無人機載雷達在搶險救援行動中的應用研究

宋星秀

（武警警官學院訓練基地，廣東 廣州 510440）

近年來，地球水文、氣象和地質等自然災害頻發多發，對國家和人民生命財產安全造成極大的威脅。各種復雜高危的救援現場，對國家應急救援力量的搶險救援技術水平提出更高的要求。加強新質技術在搶險救援行動中的應用研究，有利于提高救援行動中無人化智能化水平，為解決搶險救援行動存在困境提供新思路。隨著無人機載雷達技術的迅速發展，無人機載雷達技術在林業測量、海洋監測、艦船監測、立體測繪等方面得到了廣泛應用，但是其在搶險救援行動中的應用研究尚為空白。無人機載雷達具有全天時、全天候、高分辨率、遠距離、穿透性好等特點，使得當其他傳感器模式失效時，仍然能夠在搶險救援行動中發揮作用。

1 搶險救援行動的特點

一是救援環境復雜高危。災害發生后，救援現場環境往往復雜多樣、惡劣高危，且常常會伴隨次生災害，安全風險無處不在，人員情緒波動大，自然環境嚴峻和瞬息萬變，受災人員和救援人員的生活和安全都難以得到有效保障。

二是救援指揮決策緊急。事故災害發生后，任務區的救援力量需要第一時間獲取災情信息，同時準確研判災情發展情況，制定科學的救援方案，并根據災情險情變化和救援進度實時調整部署，確保指揮決策及時、準確，救援力量安全、科學施救。

三是救援范圍輻射面廣。自然災害、安全事故種類多，分布范圍廣，救援范圍輻射面廣。各類搶險救援行動中，地震災害破壞力最大，破壞范圍最廣，救援難度最大；滑坡、泥石流災害在山區多發、突發，救援行動最頻繁、覆蓋山區面最廣；臺風災害路徑多種多樣、洪水災害，持續時間長，范圍廣，救援時間長。

四是救援裝備依賴性強。搶險救援行動注重時效性、科學性和專業性，對救援裝備的依賴性較強。需要根據不同的災害事故救援需求，投入多種類型的救援裝備，可以說救援裝備的無人化智能化水平很大程度上影響搶險救援行動的能力水平。

2 搶險救援行動存在困境

一是極端環境惡劣天候中救援能力不足。在重大自然災害、安全事故中，易造成山河崩塌、大面積建筑倒塌、道路橋梁隧道損毀、易燃物質火災蔓延、有毒有害物質泄漏，國家應急救援力量遂行救援任務的強度大且環境復雜高危。當前，由于對災害區域內的地形、氣候特點規律研究不夠，對各類災害特點、類型的了解及研判不夠，對惡劣極端環境下救援經驗不足，導致國家應急救援力量在急險大災、有毒有害的復雜高危環境下的搶險救援能力明顯不足。

二是災害評估預判和動態監測技術不夠。搶險救援行動中很多復雜偏僻地域缺乏原始地形數據，而災害救援中現場地形測繪數據收集和處理速度慢，不能及時準確地對災害進行評估預判，在救援行動作業現場對滑坡、崩塌落石、泥石流等次生地質災害缺少及時準確持續監測預警能力，難以有效保障救援人員和受災人員的安全。

三是搶險救援行動中裝備器材機動性差。搶險救援行動保障對象多元，既有多建筑群的城市中心，又有城鄉結合的郊區，還有崎嶇偏遠的山區，既要完成電力、通信、交通樞紐等重點目標的搶修保通，還要保障人民群眾的生命和財產安全，且災害類型多樣，對救援裝備器材機動性要求高。當前在救援行動中參與救援的通用性裝備器材較多，比如各類型的工程機械等，多功能、機動性強的裝配器材配備不夠，但是受災地域常伴隨次生災害，且往往處于深山峽谷，需要更多的高機動性、多功能、高效能的搶險救援裝備提高救援行動水平。

四是非接觸生命體征檢測和搜救技術弱。當前廣泛應用的一種非接觸式人體生命體征檢測技術是遠程成像光容積圖，它是利用光學來檢測面部、手和腳，通過檢測暴露的皮膚中血液循環引起的微小顏色變化，以估計生命體征。但是遠程成像光容積圖在能見圖條件和膚色的動態變化下不穩定。其他相關技術還有紅外熱像儀，它是通過檢測人體鼻孔的溫度變化來提取呼吸信號。雖然上述技術在非接觸生命體征檢測和搜救方面起到一定的作用，但是它們都無法穿透災區的障礙物，且易受干擾，在搶險救援過程中發揮的作用有限，非接觸式生命體征檢測和搜救技術還比較薄弱，與多維、精準、高效救援的要求不相適應，還需進一步提高非接觸式救援技術水平。

3 無人機載雷達在搶險救援行動中的優勢

一是能夠全天候、全天時、全方位工作。無人機載雷達是將無人機與微小型雷達相結合的傳感技術，能夠全天候、全天時、全方位工作。雷達通過發射機周期性地發射一系列已知的高頻脈沖，與目標相互作用，目標反射的結果被雷達接收，并作為發射信號的疊加、衰減、時移和頻移副本，通過計算接收信號的這些未知參數，確定目標的位置、形狀及形態，從而實現對目標的識別和跟蹤。雷達作為一種主動傳感器，能夠全天候、全天時提供詳細的地面測繪資料及圖像[1]，通過采用相控陣天線，提高天線性能，改善探測能力，雷達可以360 度全方位地進行目標探測與搜索[2]，使得其在夜間及惡劣環境下仍然能夠在搶險救援行動中發揮作用。

二是具有距離遠、分辨率高、穿透性好的性能。無人機載雷達具有防區外探測能力，可以不直接飛越某一地區而對該地區進行測繪[3],探測距離遠，此外，雷達特殊的成像原理，使得雷達具有分米級的高分辨率，且分辨率不會隨著距離的增加而降低[4]，例如無人機Lynx 雷達在作用距離30km 時，分辨率為10cm[5]。雷達在適當的頻率下，微波信號具有較寬的帶寬，使得雷達不僅具有穿透障礙物的能力，并且在惡劣天氣和低能見度等不利條件下也能表現良好，當其他傳感器模式失效時，仍能夠在碎片上探測被遮擋的人體對象。例如，穿墻成像雷達和葉簇穿透成像雷達均能穿過障礙物對目標進行成像，且已在戰場偵察、反恐維穩以及資源勘查與監測等領域有著廣泛應用[6]。

4 無人機載雷達在搶險救援行動中的應用

4.1 災害信息獲取及評估預測

將無人機載雷達應用到搶險救援行動中，可以在災害中及時獲取重要的信息資料，為救援人員提供評估預測的依據。通過文獻[7]可以知道，對地貌地形復雜、植被茂密、坡度陡峭的區域進行測繪時，傳統測繪模式難度較大，精度較低，無人機載激光雷達可以完成此區域的數據采集工作。根據文獻[8]，無人機載雷達可應用到洪澇災害調查工作中，其獲取的數據速度快、精度高，能夠為山洪災害的信息獲取、預警預報提供支撐。災害發生后，無人機載雷達將采集到的數據，經過處理后生成點云圖，能讓救援人員及時了解受災區域的現場情況，為指揮者提供決策依據。

4.2 災害救援行動監測

受災區域復雜的地理環境和惡劣的氣候條件，使得在能見度低的情況下利用傳統的監測手段進行監測十分困難，無法及時掌握災害發展動態，保障救援人員的生命安全。將無人機載雷達應用到災害救援行動中就可以很好地解決這一問題。根據文獻[9]，無人機載雷達在黃河冰情凌汛的監測中發揮了重要作用。通過無人機搭載合成孔徑雷達在黃河包頭端獲取數據后，運用移動數據處理車處理數據，可獲得晝夜不間斷地對任務區域進行監測，提高了應急救援進行破冰除險的準確性和安全性。根據文獻[10]，無人機載雷達可以通過數據采集、數據預處理、數據后處理得到點云數據，點云數據能夠顯示露天礦邊坡位移距離，實現邊坡監測和預警。這一技術可用于在搶險救援現場對工作量快速評估、動態統計和滑坡、崩塌落石、泥石流的動態監測和預警，提升復雜高危環境下應急救援行動的精準指揮和安全避險能力，保障人員的人身安全。

4.3 非接觸生命探測及人員搜索

災害發生后，第一時間開展壓埋的受災人員搜救定位，是災后救援的首要問題。目前，非接觸生命探測技術主要有紅外生命探測器、音頻生命探測儀以及雷達生命探測技術。紅外生命探測器能夠在夜間通過溫度變化來提取人體生命信號，但是沒有穿透能力。音頻生命探測儀能夠穿透廢墟，但是埋壓人員必須發出聲音，且對現場環境的安靜度要求很高，探測過程易受干擾[11]。雷達探測信號不僅能穿透覆蓋或遮擋受害者的碎片和建筑材料，且穩定性好，不易受環境干擾，這使得基于無人機載雷達的非接觸式生命探測非常有優勢。同時，無人機載雷達也具備強的葉簇穿透和高分辨率成像能力[12]，能在葉簇覆蓋的區域內進行人員搜索。因此，綜合運用穿透能力強、穩定性好、靈敏度高的無人機載雷達生命探測手段，能夠開展災區大范圍和重要目標埋壓或被遮擋人員生命搜尋定位，為救援人員提供技術支持。

5 無人機載雷達應用于搶險救援行動中應把握的問題

5.1 需解決無人機載雷達飛行時間及路徑規劃問題

要對受災區域進行大范圍搜索及對場地進行經常監測，需要無人機具有更長的飛行時間。在許多商用無人機中，無人機有限的電池功率將飛行時間限制在1小時以內，并且，有限的電池功率意味著無人機在空中停留的時間也比較短。然而，無人機載雷達在搜索受災人員過程中，通常需要窮舉搜索路徑來定位滯留對象，因此，合適的路徑規劃能在最短時間覆蓋整個區域進行搜索，以最大限度地利用有限的電池電力。

5.2 無人機載雷達信號處理難度大

無人機載雷達信號處理主要包括無人機雷達數據采集、儲存、處理和信息解讀。無人機傳感中的數據采集和存儲是在飛行現場實時進行的，而數據處理通常是在另一臺計算機上離線進行的，以節省飛行和懸停時間以及電池電量，甚至有些無人機可能不具有大的計算資源。但是，離線處理會降低更新速率，且不具有自適應能力。此外，當目標區域內存在多個人體運動時，還需要進行運動補償，采用聯合概率數據關聯濾波器、多元變分模態分解等技術對不同對象發出的回波進行區分。在搶險救援行動應用中，需要進一步提高無人機載雷達信號實時處理能力及自適應能力。

5.3 專業技術操作人員力量薄弱

無人機載雷達需要不同任務分工的專業操作員進行操作。若操作不當，不僅會損壞器材，還會影響救援進度，進而影響救援人員及受災人員的生命安全保障。但是目前專業人才稀缺，特別是參與搶險救援一線的專業技術人員占比較小，即使有少量專業人員，也存在經驗技能缺少的問題，尤其需要組建一些既懂無人機駕駛，又懂雷達信號處理及雷達圖像識讀的專業技術人員隊伍，需加強這方面專業力量的建設。

5.4 無人機荷載能力應進一步提高

無人機平臺所承載的荷載重量是有限的，其能承載的重量稱為有效荷載，無人機的有效荷載越大，就越能靈活地為系統添加攝像頭、傳感器、救援物資以及其他特定需求等額外技術。具有多傳感器融合模式的無人機平臺，能夠攜帶可見光、紅外、攝像機和雷達等傳感器，集成通信、導航、定位、遙測、遙控等組件，進行遙感操作，獲取災區圖像。另外，無人機有效荷載足夠的情況下，還可以配備投擲器空投應急救援物資，包括純凈水、方便食品、藥品、衣服和通信裝備等。

6 結語

近年來，無人機載雷達技術發展迅速，在不同領域的應用中發揮著重要作用，加強無人機載雷達技術在搶險救援行動中的應用研究是提高搶險救援行動無人化智能化水平的途徑之一。本文通過分析搶險救援行動的特點和存在困境，結合無人機載雷達在搶險救援行動中的優勢，著力研究無人機載雷達在搶險救援行動中的應用，并指出了無人機載雷達應用于搶險救援行動中應把握的幾點問題，對提高搶險救援技術水平具有十分重要的理論意義。