紅外與聲波協(xié)同生命探測平臺研發(fā)

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紅外與聲波協(xié)同生命探測平臺研發(fā)

楊敬松，姚振靜，宋燕星，賀秀玲

（防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)儀器系，河北三河065201）

摘要：基于單一類型信息源的生命探測技術(shù)因自身缺陷無法完全滿足震后救援的需要。該文在介紹音頻、視頻和雷達生命探測技術(shù)工作原理的基礎(chǔ)上，分析它們各自具有的優(yōu)勢和存在的問題，給出異類多傳感器協(xié)同探測的優(yōu)勢與現(xiàn)狀，設(shè)計紅外與聲波協(xié)同生命探測平臺，給出平臺的結(jié)構(gòu)模型、傳感器的選擇策略以及相應(yīng)的性能指標。主要實現(xiàn)紅外圖像與聲波信息的同步采集、分析與處理，兼具音頻生命探測和視頻生命探測的功能，彌補單一傳感器生命探測儀的不足，能得到更全面、更準確的生命體及救援現(xiàn)場信息，更適用于震后復(fù)雜的救援環(huán)境。

關(guān)鍵詞：生命探測；多傳感器協(xié)同；紅外傳感器；聲波傳感器

收到修改稿日期：2013-06-29

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（ZY20110104）

0　引言

災(zāi)害發(fā)生后，如何在災(zāi)后惡劣、復(fù)雜的地理環(huán)境中，快速有效地實施人員搜救，挽救更多的生命成為災(zāi)后救援亟待解決的問題。正確合理地運用搜救方法和儀器對被埋壓人員進行搜救定位，可以達到事半功倍的效果。已有的生命探測技術(shù)基于單一類型的傳感器，存在著各自的缺陷，基于異類多傳感器協(xié)同的生命探測技術(shù)必將成為研究熱點。目前，異類多傳感器協(xié)同的應(yīng)用主要集中在軍事、航天、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，而針對生命探測救援方面的研究非常少[1-3]。國內(nèi)有山東省科學(xué)院自動化研究所、沈陽新松機器人自動化有限公司和山東省煤炭工業(yè)局聯(lián)合研制的針對我國煤礦安全生產(chǎn)和救災(zāi)的井下探測救援機器人，該機器人采用音頻探測、視頻觀測、紅外熱成像等多種傳感技術(shù)手段相結(jié)合的人員生命探測方式，確認并搜救事故現(xiàn)場是否有生命存在，該機器人的研究將多傳感器集成技術(shù)應(yīng)用到煤礦救災(zāi)領(lǐng)域。但是針對異類多傳感器協(xié)同生命探測平臺的研究較少。

本文分析了單一傳感器生命探測技術(shù)的缺陷，以及異類多傳感器協(xié)同生命探測的可行性，給出了紅外與聲波協(xié)同生命探測平臺的設(shè)計方案。

1　單一類型傳感器生命探測技術(shù)分析

生命探測是利用傳感器技術(shù)，采集災(zāi)害現(xiàn)場幸存者發(fā)出的生理、物理、化學(xué)信息，并對生命體進行有效識別與定位[4-5]。根據(jù)傳感器類型可分為音頻生命探測技術(shù)（聲波、振動波）、視頻生命探測技術(shù)（光學(xué)、光纖、紅外）和雷達生命探測技術(shù)（成像、非成像）。上述生命探測技術(shù)都是基于單一類型的傳感器，而每種傳感器又存在著自身缺陷。

1.1音頻生命探測技術(shù)

音頻生命探測技術(shù)是應(yīng)用聲波及震動波的原理，通過探測地下微弱的諸如被困者呻吟、呼喊、爬動、敲打等產(chǎn)生的音頻聲波和振動波來判斷生命是否存在[6-7]。但這類生命探測儀是一種被動接收音頻信號和振動信號的儀器，因此，救援時需要在廢墟中尋找空隙伸入探頭，容易受到周圍環(huán)境中各種噪聲的干擾，探測速度較慢。

1.2視頻生命探測技術(shù)

視頻生命探測技術(shù)是將救援環(huán)境和對象轉(zhuǎn)變成可視圖像，從而為救援人員提供現(xiàn)場環(huán)境信息、待救人員的位置信息等。其中，紅外生命探測設(shè)備在救援過程中應(yīng)用較為廣泛，它將不同溫度物體發(fā)出的紅外線轉(zhuǎn)變成可視圖像，利用人體黑白圖像來確定幸存者和遇難者，該儀器可對黑暗、濃煙環(huán)境進行搜索，且具有夜視功能，這就使生命探測工作不受光線的影響，可以幫助救援隊員快速、準確地確定被埋在廢墟內(nèi)或隱藏在塵霧后面的遇難者的位置[8-10]。但是紅外生命探測設(shè)備不能穿透障礙物，還必須要求現(xiàn)場有或大或小的孔洞、裂縫等，才能將探頭伸入觀察到內(nèi)部的情況，因此在震后救援工作的應(yīng)用中受到一定的限制。

1.3雷達生命探測技術(shù)

雷達生命探測技術(shù)是融合雷達技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)于一體的生命探測設(shè)備。具有穿透力強、作用距離精確、抗干擾能力強、多目標識別能力強等優(yōu)點，能準確地實現(xiàn)生命體的識別[11-12]。但其成本較高并且電磁波對人體有輻射作用，不適用于近距離探測。可見，基于單一類型信息源的生命探測技術(shù)都存在著自身無法彌補的缺陷，無法完全滿足震后救援的需要，異類多傳感器協(xié)同的生命探測技術(shù)必將成為一個新的研究熱點。

2　異類多傳感器協(xié)同探測的優(yōu)勢

利用異類多傳感器協(xié)同探測，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理進行目標的綜合識別具有以下優(yōu)點：（1）可以拓寬監(jiān)視探測的空間覆蓋范圍；（2）可以發(fā)揮各傳感器的優(yōu)勢，取長補短以提高目標識別率；（3）多傳感器抗干擾的性能大大優(yōu)于單個傳感器；（4）提高了系統(tǒng)的可靠性、容錯性。

國內(nèi)外對于多傳感器協(xié)同探測的研究主要集中在3個方面：多傳感器集成模型的搭建；多傳感器的選擇策略和控制結(jié)構(gòu)研究；多傳感器信息融合方法研究。

3　紅外與聲波協(xié)同生命探測平臺設(shè)計

紅外與聲波傳感器都可在光線暗、油污等環(huán)境惡劣的條件下工作，并具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、適應(yīng)性強、不容易損壞等優(yōu)點。通過紅外傳感器可以得到生命體所處環(huán)境的圖像，利用主、被動式聲波傳感器可以對生命體發(fā)出的微弱求救信號進行探測并對生命體進行更為準確地定位，二者協(xié)同工作可為制定救援方案提供更為準確的決策依據(jù)，降低救援時間，減小災(zāi)害損失。

3.1紅外與聲波協(xié)同生命探測平臺結(jié)構(gòu)

該協(xié)同生命探測平臺的功能模型如圖1所示。

圖1　協(xié)同生命探測平臺的功能模型

首先利用被動式聲波探測技術(shù)，在廢墟外或廢墟空洞內(nèi)進行探測，采集并提取生命體發(fā)出的聲波信號（被困者呻吟、呼喊、爬動、敲打等產(chǎn)生的音頻聲波），以判斷生命體存在的疑似區(qū)域。在該區(qū)域?qū)ふ覐U墟空洞，利用紅外視覺探測技術(shù)，采集生命體環(huán)境圖像。同時可針對生命體目標發(fā)射主動式超聲波，以便對生命體進行較為準確地定位。將上述采集到的有用信息，經(jīng)過信息融合處理，對生命體進行目標識別和定位，為制定行之有效的救援方案提供決策支持。

3.2平臺硬件結(jié)構(gòu)

該平臺的硬件主要包括：多路聲波信息采集模塊；視頻采集模塊；信號融合處理器（FPGA+DSP）；嵌入式處理器。

多路聲波信息采集模塊實現(xiàn)低頻聲波信號和超聲波信號的同步采集；視頻采集模塊實現(xiàn)紅外視頻的采集傳輸和預(yù)處理；信號融合處理器，完成主被動式聲波信號的融合處理；嵌入式處理器負責整個系統(tǒng)的通信、控制、顯示等。

3.3紅外與聲波傳感器的選擇策略

傳感器選擇是多傳感器協(xié)同的一部分，它可以使多傳感器系統(tǒng)從可用的傳感器中選擇最合適的傳感器組合。預(yù)選法和實時選擇法是目前采用的兩種基本方法。預(yù)選法是根據(jù)具體應(yīng)用和最優(yōu)設(shè)計標準，事先對傳感器進行最優(yōu)的配置；和預(yù)選法相比，實時選擇法對傳感器的配置是在系統(tǒng)運行過程中進行的，根據(jù)系統(tǒng)的變化可以進行實時配置以達到局部最優(yōu)。前者適于靜態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用，而后者則適于動態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用。

針對災(zāi)后救援現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、情況多變的特點，紅外與聲波協(xié)同生命探測平臺采用實時法來確定紅外與主、被動式聲波傳感器的組合，最大限度地發(fā)揮各自的優(yōu)勢，并彌補其不足，使采集到的生命體信息更為準確可靠。

3.4紅外圖像與聲波信息融合模型

紅外圖像與聲波信息是完全不同質(zhì)的信息，即異類信息。一般情況下，異類信息具有很強的互補性，因而由之產(chǎn)生的融合信息更具有實用價值。然而，異類傳感器信息融合卻面臨著許多困難，最主要的困難是目前尚沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)工具與方法，描述和分析多源異類信息特征以及相應(yīng)的異類信息融合問題。

多源信息融合，一般可在不同的層次上進行，如數(shù)據(jù)層、特征層和決策層。因為異類信息固有的特點，目前在數(shù)據(jù)層進行融合的難度極大，一般只限于在特征層或決策層進行研究。而決策級融合是在信息表示的最高層上進行的融合處理。因此，本平臺在決策層進行信息融合，圖2給出了紅外與聲波信息的決策級融合模型。

對紅外與主、被動式聲波傳感器獲得信息分別進行處理，即分別進行信息獲取、特征提取和目標識別，建立對生命體的初步判決和結(jié)論；然后由融

圖2　紅外與聲波信息的決策級融合模型

合中心進行表決以取得最終的識別結(jié)論?？刹捎肈empster-Shafter方法進行決策級融合。

4　平臺搭建

本文設(shè)計的紅外與聲波協(xié)同生命探測平臺由硬件平臺和軟件平臺組成，硬件平臺包括：紅外視頻傳感器、振動傳感器、超聲傳感器、多路聲波/振動信息采集卡、超聲波信息采集卡、嵌入式處理器和I/O設(shè)備組成。軟件平臺采用LabVIEW作為開發(fā)工具，完成視頻信息和聲波信息的采集、顯示和處理。圖3給出了8路聲波信息的同步采集與顯示。

傳感器、采集卡和控制器的性能決定著整個平臺的處理性能，各項指標如表1所示。

表1　平臺性能指標

圖3　8路聲波信息的同步采集與顯示

5　結(jié)束語

目前對于生命探測儀的研制仍基于某一類型傳感器，而在實際的震后救援工作中，生命探測、救援往往需要結(jié)合多方面的信息來完成。紅外與聲波協(xié)同生命探測技術(shù)可以彌補單一傳感器生命探測的缺陷，更適用于震后復(fù)雜的救援環(huán)境，能得到更全面、更準確的生命體及救援現(xiàn)場信息，為制定高效可行的救援方案提供決策依據(jù)，降低救援時間，提高救援效率，減小災(zāi)害損失。

災(zāi)害環(huán)境下傳感器數(shù)據(jù)采集及空間定位的研究，多傳感器件協(xié)同和多傳感信息融合的理論和方法的研究，是多參數(shù)實時動態(tài)信息獲取的核心內(nèi)容，本平臺的研制將有利于促進我國突發(fā)公共事件的信息獲取及分析理論的發(fā)展，并為此提供一定的實踐依據(jù)。

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Design life detection synergy platform with infrared and acoustic wave

YANG Jing-song，YAO Zhen-jing，SONG Yan-xing，HE Xiu-ling

（Department of Disaster Prevention Instrument，Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，China）

Abstract:Life detection technology based on a single type of information sources can’t completely meet the needs of the earthquake relief，because they can’t make up for their own defects. This paper introduces the existing life detection techniques including acoustic wave life detection，optical life detection and radar life detection. The advantages and existing problems of the three life detection techniques are also analyzed. The advantages and present situation of multi-sensor detection synergy technique are given. The life detection synergy platform is designed with infrared and acoustic wave in this paper. And the platform structure model，multi-sensor selection strategy and performance index are introduced too. Finally，the development direction of life detection technique based on multi-sensor synergy is forecasted. This platform can synchronously collect，analyze and process infrared image and acoustic wave，has the functions of audio life detection and video detection function，makes up for the deficiency of the single sensor life detector. It can get more comprehensive and more accurate information about the scene of rescue and living organisms，and it is more suitable for complex quake rescue environment.

Key words:life detection；multi-sensor synergy；infrared sensor；acoustic wave sensor

基金項目：地震科技星火計劃項目（XH12076）

收稿日期：2013-04-24；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.020

文章編號：1674-5124（2013）05-0072-04

文獻標志碼：A

中圖分類號：TP212.1；TH715.1+16；TP274+.2；TP391.45

作者簡介：楊敬松（1975-），女，吉林省吉林市人，副教授，博士，主要從事生命探測、多傳感器信息融合研究。