生命探測(cè)儀—研究現(xiàn)狀

1、這次大汶JI地震中數(shù)百萬(wàn)房屋被震塌，十幾萬(wàn)人被壓埋在倒塌的房屋下面，盡快搶救被壓埋的幸存者成為開(kāi)始救災(zāi)的第一位緊急任務(wù)，但是由于房屋倒塌現(xiàn)場(chǎng)的各種復(fù)雜情況，許多被深埋的幸存者無(wú)法主動(dòng)把呼救信息傳遞上來(lái)，在這種地震災(zāi)害中就急需一種被稱(chēng)為生命探測(cè)儀的信息檢測(cè)技術(shù)。生命探測(cè)技術(shù)是近代發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，主要用于廢墟中發(fā)現(xiàn)存活者及尋找清理戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)的傷員。傳統(tǒng)的方法一般應(yīng)用光學(xué)、紅外線、無(wú)線電、衛(wèi)星定位技術(shù)、聲波等技術(shù)進(jìn)行探測(cè)。紅外生命探測(cè)技術(shù)利用了人體的紅外輻射特性，人體的紅外輻射能量較集中的中心波長(zhǎng)為9.4仙m,人體皮膚的紅外輻射范圍為350m,其中814仙m占全部人體輻射能量的46%,這個(gè)波長(zhǎng)是設(shè)計(jì)人

2、體紅外探測(cè)儀的重要的技術(shù)參數(shù)，決定了人體與周?chē)h(huán)境的紅外輻射特性不同與差別，探測(cè)儀可以用成像的方式把要搜索的目標(biāo)與背景分開(kāi)。聲波振動(dòng)生命探測(cè)儀應(yīng)用了聲波及震動(dòng)波的原理，采用聲音/振動(dòng)傳感器，進(jìn)行全方位的振動(dòng)信息收集，可探測(cè)以空氣為載體的各種聲波和以其它媒體為載體的振動(dòng)，并將非目標(biāo)的噪音波和其它背景干擾波過(guò)濾，進(jìn)而確定被困者的位置。但這些技術(shù)都有各自的局限性，無(wú)法有效地探測(cè)到埋藏在廢墟、瓦礫或建筑物下的人員。隨著無(wú)線電技術(shù)的迅猛發(fā)展，根據(jù)HAETC(HughesAdvancedElectro-magneticTechnologyCenter)對(duì)電磁波在多種介質(zhì)中的穿透特性的測(cè)量研究可知：在低頻段

3、，在l10GHz范圍的電磁波在穿過(guò)混凝墻壁時(shí)衰減很小，并且隨著頻率的降低，衰減也在減少，其中在8GHz時(shí)衰減大約為l0dB,在2GHz時(shí)衰減將下降到5dB以下【1】。因此，低于10G的頻率適合對(duì)磚塊和混凝土構(gòu)筑的墻壁進(jìn)行穿透探測(cè)。所以微波多普勒雷達(dá)被用于探測(cè)幾米厚的墻體后探測(cè)數(shù)十米距離幸存者的呼吸、心跳和體動(dòng)等生命體征信息。多普勒探測(cè)雷達(dá)發(fā)射電磁波探測(cè)信號(hào)，遇墻壁、廢墟等穿透性較好，遇生命體后反射并由接收機(jī)接受解調(diào)，得到呼吸、心跳和體動(dòng)等生命體征信息2】。根據(jù)多普勒原理，運(yùn)動(dòng)物體對(duì)反射信號(hào)后，會(huì)對(duì)反射信號(hào)的頻率、相位造成影響，其影響主要決定于物體的運(yùn)動(dòng)速度。將人體的胸腔、心臟看作目標(biāo)物體，則它

4、們的振動(dòng)變化會(huì)對(duì)反射信號(hào)造成有規(guī)律的變化，接收機(jī)解調(diào)反射信號(hào)后就可以得到呼吸、心跳等生命體征信息。目前，微波生命探測(cè)雷達(dá)主要有兩種，連續(xù)波探測(cè)雷達(dá)與脈沖探測(cè)雷達(dá)。連續(xù)波探測(cè)雷達(dá)連續(xù)不斷的發(fā)射與接收某一頻率連續(xù)波，而脈沖探測(cè)雷達(dá)則是發(fā)射與接收脈沖信號(hào)的探測(cè)雷達(dá)。連續(xù)波雷達(dá)的原理較為簡(jiǎn)單，它的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都采用同一信號(hào)源，采用超外差式接收機(jī)或者零拍接收機(jī)【3。它不斷的發(fā)射和接受窄帶信號(hào)連續(xù)波，因此不需要接收和發(fā)射選通，并且由于窄帶信號(hào)的特點(diǎn)，連續(xù)波雷達(dá)對(duì)濾波器的要求不高，其接收機(jī)每一級(jí)的濾波器可以設(shè)計(jì)的較為簡(jiǎn)單。連續(xù)波雷達(dá)最大的有點(diǎn)是，它可測(cè)量的目標(biāo)物體的速度和距離范圍極大，而脈沖和其他調(diào)制雷達(dá)

5、則要受到待測(cè)目標(biāo)物體速度和距離的限制。1970年后，利用連續(xù)波雷達(dá)測(cè)量呼吸和心跳被逐漸提出了。當(dāng)時(shí)，呼吸和心跳是分開(kāi)測(cè)量的。Lin等人使用了X波段的掃描震蕩器，發(fā)射天線采用指向目標(biāo)的號(hào)角天線，測(cè)量了30厘米處未被麻醉的兔子的呼吸，并且利用同樣的系統(tǒng)測(cè)量了麻醉過(guò)的兔子和貓的心跳【4,5,6】。1980年后到1990年間，出現(xiàn)了在系統(tǒng)中同時(shí)處理模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的新系統(tǒng)，可以通過(guò)信號(hào)的處理區(qū)別呼吸信號(hào)和心跳信號(hào)，這樣就可以同時(shí)進(jìn)行呼吸與心跳信號(hào)的測(cè)量了17,8,9,10。1990年，Chuang等人利用一種自動(dòng)消除雜波的電路及其算法，成功測(cè)量了7層磚和10英尺碎石后面的呼吸與心跳信號(hào)【8,9】。他

6、的系統(tǒng)中采用了工作頻率分別為2GHz和10GHz的兩種，其中2GHz可以成功穿透10GHz不能穿透的濕磚墻。近些年來(lái)，Matsui等人利用線性判別分析的方法區(qū)別生命體缺氧和震動(dòng)的狀態(tài)，成功采用頻率1215M、功率70mW的發(fā)射信號(hào)，檢測(cè)了碎石后面的10只兔子的缺氧狀態(tài)和震動(dòng)狀態(tài)，后來(lái)Matsui等人又通過(guò)1215MHz雷達(dá)成功的對(duì)血液Ph值做了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)?！?1】但是連續(xù)波雷達(dá)存在著明顯的不足之處，就是無(wú)法很好的區(qū)分反射信號(hào)。比如，直接從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的泄露、發(fā)射接收電路間的耦合、多徑反射的雜波與噪聲的疊加形成的混頻信號(hào)等等都會(huì)造成發(fā)射信號(hào)區(qū)分的困難?！?】而脈沖雷達(dá)的發(fā)射脈沖重復(fù)周期與片上信號(hào)

7、電路的長(zhǎng)度相比較長(zhǎng)，不容易造成輻射泄露；一些雜波的強(qiáng)反射信號(hào)也容易和長(zhǎng)距離目標(biāo)物體的反射信號(hào)相區(qū)別。這些也是脈沖雷達(dá)最主要的優(yōu)點(diǎn)。其中融合了超寬帶（UWB）技術(shù)的超寬帶脈沖探測(cè)雷達(dá)，以其抗多徑和窄帶干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、穿透能力強(qiáng)、低功耗、系統(tǒng)復(fù)雜度低等一系列優(yōu)點(diǎn)獲得了許多研究。1989年前，超寬帶信號(hào)主要是通過(guò)發(fā)射極短脈沖獲得，這種技術(shù)廣泛用于雷達(dá)領(lǐng)域并使用脈沖無(wú)線電這個(gè)術(shù)語(yǔ)，屬于無(wú)載波技術(shù)。1989年美國(guó)國(guó)防部（DARPA）首次使用超寬帶這個(gè)術(shù)語(yǔ)，并規(guī)定若一個(gè)信號(hào)在20dB處的絕對(duì)帶寬大于1.5GHz或分?jǐn)?shù)帶寬大于25%,則這個(gè)信號(hào)就是超寬帶信號(hào)。直到1993年時(shí)跳多址的脈沖

8、無(wú)線電概念的提出才引發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。2002年FCC頒布了UWB的頻譜規(guī)劃，并規(guī)定只要一個(gè)信號(hào)在10dB處的絕對(duì)帶寬大于0.5GHz或分?jǐn)?shù)帶寬大于20%,則這個(gè)信號(hào)就是超寬帶信號(hào)?！?2】近些年來(lái)，很多超寬帶探測(cè)雷達(dá)已經(jīng)進(jìn)入了適用階段，羅馬TorVergata大學(xué)的一個(gè)研究中展示了一個(gè)精準(zhǔn)的模型，這個(gè)模型考慮了胸腔內(nèi)六層生理組織對(duì)UWB脈沖信號(hào)反應(yīng)的不同阻抗，衰減，厚度，波速特性（見(jiàn)表1.1【13】），從而可以探測(cè)從皮膚到心臟的不同器官。這些數(shù)據(jù)是由可視人體項(xiàng)目（VisibleHumanProject）和Gabriel的組織的非導(dǎo)體特性數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得的，見(jiàn)參考文獻(xiàn)【13】。

9、表1.1胸腔生理組織對(duì)UWB脈沖信號(hào)反應(yīng)的不同阻抗、衰減、厚度、波速特性ImpendenceQAttenuationmSpeedm/sThicknessmAir376.70.002.9981081.0010-2Fat112.68.9678.95810-20.9610Muscle49.9931.673.9781071.3510-2Cartilage58.1631.934.6281071.1610-2Lung52.8629.6274.20610-25.7810Heart49.1738.713.912107-此外俄羅斯的遙感實(shí)驗(yàn)室（RemoteSensingLab已經(jīng)設(shè)計(jì)出名為“Ranscan”的生

10、命信號(hào)探測(cè)儀，它的工作頻率可達(dá)10GHz，波長(zhǎng)3至30cm,可以探測(cè)10cm厚混凝土后的人員，與之類(lèi)似的美國(guó)GTRI利用雷達(dá)生命特征信號(hào)研制的“RadarFightlight,何以遙測(cè)墻壁、房門(mén)和樹(shù)木后人員的心跳和呼吸速率，也可以探測(cè)房間內(nèi)部可以人員的運(yùn)動(dòng)，以及探測(cè)靜止?fàn)顟B(tài)的可疑對(duì)象，但是RadarFightLight也存在很大缺點(diǎn)，就是僅能固定使用，而不能夠在運(yùn)動(dòng)中使用。美國(guó)TDC(TimeDomainCorporation)公司在1999年開(kāi)發(fā)出名為RadarVision1000(RV1000)的超寬帶探測(cè)雷達(dá)，RV1000使用了TDC公司的TM-UWB(Time-ModulatedUWB

11、)專(zhuān)利技術(shù)，使用了一個(gè)單獨(dú)的發(fā)送天線和一個(gè)單獨(dú)的接收天線，在-3DB點(diǎn)擁有90度的可視區(qū)域(FOV),它能夠透過(guò)最為普遍的非金屬墻壁檢測(cè)達(dá)十米范圍的運(yùn)動(dòng)物體。隨后，TDC公司又開(kāi)發(fā)出了RV2000系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠描述出非金屬墻后運(yùn)動(dòng)物體的方向和距離。這種二代產(chǎn)品使用了手持、成圖的技術(shù)，可以在觀測(cè)面板上用液晶來(lái)顯示目標(biāo)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)圖。與RV1000相同，RV2000也采用的是TM-UWB技術(shù)，但是與RV1000不同的是，RV2000采用了分離的發(fā)送和接收天線陣列?！?4】國(guó)內(nèi)對(duì)超寬帶探測(cè)雷達(dá)的研究也有一定的成果，第四軍醫(yī)大學(xué)提出了通過(guò)人體對(duì)所發(fā)脈沖信號(hào)的回波來(lái)檢測(cè)人體的各種生理特性【15】；國(guó)防科

12、技大學(xué)也進(jìn)行了穿透非金屬墻壁后探測(cè)人體的試驗(yàn)【16】。同時(shí)由于超寬帶生命探測(cè)技術(shù)是新興技術(shù)，也必然存在著不足與問(wèn)題，但是因其具有抗多徑和窄帶干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、穿透能力強(qiáng)、低功耗、系統(tǒng)復(fù)雜度低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在救災(zāi)(尤其是地震災(zāi)害)中就蘊(yùn)含了巨大的實(shí)際意義和重大的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):1 David.D.Ferris.Jr,NicholasC.Currie,MicrowaveandMillimeter-WaveSystemsforWallPenetration,PartoftheSPIEConferenceonTargetsandBackgrounds:Characterizati

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