()

S t值，循环一次后，将相位固定在0()

S t取得最小值时所对应的相

位上；再使幅度在0～5 V 范围内以一定的步进（粗调）变化，记录

0()

S t值，比

较各个

0()

S t值，记录0()

S t取得最小值时所对应的幅度值；再以较小的步进重复

以上步骤（细调）一次，取得

0()

S t最小值。如果0()

S t不等于标准值'0()

S t，则继

续以上循环；如果

0()

S t等于标准值'0()

S t，则将此最小值对应的相位和幅值分别通过可变延迟器和可变衰减器调出，并灌入运算控制电路，完成对消。

4、雷达式生命探测预期成果

雷达生命探测器会向外连续发送电磁波，对一定空间进行连续扫描，像我们所知的飞机雷达一样。如果被探测物绝对静止，返回的电磁信号就会是相同的。如果目标在动，信号就会有差异。这种生命探测仪主要通过测试被探测者的生命运动，例如心跳、呼吸以及肠蠕动等运动来工作的，可以捕捉到相当微弱的信号，并且可以穿透除了金属墙之外的大部分障碍进行搜索，搜索范围可以达到数十

米。它不像光学生命探测器那样受现场光照环境的限制，也不像声波/振动探测器那样要求保持工作现场安静，也不像红外线生命探测器那样容易受环境温度和热物体干扰，应用前景比较看好。现在雷达生命探测器中往往内置了数千种人类呼吸、心跳模式，搜索速度也比其它生命探测器高一些。使该雷达具备以下功能：（1）不需要任何接触人体的电极、传感器或辅助装置，实现了非接触生命探测；（2）可穿透非金属介质(如土壤、砖墙废墟，包括穿透多层钢筋混凝土预制板废墟等)进行生命探测；

（3）可智能判断有无生命体存在，并自动给出探测结果；

（4）能探测存活人员的距离信息，进行目标定位，有利于挖掘救援；

（5）对探测到的生命体目标，以人眼仿生的观察效果方式显示在屏幕上；（6）具有一定的区分人与动物的能力；

（7）显示控制器与雷达探测器采用无线通讯的遥控方式，使得探测更加灵活安全；

（8）体积小、重量轻，结构简单，便于携行。

5、雷达式生命探测可行性分析

雷达生命探测仪它的穿透能力强，能探测到被埋生命体的呼吸、体动等生命特征，并能精确测量被埋生命体的距离深度，具有强的抗干扰能力，不受环境温度、热物体和声音干扰的影响，具有广泛的应用前景。超宽谱雷达生命探测仪具有很大的相对带宽（信号的带宽与中心频率之比），一般大于25%，检验人体生命参数是以脉冲形式的微波束照射人体，由于人体生命活动（呼吸、心跳、肠蠕动等）的存在，使得被人体反射后的回波脉冲序列的重复周期发生变化。如果对经人体反射后的回波脉冲序列进行解调、积分、放大、滤波等处理并输入计算机进行数据处理和分析，就可以得到与被测人体生命特征相关的参数。

雷达生命探测仪用于震区生命探测具有穿透力强、作用距离精确、抗干扰能力强、多目标探测能力强、探测灵敏度高等优点，探测距离可达30～50m，穿透实体砖墙厚度可达2m以上，可隔着几间房探测到人，并具有人体自动识别功能，在生命探测领域拥有广泛的应用前景。与红外生命探测仪、音频生命探测仪相比更实用，因此成为研究的热点。生命探测技术的发展，必将使其应用范围不断扩大，如用于医学上的非接触式生命监护等，将通过更多的途径挽救生命，造福人类。

我国属于地震、塌方、雪崩等灾难多发区，灾害现场存活者的快速搜寻，是救援的首要任务。“生命探测雷达”可解决灾害现场存活者的搜寻问题，对提高我国应急救援能力，维护国家稳定，确保人民生命安全等都具有重要意义。

三、雷达式生命探测系统的创新之处

雷达生命探测仪是融合雷达技术、生物医学工程技术于一体的生命探测设备。它主要利用电磁波的反射原理制成，通过检测人体生命活动所引起的各种微动，从这些微动中得到呼吸、心跳的有关信息，从而辨识有无生命。雷达生命探测仪是目前世界上最先进的生命探测仪，它主动探测的方式使其不易受到温度、湿度、噪音、现场地形等因素的影响，电磁信号连续发射机制更增加了其区域性侦测的功能。系统具有如下的创新之处：

1、用()/2

=-?进行目标距离的测量和用三点定位进行目标方位的测R v t t

量，可以更好的帮助搜救人员快速找到生命体的位置进行搜救，为生命营救赢得了宝贵的时间。

2、采用超低频电磁波作为信号源，它具有强穿透性、低衰减率的特点，具有良好的透视性能，可以广泛应用于矿山、地震等救援现场。

3、“自动对消信号合成”电路是生命探测仪的关键部件之一，其目的就是为了解决强杂波信号的对消问题。

4、采用电磁波探测的方法，实现了非接触探测的功能，同时克服了传统的人工或搜救犬效率低的缺点。