消防救援工作中的新型雷达生命探测仪研究

胡庚松，张骥，尹蔺娜，施佳佳

（1.南通市消防救援支队，江苏 南通 226000；2.南通大学，江苏 南通 226019）

0 引言

雷达生命探测仪可以搜索扫描区域内救援目标的呼吸和心跳[1]，其发射的电磁波可以穿透建筑物，大火，烟雾等障碍物，大幅度提高搜救的速度与精确度，也使得参与救难的消防员等的人身安全得到了的保障。其基本原理是人类存在呼吸与心跳等两种基本生命体特征，其信号的频率、幅度和波形存在一定的特点。通过对目标区域发射电磁波并对采集的雷达信号检波、滤波、变换与特征提取，可以提取微弱的生命特征信号并判断位置，便于及时发现救援目标，提高救援成功率[2]。

目前雷达生命探测仪可以分为成像雷达与非成像雷达[3]。成像雷达一般具有较高的目标特征分辨率，从而通过信号处理算法将扫描的目标特征在配备的显示设备中重现出来。由于雷达能分辨的最小目标尺寸需大于雷达发射波形的波长，雷达分辨微小物体的能力越高，需要的电磁波频率越高，电磁波的穿透能力越弱，因此成像雷达一般选择在较高频段，如毫米波段等，具备相对较弱的穿墙能力与比较全面的目标信号检测能力。非成像雷达关注于目标的搜索，忽略目标的其他特征，将人体目标从杂波中分离，将目标的位置在终端中显示，因此一般工作降低的频率，具有好的穿透能力，空间分辨率相对较弱。

1 雷达生命探测仪基本原理

实际救援过程中，呼吸和心跳信号通常都是极其微弱的，呼吸引起的胸腔运动幅度的范围为1-30毫米，心跳引起的胸腔运动幅度范围为0.1-10毫米[4]。呼吸和心跳的速度都很低，呼吸运动的频率一般在0.1-1Hz；心跳的频率一般则是在1-2Hz。此外，不同频率和幅度的信号会叠加，形成不同频率和幅度的混合波形，同时生成高频谐波。波形函数可以采用如下方程表示：

其中，a i是第i个谐波分量的幅度值；iω为第i个谐波分量的频率，i为第i个谐波分量的初始相位。雷达发射的信号可以表示为：

其中，f(t)是雷达在t时刻发射信号的频率， (t) 为相位噪声。假设οd为雷达与目标之间的距离，当目标与雷达之间存在相对运动时，例如呼吸与心跳引起的胸腔运动，会导致目标信号产生多普勒频移，t时刻目标和雷达之间的距离可表示为：

其中，x(t)为公式(1)中胸腔运动产生的位移。此时，接收信号的表达式为：

将接收的信号转为基带信号，通过高速数据采集仪器正交采样接收信号，提取信号的时间延迟、相位特征与多普勒频移，通过信号处理算法可以分析位置，从而在终端中显示出来。

2 雷达生命探测仪测试

消防救援支队工作主要面对火灾环境下的救助，其工作环境主要有以下特点：①主要穿透火焰、烟雾等动态障碍物，相对于地震救灾的静止环境，干扰来源众多；②生命探测仪主要靠消防员携带，设备体积要求较小，重量要求较轻；③火灾环境下，救助时间非常关键，校准时间要求短；④不同于以往固定于地面的生面探测仪，如果随身携带，消防员自身的心跳与呼吸对仪器进行干扰。本文首先针对已有雷达生命探测仪在模拟火灾环境中进行了测试[5]。

目前南通市消防支队已装备一台救灾专用的雷达生命探测仪。一台为加拿大Sensor&Software公司生产Rescue Radar II（救援者），其中心频率为500MHz，探测距离可根据需要设置为2.4，6，8和10米；扫描时长可设置为15,30,50,120,180,300秒，体积为530*325*325mm，重量为7.71kg（不含电池）11kg（含电池）。另一台为北京朗森基科技发展有限公司（LSJ-006P雷达生命探测仪），其工作频率为100-2500MHz，定位精度为10厘米，探测距离为6-30米，探测距离可选，扫描时长为10秒-180秒可选，作用距离为运动目标20米，静止目标15米，体积为452*450*311毫米，重量为8.9千克（含电池）。

目前雷达生命探测仪能达到基本的检测目标，但在实际的应用推广中仍存在一些缺点，如价格较贵，设备体积大，重量重，不便于携带，且每次使用需要校正，校正时间过长，一旦设备移动位置，需要重新校正。此类救援设备适合地震等环境，但是并不适合消防救援支队的日常工作。根据模拟消防救援活动场景，本项目对雷达生命探测仪进行了测试，具体结果如表1。

表1 雷达测试性能总结

3 新型雷达生命探测仪

3.1 雷达系统结构

新型雷达生命探测系统由控制系统，基带信号处理系统以及天线系统组成。控制系统采用FGPA控制板控制信号的发生与接收，硬件测试的第一阶段将采集的数据接收至电脑处理，算法成熟后对采集的数据在FPGA系统中直接处理，为了提高系统的处理速度，通过对DSP芯片的编程，加快信号的检测能力。控制模块将分析处理的信号通过无线模块传输倒终端，将目标的位置与具体直观显示，便于救援人员设计救援方案[6]。基带信号处理模块通过正交采样对接收的信号采集，实现信号的放大，滤波，移相等功能。天线模块由一路发射机天线和两路接收机天线组成，实现信号的发射与回波的接收等功能，由于生命信号非常的微弱，天线采用定向高功率喇叭天线。为了实际工作雷达生命探测仪移动的需求，系统采用电池供电，提供稳定、低杂波的电源。系统框图如图1。

图1 系统硬件框图

3.2 雷达关键技术

基于新型的生命探测技术需要对雷达信号进行调制，对信号的发射端与接收端进行设计，其关键技术主要体现在以下方面：①波形设计：雷达生命探测仪的工作环境复杂，对接收波形具有较强的干扰，引起的波形的畸变对整个系统检测性能的影响很大。②信道设计：为了保持信号信噪比的基础上提高目标检测的分辨率，使得系统能量分散在多条路径上，信号在消防救援传播过程中，选择性衰落比较严重，接收机的性能会受到很大影响。③天线设计：消防救援工作环境要求雷达生命探测仪的天线具有简单的结构，能方便地与其他设备集成，由于采用了超宽带天线，使得天线的设计应该满足发射信号在足够大的频带范围内有着恒定的幅度谱、线性的相位谱。此外，考虑系统体积的原因，在容纳对天线的同时保持系统的体积缩小，增加雷达生命探测仪的便携性，对天线的设计工作提出了很高的要求[7]。

3.3 雷达性能指标

穿透性：电磁波可穿透建筑物，主要包括钢筋混凝土墙等，在开放空间侦测距离可达30米；水平侦测角度范围：120度，左右各60度；水平侦测角度分辨率：5度。

4 结语

综上所述，雷达生命探测仪具有穿透障碍物检测生命目标的功能，可以提高消防救援活动的效率与成功率。本文首先介绍雷达生命探测仪的原理，分析比较南通市消防救援支队已具有的两台雷达生命探测仪的性能，针对消防救援工作实际特点，提出新型雷达生命探测仪，采用基于超宽带技术多天线技术，针对雷达的工作环境，分别在波形设计，信道设计与天线设计进行了改进，新型雷达生命探测仪可以提高检测精度与效率，为消防救援工作节约宝贵的时间，具有较高的实际应用价值。