基于软件无线电的灾害救援生命探测方法研究

郭栋，郭勇

（成都理工大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610059）

科学工作者很早就在进行电磁探测方法的研究，但电磁探测方法主要问题是探测深度与电磁波工作频点的矛盾，即高频工作频率有较高的分辨率，但衰减快，探测深度较小；低频工作频率具有较大的探测深度，但分辨率不高[4]。同时又由于在灾害救援现场中，会出现由于大量的使用无线通信设备，造成频段之间的干扰，这样将会得到错误的探测信息。能否利用软件无线电的多频带/多模式/多功能工作等特点，利用不同工作点频率对目标物体进行探测，从而得到在同一种介质下不同频率衰减系数，反之可以通过改变探测物体的深度，随时调整探测天线工作频率，由此能够得到关于目标物体的多种信息。通过这样的方式，对于能够及时、准确的掌握被困人员被困信息，同时也充分利用了软件无线电的多频带/多模式/多功能工作等特点，减少了由于灾害救援中的生命探测对无线通信的影响。

1 生命探测方法概述

利用发射的电磁波（主要为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫）以宽频带短脉冲形式由发射天线将电磁波送入被测的地表，经目标发射后被接收天线接收[2]。电磁波在介质中传播时，其路径随电磁场强度与波形将随所通过介质的电特性与几何形态的变化而变化。根据接收到得波的传播时间，幅度与波形等资料，可以推断介质的结构[3]。因此，当在一个时间段内，通过改变软件无线电的不同的频率工作点就能得到同一种介质在不同频率下的不同的信息，这样能有效的提高对被困人员的探测信息的拾取。

2 生命探测方法原理

由发射天线T将电磁波送入被测物体，经地层或目的体反射后传播到接收天线R接收，如图1所示电磁波在介质中传播时，其路径电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质与几何形态的变化而变化。因此，根据接收到的波的旅行时间（亦称双程走时）幅度与波形等信息，可以推断介质的结构。

图1 生命探测方法原理示意图Fig.1 Life detection schematic

电磁脉冲波行程需时（双程走时）为:

式中，z为反射体的深度；x为两个天线之间的间距；v为介质的电磁波速。通过式（1）可以确定反射体的深度。

介质的电磁波速可通过共中心点（CMP）测量得到，也可由下式求得:

式中，εr为介质的相对介电常数，μ为介质的导磁系数；σ为介质的电导率；ω为介质的角频率。

对于介质，由于 σ/ωεr=1，故式（2）可简化为：

式中，c为光速介质的相对介电常数可利用参考数据或通过测定得到。

因此，根据式（1）～式（3）可以确定介质的电磁波速，再根据探测记录的精确时间t（ns），即可由式（1）确定被测物体的深度电磁波在介质中的传播时，其路径电磁场强度和波形将随所穿过介质的电性质及几何形态的变化而改变，所以根据记录到电磁波的双程走时波幅及波形等参数数据，即可分析确定被测物体的几何形态及结构特征。

根据速度在介质中的衰减率计算公式，由此可以建立衰减率（R）和探测天线工作频率之间（F）的关系：

其中K为比例系数与F和R无关，C为常数。

上面的公式（4）是在一种探测频率下的方程，当利用软件无线电的多频带（跳频技术）和实际精度的需要可以建立以下矩阵方程组：

通过对（5）的计算，可以得到F与R的二维平面的对应关系。

随着上图1中发射天线随时间（T）的变化，用能建立出F-R-T三维空间的数学模型，通过三维成像技术的方法，就能更加直接的反映出被困人员的位置。

3 生命探测系统总体设计

总体的设计分以下两个单元，一个是探测单元；一个是处理和实现单元。

3.1 探测单元

探测单元的总体设计如图2所示[1，5]。

图2 探测单元总体设计图Fig.2 Entire design scheme of the detection unit

图2中的探测单元总体设计图，就很好的说明了原理的思想由基于软件无线电模型的模拟部分为基础。

天线：用于接收和发射适当频率的电磁波。

低噪声放大器：对接收信号电磁波信号，进行放大和高频滤波。

混频和模数转换：对高频信号进行混频和AD转换，从而使模拟信号变为数字信号，以便于信号的处理分析。

混频和数模转换：通过D/A转换，发射适当频率的电磁波，经过混频以便于有更好的发射效率。

带通滤波放大器：用于发送信号发射。

3.2 处理和实现单元

处理和实现单元的总体设计如图3所示。

图3 处理和实现单元总体设计图Fig.3 Entire design scheme of the ptocessing and realization units

处理器：使用适合的高速处理器，以保证前端数据的接收和实时处理。

存储设备：用于存储关键剖面的图形和图像数据，同时可以在不正常断电的情况下备份关键的信息和数据。

显示设备：用于显示相关的图像和图形信息。

输入设备：用于输入参数等信息，或调整相关的图形、图像的显示姿态。

3.3 两个单元的互联

探测单元和处理和实现单元的互联设计如图4所示[6]。

图4 两个单元的互联示意图Fig.4 Interconnection schematic of the two units

探测部分采用无线的方式互联，以减少以往设备的冗余、沉重，通过适合的通信协议方式，使得各个探测部分与处理和显示部分之间快速的进行信息传输。

4 结 论

文中充分利用软件无线电的多频带的特点，针对灾害救援中的生命探测问题，提出一种新的构想。本文建立了基于软件无线电技术的灾害救援中生命探测方法的基础数学模型和理论模型，为软件无线电技术在灾害救援领域的实际应用提供有意义的指导，同时也为灾害救援中生命探测方法提出了一个新的思路。

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