雷達式生命探測系統(tǒng)一、選題依據(jù)1、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢“生命探測技術”是用來探測人類生命體并確定其狀態(tài)的技術，在應急救援、軍事和反恐等領域有著廣泛的應用前景。目前國際上“生命探測技術”按探測原理主要分為：音頻探測、視頻探測和雷達式探測等。與基于紅外、光學及超聲的探測技術相比，雷達式生命探測技術具有非接觸、穿透力強、能精確定位的特點，成為目前最具潛力的生命探測技術。信息和網(wǎng)絡技術的應用是應急救援預案設置工作的一項重要內容，而建立一個快速高效的應急移動通信系統(tǒng)，則是保證突發(fā)事件應急指揮和處理所必須的硬件。汶川大地震發(fā)生后，在地震重災區(qū)北川，一臺在廢墟、瓦礫中搜尋生命的儀器，以它有效的戰(zhàn)績，引起了救援隊伍的關注，它就是我國自主研制的搜救利器一一“生命探測雷達”。“生命探測雷達”是基于雷達技術、生物醫(yī)學工程技術研制的高科技應急救援裝備，可通過探測呼吸、心跳等生命體征，快速搜尋被埋于倒塌建筑物、廢墟等復雜環(huán)境中的幸存者。“生命探測雷達”在汶川地震搜尋中主要發(fā)揮了以下兩個重要作用：（1） 在進入災害現(xiàn)場的初期，首先利用該雷達可探測生命體的大概位置和距離這一功能，對有呼救能力的受困者進行位置確定，為營救人員提供指導信息，爭取救援時間和降低救援危險；（2） 在救援中后期，對無呼救能力的被掩埋者進行搜尋。搜尋探測方式主要有兩種：一是根據(jù)存活者提供的壓埋信息，對廢墟進行有針對性的探測搜尋，以確定被壓埋者是否存活及大致位置。二是對無任何線索的廢墟進行拉網(wǎng)式搜尋探測，確定大片廢墟中是否還有存活者。在受災嚴重的北川縣城，雷達搜救小組在60多個小時的黃金救援搜尋過程中，大約探測搜尋了25處大型倒塌的建筑廢墟，在50多個點、區(qū)內發(fā)現(xiàn)生命信息。搜救小組將探測結果及時反饋給營救人員，為及時營救生命提供了重要的指導信息，使后續(xù)的救援人員成功地營救了20位幸存者。雷達式生命探測技術是近年來迅速發(fā)展起來的一項前沿技術，英國《新科學家》雜志近期將該技術評價為未來30年內最酷的10項發(fā)明之一。非接觸生命探測雷達是伴隨著雷達技術、生物醫(yī)學工程技術、微電子技術、計算機技術等的發(fā)展，以及軍事、醫(yī)學等領域的需要而產生的，是指借助于外來能量（探測媒介），不接觸生命體，可在一定距離范圍內、隔一定介質（如衣服、紗布、磚墻、廢墟等）、在對人體無約束的情況下，探測生命信號，這是一種新型的探測技術。該探測技術克服了激光、紅外生命探測技術受溫度影響嚴重、遇物體阻擋失效的問題，也克服了超聲探測空間傳播衰減大、受環(huán)境雜物反射干擾、水、冰、泥土阻擋失效的問題。采用該探測技術探測生命信息，不僅彌補了接觸式探測技術的局限性（需要電極、傳感器接觸生命體）；而且還彌補采用激光、紅外、聲波等探測生命信息的局限性（穿透力弱），因此近年來備受國內外學者的關注。目前國外該技術的研究主要集中在美國、日本、德國、希臘等國家。我國也不甘落后，從1998年起，第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程系王健琪教授帶領的研究小組，在我國率先對這一課題開展系統(tǒng)研究。經(jīng)過長達十年的不懈努力，研制出具有自主知識產權和國際先進水平的“生命探測雷達”。打破了我國“生命探測”裝備長期依賴進口，完全受制于人的局面。2、 存在的問題和難點由于雷達式生命探測儀采用單天線連續(xù)波收發(fā)體制，因此較厚建筑物對發(fā)射信號的強直接反射(直接反射信號又被稱為強雜波信號)會造成接收機的飽和，使生命探測儀的接收機無法正常工作。在非接觸雷達式生命探測儀中，對強雜波信號的處理非常重要，而對強雜波信號處理的好壞，則直接影響生命探測儀的探測靈敏度。3、 參考文獻王坤，林明星.一種基于人員定位的礦井綜合通信系統(tǒng)[J].計算機應用究，2005(8)葉勇.基于DSP的雷達式非接觸生命探測儀信號處理系統(tǒng)研制⑴].西安:第四軍醫(yī)大學，2005郭山紅,孫錦濤，謝仁宏.穿墻生命探測回波信號分析[J].南京理工大學學報：自然科學版,2008,32(5):5942598.李述為，高梅國,傅雄軍，等.雷達穿墻檢測呼吸和心跳的信號分析[J].儀器儀表學報,2006,27(6):8210.張楊，王健琪，荊西京，焦騰.生命探測雷達中微波自動對消的仿真算法研究[A]第四軍醫(yī)大學都基焱1,趙溫波1,李勝等.生命探測雷達組網(wǎng)定位技術研究[J].現(xiàn)代雷達，2009.9,31(9):23-27.StanleyE.Borek.AnOverviewofThroughtheWallSurveillanceforHomelandSecurity[A].AppliedImageryandPatternRecog2nitionWorkshop,2005.Proceedings.34thBarkerAT，JalinousR，F(xiàn)reestonIL.Non-invasivestimulationofthehumanmotorcortex[J].TheLancet，1985(1)：1106-1107.DaveyK，KalaitzkisKC，EpsteinC.Transcranialmagneticstimulationofthecerebralcortex[C]//IEEEengineeringinmedicine&biologysociety10thannualinternationalconference，Chicago：IEEE，1998：922-923.DaveyK，EpsteinCM.MagneticStimulationCoilandCircuitDesign[J].IEEE，2000，47(11)：1493-1499.二、研究方案1、雷達探測法工作原理雷達發(fā)射機產生足夠的電磁能量，經(jīng)過收發(fā)轉換開關傳送給天線。天線將這些電磁能量輻射出去。電磁波遇到波束內的目標后，將沿著各個方向產生反射，其中的一部分電磁能量反射回雷達的方向，被雷達天線獲取。天線獲取的能量經(jīng)過收發(fā)轉換開關送到接收機,形成雷達的回波信號。由于在傳播過程中電磁波會隨著傳播距離而衰減，雷達回波信號非常微弱，幾乎被噪聲所淹沒。接收機放大微弱的回波信號，經(jīng)過信號處理機處理,提取出包含在回波中的信息，計算出目標的距離、方向、速度并進行顯示。美國超視安全系統(tǒng)公司的LifeLocator生命偵測儀就是一種基于超寬帶雷達技術的先進生命偵測設備。雷達信號發(fā)送器連續(xù)發(fā)射電磁信號，對一定空間進行掃描，接收器不斷接收反射信號并對返回信號進行算法處理。通過對不同時間段內所接受到的信號進行比較等算法處理，就可以判斷目標是否在動。由于呼吸的頻率較低，一般每秒1到2次，就可以把呼吸運動和其他較高頻率的運動區(qū)分開來。雷達探測系統(tǒng)穿透力較強、定位精確、攜帶、操作及維護方便、費用較低、抗干擾能力強，而且克服了其他系統(tǒng)不能辨別被困者生死的缺點，在時間資源有限的情況下為優(yōu)先營救生還者贏得了寶貴的時間。系統(tǒng)原理如圖1所示。基本原理本系統(tǒng)主要針對，測量目標的距離及方位。目標距離的測量R=v(t-At)/2式中：t—詢問與回答脈沖之間的時間間隔；At一系統(tǒng)延遲；v一電磁波在均勻介質中的傳播速度。通過以上公式可求出被困人員到雷達天線的大致距離R。目標方位的測量主要采取類似全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的方式，它是基于測量學中的空間后方交會原理:雷達接收機分別在三個位置利用測距原理測出被困人員到雷達接收機的大致距離R1,R2,R3并分別記錄三個位置的坐標七，y.z,這樣可以得到三個空間球(聯(lián)立方程組)，三個空間球的交點就是被困人員的位置坐標。其定位原理如圖2所示。三點定位計算公式如下：一瓦尸+6-一尸+J-互)“=犬113/+(y- +(z- FJ(&-天尸+(yyi)2-(z-或。=氏3在理想情況下方程組得解是確定的，即三個球面交于目標點,但由于誤差的存在，三個球面往往并不嚴格交于目標點，而是圍繞在目標點周圍形成一個由四個球面圍成的曲面，可近似看作四面體，選取四面體內哪一個點來代表目標點是精確定位的首要問題，本文選取球面四面體內切球的球心代表目標點，設球面四面體內切球半徑為￡，以￡修正三個距離R,R,R為R-￡、R-￡、氣-￡，改寫三點定位方程組如下：(x- ai/ - (y- y\)2 - (z- =fRi -或< (X- x2)~ - (y- y\)~ - fx- Sj/ = -G-丐尸-(y- y\)~ - (z- 二偶-e>3根據(jù)修改后的方程組即可求得目標點坐標。硬件組成基于DSP系統(tǒng)硬件配置如圖3所示。DSP(DigitalSignalProcessor)即數(shù)字信號處理器，是一種特別適用于進行數(shù)字信號處理的微處理器，它采用改進型哈佛總線，具備硬件乘法器，工作電壓只有1.6V，不但在信號處理速度和小型化方面有技術優(yōu)勢，而且符合電氣安全標準。基于DSP的預處理器、信號處理器與雷達天線是整合在雷達機箱里，信號處理器完成數(shù)據(jù)處理后，通過802.11無線通信協(xié)議與掌上電腦PDA進行通信將計算結果顯示并予保存。基于低頻二次雷達技術的改進型生命探測系統(tǒng)能成功地解決多項困擾傳統(tǒng)安全救生系統(tǒng)在煤礦救援中所遇到的問題，在分秒必爭的營救工作中，可以幫助搜救人員迅速準確安全地發(fā)現(xiàn)仍然存活的被困礦工,從而為營救工作爭取到寶貴的時間，有著較高的實用和推廣價值。2、 雷達式生命探測研究內容雷達式生命探測研究的主要內容如何確定測量目標的距離及方位。因此與以下幾種關系比較密切：（1） 可測距：采用P秒級脈沖雷達技術，方便的對目標進行距離定位；（2） 穿透能力：采用超寬譜雷達技術；（3） 抗干擾能力：雙通道相關檢波技術使復雜現(xiàn)場的各類干擾無法進入；（4） 探測靈敏度：采用新穎的生物醫(yī)學信號處理技術；（5） 操作安全性：探測器與顯示控制器分離設計，減小操作危險。3、 雷達式生命探測技術路線由于雷達式生命探測儀采用單天線連續(xù)波收發(fā)體制，因此較厚建筑物對發(fā)射信號的強直接反射（直接反射信號又被稱為強雜波信號）會造成接收機的飽和，使生命探測儀的接收機無法正常工作。在非接觸雷達式生命探測儀中，對強雜波信號的處理非常重要，而對強雜波信號處理的好壞，則直接影響生命探測儀的探測靈敏度。“自動對消信號合成”電路是生命探測儀的關鍵部件之一，其目的就是為了解決強雜波信號的對消問題。（1）自動對消信號合成原理“自動對消信號合成”的原理框圖如圖所示。“自動對消信號合成”電路由振蕩信號功率調節(jié)電路、可變延遲器、振蕩信號衰減器、回波信號檢測電路以及運算控制電路等組成。自動對消算法及流程如圖所示。運算電路將回波信號sQ)與經(jīng)過可變延遲器、衰減器的振蕩信號s(t)的相位和幅度進行比較運算，得出運算結果S°(t)；將S(t)與算法內事先確定好的標準值S'(t)進行比較：如果S(t)<S'(t)，貝1」算0 0 0 0法控制可變衰減器和可變延遲器已改變S(t)，使S(t)朝利于S(t)上升的方向變0化；如果S0(t)>S0(t)，則算法控制改變S(t)，使S(t)朝利于S0(t)下降的方向變化。變化后的S(t)再次進入循環(huán)與S(t)進行比較，計算出新的S0(t)。S(t)的變化遵循先粗調后細調的方式，調節(jié)幅度由大到小，最終使得S0(t)=S0(t)，衰減器輸出信號和回波信號的相位和幅度差值進入閾值允許范圍之內，自動對消完成。(2)對消信號合成實際運算過程自動對消算法流程圖可變衰減器控制振蕩信號s(t)的幅度，可變延遲器控制振蕩信號s(t)的相位。因為電路電源為+5V供電，同時限于電路的實際情況，s(t)的幅度可變范圍為0?5V；相位可變范圍為0°?200°。對消信號合成實際運算過程大概如下:先固定幅度，將相位在0°?200。范圍內以一定的步進(粗調)變化，記錄每次變化后的s°(t)值，循環(huán)一次后，將相位固定在s°(t)取得最小值時所對應的相位上；再使幅度在0?5V范圍內以一定的步進(粗調)變化，記錄s0(t)值，比較各個s°(t)值，記錄s°(t)取得最小值時所對應的幅度值；再以較小的步進重復以上步驟(細調)一次，取得s0(t)最小值。如果S0(t)不等于標準值S0(t)，則繼續(xù)以上循環(huán)；如果s0(t)等于標準值s0(t)，則將此最小值對應的相位和幅值分別通過可變延遲器和可變衰減器調出，并灌入運算控制電路，完成對消。4、雷達式生命探測預期成果雷達生命探測器會向外連續(xù)發(fā)送電磁波，對一定空間進行連續(xù)掃描，像我們所知的飛機雷達一樣。如果被探測物絕對靜止，返回的電磁信號就會是相同的。如果目標在動，信號就會有差異。這種生命探測儀主要通過測試被探測者的生命運動，例如心跳、呼吸以及腸蠕動等運動來工作的，可以捕捉到相當微弱的信號，并且可以穿透除了金屬墻之外的大部分障礙進行搜索，搜索范圍可以達到數(shù)十米。它不像光學生命探測器那樣受現(xiàn)場光照環(huán)境的限制，也不像聲波/振動探測器那樣要求保持工作現(xiàn)場安靜，也不像紅外線生命探測器那樣容易受環(huán)境溫度和熱物體干擾，應用前景比較看好。現(xiàn)在雷達生命探測器中往往內置了數(shù)千種人類呼吸、心跳模式，搜索速度也比其它生命探測器高一些。使該雷達具備以下功能：（1） 不需要任何接觸人體的電極、傳感器或輔助裝置，實現(xiàn)了非接觸生命探測;（2） 可穿透非金屬介質（如土壤、磚墻廢墟，包括穿透多層鋼筋混凝土預制板廢墟等）進行生命探測；（3） 可智能判斷有無生命體存在，并自動給出探測結果；（4） 能探測存活人員的距離信息，進行目標定位，有利于挖掘救援；（5） 對探測到的生命體目標，以人眼仿生的觀察效果方式顯示在屏幕上；（6） 具有一定的區(qū)分人與動物的能力；（7） 顯示控制器與雷達探測器采用無線通訊的遙控方式，使得探測更加靈活安全；（8） 體積小、重量輕，結構簡單，便于攜行。5、雷達式生命探測可行性分析雷達生命探測儀它的穿透能力強，能探測到被埋生命體的呼吸、體動等生命特征，并能精確測量被埋生命體的距離深度，具有強的抗干擾能力，不受環(huán)境溫度、熱物體和聲音干擾的影響，具有廣泛的應用前景。超寬譜雷達生命探測儀具有很大的相對帶寬（信號的帶寬與中心頻率之比），一般大于25%，檢驗人體生命參數(shù)是以脈沖形式的微波束照射人體，由于人體生命活動（呼吸、心跳、腸蠕動等）的存在，使得被人體反射后的回波脈沖序列的重復周期發(fā)生變化。如果對經(jīng)人體反射后的回波脈沖序列進行解調、積分、放大、濾波等處理并輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理和分析，就可以得到與被測人體生命特征相關的參數(shù)。雷達生命探測儀用于震區(qū)生命探測具有穿透力強、作用距離精確、抗干擾能力強、多目標探測能力強、探測靈敏度高等優(yōu)點，探測距離可達30?50m，穿透實體磚墻厚度可達2m以上