多静态UWB搜救生物雷达的关键技术研究

Bioradar is a new and cutting-edge technology that realizes the detection of living subjects. The technology is widely applicable in medicine, military, emergency rescue, et al. Especially the search-and-rescue bioradar technology that aims at the emergency rescue is very significant for ensuing the lives of people. At present, the technology has not yet addressed the problems caused by living subjects' azimuth, position and considerably weakening of vital signs due to injury. As a result, the performance of the technology in practice is poor, which restricts the development of the technology and should be urgently addressed. On basis of long-term researching experience on the bioradar technology, the study aims at addressing the problems using the multi-sensor and space diversity information provided by multistatic UWB bioradar. First, the multistatic characteristics of the UWB bioradar's echoes are studied, as well as the micro-Doppler characteristics caused by injured subjects' weakening respiration. Then the multistatic bioradar echo processing algorithms are designed. By the end, the detection and identification capability of the UWB search-and-rescue bioradar is 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.

生物雷达是一项以生命体为探测目标的新兴前沿技术，可广泛应用于医学、军事、应急救援等领域。特别是用于应急救援的搜救生物雷达技术，对于保障人民生命安全具有重要的意义。目前，搜救生物雷达技术还未有效解决生命体目标方位、姿势变化以及受伤引起的生命体征大幅减弱所带来的相关问题，因此在实际应用中探测和识别生命体目标的能力较差，成为制约该技术进一步发展的瓶颈，是目前急需解决的重要科学问题。本课题在长期研究生物雷达技术的基础上，拟采用多静态UWB生物雷达提供的多传感器和空间分集信息解决这一问题。首先研究并探明UWB搜救生物雷达回波信号的多静态特征，以及受伤生命体目标微弱呼吸的微多普勒特征；在此基础上设计多静态UWB搜救生物雷达的回波信号处理算法，最终提高UWB搜救生物雷达的探测和识别能力。研究结果将为生物雷达技术的发展提供新的理论和技术方法，对进一步提升该技术的实用性具有重要意义。

目前，搜救生物雷达多采用单静态（单发单收、收发一体）技术，在实际应用中检测和识别生命体目标的能力有待提高，成为制约该技术进一步发展的瓶颈。本课题在长期研究生物雷达技术的基础上，采用多静态（多个发射和接收天线，收发天线的不同组合）UWB生物雷达提供的多传感器和空间分集信息解决这一问题.，系统研究了多静态UWB搜救生物雷达的回波信号特征、信号处理算法和系统设计方案等。.发现了（1）UWB发射天线相对人体目标的角度变化显著影响人体呼吸响应的检测信噪比，UWB收发天线距离显著影响人体呼吸的距离展宽；（2）UWB生物雷达系统设计的关键技术指标——回波等效采样精度，应小于人体呼吸引起的体表微动，对人体回波信号形成过采样；（3）可用于受伤生命体目标检测的微多普勒特征，即生物雷达检测到的呼吸波形上升沿包含特异性的拐点突变，这些突变由人体体表复合微动导致，可用于受伤生命体目标的探测和识别；（4）UWB搜救生物雷达人体呼吸响应的距离相关特征，不仅在时间上具有周期性变化特征，而且在距离上也呈现出明显的相关特征，从而提供了一种目标识别时量化展宽距离的有效手段。.建立了（1）基于硬件过采样、希尔伯特-黄变换和自适应奇异谱分析的多静态UWB搜救生物雷达的人体目标回波检测技术；（2）基于人体呼吸响应的距离相关特征和通道间相关性的多静态UWB搜救生物雷达的人体目标识别技术；（3）基于1发3收的多静态UWB搜救生物雷达实验系统;(4) 基于精密线性模组的人体表面微动模拟系统，能输出定量化、参数可调的超低频微动，为搜救生物雷达技术的系统研究提供了客观参考。.本课题建立的多静态UWB搜救生物雷达的完整技术方案及其实验系统，在国家地震紧急救援训练基地的地震综合废墟测试表明，该系统能穿透多种结构的钢筋混凝土废墟，探测并发现人类生命迹象，穿透探测能力优于国内外同类搜救生物雷达产品，提升了搜救生物雷达技术的实用性，为该技术的进一步发展提供理论和技术支持。