生命探测技术研究现状与发展*

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(1.燕山大学 电气工程学院 仪器科学与工程系，河北 秦皇岛 066004；2.秦皇岛视听机械研究所，河北 秦皇岛 066004)

0 引 言

地震、滑坡、泥石流、雪崩等自然灾害已经严重影响和制约了人类社会经济的发展。20世纪以来，全世界已有约500万人死于各种自然灾害，8亿人生活受到影响，人类每年创造的财富约有10 %被各种自然灾害吞噬[1]。每次发生自然灾害后及时对被困人员进行定位和救助是灾后的首要任务。总结世界各国多次强烈地震救援经验表明，生命救活率与幸存者被救援的及时性密切相关，根据有关专家调查统计，震后第一天将被困人员救出，救活率为81 %；第二天救出，救活率为53 %；第三天救出，救活率为36.7 %；第四天救出，救活率为19 %；第五天救出，救活率为7.4 %；之后救活的希望就很小了[2]。上述数据表明，震后72 h是埋在废墟下的幸存者得到救援并得以存活下来的关键时期。但是,由于倒塌建筑物造成的生存空间非常狭小，以至于许多情况下搜救人员和搜救犬都不能进入，使搜索范围限制在倒塌建筑物表面范围，而幸存者则多数被掩埋在废墟之中。生命探测器能够探测到被掩埋在废墟下的幸存者，是地震救援技术中的关键[3]。1985年，美国、英国、法国等国家的救援队在墨西哥地震中首次使用了生命探测仪，发现并救活了许多被困人员。进入21世纪以来，生命搜索定位技术和设备的研发工作引起了许多国家的关注,生命探测技术发展得已经比较完善，主要是根据光波、声波、电磁波等物理学原理，通过专用的传感器将物理信号转换为电信号，再经过滤波放大后输出可视或可听的信号，组成能搜索、探测、寻找生命的仪器设备[4]。

本文对声波振动生命探测器、雷达生命探测器、红外生命探测器以及气体生命探测器几种生命探测器的的探测方法及其特点进行了详细的介绍，并对于其应用现状和发展前景进行了分析。

1 生命探测原理与现状分析

生命探测器探测幸存者是将心跳、脉搏、呼吸等能够代表生命信息的信号转换为其它能量形式进行显示，如声波、电波、红外辐射等[5]。本文分别对声波振动、雷达、红外和气体几种生命探测器的探测原理(如图1)及其现状进行了分析。其中声波振动生命探测器、雷达生命探测器和红外生命探测器是目前技术成熟、应用广泛的几种生命探测器，而气体生命探测器的技术还不成熟，仍处于研发阶段。

图1 生命探测仪原理框图

1.1 声波振动生命探测器

声波振动生命探测器探测生命信息主要是通过探测被困幸存者的呼救、心跳等声音信号对幸存者进行定位。在探测时声音传感器将声音信号转换为电信号，电信号经过前放、陷波、滤波处理后将信号放大送入监视耳机，然后通过营救人员监听被困者发出的各种声音[6]。营救人员通过监听到的被困者发出的声音对被困者进行定位，进而采取相应的营救措施对其进行营救。

声波振动生命探测器起源于法国的一种振动耳机，这种耳机是利用测声定位技术生产，后来英国救援人员在1985年墨西哥地震中应用这种生命探测器进行探测救援，取得了很好的效果。声波振动生命探测器在国内研究起步较晚。在“十五”期间，成都理工大学相关的研究人员成功研制了声波振动生命探测仪，并将其应用在抗震救灾中，并取得了较好的表现。在 2005 年成都市发生的“8.12”楼房垮塌事故中，由于救援人员采用了声波振动生命探测仪，为被压埋人员的搜索定位提供了宝贵的时间，从而及时抢救了许多人的生命[7,8]。

声波振动生命探测器能有效地探测出震后废墟中幸存者的位置，为救援工作提供更多的时间。多道动态显示，实时地监测异常振动信号是声波振动生命探测器的主要特点。声波振动生命探测仪探测幸存者信息可实现快速搜索，而且这种生命探测轻便、价格低廉。

1.2 雷达生命探测仪

雷达生命探测仪是基于多普勒效应的原理制成的。雷达生命探测器探测生命信息时是通过一个发送/接收天线发射电磁信号，信号穿过废墟碎片传播到幸存者所处的位置，将幸存者肢体动作的信息通过相位调制的方式加载在电磁信号上，然后穿透废墟返回地面被天线接收[9～11]。在天线接收到的信号中包含有被困幸存者当时的信息，营救人员通过对其进行分析判断进而得出幸存者的状态，并采取相应的措施对其进行营救。

美国的Georsia技术研究所在雷达式生命探测技术研究方面有较大成果，该研究所首次提出了雷达生命信号监测(radar vital signal monitoring,RVSM)的概念，这对于雷达式生命探测技术的发展具有重要的意义。Georsia研究所前后相继制作出了用于军用的调频雷达和抛物面式天线结构雷达式的生命特征监视仪，前者在1992年就已经作为RVSM装备在战场上使用，用于判定一个受伤军人在陆军医护兵冒生命危险抢救之前是否还是活着的，而后者则在1996年亚特兰大奥运会上被用于研究射击和射箭运动员的呼吸与心跳对射击准确度的影响，这也是RVSM首次引起公众注意[12]。而作为比较，我国在雷达生命探测技术方面的研究起步较晚。在国家重点培养和大力支持下，我国第一部非接触雷达式穿墙生命探测仪在2004年诞生于第四军医大学。在非接触雷达式生命探测技术方面做了相应的研究并取得了不错的成果，还有武警工程学院和西安电子科技大学。在非接触式生命探测技术进行研究并制做出相应的产品的青岛电气有限公司和西安必肯科技发展有限公司为我国在这方面的发展和进步作出了巨大的贡献。2010年4月，由湖南华诺星空电子技术有限公司研发出的警用超宽带雷达式生命探测仪顺利通过国家地震局的测验，并在之后发生的玉树地震中起到了重要作用[13]。

雷达生命探测器的特点：可以穿透数米甚至数十米的石块或混凝土障碍物对废墟下的幸存者进行探测；对于废墟下的幸存者，只要还有呼吸、心跳等能够代表生命信息的生理特征，就可以被探测器探测到，无论幸存者是处于运动状态还是静止状态。但是,外界环境和操作者操作仪器时所带来的背景噪声对检测效果具有一定的影响。

1.3 红外生命探测器

任何物体温度在绝对零度以上时都会产生辐射，人也不例外。经研究表明：正常情况下(人体体温在37℃时)，人体红外辐射能量较集中的中心波长为9.4 μm；人体皮肤的红外辐射范围为3～50 μm，其中，8～14 μm占全部人体辐射能量的46 %，这个波段是设计人体红外探测仪的一个重要技术参数[14]。红外生命探测仪探器探测人的基本原理就是通过探测人体发出的热辐射，并将探测到的热辐射信息以图像的形式显示在屏幕上，为工作者提供被埋在废墟下的幸存者的信息。通过使用这种仪器，使救援人员对被困生命体的精确位置和周围情况一目了然，可在地震发生后的黑暗环境中探测被埋在废墟中的生命，但同时在应用这种仪器探测生命信息时容易受到周围温度的影响[15]。

红外生命探测技术的研究起比较早。美国德克萨兰仪器公司在第二次世界大战过后，经过近一年的探索，首次研发出了应用于军事领域的红外成像装置—红外寻视系统(FLIR)。20世纪60年代早期，瑞典AGA公司研制成功第二代红外成像装置，该装置在红外寻视系统的基础上增加了测温的功能，称之为红外热像仪；几经改进，1988年推出的全功能热像仪，将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体，仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高；2004年，俄罗斯莫斯科同立大学研究成功了一种亚毫米波热成像仪[16]。目前应用较多的红外生命探测仪是美国名为M271328的红外生命探测仪，这种红外生命探测器方便轻巧实用。红外生命探测器不仅可以用来探测震后废墟下幸存者的状况，还可以应用在煤矿的开采方面。在煤矿开采方面可以进行温度的测量煤层在不同温度下的分布情况。

红外生命探测器的主要特点是能够在黑暗的环境中对废墟下的幸存者进行生命探测，而且由于红外生命探测器探测生命采用的是红外成像的方式，能够将被困者的状况进行清晰地显示，这对于生命救援工作具有重大的意义。此外，红外生命探测仪探测生命信息的方式是非接触测量，探测范围最高可达几十米，价格较低，是一种较为理想的地震救援设备。

1.4 气体生命探测器

气体生命探测器是将气体探测技术应用在生命探测方面。地震灾害发生后，被掩埋在废墟下的幸存者所处的空间非常狭小，而且与外界空气之间的流动交换比较慢，造成在该空间内人体新陈代谢释放出来的气体不易散发出去，造成气体在空间内的富集，影响空间内气体浓度的比例。空间内气体浓度的变化与人体的新陈代谢密切相关，因而，通过探测该空间内气体的浓度信息就可以从中推断出在该空间内幸存者的信息。这种生命探测器探测生命信息时是探测气体的浓度信息，并对探测到的信息进行分析判断，就可以得出废墟下幸存者的状况[17,18]。

气体生命探测器集合了气体传感技术和光纤传感技术，是光纤技术在气体探测方面的重要应用。这种生命探测器测量灵敏度高、气体鉴别能力强、响应快,而且对温度、湿度等环境干扰的抵抗能力强[19]。这种生命探测器曾经在汶川地震中的日本救援队中出现过一次，还未广泛应用于震后现场救援工作中。

2 结 论

随着科学技术的发展,每种生命探测器都有了一定的进展，现在生命探测器的发展方向主要体现在探测精度和探测速度的提高以及探测设备的可操作性和便携性这几方面，而对于不同种类的生命探测器也是各不相同的。到目前为止，声波振动生命探测器和雷达生命探测器以及红外生命探测器的发展已经比较成熟，而且已经广泛应用在灾后现场的救援之中。声波振动生命探测器缺点主要体现在信号经由废墟传播到地面上的时候会有很大的衰减，严重影响探测的灵敏度，而且救援现场中大量噪声信号的干扰也会对探测的准确性造成很大的影响。因此，声波振动生命探测器的发展方向主要体现在不断提高探测的灵敏性和准确性这2方面。雷达生命探测器的发展方向也是体现在2方面：一方面在硬件方面,即要不断缩小探测仪器的体积以提高设备的便携性；另一方面，要对探测方法不断进行改进，从而能够对幸存者进行更准确的定位并识别出在废墟下幸存者的具体人数，为救援工作提供帮助。红外生命探测器的技术比较成熟，其缺点主要体现在应用设备进行探测时需要探测人员佩戴笨重的探测设备，身上负重大，不利于行动，因此，研发一种适用于红外生命探测器的机器人对于红外生命探测器的发展具有很大的帮助。气体生命探测器可以说是一种新型的生命探测器，到目前为止气体生命探测器的成品还不是很多。虽然这种生命探测器发展的比较缓慢，但是,这种生命探测器具有很好的发展前景。气体生命探测器的发展主要依赖于气体探测技术的发展，但是,它的发展又比气体探测的发展更广阔。气体探测器的探测精度与光源的选取密切相关，除了探测仪器的可靠性、实用性和便携性以外，光源是气体生命探测器发展突破的重要因素。

随着科学研究水平的不断提高，将会有更先进的生命探测技术问世，现有的生命探测技术也将日臻完善，在更多的领域得到应用和发展。

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