超寬帶雷達(dá)生命探測技術(shù)研究

趙尤信， 姚海飛，2， 李佳慧， 彭然， 李璕

（1. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦山智能通風(fēng)事業(yè)部，北京 100013；2. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；3. 華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河北 廊坊 065201）

0 引言

地震、塌方、礦難等災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致人員被困傷亡。災(zāi)后72 h是受困幸存者的黃金救援時(shí)間，但受困幸存者多被巖石、磚塊等掩埋較深，且活動(dòng)空間狹小，導(dǎo)致搜救人員難以準(zhǔn)確、及時(shí)地對(duì)其展開救援，因此，對(duì)生命探測技術(shù)的研究意義重大[1]。生命探測方法眾多，根據(jù)紅外溫度特征、聲音探測等原理可設(shè)計(jì)生命探測裝置，但大多存在探測精度低、穿透能力差、抗干擾能力弱等問題，無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。雷達(dá)生命探測技術(shù)具有穿透力強(qiáng)、定位迅速準(zhǔn)確等特點(diǎn)，特別是UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）雷達(dá)生命探測技術(shù)具有功耗低、穿透性好、保密性高等優(yōu)點(diǎn)，為生命探測技術(shù)的研究提供了新思路，對(duì)災(zāi)后快速展開人員搜救、提高生存率具有重大意義。

本文首先對(duì)UWB雷達(dá)生命探測技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，然后對(duì)該技術(shù)原理及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，最后對(duì)UWB雷達(dá)生命探測技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 UWB雷達(dá)生命探測技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

自1994年美國斯坦福尼亞大學(xué)將UWB雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于生命探測領(lǐng)域以來，UWB雷達(dá)生命探測相關(guān)技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)[2]。2000年，美國TDC公司成功研制了RV2000 UWB穿墻雷達(dá)[3]，可實(shí)時(shí)探測動(dòng)目標(biāo)，為災(zāi)后救援提供了新方法。

目前國際上已推入市場使用的部分雷達(dá)生命探測設(shè)備見表1?？煽闯瞿壳耙延性O(shè)備的發(fā)射信號(hào)中心頻率基本處于400 MHz，穿墻后的檢測距離均為10 m左右，可基本完成生命探測功能，但分辨率、探測精度等與實(shí)際需求存在一定差距，穿墻后探測距離仍有待提高。

表1 部分雷達(dá)生命探測設(shè)備Table 1 Part of radar life detectors

針對(duì)目前雷達(dá)生命探測設(shè)備存在的不足，研究人員進(jìn)一步開展研究與改進(jìn)工作，特別是2010年后，UWB雷達(dá)生命探測技術(shù)取得了長足進(jìn)展。

在整體探測系統(tǒng)研發(fā)方面，法國THALES集團(tuán)成功研制了功耗低、穿墻檢測距離達(dá)30 m的UWB雷達(dá)生命探測儀[4]，其可對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行定位及運(yùn)動(dòng)跟蹤成像，對(duì)掩埋生命體救援十分有利。在信號(hào)發(fā)射/接收機(jī)方面，N. Hafner等[5]設(shè)計(jì)了一種脈寬可調(diào)的UWB單周期脈沖源，其最大帶寬達(dá)3.8 GHz，發(fā)射信號(hào)穿透性更強(qiáng)，更符合UWB雷達(dá)生命探測要求，可有效提高生命探測儀的檢測能力。在系統(tǒng)回波信號(hào)提取方面，F(xiàn). M. Shikhsarmast等[6]提出了一種奇異值分解信號(hào)方法，該方法采用FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）和Hilbert-Huang變換提取生命體征，可在低信噪比情況下準(zhǔn)確估計(jì)奇異參數(shù)，從而有效消除生命信號(hào)中的噪聲。F. Soldovieri 等[7]提出了基于連續(xù)波UWB雷達(dá)在46 GHz左右檢測生命體征的方法，并設(shè)計(jì)了2種數(shù)據(jù)處理方法，可有效提取被測人員的生命體征信號(hào)，促進(jìn)了生命探測系統(tǒng)的發(fā)展。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2001年，第四軍醫(yī)大學(xué)王健琪團(tuán)隊(duì)利用低功耗毫米波雷達(dá)成功研制了我國第1臺(tái)生命探測儀[8]。該設(shè)備根據(jù)多普勒效應(yīng)分解出較高質(zhì)量的人體呼吸及心跳信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)室階段取得了成功。此后，國內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)生命探測技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)開展研究和應(yīng)用。

目前，國內(nèi)研發(fā)了一些UWB生命探測儀，如華諾星空系列的雷達(dá)生命探測儀。以DN-IV型生命探測儀（圖1）為例，該儀器發(fā)射中心頻率為400 MHz，與國際上類似產(chǎn)品指標(biāo)相近，具有二維定位搜索功能，可穿透10 m的干擾墻進(jìn)行搜救，基本滿足各類生命搜救現(xiàn)場的救援輔助工作。但其具有一定的局限性，如分辨率為1 m，而在很多救援環(huán)境中被掩人員之間的距離遠(yuǎn)小于1 m，因此在實(shí)際使用中可能發(fā)生定位不準(zhǔn)的問題。

圖1 DN-IV型生命探測儀Fig. 1 DN-IV life detector

針對(duì)檢測設(shè)備專業(yè)性不強(qiáng)的問題，研究人員設(shè)計(jì)開發(fā)了專業(yè)化的UWB雷達(dá)生命探測儀，用于特定救援場景，如YSR25礦用防爆型雷達(dá)生命探測儀。該儀器模擬現(xiàn)場應(yīng)用如圖2所示。該設(shè)備較DN-IV型生命探測儀的探測精度有一定提升，分辨率最大可達(dá)0.5 m，但其穿透性有所下降，穿透距離僅為5 m，一般應(yīng)用于礦井災(zāi)后救援。

圖2 YSR25礦用防爆型雷達(dá)生命探測儀模擬現(xiàn)場應(yīng)用Fig. 2 Simulated field application of YSR25 mine-used explosion-proof radar life detector

與國外UWB雷達(dá)生命探測儀相比，我國UWB雷達(dá)生命探測儀雖能基本滿足搜救要求，但仍存在探測深度不足、探測精度較低、續(xù)航能力較差的問題。針對(duì)上述問題，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步開展了改進(jìn)優(yōu)化工作。為提高探測距離，王保生[9]對(duì)信號(hào)傳遞的信道模型進(jìn)行分析，結(jié)合井下實(shí)際情況，建立了UWB井下復(fù)合衰減信道模型，提出利用矩陣束算法來獲得礦井UWB多徑衰落信道模型參數(shù)，具有功耗低、探測精度高等優(yōu)點(diǎn)，但存在傳輸距離短、短時(shí)間無法商用等問題。為降低消防救援中火場人員搜救的危險(xiǎn)性，提高救援成功率，陳紹黔等[10]研制了警用UWB雷達(dá)生命探測儀，可對(duì)建筑廢墟、地震現(xiàn)場、火場等災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行快速有效的人員定位，對(duì)提高救援效率有積極作用。為提高雷達(dá)發(fā)射機(jī)信號(hào)的穿透力，李秀貴等[11]對(duì)脈沖發(fā)生器展開研究，改進(jìn)了雪崩三極管型UWB脈沖發(fā)生器，形成皮秒級(jí)雙極性脈沖，有效提高了頻帶寬度與發(fā)射信號(hào)穿透能力。胡巍[12]提出了基于連續(xù)小波變換與EMD（Empirical Mode Decomposition，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）相結(jié)合的生命信號(hào)提取算法，并利用該算法搭建了相應(yīng)的樣機(jī)，經(jīng)測試驗(yàn)證了該算法可提高生命信號(hào)提取能力。陳瑞鼎等[13]提出了一種基于卡爾曼濾波的移動(dòng)目標(biāo)信號(hào)分離方法，并對(duì)樣機(jī)的處理器進(jìn)行改進(jìn)，測試結(jié)果表明，其可有效解決UWB回波信號(hào)穿墻后難以有效提取的問題，從而獲取被掩生命體的生命特征。周小龍[14]提出了基于PCA（Principal Component Analysis，主成分分析）-DCT（Discrete Cosine Transformation，離散余弦變換）的無載波UWB雷達(dá)人體動(dòng)作識(shí)別算法與二維VMD（Varational Mode Decomposition，變分模態(tài)分解）回波信號(hào)重構(gòu)算法，有效提高了檢測準(zhǔn)確性與快速性。

雖然目前UWB雷達(dá)生命探測技術(shù)發(fā)展較快，取得了一定的應(yīng)用成果，但在生命信號(hào)的處理上仍存在特征提取精度不足、探測深度有限、信號(hào)處理速度較慢等問題，成為學(xué)科研究熱點(diǎn)。

2 UWB雷達(dá)生命探測原理

呼吸與心跳頻率是生命體征最可靠的體現(xiàn)，UWB雷達(dá)生命探測技術(shù)通過快速提取分析回波信號(hào)中的信號(hào)特征，可高效輔助生命搜救工作的開展。根據(jù)發(fā)射信號(hào)形式，UWB雷達(dá)生命探測技術(shù)可分為連續(xù)波雷達(dá)生命探測和脈沖波雷達(dá)生命探測，二者對(duì)生命信號(hào)的探測原理不同，可根據(jù)具體情況選擇應(yīng)用。

2.1 連續(xù)波雷達(dá)生命探測技術(shù)

連續(xù)波雷達(dá)生命探測技術(shù)的發(fā)射信號(hào)一般為單頻、多頻或調(diào)制連續(xù)波信號(hào)，采用多普勒雷達(dá)，其探測原理為信號(hào)的多普勒效應(yīng)，如圖3所示。當(dāng)采用連續(xù)波雷達(dá)生命探測技術(shù)進(jìn)行生命搜救時(shí)，多普勒雷達(dá)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)向外發(fā)射滿足要求的連續(xù)波。生命體存在生命信號(hào)時(shí)，胸腔因呼吸與心跳作用前后做周期性運(yùn)動(dòng)，連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)遇到生命體胸腔后發(fā)生反射，信號(hào)被調(diào)制，使得回波信號(hào)中存在人體生命特征信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)接收天線回到多普勒雷達(dá)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)。由于環(huán)境干擾等問題，回波信號(hào)中除生命信號(hào)外，也存在部分直流信號(hào)與干擾信號(hào)，采取I，Q 2路濾波器進(jìn)行校正，利用頻率特征對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，以去除噪聲。之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和AD轉(zhuǎn)換，經(jīng)處理器處理后進(jìn)一步提取、分析人體生命信號(hào)，獲取呼吸與心跳頻率，最終將結(jié)果顯示在人機(jī)顯示模塊。

圖3 連續(xù)波雷達(dá)生命探測原理Fig. 3 Life detection principle of continuous wave radar

連續(xù)波雷達(dá)生命探測技術(shù)具有雷達(dá)功耗低、射頻電路結(jié)構(gòu)簡單、集成實(shí)現(xiàn)容易等特點(diǎn)，采用不同的發(fā)射波類型可滿足不同場合的測距、測速等要求。但受限于發(fā)射信號(hào)形式，其極易受到其他靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信號(hào)的干擾，從而降低檢測精度，不宜用于高精度檢測領(lǐng)域。另外，受制于連續(xù)波的形式，該技術(shù)的發(fā)射信號(hào)穿透力較弱，不適用于被掩生命體搜救工作，更適用于干擾較弱的日?；蜥t(yī)療領(lǐng)域非接觸生命檢測系統(tǒng)中[12]。

2.2 脈沖波雷達(dá)生命探測技術(shù)

脈沖波雷達(dá)的發(fā)射波為高頻脈沖波，帶寬可達(dá)GHz級(jí)別，使高精度探測微弱信號(hào)成為可能，有利于探測心跳、呼吸等生命信號(hào)。此外，因其高頻特性，脈沖波雷達(dá)生命探測技術(shù)的穿透能力與抗干擾能力較連續(xù)波雷達(dá)生命探測技術(shù)明顯提高，更符合搜救掩埋生命體要求。脈沖波雷達(dá)生命探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與連續(xù)波雷達(dá)生命探測系統(tǒng)類似，均包括信號(hào)發(fā)射、接收、處理、顯示4個(gè)部分。但由于脈沖信號(hào)帶寬很大，從頻域角度對(duì)回波信號(hào)分析困難較大，所以連續(xù)波回波信號(hào)處理方法與脈沖波回波信號(hào)處理方法不通用。

脈沖波雷達(dá)生命探測技術(shù)原理如圖4所示。雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)以周期T發(fā)射連續(xù)脈沖信號(hào)（常見為一階高斯脈沖），當(dāng)脈沖遇被測物體后產(chǎn)生回波，通過一段時(shí)延Δt被接收雷達(dá)接收，該時(shí)延受信號(hào)發(fā)射裝置與被測物體之間距離的影響而不同。分析可知，任意時(shí)刻t下探測儀和被測物體間的距離d（t）基本由基礎(chǔ)距離d0、心跳影響距離dh、呼吸影響距離dr組成，即

圖4 脈沖波雷達(dá)生命探測原理Fig. 4 Life detection principle of pulse wave radar

式中：Ar，Ah分別為人體胸腔因呼吸、心跳引起的幅度變化；fr為人體呼吸頻率；fh為人體心跳頻率。

由式（1）可知：若被測物體為靜止?fàn)顟B(tài)，則Ar和Ah均為0，起作用的僅為基礎(chǔ)距離d0，因此回波時(shí)延Δt為一固定數(shù)值；若被測物體為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則Ar和Ah均不為0，時(shí)延根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)周期性變化。

非理想條件下，脈沖波回波信號(hào)為

式中：av為微動(dòng)目標(biāo)的衰減系數(shù)；i為脈沖序號(hào)；s（·）為不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)目標(biāo)的回波信號(hào)函數(shù)；t'為微動(dòng)信號(hào)快時(shí)間；τv為微動(dòng)信號(hào)慢時(shí)間；N為除人體外動(dòng)目標(biāo)總數(shù)；aj為第j個(gè)動(dòng)目標(biāo)回波的衰減系數(shù)；τj為第j個(gè)動(dòng)目標(biāo)回波的慢時(shí)間；M為靜目標(biāo)總數(shù)；bk為第k個(gè)靜目標(biāo)回波的衰減系數(shù)；τk為第k個(gè)靜目標(biāo)回波的慢時(shí)間；n為高斯噪聲。

式（2）中，第1項(xiàng)為人體微動(dòng)信號(hào)的回波，第2項(xiàng)為動(dòng)目標(biāo)的回波，第3項(xiàng)為靜目標(biāo)的回波，第4項(xiàng)為高斯噪聲。根據(jù)式（2）可知，回波信號(hào)為一串脈沖信號(hào)，所以通過對(duì)比連續(xù)不斷接收到的回波脈沖所探測出的距離之間的相對(duì)差值，即可獲得包含生命信息的回波信號(hào)。之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪、分離、提取等操作，即可獲得實(shí)際生命體狀態(tài)信息。

與連續(xù)波雷達(dá)生命探測技術(shù)相比，脈沖波雷達(dá)生命探測技術(shù)對(duì)硬件要求低，有助于簡化生命探測儀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化，且算法精準(zhǔn)，可有效提高生命信號(hào)定位精度，更適合在搶險(xiǎn)救災(zāi)等復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用。

3 UWB雷達(dá)生命探測關(guān)鍵技術(shù)

3.1 探測信號(hào)發(fā)射技術(shù)

無論連續(xù)波雷達(dá)生命探測技術(shù)還是脈沖波雷達(dá)生命探測技術(shù)，合理選擇載波信號(hào)的種類及信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)十分關(guān)鍵。

連續(xù)波雷達(dá)生命探測信號(hào)一般為正弦信號(hào)，為準(zhǔn)確進(jìn)行生命體定位，大多選用調(diào)頻連續(xù)波或步進(jìn)頻率的連續(xù)波作為發(fā)射波，一般均通過多普勒雷達(dá)發(fā)射模塊產(chǎn)生。該模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。振蕩器起振后經(jīng)定向耦合

圖5 多普勒雷達(dá)發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of Doppler radar launch module

器、相位調(diào)整電路、幅值調(diào)整電路對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行整形與功率放大，生成預(yù)期信號(hào)波形，并通過發(fā)射天線發(fā)出進(jìn)行生命探測。發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)在于波形整形與頻率調(diào)整，其直接決定了發(fā)射信號(hào)的帶寬與幅值。目前該技術(shù)相對(duì)成熟，基本可保證檢測水平與效果。

脈沖波雷達(dá)生命探測信號(hào)為脈沖波，包括矩形脈沖、升余弦脈沖、高斯脈沖等。其中一階高斯脈沖直流分量極其微弱，且基本保證能量無損，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。脈沖波發(fā)射機(jī)可分為窄脈沖發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射天線3個(gè)部分。窄脈沖發(fā)生器用于生成基本的高斯脈沖原始信號(hào)；功率放大器用于放大原始發(fā)射信號(hào)，使其符合實(shí)際的穿透特性與衰減要求；發(fā)射天線用于提高信號(hào)傳播范圍。

脈沖產(chǎn)生方式眾多。早期有基于隧道二極管與基于俘越二極管等方法，但存在脈沖產(chǎn)生不穩(wěn)定、需要較大的激勵(lì)電壓等問題，并不適用于現(xiàn)場生命搜救。目前，用于生命搜救場景的脈沖發(fā)生電路多采用雪崩三極管或階躍恢復(fù)二極管（Step Recovery Diode，SRD），其具有高速、穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

雪崩三極管脈沖發(fā)生電路利用雪崩三極管極易進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)，從而誘發(fā)雪崩效應(yīng)的特點(diǎn)產(chǎn)生信號(hào)脈沖。最常見的誘發(fā)雪崩效應(yīng)的方法：① 在基極和發(fā)射極之間增加1個(gè)正向觸發(fā)脈沖。② 當(dāng)三極管處于雪崩區(qū)且集電極與發(fā)射極電壓位于2個(gè)臨界點(diǎn)之間時(shí)，立即增大基極與發(fā)射極之間的電壓，使其超過臨界電壓[15]。為了提高脈沖帶寬，饒俊峰等[16]采用二極管代替?zhèn)鹘y(tǒng)多管串聯(lián)Marx電路的限流電阻，降低了雪崩三極管電路的能量損耗，提高了充電速度與重復(fù)效率；何興坤等[17]提出了一種新型的基于雪崩三極管兩級(jí)Marx脈沖產(chǎn)生電路，其具有波形完整無失真、電路結(jié)構(gòu)簡單且易調(diào)節(jié)、脈沖可達(dá)納秒級(jí)的特點(diǎn)；M. Rongen等[18]對(duì)雪崩三極管的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了改進(jìn)，通過控制偏置觸發(fā)信號(hào)提高了脈沖發(fā)生的準(zhǔn)確度和靈活性。

與雪崩三極管脈沖發(fā)生電路相比，SRD脈沖發(fā)生電路更易實(shí)現(xiàn)且穩(wěn)定。SRD產(chǎn)生脈沖的原因是其在進(jìn)行快速關(guān)斷時(shí)釋放能量，使得負(fù)載端產(chǎn)生陡前沿脈沖，其等效電路如圖6所示。

圖6 SRD等效電路Fig. 6 Step recovery diode (SRD) equivalent circuit

為進(jìn)一步提高SRD脈沖發(fā)生電路的發(fā)射信號(hào)帶寬與穩(wěn)定性，張巖松等[19]提出了一種基于MOS管和SRD的脈沖發(fā)生源，解決了脈沖源難以兼顧脈沖寬度與幅值的問題，使發(fā)射脈沖可達(dá)皮秒級(jí)；王蕾等[20]設(shè)計(jì)了基于雙SRD的高幅度雙極性窄脈沖發(fā)生電路，通過仿真獲得了短脈沖前沿高幅度的脈沖信號(hào)；王亞杰等[21]利用類似SRD的漂移階躍恢復(fù)二極管（Drift Step Recovery Diodes，DSRD）構(gòu)建了新型脈沖發(fā)生器，并給出了電路中各參數(shù)的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)的脈沖產(chǎn)生。

功率放大器是重要的發(fā)射信號(hào)處理單元。發(fā)射信號(hào)高頻雖保證了穿透性，但同時(shí)也加快了信號(hào)衰減，所以對(duì)原始脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大至關(guān)重要。UWB信號(hào)為功率放大帶來了新的挑戰(zhàn)，以典型的NVA6100芯片為例，其帶寬可達(dá)9 GHz，現(xiàn)有的射頻放大芯片很少能滿足其信號(hào)放大需求。為解決這一問題，研發(fā)了射頻毫米波放大法[22]、功率合成放大法[2]、智能算法功率放大法[23]等。上述方法在解決UWB信號(hào)功率放大問題方面各有優(yōu)勢，但大多處于理論研究階段，實(shí)際應(yīng)用不夠充分。

目前用于UWB雷達(dá)生命探測的天線種類有對(duì)數(shù)周期天線、螺旋天線、漸變槽天線、蝶形天線、非共面扇形天線、雙錐天線、錐形槽天線、陷波可重構(gòu)天線、單極子天線等。針對(duì)生命探測儀發(fā)射信號(hào)帶寬為固定區(qū)間的特點(diǎn)，單極子天線結(jié)構(gòu)因其效果好、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，近年來受到了國內(nèi)外學(xué)者的青睞。張彥婷等[24]針對(duì)0.54～10 GHz頻段研制出一種新型UWB單極子天線并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該天線可較好地用于生命救援、探地、損傷檢測等領(lǐng)域。鄭艷[25]研制了一款基于CPW（Cost Per Wear，共面波導(dǎo)）饋電的UWB平面單極子天線，有效擴(kuò)大了傳統(tǒng)單極子天線的測量范圍，更適用于生命搜救場景。P. P. Shome等[26]基于傳統(tǒng)單極子天線引入可調(diào)的陷波功能，通過在開環(huán)槽間引入3個(gè)變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)電子控制，將其工作頻帶穩(wěn)定在1.98～10.54 GHz，提高了天線應(yīng)用的靈活性。

3.2 回波信號(hào)預(yù)處理技術(shù)

UWB雷達(dá)生命探測技術(shù)中的回波信號(hào)接收與預(yù)處理直接決定了后續(xù)能否提取出被測生命體的生命體征信息。受環(huán)境等外在因素的干擾，回波信號(hào)中除含有用信號(hào)外，還混雜了噪聲，若直接對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分解，計(jì)算量大且不易找到最優(yōu)解，因此需對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

因發(fā)射信號(hào)不同，連續(xù)波雷達(dá)生命探測與脈沖波雷達(dá)生命探測的回波不同，回波信號(hào)預(yù)處理方法也不同。連續(xù)波雷達(dá)生命探測回波信號(hào)預(yù)處理技術(shù)較成熟。針對(duì)由10 Hz以內(nèi)微弱呼吸與心跳信號(hào)組成的生命探測信號(hào)[27]，一般采用I，Q 2路信號(hào)校正，之后采用低通濾波器對(duì)校正信號(hào)進(jìn)行初步濾波，完成信號(hào)預(yù)處理，如圖3所示。

脈沖波雷達(dá)生命探測的發(fā)射波為脈沖波，回波預(yù)處理的目的是最大可能地降低環(huán)境雜波、靜止物體、非人體生命體的信號(hào)干擾。脈沖波回波具有頻帶寬、頻率高的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的低通濾波器處理效果不佳，大多采用VMD或VMD與其他智能算法結(jié)合的預(yù)處理方法。VMD通過將原始信號(hào)分解成多個(gè)模態(tài)函數(shù)，根據(jù)各模態(tài)函數(shù)的能量分布進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，從而抽離出有用信號(hào)，達(dá)到一定的濾波效果，凸顯回波中生命信號(hào)的峰值特征。該算法簡單快速，對(duì)非平穩(wěn)、非線性信號(hào)有很好的處理效果，符合脈沖波雷達(dá)生命探測回波信號(hào)預(yù)處理要求。

VMD中分解參數(shù)與模態(tài)數(shù)的確定一直是研究重點(diǎn)。在參數(shù)優(yōu)化方面，唐貴基等[28]采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)VMD最佳影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定了懲罰參數(shù)與分量個(gè)數(shù)，更有利于對(duì)給定信號(hào)的處理；劉長良等[29]采用改進(jìn)奇異值分解算法提取VMD中各模態(tài)特征，并通過FCM（Fuzzy C-Means，模糊C均值）算法形成標(biāo)準(zhǔn)聚類中心，采用計(jì)算分類系數(shù)和平均模糊熵對(duì)分類性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的處理具有一定的借鑒意義；A. Kumar等[30]突破性地提出了基于適應(yīng)度函數(shù)的VMD參數(shù)優(yōu)化方法，可快速利用遺傳算法得到VMD最優(yōu)參數(shù)；黃沁元等[31]提出了一種基于天牛須搜索的VMD參數(shù)優(yōu)化方法，有效解決了VMD參數(shù)范圍廣及參數(shù)統(tǒng)一預(yù)設(shè)產(chǎn)生的問題。在模態(tài)數(shù)確定方面，Wang Ran等[32]提出了一種改進(jìn)VMD方法，其可根據(jù)瞬態(tài)曲線自適應(yīng)確定模態(tài)函數(shù)的頻率平均值，進(jìn)而確定模態(tài)數(shù)；康守強(qiáng)等[33]、馬增強(qiáng)等[34]分別采用奇異值分解構(gòu)建多特征集的方法和通過峭度準(zhǔn)則選取其中峭度最大分量進(jìn)行Teager能量算子解調(diào)方法解決VMD固定模態(tài)數(shù)的問題，均取得了較好效果。另外，研究人員將VMD與深層雙向長短記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[35]、蝗蟲優(yōu)化算法[36]、自適應(yīng)算法[37]等進(jìn)行融合，有效提高了信號(hào)分解性能。

VMD在理論上能較好地完成雷達(dá)探測回波信號(hào)預(yù)處理，但目前專門結(jié)合VMD對(duì)雷達(dá)探測回波處理的應(yīng)用較為鮮見，仍有很大的研究空間。

3.3 生命信號(hào)提取與分析技術(shù)

UWB雷達(dá)生命探測的最終目的是獲取被測生命體的生命體征信息。對(duì)于連續(xù)波雷達(dá)生命探測技術(shù)，回波經(jīng)預(yù)處理后一般采用傅里葉變換即可獲得所需信號(hào)。但對(duì)于脈沖波雷達(dá)生命探測技術(shù)，若直接對(duì)預(yù)處理后的回波信號(hào)進(jìn)行分解很難獲取生命信號(hào)，因此可將預(yù)處理后的回波信號(hào)由慢時(shí)間軸轉(zhuǎn)換到快時(shí)間軸上進(jìn)行分析，從而將獲得的時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫嚯x信號(hào)，大大降低信號(hào)處理難度，提高信號(hào)提取的快速性與準(zhǔn)確性。

針對(duì)脈沖波雷達(dá)生命探測的生命信號(hào)提取技術(shù)，Li Jing等[38]受連續(xù)波雷達(dá)探測信號(hào)處理方法的啟發(fā)，提出了基于FFT和S變換的生命信號(hào)檢測與識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了生命體精準(zhǔn)定位；戴舜等[39]提出了基于PCA-EMD的生命信號(hào)檢測方法，根據(jù)生命信號(hào)與環(huán)境雜波的特征，較好地重構(gòu)了平滑的生命特征曲線，并在高信噪比下將心跳與呼吸信號(hào)分離，有利于在實(shí)際救援中判斷被測對(duì)象狀態(tài)；Li Jing等[40]提出了基于HHT（Hilbert-Huang Transform，希爾伯特-黃變換）變換與2-D FFT的生命信號(hào)提取算法，并利用Curvelet變化消除環(huán)境干擾，實(shí)現(xiàn)了生命信號(hào)有效提取。

近年來，研究人員對(duì)基于EMD及其改進(jìn)算法的生命信號(hào)分離與提取技術(shù)給予較大關(guān)注。王亮[41]針對(duì)心跳與呼吸信號(hào)頻率相近、難以區(qū)分的問題，采用EEMD（Ensemble EMD，集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）重構(gòu)回波信號(hào)，并進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，得到了呼吸與心跳頻譜，為提取生命信號(hào)提供了依據(jù)。唐良勇等[42]在EMD基礎(chǔ)上為信號(hào)加窗，提出了WA-EMD（Window Average EMD，窗平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）算法，其較傳統(tǒng)EMD算法具有更好的抗模態(tài)混疊和噪聲性能。崔麗輝[43]在EEMD基礎(chǔ)上引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，改善了重構(gòu)信號(hào)的信噪比。在實(shí)際井下塌方救援中，利用EMD對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理可較好地重構(gòu)目標(biāo)生命體的呼吸與心跳波形[44]，具有較高應(yīng)用價(jià)值。

此外，研究人員嘗試?yán)脜?shù)估計(jì)算法[45]等智能算法提取脈沖波雷達(dá)探測回波中的生命信號(hào)特征，目前在實(shí)驗(yàn)室階段取得了較好效果。

4 展望

目前，UWB雷達(dá)生命探測技術(shù)在塌方、礦井爆炸、火災(zāi)等災(zāi)害救援領(lǐng)域得到廣泛研究[46-47]，但大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，實(shí)際應(yīng)用效果有待驗(yàn)證和提高。因此，對(duì)UWB雷達(dá)生命探測技術(shù)進(jìn)行以下展望。

1） 生命探測儀收發(fā)機(jī)硬件性能繼續(xù)突破，發(fā)射信號(hào)帶寬進(jìn)一步提升，射頻功率放大技術(shù)繼續(xù)優(yōu)化，從而使發(fā)射信號(hào)的穿透力更強(qiáng)，提高穿墻探測距離。隨著硬件技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，生命探測儀逐步微型化，續(xù)航能力大幅提高，滿足長時(shí)間搜救要求。

2） 目前UWB雷達(dá)生命探測的目標(biāo)識(shí)別仍存在困難，如：回波中除噪聲外，還存在大量電磁干擾和背景雜波，導(dǎo)致有效信息難以提??；現(xiàn)有分類識(shí)別算法的識(shí)別精度不理想。對(duì)此，需綜合利用多種特征提取方法和智能模式分類方法，更好地實(shí)現(xiàn)信號(hào)識(shí)別。借助人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，提高生命微動(dòng)信號(hào)的提取精確度和生命體征特征的區(qū)分度，為建立人體生命體征數(shù)據(jù)庫提供技術(shù)支撐。

3） 探測結(jié)果維度進(jìn)一步提高。研制基于MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）雷達(dá)的人體目標(biāo)辨識(shí)與定位裝備，實(shí)現(xiàn)一維測距到三維定位的跨越，提高生命探測儀的抗干擾能力和在復(fù)雜環(huán)境下的適用性和實(shí)用性；研制高精度分布式組網(wǎng)全極化UWB雷達(dá)生命探測儀，實(shí)現(xiàn)同一區(qū)域多臺(tái)雷達(dá)協(xié)同探測，提高探測精度和準(zhǔn)確率。