生命探測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展*

， ， ,2

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院 儀器科學(xué)與工程系，河北 秦皇島 066004；2.秦皇島視聽機械研究所，河北 秦皇島 066004)

0 引 言

地震、滑坡、泥石流、雪崩等自然災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重影響和制約了人類社會經(jīng)濟的發(fā)展。20世紀(jì)以來，全世界已有約500萬人死于各種自然災(zāi)害，8億人生活受到影響，人類每年創(chuàng)造的財富約有10 %被各種自然災(zāi)害吞噬[1]。每次發(fā)生自然災(zāi)害后及時對被困人員進行定位和救助是災(zāi)后的首要任務(wù)?？偨Y(jié)世界各國多次強烈地震救援經(jīng)驗表明，生命救活率與幸存者被救援的及時性密切相關(guān)，根據(jù)有關(guān)專家調(diào)查統(tǒng)計，震后第一天將被困人員救出，救活率為81 %；第二天救出，救活率為53 %；第三天救出，救活率為36.7 %；第四天救出，救活率為19 %；第五天救出，救活率為7.4 %；之后救活的希望就很小了[2]。上述數(shù)據(jù)表明，震后72 h是埋在廢墟下的幸存者得到救援并得以存活下來的關(guān)鍵時期。但是,由于倒塌建筑物造成的生存空間非常狹小，以至于許多情況下搜救人員和搜救犬都不能進入，使搜索范圍限制在倒塌建筑物表面范圍，而幸存者則多數(shù)被掩埋在廢墟之中。生命探測器能夠探測到被掩埋在廢墟下的幸存者，是地震救援技術(shù)中的關(guān)鍵[3]。1985年，美國、英國、法國等國家的救援隊在墨西哥地震中首次使用了生命探測儀，發(fā)現(xiàn)并救活了許多被困人員。進入21世紀(jì)以來，生命搜索定位技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)工作引起了許多國家的關(guān)注,生命探測技術(shù)發(fā)展得已經(jīng)比較完善，主要是根據(jù)光波、聲波、電磁波等物理學(xué)原理，通過專用的傳感器將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過濾波放大后輸出可視或可聽的信號，組成能搜索、探測、尋找生命的儀器設(shè)備[4]。

本文對聲波振動生命探測器、雷達生命探測器、紅外生命探測器以及氣體生命探測器幾種生命探測器的的探測方法及其特點進行了詳細的介紹，并對于其應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景進行了分析。

1 生命探測原理與現(xiàn)狀分析

生命探測器探測幸存者是將心跳、脈搏、呼吸等能夠代表生命信息的信號轉(zhuǎn)換為其它能量形式進行顯示，如聲波、電波、紅外輻射等[5]。本文分別對聲波振動、雷達、紅外和氣體幾種生命探測器的探測原理(如圖1)及其現(xiàn)狀進行了分析。其中聲波振動生命探測器、雷達生命探測器和紅外生命探測器是目前技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的幾種生命探測器，而氣體生命探測器的技術(shù)還不成熟，仍處于研發(fā)階段。

圖1 生命探測儀原理框圖

1.1 聲波振動生命探測器

聲波振動生命探測器探測生命信息主要是通過探測被困幸存者的呼救、心跳等聲音信號對幸存者進行定位。在探測時聲音傳感器將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過前放、陷波、濾波處理后將信號放大送入監(jiān)視耳機，然后通過營救人員監(jiān)聽被困者發(fā)出的各種聲音[6]。營救人員通過監(jiān)聽到的被困者發(fā)出的聲音對被困者進行定位，進而采取相應(yīng)的營救措施對其進行營救。

聲波振動生命探測器起源于法國的一種振動耳機，這種耳機是利用測聲定位技術(shù)生產(chǎn)，后來英國救援人員在1985年墨西哥地震中應(yīng)用這種生命探測器進行探測救援，取得了很好的效果。聲波振動生命探測器在國內(nèi)研究起步較晚。在“十五”期間，成都理工大學(xué)相關(guān)的研究人員成功研制了聲波振動生命探測儀，并將其應(yīng)用在抗震救災(zāi)中，并取得了較好的表現(xiàn)。在 2005 年成都市發(fā)生的“8.12”樓房垮塌事故中，由于救援人員采用了聲波振動生命探測儀，為被壓埋人員的搜索定位提供了寶貴的時間，從而及時搶救了許多人的生命[7,8]。

聲波振動生命探測器能有效地探測出震后廢墟中幸存者的位置，為救援工作提供更多的時間。多道動態(tài)顯示，實時地監(jiān)測異常振動信號是聲波振動生命探測器的主要特點。聲波振動生命探測儀探測幸存者信息可實現(xiàn)快速搜索，而且這種生命探測輕便、價格低廉。

1.2 雷達生命探測儀

雷達生命探測儀是基于多普勒效應(yīng)的原理制成的。雷達生命探測器探測生命信息時是通過一個發(fā)送/接收天線發(fā)射電磁信號，信號穿過廢墟碎片傳播到幸存者所處的位置，將幸存者肢體動作的信息通過相位調(diào)制的方式加載在電磁信號上，然后穿透廢墟返回地面被天線接收[9～11]。在天線接收到的信號中包含有被困幸存者當(dāng)時的信息，營救人員通過對其進行分析判斷進而得出幸存者的狀態(tài)，并采取相應(yīng)的措施對其進行營救。

美國的Georsia技術(shù)研究所在雷達式生命探測技術(shù)研究方面有較大成果，該研究所首次提出了雷達生命信號監(jiān)測(radar vital signal monitoring,RVSM)的概念，這對于雷達式生命探測技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。Georsia研究所前后相繼制作出了用于軍用的調(diào)頻雷達和拋物面式天線結(jié)構(gòu)雷達式的生命特征監(jiān)視儀，前者在1992年就已經(jīng)作為RVSM裝備在戰(zhàn)場上使用，用于判定一個受傷軍人在陸軍醫(yī)護兵冒生命危險搶救之前是否還是活著的，而后者則在1996年亞特蘭大奧運會上被用于研究射擊和射箭運動員的呼吸與心跳對射擊準(zhǔn)確度的影響，這也是RVSM首次引起公眾注意[12]。而作為比較，我國在雷達生命探測技術(shù)方面的研究起步較晚。在國家重點培養(yǎng)和大力支持下，我國第一部非接觸雷達式穿墻生命探測儀在2004年誕生于第四軍醫(yī)大學(xué)。在非接觸雷達式生命探測技術(shù)方面做了相應(yīng)的研究并取得了不錯的成果，還有武警工程學(xué)院和西安電子科技大學(xué)。在非接觸式生命探測技術(shù)進行研究并制做出相應(yīng)的產(chǎn)品的青島電氣有限公司和西安必肯科技發(fā)展有限公司為我國在這方面的發(fā)展和進步作出了巨大的貢獻。2010年4月，由湖南華諾星空電子技術(shù)有限公司研發(fā)出的警用超寬帶雷達式生命探測儀順利通過國家地震局的測驗，并在之后發(fā)生的玉樹地震中起到了重要作用[13]。

雷達生命探測器的特點：可以穿透數(shù)米甚至數(shù)十米的石塊或混凝土障礙物對廢墟下的幸存者進行探測；對于廢墟下的幸存者，只要還有呼吸、心跳等能夠代表生命信息的生理特征，就可以被探測器探測到，無論幸存者是處于運動狀態(tài)還是靜止?fàn)顟B(tài)。但是,外界環(huán)境和操作者操作儀器時所帶來的背景噪聲對檢測效果具有一定的影響。

1.3 紅外生命探測器

任何物體溫度在絕對零度以上時都會產(chǎn)生輻射，人也不例外。經(jīng)研究表明：正常情況下(人體體溫在37℃時)，人體紅外輻射能量較集中的中心波長為9.4 μm；人體皮膚的紅外輻射范圍為3～50 μm，其中，8～14 μm占全部人體輻射能量的46 %，這個波段是設(shè)計人體紅外探測儀的一個重要技術(shù)參數(shù)[14]。紅外生命探測儀探器探測人的基本原理就是通過探測人體發(fā)出的熱輻射，并將探測到的熱輻射信息以圖像的形式顯示在屏幕上，為工作者提供被埋在廢墟下的幸存者的信息。通過使用這種儀器，使救援人員對被困生命體的精確位置和周圍情況一目了然，可在地震發(fā)生后的黑暗環(huán)境中探測被埋在廢墟中的生命，但同時在應(yīng)用這種儀器探測生命信息時容易受到周圍溫度的影響[15]。

紅外生命探測技術(shù)的研究起比較早。美國德克薩蘭儀器公司在第二次世界大戰(zhàn)過后，經(jīng)過近一年的探索，首次研發(fā)出了應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的紅外成像裝置—紅外尋視系統(tǒng)(FLIR)。20世紀(jì)60年代早期，瑞典AGA公司研制成功第二代紅外成像裝置，該裝置在紅外尋視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了測溫的功能，稱之為紅外熱像儀；幾經(jīng)改進，1988年推出的全功能熱像儀，將溫度的測量、修改、分析、圖像采集、存儲合于一體，儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高；2004年，俄羅斯莫斯科同立大學(xué)研究成功了一種亞毫米波熱成像儀[16]。目前應(yīng)用較多的紅外生命探測儀是美國名為M271328的紅外生命探測儀，這種紅外生命探測器方便輕巧實用。紅外生命探測器不僅可以用來探測震后廢墟下幸存者的狀況，還可以應(yīng)用在煤礦的開采方面。在煤礦開采方面可以進行溫度的測量煤層在不同溫度下的分布情況。

紅外生命探測器的主要特點是能夠在黑暗的環(huán)境中對廢墟下的幸存者進行生命探測，而且由于紅外生命探測器探測生命采用的是紅外成像的方式，能夠?qū)⒈焕д叩臓顩r進行清晰地顯示，這對于生命救援工作具有重大的意義。此外，紅外生命探測儀探測生命信息的方式是非接觸測量，探測范圍最高可達幾十米，價格較低，是一種較為理想的地震救援設(shè)備。

1.4 氣體生命探測器

氣體生命探測器是將氣體探測技術(shù)應(yīng)用在生命探測方面。地震災(zāi)害發(fā)生后，被掩埋在廢墟下的幸存者所處的空間非常狹小，而且與外界空氣之間的流動交換比較慢，造成在該空間內(nèi)人體新陳代謝釋放出來的氣體不易散發(fā)出去，造成氣體在空間內(nèi)的富集，影響空間內(nèi)氣體濃度的比例?？臻g內(nèi)氣體濃度的變化與人體的新陳代謝密切相關(guān)，因而，通過探測該空間內(nèi)氣體的濃度信息就可以從中推斷出在該空間內(nèi)幸存者的信息。這種生命探測器探測生命信息時是探測氣體的濃度信息，并對探測到的信息進行分析判斷，就可以得出廢墟下幸存者的狀況[17,18]。

氣體生命探測器集合了氣體傳感技術(shù)和光纖傳感技術(shù)，是光纖技術(shù)在氣體探測方面的重要應(yīng)用。這種生命探測器測量靈敏度高、氣體鑒別能力強、響應(yīng)快,而且對溫度、濕度等環(huán)境干擾的抵抗能力強[19]。這種生命探測器曾經(jīng)在汶川地震中的日本救援隊中出現(xiàn)過一次，還未廣泛應(yīng)用于震后現(xiàn)場救援工作中。

2 結(jié) 論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,每種生命探測器都有了一定的進展，現(xiàn)在生命探測器的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在探測精度和探測速度的提高以及探測設(shè)備的可操作性和便攜性這幾方面，而對于不同種類的生命探測器也是各不相同的。到目前為止，聲波振動生命探測器和雷達生命探測器以及紅外生命探測器的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，而且已經(jīng)廣泛應(yīng)用在災(zāi)后現(xiàn)場的救援之中。聲波振動生命探測器缺點主要體現(xiàn)在信號經(jīng)由廢墟?zhèn)鞑サ降孛嫔系臅r候會有很大的衰減，嚴(yán)重影響探測的靈敏度，而且救援現(xiàn)場中大量噪聲信號的干擾也會對探測的準(zhǔn)確性造成很大的影響。因此，聲波振動生命探測器的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在不斷提高探測的靈敏性和準(zhǔn)確性這2方面。雷達生命探測器的發(fā)展方向也是體現(xiàn)在2方面：一方面在硬件方面,即要不斷縮小探測儀器的體積以提高設(shè)備的便攜性；另一方面，要對探測方法不斷進行改進，從而能夠?qū)π掖嬲哌M行更準(zhǔn)確的定位并識別出在廢墟下幸存者的具體人數(shù)，為救援工作提供幫助。紅外生命探測器的技術(shù)比較成熟，其缺點主要體現(xiàn)在應(yīng)用設(shè)備進行探測時需要探測人員佩戴笨重的探測設(shè)備，身上負重大，不利于行動，因此，研發(fā)一種適用于紅外生命探測器的機器人對于紅外生命探測器的發(fā)展具有很大的幫助。氣體生命探測器可以說是一種新型的生命探測器，到目前為止氣體生命探測器的成品還不是很多。雖然這種生命探測器發(fā)展的比較緩慢，但是,這種生命探測器具有很好的發(fā)展前景。氣體生命探測器的發(fā)展主要依賴于氣體探測技術(shù)的發(fā)展，但是,它的發(fā)展又比氣體探測的發(fā)展更廣闊。氣體探測器的探測精度與光源的選取密切相關(guān)，除了探測儀器的可靠性、實用性和便攜性以外，光源是氣體生命探測器發(fā)展突破的重要因素。

隨著科學(xué)研究水平的不斷提高，將會有更先進的生命探測技術(shù)問世，現(xiàn)有的生命探測技術(shù)也將日臻完善，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻:

[1] Narayanan Ram G.Lakshmi,Ibeb Oliver C.A joint network for disaster recovery and search and rescue operations[J].Computer Networks,2012,56:3347-3373.

[2] 聶高眾,高建國,蘇桂武,等.地震應(yīng)急救助需求的模型化處理[J].資源科學(xué),2001,23(1):69-76.

[3] 趙英寶,黃麗敏.智能便攜式CO2生命探測儀的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(2):106-111.

[4] 宋燕星,高 琴,姚振靜,等.主動紅外探測式視覺生命探測系統(tǒng)[J].紅外技術(shù),2012,34(9):521-524.

[5] Hu Ye.Life detection technique in earthquake search and res-cue[C]∥The Second International Conference on Instrumentation & Measurement,Computer,Communication and Control,2012.

[6] 朱愛軍,都 勇.聲光一體生命搜索與定位探測儀設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用,2004(4):195-200.

[7] 肖忠源.分布式微型音頻生命探測系統(tǒng)的研制[D].成都:成都理工大學(xué),2009:1-2.

[8] 簡興祥.聲波/振動生命探瀏系統(tǒng)數(shù)理模型的研究[D].成都:成都理工大學(xué),2003:2-3.

[9] Angell A J,Rappaport C M.Computational modeling analysis of radar scattering by clothing covered arrays of metallic body-worn explosive devices[J].Progress in Electromagnetics Research(PIER),2007,76:285-298.

[10] Banerjee P K.Doppler technique for detection of buried under earthquake rubble[J].Indian Journal of Pure & Applied Phy-sics,2003,41(12):970-974.

[11] Bimpas M,Paraskevopoulos N,Nikellis K,et al.Development of a three band radar system for detecting trapped alive humans under building ruins[J].Progress in Electromagnetics Research(PIER),2004,49:161-188.

[12] 楊 劍.電磁波生命探測方法研究[D].成都:成都理工大學(xué),2009:2-3.

[13] 嚴(yán)珊珊.用于雷達式生命探測儀的信號處理系統(tǒng)的設(shè)計[D].長春:長春理工大學(xué),2012:2-3.

[14] 劉良剛,詹碧燕,俞飛鵬.紅外生命探測儀的研制及實驗[J].地殼形變與地震,1999,19(3):82-86.

[15] 姚振靜,高 韜,張 軍,等.震后生命探測技術(shù)綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(12):8-10.

[16] 趙 偉,黃春琳.生命探測技術(shù)研究[C]∥中國高校通信類院系學(xué)術(shù)研討會論文集,2008:152-157.

[17] Zhang G J,Wu X L.A novel CO2gas analyzer based on IR absorption[J].Optics and Lasers in Engineering,2004(42):219-231.

[18] Charpentier F,Bureau B,Troles J,et al.Infrared monitoring of underground CO2storage using chalcogenide glass fibers[J].Optical Materials,2009(31):496-500.

[19] Heusinkveld B G,Jacobs A F G,Holtslag A A M.Effect of open-path gas analyzer wetness on eddy covariance flux measurements:A proposed solution[J].Agricultural and Forest Meteorology,2008(148):1563-1573.