生命探测技术的原理及现状.doc

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生命探测技术的原理及现状

从上个世纪开始，陆续有国家开始进行生命探测技术的研究。

一般说来，生命探测仪是根据电磁波、声波、光波等物理学原理，通过专用的传感器将物理信号转换电信号，再经过过滤放大后，输出可视或可听信号，组成的能搜索、探测、寻找生命的仪器设备[1]。

生命探测仪按探测功能分类，可分为直接生命探测仪、间接生命探测仪；按探测方法分类可分为有源生命探测仪、无源生命探测仪；按探测环境分为陆地探测、水下探测生命探测仪等。

在探测仪研究方面，美国与德国的起步较早，发展较为全面和系统。

日本岛国因为是地震灾害的多发国，其针对地震救援的探测技术发展较为迅速。

俄罗斯的技术也较为先进。

我国从2000年后才逐步加大了这个方面的研究，目前也只是处于起步阶段。

1音、视频生命探测仪

音频生命探测仪应用了音频声波的基本原理。

被困者呻吟、呼喊、爬动、敲打等发出音频声波或震动波，被高敏感度的传感器探头接收、过滤、放大，可以直接被救援者收听[2][3]。

音频生命探测仪现已发展到第四代产品。

世界上已有美国、英国、法国、日本、新加坡、以色列等10多个国家的消防救援人员，正在使用音频生命探测器寻找被困的生命。

如美国的80M287612迷你型音频生命探测仪，探测频率为1~3000Hz，可同时接收2个传感器信息，同时波谱显示两个传感器信息，并且配备了小型对讲机，能与被困者直接对话。

在市场上较多使用的是法国产的音频生命探测仪。

如图1.1所示，该仪器通过两个极灵敏的音频震动探测仪，能够识别在空气或固体中传播的微小震动，适合搜寻被困在混凝土、瓦砾或者其他固体下的幸存者，并可通过音频传输系统与被掩埋的人员建立联系。

仪器使用两个音频滤波器，可以将周围的背景噪音做过滤处理，能够有效屏蔽来自救援现场的重型卡车或者其他重型机械所产生的噪音。

由于音频生命探测仪是一种被动接收音频声波的仪器，因此，该类型探测仪存在一定的局限性，容易受到现场噪音的影响，探测速度较慢。

视频生命探测主要是利用摄像头进行可视性探测，可简单地理解为“胃镜”，通过探头伸入灾害现场细小缝隙，可以直观地发现被困人员[1]。

由于成像单元的像素高低、探头的直径大小、探杆长度、探头能否转动的不同，适用的范围不一样，价格也不一样。

救援所用的视频类生命探测仪，大都是法国产全视视频生命探测仪。

该探测仪坚固轻便，非常合适倒塌建筑物或狭窄空间的救援搜寻作业。

仪器通过高清晰视频信号，向救援人员提供废墟下被困者信息。

其灵敏的0.1LUX专业摄像头，可在完全黑暗的环境下迅速捕捉2m远的清晰画面，镜头可360度旋转。

仪器配有三方通话系统，可通过翻译人员有效安抚被困者。

我国在音视频结合方面起步晚，但善于学习外国先进技术，其自主研发的DVL-360全角度音视频生命探测器，性能也比较好，价格要比国外产品便宜，实物如图1.2所示。

DVL-360全角度音视频生命探测仪外观小巧、适合在倒塌建筑物或狭窄空间的救援搜寻作业。

探测仪通过高清晰视频和音频信号，探听到废墟下的受害者信息，并建立视听联系。

使用方便，直观。

音频探测使用高灵敏度音频采集系统，探测范围12m2。

视频探测范围在全黑暗条件下，探头可360o旋转。

该仪器充电电池可连续使用4小时以上。

视频生命探测仪必须要求现场有或大或小的孔洞、裂缝等，才能将探头伸入观察到内部的情况，光纤探头容易被泥土等污染而造成图像不清，因此在使用中也受到一定的限制。

视频生命探测仪多与音频生命探测制成一体，综合使用，效率比较差，一般只用于确定已发现幸存者的具体位置情况。

2红外生命探测仪

红外生命探测仪能经受住救援现场的恶劣条件，探测出遇难者身体的热量，利用红外探测器、光学成像物镜将红外辐射能转换成电信号，经处理后通过电视屏或监测器显示红外热像图，从而帮助救援队员很快确定被埋在废墟底下或隐藏在尘雾后面的遇难者的位置,有“天使的眼睛”之称[4]。

目前红外生命探测仪的技术比较成熟，价格也相对较低，良好的性价比促使它普遍装备于各国的抢险救援部门，应用广泛。

第二次世界大战后，美国德克萨兰仪器公司经过近一年的探索，开发研制了第一代用于军事领域的红外成像装置，称之为红外寻视系统（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[3]。

亚毫米波仍属于热波，但性能独特，可以穿透普通红外线所不能穿透的墙壁等障碍物，该系统利用照相平板印刷技术将普通的半导体材料做成饼状分层结构。

如此设计可俘获障碍物后目标发出的亚毫米波，从而进一步转换成图像。

现阶段使用的红外生命探测仪，有美国的M271328红外生命探测仪，方便轻巧实用。

既可寻找受伤矿工，又可寻找遇难者，同时由于可远距离精确测温，可直观显示煤层表面温度区域分布。

屏幕上完整的数字罗盘显示了可视方向，以便于精确定位遇难者的位置，进行快速营救。

36度的视角，不仅可以在安全距离外对废墟进行快速扫描，也可以在室内进行有效搜索。

我国自行设计生产的红外生命探测仪为防爆型s-y-250。

红外探测对于监控煤矿局部温度和矿难营救中作用很大，在黑暗中可以正常使用。

s-y-250探测仪是集红外物理学、红外光电子技术、图像处理技术、微型计算机技术及煤矿防爆技术为一体的高性能生命检测仪器。

主要用于检测煤矿井下隐形火区分布，非接触检测井下各种开关接头的事故隐患。

该仪器能够自动捕捉屏幕显示的最高温度和最低温度，带有半透明菜单显示功能，操作者可以在分析模式下观测整个红外热图。

仪器前端装有激光定位器，该装置能够比较精确地测定观测目标的具体位置。

3气敏生命探测仪

根据人类呼出二氧化碳的原理，当搜索现场一定空间内的气体浓度上升到1100ppm以上时，气敏生命探测仪就可以探测到人或者动物的存在信号。

该探测仪适合于地下室，货柜，密闭空间等地方，无须开掘地下或者打开货柜，门窗等方法，就可以进行生命目标的搜寻，操作简便，维修方便。

探测仪使用了碱性AA电池，成本低，电池工作时间长达12小时。

在汶川地震期间，日本派到我国的救援队中就携带了一种这样的仪器。

4超低频电磁生命探测仪

超低频电磁生命探测仪，利用人体心肌跳动产生的超低频电磁能，来进行生命探测[5]。

该生命探测系统，采用被动工作方式，工作时不发出声音，不仅不会被对方发现，而且还可以穿过金属、墙壁和深水等确定人的准确位置。

系统中的偏振滤波器可以滤掉到达这种装置的其他杂乱信号，能有效区分人和其他动物所产生的超低频信号[3]。

美国的DKL生命探测仪，结合尖端的生化、介电质、超低频传导及DNA技术研发而成。

心脏的每次跳动产生一个微弱的电场信号，这些信号构成了在人体周围360度扩展的超低频非均匀电场。

人体的每一个部分都对该电场产生影响，但心脏周围的电场行为是主要的电场产生地。

该探测器的滤波电路允许只有人体非均匀电场才能对生命探测器中的特殊电介质材料进行极化。

当生命探测仪穿过人体电场时，电介质材料被极化，正电荷和负电荷分离，并且分别被收集到设备的两端。

生命探测天线就指向非均匀电场的最强部分。

DKL配备特殊电波过滤器，可将其他异于人类的动物频率加以过滤去除，使DKL生命探测器只会感应到人类所发出的频率。

该探测器侦测距离开放空间可达500m，水面达1km以上。

5静电场生命探测仪

美军为特种部队研制的静电场隔墙探测仪，利用人体能够产生静电场以及两个极性相反的静电场之间存在吸引力原理设计而成。

这种仪器在风速小于9s/m时可以正常使用，能够探测到120~140m距离内墙后的目标。

该系统重0.45kg，用9v电池供电，可使用3~4天。

探测仪主要由一个模块化的天线阵列构成，其中包括角反射器、引向器和放大器。

使用时，只需手持该装备指向可疑方向，或对四周进行扫描，当扫描到人体信号时，探测仪的静电场与人体的静电场产生引力，将天线拉向静电场最强的方向，这个方向就是敌人隐藏的方向。

试验表明，该系统的探测距离与遮蔽物性质和操作手的变动有关。

实验结果显示，当被探测人员在遮蔽物如墙壁后面时，探测距离仅比无遮蔽物时降低10%~20%。

但是，由于操作方向的不同，以及每个人的静电场不同，探测效果的差距比较大。

6雷达波生命探测仪

6.1雷达波生命探测仪特点

雷达生命探测仪是目前世界上较先进的生命探测仪器，它主动式的探测方式使其不易受到温度、湿度、噪音、现场地形等不利因素的影响，电磁信号的连续发射机制更增加了它区域性侦测的功能。

相对其他类型的探测仪，雷达生命探测仪具有自己独特的特点：

1．即时移动侦测，可以透过混凝土，砖，雪，冰和泥浆。

2．可以侦测运动。

3．可侦测遇险者的距离。

4．在各种气候情况下都可以工作。

5．对供电能源要求低，几乎不需要进行系统维护。

6．固件程序可以通过无线或有线网络进行升级。

7．不需要钻孔，布置电缆和对环境进行静音处理，使搜救工作变得简单易行。

现阶段的雷达生命探测仪器发展并不完善，很多关键技术处理存在诸多问题，目前雷达生命探测仪价钱都比较昂贵，在数十万左右。

6.2国外研究现状

上个世纪80年代后期，美国、德国的研究人员开始进行雷达生命探测的研究。

抛物面天线结构的检测系统在亚特兰大奥运会用于研究步枪和射箭运动员呼吸与心跳对射击准确度的影响。

该系统可在10米外监测运动员的心跳。

90年代后期，为满足执法需求，美国开始研制一种手电筒式雷达生命探测仪[7]。

手电筒式雷达可以探测出隐蔽在水泥墙、木墙和钢门后面的人。

手电筒式雷达系统将多普勒雷达技术与高速信号处理技术相结合，使用快速傅立叶变换和频率响应曲线很陡的滤波功能，从杂乱的回波信号中提取出人体所特有的信号。

该系统使用一种市场上可买到的天线作为微波透镜，将输出波束聚集在15~20度的扇形区内。

手电筒式雷达用来探测由于心跳或呼吸而产生的人胸部的微小运动，该系统的信号处理器主要起低通滤波器的作用，它使预置最高心跳频率以上的频率不能通过，因此，人体很微弱的运动都能被探测到。

在雷达生命探测仪上取得比较大的成果的是美国的Michigan州立大学[8]。

他们在波段10GHz，L波段2GHz和1.15GHz，UHP波段450MHz进行了探测人体呼吸和心跳运动的研究，取得了一些比较有价值的成果。

在x波段载频10GHz的生命探测系统，天线的发射功率为4.5mW时，可发现自由空间内30.48米外人在睡觉姿态的呼吸和心跳信号。

当发射功率提高到20mW时，可以穿透25cm的水泥墙，探测到坐在凳子上人的心跳和呼吸信号。

目前使用较多的美国产品为莱福雷达生命探测仪[6]。

莱福探测仪可帮助消防抢险救援人员30秒发现目标，2分钟确认被困人员。

整套装置由雷达信号发射器和电脑组成。

雷达发射器利用超宽带传输技术发射雷达波，并将信号处理后以无线方式发射给电脑。

电脑内嵌入数百种人呼吸时胸部动态数据信号，将收到的进行信号杂波处理、波形比对后，直接给出有无生命迹象的标志。

该探测仪特点：

无探针、无线缆、体积小、重量轻、现场安装方便、操作简单、定位精确、坚固耐用、具有防水功能，可在雨天操作。

6.3国内研究现状

我国针对雷达波生命探测技术的研究起步较晚，1998年，第四军医大学生物医学工程系研究小组开始对这一个课题进行研究。

2003年第四军医大学该课题组研制了S2000-I型伤员探测装备样机，并借助毫米波与分米波两套雷达系统实验平台，利用基于FFT频域积累的检测方法，设计了一套伤员探测生命体识别系统。

但其识别准确率随着信噪比的降低而下降，需要通过先进的信号处理技术来提高整个系统的性能[9]。

2005年2月，青岛瑞普生命探测雷达通过新产品鉴定，该产品神犬-I型采用了很多新技术。

2005年我国研制出首台警用隔墙探人雷达，2006年研制出用于搜救的超宽带生命探测雷达，这使得我国成为继美国之后，具有自主知识产权、可自主研制该类生命探测仪的国家之一。

我国自主研发的必肯科技SJ-3000雷达生命探测仪，由第四军医大学和西安必肯科技合作研制，其性能已达国际领先水平。

该探测仪利用超宽带雷达技术和生物医学工程技术研制.

SJ-3000搜救雷达由搜救雷达主机、显示控制器以及支撑配件等组成，主要完成电磁波的发射和接收，对接收的信号进行前期处理，以及探测数据的通讯等。

SJ-3000搜救雷达体积小，重量轻，结构简单，具有以下主要功能：

1．强大的穿透能力。

可穿透砖墙、废墟，包括穿透多层钢筋混凝土废墟等。

2．灵活的使用方式。

使用时，不受地理条件的限制，可以灵活运用，可直接放置在废墟上或用支架靠到墙壁上，也可悬挂起来，对各个方位进行探测。