頭戴式體征探測(cè)儀

趙明宇 竇澤華 章懷宇 馬瑞祥

摘 要：文中提出了一種新的體征探測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案，該方案能夠探測(cè)出震后被埋在廢墟下的待救援者的生命體征，該系統(tǒng)的外形是一個(gè)頭盔，其中集成了主控制器，外界環(huán)境成像模塊，人體紅外熱輻射探測(cè)模塊，人體心跳呼吸探測(cè)模塊，顯示模塊，語(yǔ)音提示模塊，GPS模塊，語(yǔ)音對(duì)講模塊，電源管理模塊等部分。這種設(shè)計(jì)的先進(jìn)性在于它可以同時(shí)探測(cè)人體心跳、呼吸以及熱輻射等生理特征，提高探測(cè)精度，而且釋放了救援者的雙手，提高了救援效率。

關(guān)鍵詞：震后救援，體征探測(cè)，人體紅外熱輻射，心跳呼吸檢測(cè)

1 作品介紹

本產(chǎn)品通過(guò)紅外熱釋電傳感器和多普勒雷達(dá)同時(shí)探測(cè)待救援者的紅外熱輻射和心跳呼吸這兩種生命體征，探測(cè)結(jié)果通過(guò)語(yǔ)音模塊對(duì)搜救隊(duì)員進(jìn)行提示。為使本產(chǎn)品能夠24小時(shí)全天候工作，我們?yōu)樗鋫淞思t外微光攝像頭，攝像頭采集到的圖像可以通過(guò)屏幕顯示給搜救隊(duì)員?？紤]到搜救隊(duì)員也可能遇到意外情況，所以，又為本產(chǎn)品配備了GPS模塊和語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng)，當(dāng)搜救隊(duì)員需要幫助時(shí)，可以通過(guò)語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng)報(bào)告自己所在的經(jīng)緯度來(lái)呼叫附近搜救隊(duì)員進(jìn)行支援。

2 工作原理

2.1 電源管理模塊

電源管理模塊的功能是為其他五大模塊提供可用的工作電源。眾所周知，可穿戴設(shè)備的能耗問(wèn)題一直是各大廠(chǎng)商和用戶(hù)關(guān)注的重點(diǎn)。為了使本文所述的新型體征探測(cè)儀續(xù)航能力更強(qiáng)，可以充分利用各種能量源，如太陽(yáng)能、熱能等。

2.2 人體紅外熱輻射探測(cè)模塊

人體紅外熱輻射探測(cè)模塊的核心是紅外熱釋電傳感器，它的精度、抗干擾性、靈敏度等指標(biāo)直接決定了探測(cè)的效果，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意以下兩點(diǎn)：第一，正常人體的溫度在37℃左右，所發(fā)射的紅外線(xiàn)波長(zhǎng)為9～10 μm，被埋在廢墟中的待救援者由于驚嚇，缺少食物，導(dǎo)致體溫有所下降，因此進(jìn)行紅外熱輻射探測(cè)時(shí)，中心波長(zhǎng)應(yīng)略高于10 μm，這樣不但可以更加有效地探測(cè)到待救援者的位置，同時(shí)還可以有效地避免地面救援者的紅外干擾；第二，由于輻射出的紅外線(xiàn)被坍塌的墻體吸收反射，導(dǎo)致能夠被檢測(cè)到的熱量很少，為了精準(zhǔn)探測(cè)到待救援人員的紅外熱輻射、確定待救援人員所處位置就必須提高紅外熱釋電傳感器的精度，所以必須設(shè)計(jì)濾光鏡片、電壓放大電路以及聚光設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)濾光鏡片的目的是將入射波段不在10 μm的紅外線(xiàn)全部濾掉，排除干擾，提高抗干擾性。電壓放大電路的目的是將檢測(cè)到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，便于后級(jí)信號(hào)處理，提高了精度。聚光設(shè)計(jì)也是為了更有效地收集微弱的紅外信號(hào)，此設(shè)計(jì)亦可提高精度；第三，電路在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)難免產(chǎn)生一些熱量，這些熱量也會(huì)對(duì)紅外熱釋電傳感器的精度造成不利的影響，因此，設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路十分必要。

2.3 人體心跳呼吸探測(cè)模塊硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)首先設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)波雷達(dá)，連續(xù)不斷地向外界發(fā)射固定頻率的電磁波。電磁波的頻率選擇需要特別考慮，相關(guān)研究表明，電磁波頻率越高，檢測(cè)靈敏度越高，但是穿透力將大大減弱；相反，電磁波頻率越低，會(huì)增大探測(cè)距離，但是靈敏度將大大降低。在發(fā)射的同時(shí)還需收集回波信號(hào)，由于回波信號(hào)非常微弱，所以還需設(shè)計(jì)一個(gè)電壓放大器，將回波信號(hào)放大，便于進(jìn)行信號(hào)處理。將放大后的回波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)與帶通濾波即可得到人體心跳呼吸信號(hào)。相關(guān)研究表明，人體心跳呼吸的頻率在0.3 Hz～3 Hz之間，所以帶通濾波器的通帶頻率也應(yīng)為0.3 Hz～3 Hz，為達(dá)到良好的濾波效果，應(yīng)使用巴特沃斯濾波器，并增加濾波階數(shù)。最后對(duì)從回波信號(hào)中提取出來(lái)的心跳呼吸信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)其強(qiáng)度判斷待救援者的具體位置。圖1所示是人體心跳呼吸探測(cè)模塊的原理框圖。

圖1 人體心跳呼吸探測(cè)模塊的原理框圖

3 作品創(chuàng)新點(diǎn)

（1）能夠穿過(guò)墻壁或障礙物探測(cè)待救援者的生命體征；

（2）采用多普勒雷達(dá)探測(cè)人的心跳呼吸相比于目前采用二氧化碳傳感器探測(cè)二氧化碳濃度的方式，精度更高，不易受干擾，成本更低；

（3）同時(shí)探測(cè)待救援者的紅外熱輻射和心跳呼吸，降低誤判率和漏報(bào)率，提高探測(cè)精度。圖2所示為頭盔式生命體征探測(cè)儀的物圖。

圖2 頭盔式生命體征探測(cè)儀實(shí)物圖

（4）通過(guò)分析回波信號(hào)可以簡(jiǎn)單判斷出埋在廢墟下的是人還是其他動(dòng)物，以此進(jìn)一步提高探測(cè)精度；

（5） 采用頭戴式的形式，最大程度上減少了搜救隊(duì)員的負(fù)重，釋放了他們的雙手，提高了救援效率，同時(shí)，頭盔對(duì)搜救隊(duì)員也是一種保護(hù)。

4 市場(chǎng)前景

作為一種新興產(chǎn)品，本產(chǎn)品的市場(chǎng)前景十分廣闊，具體列舉如下：

（1）震后救援；

（2）海關(guān)防偷渡；

（3）軍事裝備；

（4）反恐裝備。

團(tuán)隊(duì)獲獎(jiǎng)風(fēng)采照