超寬帶雷達生命探測技術研究

趙尤信， 姚海飛，2， 李佳慧， 彭然， 李璕

（1. 煤炭科學技術研究院有限公司 礦山智能通風事業部，北京 100013；2. 中國礦業大學（北京） 應急管理與安全工程學院，北京 100083；3. 華北科技學院 建筑工程學院，河北 廊坊 065201）

0 引言

地震、塌方、礦難等災害會導致人員被困傷亡。災后72 h是受困幸存者的黃金救援時間，但受困幸存者多被巖石、磚塊等掩埋較深，且活動空間狹小，導致搜救人員難以準確、及時地對其展開救援，因此，對生命探測技術的研究意義重大[1]。生命探測方法眾多，根據紅外溫度特征、聲音探測等原理可設計生命探測裝置，但大多存在探測精度低、穿透能力差、抗干擾能力弱等問題，無法達到預期目標。雷達生命探測技術具有穿透力強、定位迅速準確等特點，特別是UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）雷達生命探測技術具有功耗低、穿透性好、保密性高等優點，為生命探測技術的研究提供了新思路，對災后快速展開人員搜救、提高生存率具有重大意義。

本文首先對UWB雷達生命探測技術的國內外研究現狀進行總結，然后對該技術原理及其關鍵技術進行分析，最后對UWB雷達生命探測技術的未來發展趨勢進行展望。

1 UWB雷達生命探測技術研究現狀

1.1 國外研究現狀

自1994年美國斯坦福尼亞大學將UWB雷達技術應用于生命探測領域以來，UWB雷達生命探測相關技術逐漸成為研究熱點[2]。2000年，美國TDC公司成功研制了RV2000 UWB穿墻雷達[3]，可實時探測動目標，為災后救援提供了新方法。

目前國際上已推入市場使用的部分雷達生命探測設備見表1。可看出目前已有設備的發射信號中心頻率基本處于400 MHz，穿墻后的檢測距離均為10 m左右，可基本完成生命探測功能，但分辨率、探測精度等與實際需求存在一定差距，穿墻后探測距離仍有待提高。

表1 部分雷達生命探測設備Table 1 Part of radar life detectors

針對目前雷達生命探測設備存在的不足，研究人員進一步開展研究與改進工作，特別是2010年后，UWB雷達生命探測技術取得了長足進展。

在整體探測系統研發方面，法國THALES集團成功研制了功耗低、穿墻檢測距離達30 m的UWB雷達生命探測儀[4]，其可對多個目標進行定位及運動跟蹤成像，對掩埋生命體救援十分有利。在信號發射/接收機方面，N. Hafner等[5]設計了一種脈寬可調的UWB單周期脈沖源，其最大帶寬達3.8 GHz，發射信號穿透性更強，更符合UWB雷達生命探測要求，可有效提高生命探測儀的檢測能力。在系統回波信號提取方面，F. M. Shikhsarmast等[6]提出了一種奇異值分解信號方法，該方法采用FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）和Hilbert-Huang變換提取生命體征，可在低信噪比情況下準確估計奇異參數，從而有效消除生命信號中的噪聲。F. Soldovieri 等[7]提出了基于連續波UWB雷達在46 GHz左右檢測生命體征的方法，并設計了2種數據處理方法，可有效提取被測人員的生命體征信號，促進了生命探測系統的發展。

1.2 國內研究現狀

2001年，第四軍醫大學王健琪團隊利用低功耗毫米波雷達成功研制了我國第1臺生命探測儀[8]。該設備根據多普勒效應分解出較高質量的人體呼吸及心跳信號，在實驗室階段取得了成功。此后，國內眾多學者針對生命探測技術的各個環節開展研究和應用。

目前，國內研發了一些UWB生命探測儀，如華諾星空系列的雷達生命探測儀。以DN-IV型生命探測儀（圖1）為例，該儀器發射中心頻率為400 MHz，與國際上類似產品指標相近，具有二維定位搜索功能，可穿透10 m的干擾墻進行搜救，基本滿足各類生命搜救現場的救援輔助工作。但其具有一定的局限性，如分辨率為1 m，而在很多救援環境中被掩人員之間的距離遠小于1 m，因此在實際使用中可能發生定位不準的問題。

圖1 DN-IV型生命探測儀Fig. 1 DN-IV life detector

針對檢測設備專業性不強的問題，研究人員設計開發了專業化的UWB雷達生命探測儀，用于特定救援場景，如YSR25礦用防爆型雷達生命探測儀。該儀器模擬現場應用如圖2所示。該設備較DN-IV型生命探測儀的探測精度有一定提升，分辨率最大可達0.5 m，但其穿透性有所下降，穿透距離僅為5 m，一般應用于礦井災后救援。

圖2 YSR25礦用防爆型雷達生命探測儀模擬現場應用Fig. 2 Simulated field application of YSR25 mine-used explosion-proof radar life detector

與國外UWB雷達生命探測儀相比，我國UWB雷達生命探測儀雖能基本滿足搜救要求，但仍存在探測深度不足、探測精度較低、續航能力較差的問題。針對上述問題，國內學者進一步開展了改進優化工作。為提高探測距離，王保生[9]對信號傳遞的信道模型進行分析，結合井下實際情況，建立了UWB井下復合衰減信道模型，提出利用矩陣束算法來獲得礦井UWB多徑衰落信道模型參數，具有功耗低、探測精度高等優點，但存在傳輸距離短、短時間無法商用等問題。為降低消防救援中火場人員搜救的危險性，提高救援成功率，陳紹黔等[10]研制了警用UWB雷達生命探測儀，可對建筑廢墟、地震現場、火場等災害現場進行快速有效的人員定位，對提高救援效率有積極作用。為提高雷達發射機信號的穿透力，李秀貴等[11]對脈沖發生器展開研究，改進了雪崩三極管型UWB脈沖發生器，形成皮秒級雙極性脈沖，有效提高了頻帶寬度與發射信號穿透能力。胡巍[12]提出了基于連續小波變換與EMD（Empirical Mode Decomposition，經驗模態分解）相結合的生命信號提取算法，并利用該算法搭建了相應的樣機，經測試驗證了該算法可提高生命信號提取能力。陳瑞鼎等[13]提出了一種基于卡爾曼濾波的移動目標信號分離方法，并對樣機的處理器進行改進，測試結果表明，其可有效解決UWB回波信號穿墻后難以有效提取的問題，從而獲取被掩生命體的生命特征。周小龍[14]提出了基于PCA（Principal Component Analysis，主成分分析）-DCT（Discrete Cosine Transformation，離散余弦變換）的無載波UWB雷達人體動作識別算法與二維VMD（Varational Mode Decomposition，變分模態分解）回波信號重構算法，有效提高了檢測準確性與快速性。

雖然目前UWB雷達生命探測技術發展較快，取得了一定的應用成果，但在生命信號的處理上仍存在特征提取精度不足、探測深度有限、信號處理速度較慢等問題，成為學科研究熱點。

2 UWB雷達生命探測原理

呼吸與心跳頻率是生命體征最可靠的體現，UWB雷達生命探測技術通過快速提取分析回波信號中的信號特征，可高效輔助生命搜救工作的開展。根據發射信號形式，UWB雷達生命探測技術可分為連續波雷達生命探測和脈沖波雷達生命探測，二者對生命信號的探測原理不同，可根據具體情況選擇應用。

2.1 連續波雷達生命探測技術

連續波雷達生命探測技術的發射信號一般為單頻、多頻或調制連續波信號，采用多普勒雷達，其探測原理為信號的多普勒效應，如圖3所示。當采用連續波雷達生命探測技術進行生命搜救時，多普勒雷達信號發生系統向外發射滿足要求的連續波。生命體存在生命信號時，胸腔因呼吸與心跳作用前后做周期性運動，連續波雷達信號遇到生命體胸腔后發生反射，信號被調制，使得回波信號中存在人體生命特征信號?；夭ㄐ盘柦浗邮仗炀€回到多普勒雷達信號發生系統。由于環境干擾等問題，回波信號中除生命信號外，也存在部分直流信號與干擾信號，采取I，Q 2路濾波器進行校正，利用頻率特征對信號進行濾波，以去除噪聲。之后對信號進行放大和AD轉換，經處理器處理后進一步提取、分析人體生命信號，獲取呼吸與心跳頻率，最終將結果顯示在人機顯示模塊。

圖3 連續波雷達生命探測原理Fig. 3 Life detection principle of continuous wave radar

連續波雷達生命探測技術具有雷達功耗低、射頻電路結構簡單、集成實現容易等特點，采用不同的發射波類型可滿足不同場合的測距、測速等要求。但受限于發射信號形式，其極易受到其他靜態與動態信號的干擾，從而降低檢測精度，不宜用于高精度檢測領域。另外，受制于連續波的形式，該技術的發射信號穿透力較弱，不適用于被掩生命體搜救工作，更適用于干擾較弱的日常或醫療領域非接觸生命檢測系統中[12]。

2.2 脈沖波雷達生命探測技術

脈沖波雷達的發射波為高頻脈沖波，帶寬可達GHz級別，使高精度探測微弱信號成為可能，有利于探測心跳、呼吸等生命信號。此外，因其高頻特性，脈沖波雷達生命探測技術的穿透能力與抗干擾能力較連續波雷達生命探測技術明顯提高，更符合搜救掩埋生命體要求。脈沖波雷達生命探測系統結構與連續波雷達生命探測系統類似，均包括信號發射、接收、處理、顯示4個部分。但由于脈沖信號帶寬很大，從頻域角度對回波信號分析困難較大，所以連續波回波信號處理方法與脈沖波回波信號處理方法不通用。

脈沖波雷達生命探測技術原理如圖4所示。雷達發射系統以周期T發射連續脈沖信號（常見為一階高斯脈沖），當脈沖遇被測物體后產生回波，通過一段時延Δt被接收雷達接收，該時延受信號發射裝置與被測物體之間距離的影響而不同。分析可知，任意時刻t下探測儀和被測物體間的距離d（t）基本由基礎距離d0、心跳影響距離dh、呼吸影響距離dr組成，即

圖4 脈沖波雷達生命探測原理Fig. 4 Life detection principle of pulse wave radar

式中：Ar，Ah分別為人體胸腔因呼吸、心跳引起的幅度變化；fr為人體呼吸頻率；fh為人體心跳頻率。

由式（1）可知：若被測物體為靜止狀態，則Ar和Ah均為0，起作用的僅為基礎距離d0，因此回波時延Δt為一固定數值；若被測物體為運動狀態，則Ar和Ah均不為0，時延根據運動狀態周期性變化。

非理想條件下，脈沖波回波信號為

式中：av為微動目標的衰減系數；i為脈沖序號；s（·）為不同運動狀態目標的回波信號函數；t'為微動信號快時間；τv為微動信號慢時間；N為除人體外動目標總數；aj為第j個動目標回波的衰減系數；τj為第j個動目標回波的慢時間；M為靜目標總數；bk為第k個靜目標回波的衰減系數；τk為第k個靜目標回波的慢時間；n為高斯噪聲。

式（2）中，第1項為人體微動信號的回波，第2項為動目標的回波，第3項為靜目標的回波，第4項為高斯噪聲。根據式（2）可知，回波信號為一串脈沖信號，所以通過對比連續不斷接收到的回波脈沖所探測出的距離之間的相對差值，即可獲得包含生命信息的回波信號。之后對信號進行去噪、分離、提取等操作，即可獲得實際生命體狀態信息。

與連續波雷達生命探測技術相比，脈沖波雷達生命探測技術對硬件要求低，有助于簡化生命探測儀結構，實現系統微型化，且算法精準，可有效提高生命信號定位精度，更適合在搶險救災等復雜環境中應用。

3 UWB雷達生命探測關鍵技術

3.1 探測信號發射技術

無論連續波雷達生命探測技術還是脈沖波雷達生命探測技術，合理選擇載波信號的種類及信號產生技術十分關鍵。

連續波雷達生命探測信號一般為正弦信號，為準確進行生命體定位，大多選用調頻連續波或步進頻率的連續波作為發射波，一般均通過多普勒雷達發射模塊產生。該模塊結構如圖5所示。振蕩器起振后經定向耦合

圖5 多普勒雷達發射模塊結構Fig. 5 Structure of Doppler radar launch module

器、相位調整電路、幅值調整電路對原始信號進行整形與功率放大，生成預期信號波形，并通過發射天線發出進行生命探測。發射的關鍵技術在于波形整形與頻率調整，其直接決定了發射信號的帶寬與幅值。目前該技術相對成熟，基本可保證檢測水平與效果。

脈沖波雷達生命探測信號為脈沖波，包括矩形脈沖、升余弦脈沖、高斯脈沖等。其中一階高斯脈沖直流分量極其微弱，且基本保證能量無損，成為當前研究熱點。脈沖波發射機可分為窄脈沖發生器、功率放大器、發射天線3個部分。窄脈沖發生器用于生成基本的高斯脈沖原始信號；功率放大器用于放大原始發射信號，使其符合實際的穿透特性與衰減要求；發射天線用于提高信號傳播范圍。

脈沖產生方式眾多。早期有基于隧道二極管與基于俘越二極管等方法，但存在脈沖產生不穩定、需要較大的激勵電壓等問題，并不適用于現場生命搜救。目前，用于生命搜救場景的脈沖發生電路多采用雪崩三極管或階躍恢復二極管（Step Recovery Diode，SRD），其具有高速、穩定、價格便宜等優點。

雪崩三極管脈沖發生電路利用雪崩三極管極易進入雪崩擊穿區，從而誘發雪崩效應的特點產生信號脈沖。最常見的誘發雪崩效應的方法：① 在基極和發射極之間增加1個正向觸發脈沖。② 當三極管處于雪崩區且集電極與發射極電壓位于2個臨界點之間時，立即增大基極與發射極之間的電壓，使其超過臨界電壓[15]。為了提高脈沖帶寬，饒俊峰等[16]采用二極管代替傳統多管串聯Marx電路的限流電阻，降低了雪崩三極管電路的能量損耗，提高了充電速度與重復效率；何興坤等[17]提出了一種新型的基于雪崩三極管兩級Marx脈沖產生電路，其具有波形完整無失真、電路結構簡單且易調節、脈沖可達納秒級的特點；M. Rongen等[18]對雪崩三極管的驅動電路進行了改進，通過控制偏置觸發信號提高了脈沖發生的準確度和靈活性。

與雪崩三極管脈沖發生電路相比，SRD脈沖發生電路更易實現且穩定。SRD產生脈沖的原因是其在進行快速關斷時釋放能量，使得負載端產生陡前沿脈沖，其等效電路如圖6所示。

圖6 SRD等效電路Fig. 6 Step recovery diode (SRD) equivalent circuit

為進一步提高SRD脈沖發生電路的發射信號帶寬與穩定性，張巖松等[19]提出了一種基于MOS管和SRD的脈沖發生源，解決了脈沖源難以兼顧脈沖寬度與幅值的問題，使發射脈沖可達皮秒級；王蕾等[20]設計了基于雙SRD的高幅度雙極性窄脈沖發生電路，通過仿真獲得了短脈沖前沿高幅度的脈沖信號；王亞杰等[21]利用類似SRD的漂移階躍恢復二極管（Drift Step Recovery Diodes，DSRD）構建了新型脈沖發生器，并給出了電路中各參數的計算方法，實現了納秒級的脈沖產生。

功率放大器是重要的發射信號處理單元。發射信號高頻雖保證了穿透性，但同時也加快了信號衰減，所以對原始脈沖信號進行功率放大至關重要。UWB信號為功率放大帶來了新的挑戰，以典型的NVA6100芯片為例，其帶寬可達9 GHz，現有的射頻放大芯片很少能滿足其信號放大需求。為解決這一問題，研發了射頻毫米波放大法[22]、功率合成放大法[2]、智能算法功率放大法[23]等。上述方法在解決UWB信號功率放大問題方面各有優勢，但大多處于理論研究階段，實際應用不夠充分。

目前用于UWB雷達生命探測的天線種類有對數周期天線、螺旋天線、漸變槽天線、蝶形天線、非共面扇形天線、雙錐天線、錐形槽天線、陷波可重構天線、單極子天線等。針對生命探測儀發射信號帶寬為固定區間的特點，單極子天線結構因其效果好、結構簡單、成本較低，近年來受到了國內外學者的青睞。張彥婷等[24]針對0.54～10 GHz頻段研制出一種新型UWB單極子天線并進行實驗驗證，結果表明該天線可較好地用于生命救援、探地、損傷檢測等領域。鄭艷[25]研制了一款基于CPW（Cost Per Wear，共面波導）饋電的UWB平面單極子天線，有效擴大了傳統單極子天線的測量范圍，更適用于生命搜救場景。P. P. Shome等[26]基于傳統單極子天線引入可調的陷波功能，通過在開環槽間引入3個變容二極管實現電子控制，將其工作頻帶穩定在1.98～10.54 GHz，提高了天線應用的靈活性。

3.2 回波信號預處理技術

UWB雷達生命探測技術中的回波信號接收與預處理直接決定了后續能否提取出被測生命體的生命體征信息。受環境等外在因素的干擾，回波信號中除含有用信號外，還混雜了噪聲，若直接對回波信號進行分解，計算量大且不易找到最優解，因此需對接收的回波信號進行預處理。

因發射信號不同，連續波雷達生命探測與脈沖波雷達生命探測的回波不同，回波信號預處理方法也不同。連續波雷達生命探測回波信號預處理技術較成熟。針對由10 Hz以內微弱呼吸與心跳信號組成的生命探測信號[27]，一般采用I，Q 2路信號校正，之后采用低通濾波器對校正信號進行初步濾波，完成信號預處理，如圖3所示。

脈沖波雷達生命探測的發射波為脈沖波，回波預處理的目的是最大可能地降低環境雜波、靜止物體、非人體生命體的信號干擾。脈沖波回波具有頻帶寬、頻率高的特點，采用傳統的低通濾波器處理效果不佳，大多采用VMD或VMD與其他智能算法結合的預處理方法。VMD通過將原始信號分解成多個模態函數，根據各模態函數的能量分布進行信號重構，從而抽離出有用信號，達到一定的濾波效果，凸顯回波中生命信號的峰值特征。該算法簡單快速，對非平穩、非線性信號有很好的處理效果，符合脈沖波雷達生命探測回波信號預處理要求。

VMD中分解參數與模態數的確定一直是研究重點。在參數優化方面，唐貴基等[28]采用粒子群優化算法對VMD最佳影響參數進行優化，設定了懲罰參數與分量個數，更有利于對給定信號的處理；劉長良等[29]采用改進奇異值分解算法提取VMD中各模態特征，并通過FCM（Fuzzy C-Means，模糊C均值）算法形成標準聚類中心，采用計算分類系數和平均模糊熵對分類性能進行評價，對雷達回波信號的處理具有一定的借鑒意義；A. Kumar等[30]突破性地提出了基于適應度函數的VMD參數優化方法，可快速利用遺傳算法得到VMD最優參數；黃沁元等[31]提出了一種基于天牛須搜索的VMD參數優化方法，有效解決了VMD參數范圍廣及參數統一預設產生的問題。在模態數確定方面，Wang Ran等[32]提出了一種改進VMD方法，其可根據瞬態曲線自適應確定模態函數的頻率平均值，進而確定模態數；康守強等[33]、馬增強等[34]分別采用奇異值分解構建多特征集的方法和通過峭度準則選取其中峭度最大分量進行Teager能量算子解調方法解決VMD固定模態數的問題，均取得了較好效果。另外，研究人員將VMD與深層雙向長短記憶神經網絡[35]、蝗蟲優化算法[36]、自適應算法[37]等進行融合，有效提高了信號分解性能。

VMD在理論上能較好地完成雷達探測回波信號預處理，但目前專門結合VMD對雷達探測回波處理的應用較為鮮見，仍有很大的研究空間。

3.3 生命信號提取與分析技術

UWB雷達生命探測的最終目的是獲取被測生命體的生命體征信息。對于連續波雷達生命探測技術，回波經預處理后一般采用傅里葉變換即可獲得所需信號。但對于脈沖波雷達生命探測技術，若直接對預處理后的回波信號進行分解很難獲取生命信號，因此可將預處理后的回波信號由慢時間軸轉換到快時間軸上進行分析，從而將獲得的時間信號轉變為距離信號，大大降低信號處理難度，提高信號提取的快速性與準確性。

針對脈沖波雷達生命探測的生命信號提取技術，Li Jing等[38]受連續波雷達探測信號處理方法的啟發，提出了基于FFT和S變換的生命信號檢測與識別方法，實現了生命體精準定位；戴舜等[39]提出了基于PCA-EMD的生命信號檢測方法，根據生命信號與環境雜波的特征，較好地重構了平滑的生命特征曲線，并在高信噪比下將心跳與呼吸信號分離，有利于在實際救援中判斷被測對象狀態；Li Jing等[40]提出了基于HHT（Hilbert-Huang Transform，希爾伯特-黃變換）變換與2-D FFT的生命信號提取算法，并利用Curvelet變化消除環境干擾，實現了生命信號有效提取。

近年來，研究人員對基于EMD及其改進算法的生命信號分離與提取技術給予較大關注。王亮[41]針對心跳與呼吸信號頻率相近、難以區分的問題，采用EEMD（Ensemble EMD，集合經驗模態分解）重構回波信號，并進行自相關運算，得到了呼吸與心跳頻譜，為提取生命信號提供了依據。唐良勇等[42]在EMD基礎上為信號加窗，提出了WA-EMD（Window Average EMD，窗平均經驗模態分解）算法，其較傳統EMD算法具有更好的抗模態混疊和噪聲性能。崔麗輝[43]在EEMD基礎上引入BP神經網絡，改善了重構信號的信噪比。在實際井下塌方救援中，利用EMD對回波信號進行處理可較好地重構目標生命體的呼吸與心跳波形[44]，具有較高應用價值。

此外，研究人員嘗試利用參數估計算法[45]等智能算法提取脈沖波雷達探測回波中的生命信號特征，目前在實驗室階段取得了較好效果。

4 展望

目前，UWB雷達生命探測技術在塌方、礦井爆炸、火災等災害救援領域得到廣泛研究[46-47]，但大多處于實驗室研究階段，實際應用效果有待驗證和提高。因此，對UWB雷達生命探測技術進行以下展望。

1） 生命探測儀收發機硬件性能繼續突破，發射信號帶寬進一步提升，射頻功率放大技術繼續優化，從而使發射信號的穿透力更強，提高穿墻探測距離。隨著硬件技術進一步發展，生命探測儀逐步微型化，續航能力大幅提高，滿足長時間搜救要求。

2） 目前UWB雷達生命探測的目標識別仍存在困難，如：回波中除噪聲外，還存在大量電磁干擾和背景雜波，導致有效信息難以提??；現有分類識別算法的識別精度不理想。對此，需綜合利用多種特征提取方法和智能模式分類方法，更好地實現信號識別。借助人工智能、大數據、云計算等新一代信息技術，提高生命微動信號的提取精確度和生命體征特征的區分度，為建立人體生命體征數據庫提供技術支撐。

3） 探測結果維度進一步提高。研制基于MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）雷達的人體目標辨識與定位裝備，實現一維測距到三維定位的跨越，提高生命探測儀的抗干擾能力和在復雜環境下的適用性和實用性；研制高精度分布式組網全極化UWB雷達生命探測儀，實現同一區域多臺雷達協同探測，提高探測精度和準確率。