基于軟件無線電的災害救援生命探測方法研究

郭棟，郭勇

（成都理工大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610059）

科學工作者很早就在進行電磁探測方法的研究，但電磁探測方法主要問題是探測深度與電磁波工作頻點的矛盾，即高頻工作頻率有較高的分辨率，但衰減快，探測深度較小；低頻工作頻率具有較大的探測深度，但分辨率不高[4]。同時又由于在災害救援現場中，會出現由于大量的使用無線通信設備，造成頻段之間的干擾，這樣將會得到錯誤的探測信息。能否利用軟件無線電的多頻帶/多模式/多功能工作等特點，利用不同工作點頻率對目標物體進行探測，從而得到在同一種介質下不同頻率衰減系數，反之可以通過改變探測物體的深度，隨時調整探測天線工作頻率，由此能夠得到關于目標物體的多種信息。通過這樣的方式，對于能夠及時、準確的掌握被困人員被困信息，同時也充分利用了軟件無線電的多頻帶/多模式/多功能工作等特點，減少了由于災害救援中的生命探測對無線通信的影響。

1 生命探測方法概述

利用發(fā)射的電磁波（主要為數十兆赫至數百兆赫以至千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式由發(fā)射天線將電磁波送入被測的地表，經目標發(fā)射后被接收天線接收[2]。電磁波在介質中傳播時，其路徑隨電磁場強度與波形將隨所通過介質的電特性與幾何形態(tài)的變化而變化。根據接收到得波的傳播時間，幅度與波形等資料，可以推斷介質的結構[3]。因此，當在一個時間段內，通過改變軟件無線電的不同的頻率工作點就能得到同一種介質在不同頻率下的不同的信息，這樣能有效的提高對被困人員的探測信息的拾取。

2 生命探測方法原理

由發(fā)射天線T將電磁波送入被測物體，經地層或目的體反射后傳播到接收天線R接收，如圖1所示電磁波在介質中傳播時，其路徑電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質與幾何形態(tài)的變化而變化。因此，根據接收到的波的旅行時間（亦稱雙程走時）幅度與波形等信息，可以推斷介質的結構。

圖1 生命探測方法原理示意圖Fig.1 Life detection schematic

電磁脈沖波行程需時（雙程走時）為:

式中，z為反射體的深度；x為兩個天線之間的間距；v為介質的電磁波速。通過式（1）可以確定反射體的深度。

介質的電磁波速可通過共中心點（CMP）測量得到，也可由下式求得:

式中，εr為介質的相對介電常數，μ為介質的導磁系數；σ為介質的電導率；ω為介質的角頻率。

對于介質，由于 σ/ωεr=1，故式（2）可簡化為：

式中，c為光速介質的相對介電常數可利用參考數據或通過測定得到。

因此，根據式（1）～式（3）可以確定介質的電磁波速，再根據探測記錄的精確時間t（ns），即可由式（1）確定被測物體的深度電磁波在介質中的傳播時，其路徑電磁場強度和波形將隨所穿過介質的電性質及幾何形態(tài)的變化而改變，所以根據記錄到電磁波的雙程走時波幅及波形等參數數據，即可分析確定被測物體的幾何形態(tài)及結構特征。

根據速度在介質中的衰減率計算公式，由此可以建立衰減率（R）和探測天線工作頻率之間（F）的關系：

其中K為比例系數與F和R無關，C為常數。

上面的公式（4）是在一種探測頻率下的方程，當利用軟件無線電的多頻帶（跳頻技術）和實際精度的需要可以建立以下矩陣方程組：

通過對（5）的計算，可以得到F與R的二維平面的對應關系。

隨著上圖1中發(fā)射天線隨時間（T）的變化，用能建立出F-R-T三維空間的數學模型，通過三維成像技術的方法，就能更加直接的反映出被困人員的位置。

3 生命探測系統(tǒng)總體設計

總體的設計分以下兩個單元，一個是探測單元；一個是處理和實現單元。

3.1 探測單元

探測單元的總體設計如圖2所示[1，5]。

圖2 探測單元總體設計圖Fig.2 Entire design scheme of the detection unit

圖2中的探測單元總體設計圖，就很好的說明了原理的思想由基于軟件無線電模型的模擬部分為基礎。

天線：用于接收和發(fā)射適當頻率的電磁波。

低噪聲放大器：對接收信號電磁波信號，進行放大和高頻濾波。

混頻和模數轉換：對高頻信號進行混頻和AD轉換，從而使模擬信號變?yōu)閿底中盘枺员阌谛盘柕奶幚矸治觥?/p>

混頻和數模轉換：通過D/A轉換，發(fā)射適當頻率的電磁波，經過混頻以便于有更好的發(fā)射效率。

帶通濾波放大器：用于發(fā)送信號發(fā)射。

3.2 處理和實現單元

處理和實現單元的總體設計如圖3所示。

圖3 處理和實現單元總體設計圖Fig.3 Entire design scheme of the ptocessing and realization units

處理器：使用適合的高速處理器，以保證前端數據的接收和實時處理。

存儲設備：用于存儲關鍵剖面的圖形和圖像數據，同時可以在不正常斷電的情況下備份關鍵的信息和數據。

顯示設備：用于顯示相關的圖像和圖形信息。

輸入設備：用于輸入參數等信息，或調整相關的圖形、圖像的顯示姿態(tài)。

3.3 兩個單元的互聯

探測單元和處理和實現單元的互聯設計如圖4所示[6]。

圖4 兩個單元的互聯示意圖Fig.4 Interconnection schematic of the two units

探測部分采用無線的方式互聯，以減少以往設備的冗余、沉重，通過適合的通信協(xié)議方式，使得各個探測部分與處理和顯示部分之間快速的進行信息傳輸。

4 結 論

文中充分利用軟件無線電的多頻帶的特點，針對災害救援中的生命探測問題，提出一種新的構想。本文建立了基于軟件無線電技術的災害救援中生命探測方法的基礎數學模型和理論模型，為軟件無線電技術在災害救援領域的實際應用提供有意義的指導，同時也為災害救援中生命探測方法提出了一個新的思路。

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