基于双源UWB生物雷达的非自然状态人体生命体征穿透式监测技术研究

With the advantages of non-contact, anti-interference and penetrating capability, UWB bioradar is widely and irreplaceably used in search and rescue operation after earthquake. If the survivor’s breath and heartbeat signals can be monitored in real-time after detection, it will guarantee the rescue operation more scientific and effective. However, unlike detection, monitoring can not improve SNR by time accumulation, so the issue of penetration monitoring has not been solved. In practice, because most survivors are deep buried and in trapped status such as buried under the ruins, injuried, tied up and so on, their vital signs are weak, even variable. Due to the lack of strong penetrability or high sensitivity, the performance of existing bioradar technology on penetration monitoring of vital signs of people in trapped status becomes more difficult. It seriously restricts the development of the bioradar technology. Therefore, the study aims at addressing the problems by using the dual-frequency UWB bioradar, which combines the advantages of penetrability and sensitivity with two antennas in different center frequencies, and its equivalent bandwidth is expanded. On the basis of this radar, dual-channel data fusion algorithms will be designed. The penetration monitoring on vital signs of people in trapped status will be improved. The results of the study will provide new theoretical and technical methods for the bioradar technology, and be significant for improving the practical performance of the technology.

UWB生物雷达具有非接触、抗干扰、可穿透探测等特点，在地震等灾后搜救领域具有不可替代的优势。如果雷达探测到幸存者后还能实时监测其呼吸和心跳，将为科学救援提供更有力的保障。但监测与探测不同，无法通过时间累积来提高回波信噪比，因此穿透式监测问题至今尚未解决。而且实际搜救中，多数幸存者被埋较深且处于非自然状态（压埋、受伤、束缚），其生命体征更加微弱、甚至发生变异，现行的生物雷达技术无法满足灾后搜救场景对穿透力和灵敏度的双重要求，使非自然状态人体生命体征的监测变得更加困难，严重制约了生物雷达技术进一步发展。本课题拟采用双源UWB生物雷达，融合一高一低两个中心频率天线在穿透力和灵敏度方面的各自优势，保证低中心频率的同时扩展雷达等效带宽，并设计双通道回波数据融合处理算法，提高雷达对非自然状态人体生命体征的穿透式监测能力。研究结果将为生物雷达技术提供新的理论和技术方法，对提升该技术的实用性具有重要意义。

UWB生物雷达具有非接触、抗干扰、可穿透探测等特点，在地震等灾后搜救领域具有不可替代的优势。如果雷达探测到幸存者后还能实时监测其呼吸和心跳，将为科学救援提供更有力的保障。但监测与探测不同，无法通过时间累积来提高回波信噪比，因此穿透式监测问题至今尚未解决。而且实际搜救中，多数幸存者被埋较深且处于非自然状态（压埋、受伤、束缚），其生命体征更加微弱、甚至发生变异，现行的生物雷达技术无法满足灾后搜救场景对穿透力和灵敏度的双重要求，使非自然状态人体生命体征的监测变得更加困难，严重制约了生物雷达技术进一步发展。本项目研制出一种双源IR-UWB生物雷达，融合了一高一低两个中心频率天线在穿透力和灵敏度方面的各自优势，保证低中心频率的同时扩展了雷达的等效带宽，并利用等效时间采样和多通道分时复用技术实现了不同频率天线同时对同一目标进行探测。基于这种双源IR-UWB生物雷达，本项目还研究出一套非自然状态人体目标穿透式探测识别和监测算法。首先，通过非静态杂波消除技术去除不同介质交界面处近似呼吸的强反射杂波，来降低生物雷达探测的虚警率；其次，通过双通道互相关数据融合和自适应谱线增强技术来提高非自然状态人体生命信号的探测信噪比，同时提取出人体呼吸信号。最后通过递归动目标指示器抑制呼吸谐波的干扰，高阶累积技术增强提取微弱的人体心跳信号，并利用希尔伯特谱分析估算出心跳频率。通过在穿透砖墙和模拟废墟场景下进行实验，均实现了雷达对非自然状态人体生命体征的穿透式监测。本项目的研究结果提供了一种新的生物雷达穿透式探测和监测技术，为救援人员提供了更加详细、可靠的生理信息来制定科学的救援方案，从而最大程度的挽救幸存者的生命。