消防救援工作中的新型雷達生命探測儀研究

胡庚松，張驥，尹藺娜，施佳佳

（1.南通市消防救援支隊，江蘇 南通 226000；2.南通大學，江蘇 南通 226019）

0 引言

雷達生命探測儀可以搜索掃描區域內救援目標的呼吸和心跳[1]，其發射的電磁波可以穿透建筑物，大火，煙霧等障礙物，大幅度提高搜救的速度與精確度，也使得參與救難的消防員等的人身安全得到了的保障。其基本原理是人類存在呼吸與心跳等兩種基本生命體特征，其信號的頻率、幅度和波形存在一定的特點。通過對目標區域發射電磁波并對采集的雷達信號檢波、濾波、變換與特征提取，可以提取微弱的生命特征信號并判斷位置，便于及時發現救援目標，提高救援成功率[2]。

目前雷達生命探測儀可以分為成像雷達與非成像雷達[3]。成像雷達一般具有較高的目標特征分辨率，從而通過信號處理算法將掃描的目標特征在配備的顯示設備中重現出來。由于雷達能分辨的最小目標尺寸需大于雷達發射波形的波長，雷達分辨微小物體的能力越高，需要的電磁波頻率越高，電磁波的穿透能力越弱，因此成像雷達一般選擇在較高頻段，如毫米波段等，具備相對較弱的穿墻能力與比較全面的目標信號檢測能力。非成像雷達關注于目標的搜索，忽略目標的其他特征，將人體目標從雜波中分離，將目標的位置在終端中顯示，因此一般工作降低的頻率，具有好的穿透能力，空間分辨率相對較弱。

1 雷達生命探測儀基本原理

實際救援過程中，呼吸和心跳信號通常都是極其微弱的，呼吸引起的胸腔運動幅度的范圍為1-30毫米，心跳引起的胸腔運動幅度范圍為0.1-10毫米[4]。呼吸和心跳的速度都很低，呼吸運動的頻率一般在0.1-1Hz；心跳的頻率一般則是在1-2Hz。此外，不同頻率和幅度的信號會疊加，形成不同頻率和幅度的混合波形，同時生成高頻諧波。波形函數可以采用如下方程表示：

其中，a i是第i個諧波分量的幅度值；iω為第i個諧波分量的頻率，i為第i個諧波分量的初始相位。雷達發射的信號可以表示為：

其中，f(t)是雷達在t時刻發射信號的頻率， (t) 為相位噪聲。假設οd為雷達與目標之間的距離，當目標與雷達之間存在相對運動時，例如呼吸與心跳引起的胸腔運動，會導致目標信號產生多普勒頻移，t時刻目標和雷達之間的距離可表示為：

其中，x(t)為公式(1)中胸腔運動產生的位移。此時，接收信號的表達式為：

將接收的信號轉為基帶信號，通過高速數據采集儀器正交采樣接收信號，提取信號的時間延遲、相位特征與多普勒頻移，通過信號處理算法可以分析位置，從而在終端中顯示出來。

2 雷達生命探測儀測試

消防救援支隊工作主要面對火災環境下的救助，其工作環境主要有以下特點：①主要穿透火焰、煙霧等動態障礙物，相對于地震救災的靜止環境，干擾來源眾多；②生命探測儀主要靠消防員攜帶，設備體積要求較小，重量要求較輕；③火災環境下，救助時間非常關鍵，校準時間要求短；④不同于以往固定于地面的生面探測儀，如果隨身攜帶，消防員自身的心跳與呼吸對儀器進行干擾。本文首先針對已有雷達生命探測儀在模擬火災環境中進行了測試[5]。

目前南通市消防支隊已裝備一臺救災專用的雷達生命探測儀。一臺為加拿大Sensor&Software公司生產Rescue Radar II（救援者），其中心頻率為500MHz，探測距離可根據需要設置為2.4，6，8和10米；掃描時長可設置為15,30,50,120,180,300秒，體積為530*325*325mm，重量為7.71kg（不含電池）11kg（含電池）。另一臺為北京朗森基科技發展有限公司（LSJ-006P雷達生命探測儀），其工作頻率為100-2500MHz，定位精度為10厘米，探測距離為6-30米，探測距離可選，掃描時長為10秒-180秒可選，作用距離為運動目標20米，靜止目標15米，體積為452*450*311毫米，重量為8.9千克（含電池）。

目前雷達生命探測儀能達到基本的檢測目標，但在實際的應用推廣中仍存在一些缺點，如價格較貴，設備體積大，重量重，不便于攜帶，且每次使用需要校正，校正時間過長，一旦設備移動位置，需要重新校正。此類救援設備適合地震等環境，但是并不適合消防救援支隊的日常工作。根據模擬消防救援活動場景，本項目對雷達生命探測儀進行了測試，具體結果如表1。

表1 雷達測試性能總結

3 新型雷達生命探測儀

3.1 雷達系統結構

新型雷達生命探測系統由控制系統，基帶信號處理系統以及天線系統組成。控制系統采用FGPA控制板控制信號的發生與接收，硬件測試的第一階段將采集的數據接收至電腦處理，算法成熟后對采集的數據在FPGA系統中直接處理，為了提高系統的處理速度，通過對DSP芯片的編程，加快信號的檢測能力。控制模塊將分析處理的信號通過無線模塊傳輸倒終端，將目標的位置與具體直觀顯示，便于救援人員設計救援方案[6]。基帶信號處理模塊通過正交采樣對接收的信號采集，實現信號的放大，濾波，移相等功能。天線模塊由一路發射機天線和兩路接收機天線組成，實現信號的發射與回波的接收等功能，由于生命信號非常的微弱，天線采用定向高功率喇叭天線。為了實際工作雷達生命探測儀移動的需求，系統采用電池供電，提供穩定、低雜波的電源。系統框圖如圖1。

圖1 系統硬件框圖

3.2 雷達關鍵技術

基于新型的生命探測技術需要對雷達信號進行調制，對信號的發射端與接收端進行設計，其關鍵技術主要體現在以下方面：①波形設計：雷達生命探測儀的工作環境復雜，對接收波形具有較強的干擾，引起的波形的畸變對整個系統檢測性能的影響很大。②信道設計：為了保持信號信噪比的基礎上提高目標檢測的分辨率，使得系統能量分散在多條路徑上，信號在消防救援傳播過程中，選擇性衰落比較嚴重，接收機的性能會受到很大影響。③天線設計：消防救援工作環境要求雷達生命探測儀的天線具有簡單的結構，能方便地與其他設備集成，由于采用了超寬帶天線，使得天線的設計應該滿足發射信號在足夠大的頻帶范圍內有著恒定的幅度譜、線性的相位譜。此外，考慮系統體積的原因，在容納對天線的同時保持系統的體積縮小，增加雷達生命探測儀的便攜性，對天線的設計工作提出了很高的要求[7]。

3.3 雷達性能指標

穿透性：電磁波可穿透建筑物，主要包括鋼筋混凝土墻等，在開放空間偵測距離可達30米；水平偵測角度范圍：120度，左右各60度；水平偵測角度分辨率：5度。

4 結語

綜上所述，雷達生命探測儀具有穿透障礙物檢測生命目標的功能，可以提高消防救援活動的效率與成功率。本文首先介紹雷達生命探測儀的原理，分析比較南通市消防救援支隊已具有的兩臺雷達生命探測儀的性能，針對消防救援工作實際特點，提出新型雷達生命探測儀，采用基于超寬帶技術多天線技術，針對雷達的工作環境，分別在波形設計，信道設計與天線設計進行了改進，新型雷達生命探測儀可以提高檢測精度與效率，為消防救援工作節約寶貴的時間，具有較高的實際應用價值。