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    我科学家对雷达式生命探测技术的研究达到国际先进水平——在汶川大地震伤员搜寻中,为成功营救曲山小学5位幸存者发挥了举足轻重的作用

    日期 2008-07-03   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

      本文提要:“生命探测技术”在应急救援、反恐、军事等领域有广泛的应用前景。雷达式生命探测技术因其具有非接触、穿透力强、能精确定位探测的特点,使其成为目前最具活力和潜力的生命探测技术之一。从1998年起,在国家自然科学基金、国防基金等项目资助下,第四军医大学王健琪教授带领的研究小组对这一课题在我国率先开展系统研究。2004年,研制出我国首台线性连续波(LCW )“雷达式生命探测仪”, 通过了军队科技成果鉴定,填补了我国一项空白;2005年研制出我国首台警用“隔墙探人雷达”,通过了公安部科技成果鉴定;2006年研制成功用于搜救的超宽谱(UWB) “生命探测雷达”,通过了国家消防装备质量监督检验中心的检测,使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,该仪器在2008汶川大地震伤员搜寻中显示出良好的救援效果。该项研究成果的取得,打破了我国“生命探测” 装备长期依赖进口,完全受制于人的局面,有助于提高我国应急救援能力,为国家安全提供有效的技术支撑。

      “生命探测技术”是用来探测人类生命体、并确定其状态的技术,一般要求能够穿透遮挡物,能够探测人类生命特征;该技术在应急救援、反恐、军事等领域有广泛的应用前景。目前国际上“生命探测技术”按探测原理主要可分为:音频探测、视频探测、雷达式探测等。音频探测:主要是通过传感器获取存活者的呼救声波或废墟中的震动(如存活者的挣扎、敲击等)信号,来达到探测生命的目的。其局限性在于易受环境和噪音的干扰,特别是当幸存者无力呼救和挣扎时,该类探测仪将可能失效。视频探测:主要是利用可见光或非可见光(如红外光),通过CCD传感器获取影像再传送到显示终端;使用中需要将光学探头及线缆穿过孔隙来获取探测区域的视频信号。上述两类探测技术相对成熟,在使用中也存在一定的局限性,为此人们追求更先进、更有效的探测方法,从而催生了雷达式生命探测技术。雷达式探测:主要是由雷达天线定向发射可穿透非金属遮挡物(废墟、砖混结构墙体等等)的电磁波,该电磁波遇到人体后,有关表征人体生命活动的呼吸甚至心跳等微动被调制到反射的电磁波上,并被接收器接收;对接收器接收的回波,经过先进的信号处理,提取出生命信息,达到探测生命目的。该类探测仪不需要与物体接触,也不需要打凿孔洞、裂隙,可在被各种非金属物质隔离覆盖的情况下探测到生命体。与基于红外、光学及超声的探测技术相比,雷达式生命探测技术因其具有非接触、穿透力强、能精确定位探测的特点,使其成为目前最具活力和潜力的生命探测技术。

      目前,雷达式生命探测技术研究主要集中在美、中、俄、德等国家。起步约在80年代中后期;当时,美国以战场伤员生命探测为应用背景进行了大量的研究,随后逐步扩展到伤员搜寻、反恐、医学诊断和监护等应用领域。前期研究主要以线性连续波(LCW)雷达作为平台,但由于其缺少目标距离信息,使其应用面受限。随着技术的发展,特别是功率脉冲器件的突破,国际上近期的研究主要以超宽谱(UWB)雷达作为平台,其强的穿透能力和高的距离分辨率,使这种技术更适合于应急搜救。由于该技术具有特殊的应用前景,主要表现在:可快速寻找埋藏在废墟、坑道、雪地里的伤员;可用于战场对隐蔽人员的侦察;可对炸伤、烧伤等不宜采用接触检测方式的伤员进行监护;在国家安全方面可用于对恐怖分子、罪犯进行隔墙监测。而这些领域大多都关乎国家安全,所以其中一些关键技术受到各国的严格保密。

      为了打破国外的技术壁垒,同时也为了满足国家和国防的应用需求,在国家自然科学基金,国防基金等的资助下,第四军医大学生物医学工程系王健琪教授带领的研究小组从1998年起,针对这一课题在我国率先开展了系统研究。经过长达十年的不懈努力,研究了不同频段的雷达波信号在有耗分层媒质中近端传输特性,分别研究了LCW(毫米波、厘米波、分米波)、UWB(超宽带)雷达式生命探测系统;提出了采用零中频相干解调有利于生命信息的检测,采用平衡相干检波技术有利于提高检测灵敏度等系统设计原则。针对强杂波信号和动目标干扰的抑制这一关键问题,提出了间歇式、最短延时凹点定位杂波对消技术,有效的抑制了强杂波,解决了雷达式生命探测中的一个技术难题;提出了跟踪干扰谱峰的二次滤波算法,在一次滤除呼吸信号频带外干扰信号基础上,运用一种谱峰跟踪算法,追踪带内干扰信号谱峰,并二次滤除干扰信号,较好的抑制了动目标干扰;雷达回波中微弱生命参数信号的提取和分析是一个难点。研究组针对探测到的人体呼吸、心跳等生命参数信号具有窄带、准周期、信噪比低的特点,提出了一种频域积累方法,借助快速傅里叶变换将信号由时域转换到频域后进行积累,避免了时域积累所需的周期对准,有效的提高了信噪比;还提出了一种在时频两域多阈值、多参数融合的生命体判别方法,较好的解决了微弱生命信号提取和生命特征自动判别问题。

      研究组在多年不懈的研究基础上,于2004年研制出我国首台LCW “雷达式生命探测仪”,通过了军队科技成果鉴定;该仪器在自由空间的探测距离达50米,可穿透2.3米厚度的砖墙探测到人的呼吸。专家组认为该项成果整体研究水平居国内领先、国际先进,填补了我国一项空白,中央电视台新闻联播等栏目进行了报道。2005年研制出我国首台警用“隔墙探人雷达”,通过了公安部科技成果鉴定;2006年研制成功用于搜救的UWB“雷达式生命探测仪”,通过了国家消防装备质量监督检验中心的检测,该仪器穿透废墟深度可达9米,可探测静止人员的呼吸,并能给出目标距离信息;作为中国应急救援队使用的搜救设备,参加了2006亚太地区地震搜救演练,使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。该仪器在2008汶川大地震伤员搜寻中,为成功营救曲山小学5位幸存者发挥了举足轻重的作用,初步显示良好的救援效果。上述研究成果,打破了我国“生命探测” 装备长期依赖进口,完全受制于人的局面,使国外同类仪器在国内售价由每台人民币300-500万降到50-70万元。

      在国家自然科学基金、国防基金等项目资助下,目前我国雷达式生命探测技术研究基本达到了国际先进水平。随着应用推广与研究深入,将进一步提升我国生命探测技术研究的整体水平,这对提高我国应急救援能力、为国家安全提供有效的技术支撑具有重要意义。




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