基于軟件無(wú)線電的災(zāi)害救援生命探測(cè)方法研究

郭棟，郭勇

（成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059）

科學(xué)工作者很早就在進(jìn)行電磁探測(cè)方法的研究，但電磁探測(cè)方法主要問(wèn)題是探測(cè)深度與電磁波工作頻點(diǎn)的矛盾，即高頻工作頻率有較高的分辨率，但衰減快，探測(cè)深度較小；低頻工作頻率具有較大的探測(cè)深度，但分辨率不高[4]。同時(shí)又由于在災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)中，會(huì)出現(xiàn)由于大量的使用無(wú)線通信設(shè)備，造成頻段之間的干擾，這樣將會(huì)得到錯(cuò)誤的探測(cè)信息。能否利用軟件無(wú)線電的多頻帶/多模式/多功能工作等特點(diǎn)，利用不同工作點(diǎn)頻率對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)，從而得到在同一種介質(zhì)下不同頻率衰減系數(shù)，反之可以通過(guò)改變探測(cè)物體的深度，隨時(shí)調(diào)整探測(cè)天線工作頻率，由此能夠得到關(guān)于目標(biāo)物體的多種信息。通過(guò)這樣的方式，對(duì)于能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握被困人員被困信息，同時(shí)也充分利用了軟件無(wú)線電的多頻帶/多模式/多功能工作等特點(diǎn)，減少了由于災(zāi)害救援中的生命探測(cè)對(duì)無(wú)線通信的影響。

1 生命探測(cè)方法概述

利用發(fā)射的電磁波（主要為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式由發(fā)射天線將電磁波送入被測(cè)的地表，經(jīng)目標(biāo)發(fā)射后被接收天線接收[2]。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑隨電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電特性與幾何形態(tài)的變化而變化。根據(jù)接收到得波的傳播時(shí)間，幅度與波形等資料，可以推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)[3]。因此，當(dāng)在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，通過(guò)改變軟件無(wú)線電的不同的頻率工作點(diǎn)就能得到同一種介質(zhì)在不同頻率下的不同的信息，這樣能有效的提高對(duì)被困人員的探測(cè)信息的拾取。

2 生命探測(cè)方法原理

由發(fā)射天線T將電磁波送入被測(cè)物體，經(jīng)地層或目的體反射后傳播到接收天線R接收，如圖1所示電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)與幾何形態(tài)的變化而變化。因此，根據(jù)接收到的波的旅行時(shí)間（亦稱雙程走時(shí)）幅度與波形等信息，可以推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

圖1 生命探測(cè)方法原理示意圖Fig.1 Life detection schematic

電磁脈沖波行程需時(shí)（雙程走時(shí)）為:

式中，z為反射體的深度；x為兩個(gè)天線之間的間距；v為介質(zhì)的電磁波速。通過(guò)式（1）可以確定反射體的深度。

介質(zhì)的電磁波速可通過(guò)共中心點(diǎn)（CMP）測(cè)量得到，也可由下式求得:

式中，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，μ為介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)；σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率；ω為介質(zhì)的角頻率。

對(duì)于介質(zhì)，由于 σ/ωεr=1，故式（2）可簡(jiǎn)化為：

式中，c為光速介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)可利用參考數(shù)據(jù)或通過(guò)測(cè)定得到。

因此，根據(jù)式（1）～式（3）可以確定介質(zhì)的電磁波速，再根據(jù)探測(cè)記錄的精確時(shí)間t（ns），即可由式（1）確定被測(cè)物體的深度電磁波在介質(zhì)中的傳播時(shí)，其路徑電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形將隨所穿過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而改變，所以根據(jù)記錄到電磁波的雙程走時(shí)波幅及波形等參數(shù)數(shù)據(jù)，即可分析確定被測(cè)物體的幾何形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征。

根據(jù)速度在介質(zhì)中的衰減率計(jì)算公式，由此可以建立衰減率（R）和探測(cè)天線工作頻率之間（F）的關(guān)系：

其中K為比例系數(shù)與F和R無(wú)關(guān)，C為常數(shù)。

上面的公式（4）是在一種探測(cè)頻率下的方程，當(dāng)利用軟件無(wú)線電的多頻帶（跳頻技術(shù)）和實(shí)際精度的需要可以建立以下矩陣方程組：

通過(guò)對(duì)（5）的計(jì)算，可以得到F與R的二維平面的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

隨著上圖1中發(fā)射天線隨時(shí)間（T）的變化，用能建立出F-R-T三維空間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)三維成像技術(shù)的方法，就能更加直接的反映出被困人員的位置。

3 生命探測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

總體的設(shè)計(jì)分以下兩個(gè)單元，一個(gè)是探測(cè)單元；一個(gè)是處理和實(shí)現(xiàn)單元。

3.1 探測(cè)單元

探測(cè)單元的總體設(shè)計(jì)如圖2所示[1，5]。

圖2 探測(cè)單元總體設(shè)計(jì)圖Fig.2 Entire design scheme of the detection unit

圖2中的探測(cè)單元總體設(shè)計(jì)圖，就很好的說(shuō)明了原理的思想由基于軟件無(wú)線電模型的模擬部分為基礎(chǔ)。

天線：用于接收和發(fā)射適當(dāng)頻率的電磁波。

低噪聲放大器：對(duì)接收信號(hào)電磁波信號(hào)，進(jìn)行放大和高頻濾波。

混頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換：對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行混頻和AD轉(zhuǎn)換，從而使模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以便于信號(hào)的處理分析。

混頻和數(shù)模轉(zhuǎn)換：通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，發(fā)射適當(dāng)頻率的電磁波，經(jīng)過(guò)混頻以便于有更好的發(fā)射效率。

帶通濾波放大器：用于發(fā)送信號(hào)發(fā)射。

3.2 處理和實(shí)現(xiàn)單元

處理和實(shí)現(xiàn)單元的總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 處理和實(shí)現(xiàn)單元總體設(shè)計(jì)圖Fig.3 Entire design scheme of the ptocessing and realization units

處理器：使用適合的高速處理器，以保證前端數(shù)據(jù)的接收和實(shí)時(shí)處理。

存儲(chǔ)設(shè)備：用于存儲(chǔ)關(guān)鍵剖面的圖形和圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)可以在不正常斷電的情況下備份關(guān)鍵的信息和數(shù)據(jù)。

顯示設(shè)備：用于顯示相關(guān)的圖像和圖形信息。

輸入設(shè)備：用于輸入?yún)?shù)等信息，或調(diào)整相關(guān)的圖形、圖像的顯示姿態(tài)。

3.3 兩個(gè)單元的互聯(lián)

探測(cè)單元和處理和實(shí)現(xiàn)單元的互聯(lián)設(shè)計(jì)如圖4所示[6]。

圖4 兩個(gè)單元的互聯(lián)示意圖Fig.4 Interconnection schematic of the two units

探測(cè)部分采用無(wú)線的方式互聯(lián)，以減少以往設(shè)備的冗余、沉重，通過(guò)適合的通信協(xié)議方式，使得各個(gè)探測(cè)部分與處理和顯示部分之間快速的進(jìn)行信息傳輸。

4 結(jié) 論

文中充分利用軟件無(wú)線電的多頻帶的特點(diǎn)，針對(duì)災(zāi)害救援中的生命探測(cè)問(wèn)題，提出一種新的構(gòu)想。本文建立了基于軟件無(wú)線電技術(shù)的災(zāi)害救援中生命探測(cè)方法的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型和理論模型，為軟件無(wú)線電技術(shù)在災(zāi)害救援領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供有意義的指導(dǎo)，同時(shí)也為災(zāi)害救援中生命探測(cè)方法提出了一個(gè)新的思路。

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