生命探测仪—研究现状.doc

这次大汶川地震中数百万房屋被震塌，十几万人被压埋在倒塌的房屋下面，尽快抢救被压埋的幸存者成为开始救灾的第一位紧急任务，但是由于房屋倒塌现场的各种复杂情况，许多被深埋的幸存者无法主动把呼救信息传递上来，在这种地震灾害中就急需一种被称为生命探测仪的信息检测技术。生命探测技术是近代发展的一项新技术，主要用于废墟中发现存活者及寻找清理战场时的伤员。传统的方法一般应用光学、红外线、无线电、卫星定位技术、声波等技术进行探测。红外生命探测技术利用了人体的红外辐射特性，人体的红外辐射能量较集中的中心波长为9.4m，人体皮肤的红外辐射范围为350m，其中814m占全部人体辐射能量的46%，这个波长是设计人体红外探测仪的重要的技术参数，决定了人体与周围环境的红外辐射特性不同与差别，探测仪可以用成像的方式把要搜索的目标与背景分开。声波振动生命探测仪应用了声波及震动波的原理，采用声音/振动传感器，进行全方位的振动信息收集，可探测以空气为载体的各种声波和以其它媒体为载体的振动，并将非目标的噪音波和其它背景干扰波过滤，进而确定被困者的位置。但这些技术都有各自的局限性，无法有效地探测到埋藏在废墟、瓦砾或建筑物下的人员。随着无线电技术的迅猛发展，根据 HAETC(Hughes Advanced Electro-magnetic Technology Center)对电磁波在多种介质中的穿透特性的测量研究可知：在低频段，在 l10GHz范围的电磁波在穿过混凝墙壁时衰减很小，并且随着频率的降低，衰减也在减少，其中在8GHz时衰减大约为 l0dB，在2GHz时衰减将下降到5dB以下【1】。因此，低于10G 的频率适合对砖块和混凝土构筑的墙壁进行穿透探测。所以微波多普勒雷达被用于探测几米厚的墙体后探测数十米距离幸存者的呼吸、心跳和体动等生命体征信息。多普勒探测雷达发射电磁波探测信号，遇墙壁、废墟等穿透性较好，遇生命体后反射并由接收机接受解调，得到呼吸、心跳和体动等生命体征信息【2】。根据多普勒原理，运动物体对反射信号后，会对反射信号的频率、相位造成影响，其影响主要决定于物体的运动速度。将人体的胸腔、心脏看作目标物体，则它们的振动变化会对反射信号造成有规律的变化，接收机解调反射信号后就可以得到呼吸、心跳等生命体征信息。目前，微波生命探测雷达主要有两种，连续波探测雷达与脉冲探测雷达。连续波探测雷达连续不断的发射与接收某一频率连续波，而脉冲探测雷达则是发射与接收脉冲信号的探测雷达。连续波雷达的原理较为简单，它的发射机和接收机都采用同一信号源，采用超外差式接收机或者零拍接收机【3】。它不断的发射和接受窄带信号连续波，因此不需要接收和发射选通，并且由于窄带信号的特点，连续波雷达对滤波器的要求不高，其接收机每一级的滤波器可以设计的较为简单。连续波雷达最大的有点是，它可测量的目标物体的速度和距离范围极大，而脉冲和其他调制雷达则要受到待测目标物体速度和距离的限制。1970年后，利用连续波雷达测量呼吸和心跳被逐渐提出了。当时，呼吸和心跳是分开测量的。Lin等人使用了X波段的扫描震荡器，发射天线采用指向目标的号角天线，测量了30厘米处未被麻醉的兔子的呼吸，并且利用同样的系统测量了麻醉过的兔子和猫的心跳【4，5，6】。1980年后到1990年间，出现了在系统中同时处理模拟信号和数字信号的新系统，可以通过信号的处理区别呼吸信号和心跳信号，这样就可以同时进行呼吸与心跳信号的测量了【7，8，9，10】。1990年，Chuang等人利用一种自动消除杂波的电路及其算法，成功测量了7层砖和10英尺碎石后面的呼吸与心跳信号【8，9】。他的系统中采用了工作频率分别为2GHz和10GHz的两种，其中2GHz可以成功穿透10GHz不能穿透的湿砖墙。近些年来，Matsui等人利用线性判别分析的方法区别生命体缺氧和震动的状态，成功采用频率1215M、功率70mW的发射信号，检测了碎石后面的10只兔子的缺氧状态和震动状态，后来Matsui等人又通过1215MHz雷达成功的对血液Ph值做了检测实验。【11】但是连续波雷达存在着明显的不足之处，就是无法很好的区分反射信号。比如，直接从发射机到接收机的泄露、发射接收电路间的耦合、多径反射的杂波与噪声的叠加形成的混频信号等等都会造成发射信号区分的困难。【2】而脉冲雷达的发射脉冲重复周期与片上信号电路的长度相比较长，不容易造成辐射泄露；一些杂波的强反射信号也容易和长距离目标物体的反射信号相区别。这些也是脉冲雷达最主要的优点。其中融合了超宽带（UWB）技术的超宽带脉冲探测雷达，以其抗多径和窄带干扰能力强、传输速率高、系统容量大、穿透能力强、低功耗、系统复杂度低等一系列优点获得了许多研究。1989年前，超宽带信号主要是通过发射极短脉冲获得，这种技术广泛用于雷达领域并使用脉冲无线电这个术语，属于无载波技术。1989年美国国防部（DARPA）首次使用超宽带这个术语，并规定若一个信号在 20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或分数带宽大于25，则这个信号就是超宽带信号。直到1993年时跳多址的脉冲无线电概念的提出才引发了这项技术在无线通信领域的广泛关注。2002年FCC颁布了UWB的频谱规划，并规定只要一个信号在 10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或分数带宽大于20，则这个信号就是超宽带信号。【12】近些年来，很多超宽带探测雷达已经进入了适用阶段，罗马Tor Vergata大学的一个研究中展示了一个精准的模型，这个模型考虑了胸腔内六层生理组织对UWB脉冲信号反应的不同阻抗，衰减，厚度，波速特性（见表1.1【13】），从而可以探测从皮肤到心脏的不同器官。这些数据是由可视人体项目（Visible Human Project）和Gabriel的组织的非导体特性数据手册获得的，见参考文献【13】。表1.1 胸腔生理组织对UWB脉冲信号反应的不同阻抗、衰减、厚度、波速特性ImpendenceAttenuationSpeedThicknessAir376.70.002.9981081.0010-2Fat112.68.968.9581070.9610-2Muscle49.9931.673.9781071.3510-2Cartilage58.1631.934.6281071.1610-2Lung52.8629.624.2061075.7810-2Heart49.1738.713.912107-此外俄罗斯的遥感实验室（Remote Sensing Lab）已经设计出名为“Ranscan”的生命信号探测仪，它的工作频率可达10GHz，波长3至30cm，可以探测10cm厚混凝土后的人员，与之类似的美国GTRI利用雷达生命特征信号研制的“Radar Fightlight”，可以遥测墙壁、房门和树木后人员的心跳和呼吸速率,也可以探测房间内部可以人员的运动，以及探测静止状态的可疑对象，但是Radar FightLight也存在很大缺点，就是仅能固定使用，而不能够在运动中使用。美国TDC（TimeDomainCorporation）公司在1999年开发出名为RadarVision1000(RV1000)的超宽带探测雷达，RV1000使用了TDC公司的TM-UWB（Time-Modulated UWB）专利技术，使用了一个单独的发送天线和一个单独的接收天线，在-3DB点拥有90度的可视区域（FOV），它能够透过最为普遍的非金属墙壁检测达十米范围的运动物体。随后，TDC公司又开发出了RV2000系统，该系统能够描述出非金属墙后运动物体的方向和距离。这种二代产品使用了手持、成图的技术，可以在观测面板上用液晶来显示目标的实时运动图。与RV1000相同，RV2000也采用的是TM-UWB技术，但是与RV1000不同的是，RV2000采用了分离的发送和接收天线阵列。【14】国内对超宽带探测雷达的研究也有一定的成果，第四军医大学提出了通过人体对所发脉冲信号的回波来检测人体的各种生理特性【15】；国防科技大学也进行了穿透非金属墙壁后探测人体的试验【16】。同时由于超宽带生命探测技术是新兴技术，也必然存在着不足与问题，但是因其具有抗多径和窄带干扰能力强、传输速率高、系统容量大、穿透能力强、低功耗、系统复杂度低等一系列优点，在救灾（尤其是地震灾害）中就蕴含了巨大的实际意义和重大的应用前景。参考文献：【1】 David. D. Ferris. Jr , Nicholas C. Currie, Microwave and Millimeter-Wave Systems for Wall Penetration, Part of the SPIE Conference on Targets and Backgrounds: Characterization and Representation IV, Orlando, Florida, SPIE Vol:3375, April 1998 :269279【2】 Amy. D. Droitcour , Non-contact Measurement of Heart and Respiration Rates with a Single-chip Microwave Doppler Radar, Stanford University, June 2006【3】 W.K.Saunders, “CW and FM Radar”, Radar Handbook 2nd ed. San Francisco : McGraw-Hill, Inc, 1990, pp. 14.1-14.45【4】 J.C.Lin, “Non-invasive microwave measurement of respiration”, Proceedings of the IEEE, vol.63, no.10, p.1530, 1975【5】 J.C. Lin, J. Kiemicki, M.Kiemicki, ”Microwave aoexcardiography”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.27, no.6, pp.618-620,1979【6】 J.C.Lin, E. Dawe and J. 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