生命探測(cè)信號(hào)在強(qiáng)震作用下的波動(dòng)特性分離*

吳義滿

(江蘇醫(yī)藥職業(yè)學(xué)院，江蘇 鹽城 224000)

事實(shí)證明，搶救被困人員的黃金時(shí)期在于震后72 h以內(nèi)，對(duì)震后壓埋人員的救援愈準(zhǔn)確及時(shí)，受災(zāi)人員存活的幾率愈大[1]。回顧汶川大地震，在當(dāng)時(shí)的復(fù)雜情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的救援成了一大難題。為更好的保障國(guó)民生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)生命信號(hào)的準(zhǔn)確搜索和判斷提出了更高的要求。為了達(dá)到在最短時(shí)間內(nèi)找到被困人員的救援目的，保障強(qiáng)震后能夠快速有效的進(jìn)行救援行動(dòng)，需要深入探索和研究更先進(jìn)的救助設(shè)備和生命探測(cè)定位技術(shù)，這對(duì)于保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全方面具有十分重要的意義。現(xiàn)階段的生命探測(cè)技術(shù)包含對(duì)人體的聲音、移動(dòng)、心跳、熱能以及靜電場(chǎng)等特征的探索，是在特殊環(huán)境下對(duì)生命特征搜索和檢測(cè)的重要方法[2]。生命探測(cè)是采用現(xiàn)代化技術(shù)和手段在特殊情況下對(duì)生命信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析的過(guò)程，通過(guò)電磁波的波動(dòng)判定生命體是否存活。由于周圍溫濕度以及外界噪音等因素等對(duì)電磁波干擾相對(duì)較小，因此研發(fā)電磁波生命信號(hào)搜救技術(shù)在生命探索方面越來(lái)越受到人們的關(guān)注?；谝陨显?qū)B續(xù)波的工作原理的研究以及對(duì)生命信號(hào)的提取和建模，提出微型聲波生命探測(cè)方法并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，效果良好。

1　波動(dòng)特性分離算法

電磁波生命信號(hào)搜救模型的建立基于微型聲波生命探測(cè)技術(shù)以及波動(dòng)性分離算法，為實(shí)現(xiàn)波動(dòng)特性分離算法首先需要獲得在生命探測(cè)器發(fā)射連續(xù)波情況下的信號(hào)頻率A(t)，表示為：

(1)

式中：z為生命信號(hào)探測(cè)儀的發(fā)射波頻率；t為振幅；λ為信號(hào)波動(dòng)的初相位[3]。通過(guò)上述公式可推出，生命探測(cè)儀在探索過(guò)程中接收到目標(biāo)的回波信號(hào)頻率An(t)為：

An(t)=PA(tn-t)=Pλcos[2πz(tn-t)+λ]。

(2)

D=Y0-ztn。

(3)

式中:Y0為t=0時(shí)的距離， 通過(guò)公式(1)(2)(3)將回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分離，其差值為:

δ=βcos(2πzt+λ)-Pλcos[2πz(tn-t)+λ]+2πftn

公共基礎(chǔ)教學(xué)課程作為四年制高職學(xué)生的基礎(chǔ)課程，是學(xué)生培養(yǎng)良好職業(yè)道德、練就較強(qiáng)專業(yè)知識(shí)技能、養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)能力的核心課程，因此加強(qiáng)公共基礎(chǔ)課教師隊(duì)伍建設(shè)，提升公共基礎(chǔ)課教師隊(duì)伍素質(zhì)是更好服務(wù)四年制高職公共基礎(chǔ)教學(xué)的當(dāng)務(wù)之急。師資隊(duì)伍建設(shè)要敢于結(jié)合當(dāng)前發(fā)展潮流，結(jié)合省情和學(xué)院情況，積極引進(jìn)與四年制高職學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的教師人才；要有計(jì)劃地組織安排在職公共基礎(chǔ)課教師參加有助于專業(yè)發(fā)展與拓寬視野的培訓(xùn)活動(dòng)；進(jìn)一步更新高職教育思想觀念、加強(qiáng)自身修養(yǎng)、主動(dòng)樹立服務(wù)專業(yè)的意識(shí)，充分認(rèn)識(shí)到公共基礎(chǔ)課程對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的作用，幫助學(xué)生做好職業(yè)生涯規(guī)劃。

(4)

通過(guò)公式(4)算法可推出發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)分離波動(dòng)頻率為:

(5)

電磁波照射到人體目標(biāo)時(shí)，生命體的振動(dòng)限定于有限范圍內(nèi)，接收到的信號(hào)圍繞著平均距離W上下波動(dòng)[4-5]。電磁波與生命體信號(hào)的瞬時(shí)波動(dòng)距離W(t)可以寫成下面的形式:

W(t)=fmAn(t)+ΔW(t)。

(6)

式中:ΔW(t)表示生命體心跳和呼吸等特征信號(hào)引起的皮膚波動(dòng)頻率，可通過(guò)下述公式求得生命體特性波動(dòng)頻率為：

ΔW(t)=A(t)sin(2πfmtn+δ)-An(t)sin(2πfmtn+λ)。

(7)

通過(guò)對(duì)信號(hào)破洞頻率和距離的推導(dǎo)得出特性波動(dòng)分離信號(hào)F(t):

F(t)=A(t)W(t)-cos(2πΔW(t)-fmtnδ-zλ)。

(8)

根據(jù)以上公式對(duì)生命體目標(biāo)頻率和探測(cè)器的發(fā)射頻率結(jié)果進(jìn)行測(cè)量具體探測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1　生命信號(hào)時(shí)域方針測(cè)量結(jié)果

因此，我們只要測(cè)量目標(biāo)的頻率與徑向速度，并根據(jù)上述公式進(jìn)行計(jì)算就可獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，從而對(duì)檢測(cè)目標(biāo)的特性進(jìn)行判斷[6]。用分離后的信號(hào)進(jìn)行微型聲波探測(cè)模擬技術(shù)來(lái)完成震后生命信號(hào)檢測(cè)工作。

2　微型聲波生命探測(cè)模型

通過(guò)上述計(jì)算可知，在高頻區(qū)電磁波譜中探測(cè)的生命目標(biāo)信號(hào)是由生命體局部位置散射所合成，局部目標(biāo)散射中心是在高頻頻區(qū)散射的基本特征之一[7]。假設(shè)生命體位于障礙物后1～1.5 m處，在障礙物的另一端進(jìn)行搜索和探測(cè)，效果如圖2所示。

探測(cè)器發(fā)射的部分信號(hào)會(huì)在墻面折射部分信息，其余大部分穿墻輻射到人體部分。根據(jù)散射中心特性，在生命體的主要骨骼銜接處形成散射點(diǎn)[8]。探測(cè)原理如圖3所示。相同x坐標(biāo)，任意散射點(diǎn)在視軸上形成一個(gè)中心，在該散射中心范圍內(nèi)的各點(diǎn)時(shí)延由坐標(biāo)位置決定[9]。

圖2　人體探測(cè)仿真圖

圖3　微型聲波二維坐標(biāo)系模擬示意圖

圖4　微型連續(xù)波工作原理

微型連續(xù)波生命探測(cè)的基本工作原理如圖4所示。圖4給出了連續(xù)波的最簡(jiǎn)單形式。探測(cè)儀調(diào)頻連續(xù)波形，通過(guò)天線發(fā)射在遇到生命體目標(biāo)后返回。在接收端進(jìn)行接收信號(hào)去斜率混頻以得到探測(cè)目標(biāo)特性判定生命體的有無(wú)[10]。連續(xù)波的頻率變化會(huì)隨時(shí)間呈線性變化。圖5、圖6、圖7給出了線性調(diào)頻波的時(shí)頻曲線、時(shí)域波形和幅頻特性。

圖5　線性調(diào)頻波的時(shí)頻曲線

圖6　線性調(diào)頻波的時(shí)域波形

圖7　線性調(diào)頻波的幅頻特性

連續(xù)波信號(hào)仿真如圖7所示，在接收到的生命體回波信號(hào)中，接收與發(fā)射信號(hào)的瞬時(shí)頻率差通常是一個(gè)常數(shù)，對(duì)接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的頻率差進(jìn)行測(cè)量可得到目標(biāo)距離[11-12]。再通過(guò)混頻處理得到頻率差，處理方法如圖8所示。

圖8　微型聲波生命頻率信號(hào)差探測(cè)方法

由此可以看出人體生命信號(hào)探測(cè)可以根據(jù)回波信號(hào)測(cè)定生命體有無(wú)呼吸和心跳達(dá)到電生命信號(hào)檢測(cè)的目的[13]。對(duì)上述方法進(jìn)行仿真測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9結(jié)果可以看出在心跳和呼吸這種微動(dòng)情況下利用微型聲波生命頻率信號(hào)差的方法探測(cè)生命信號(hào)效果性對(duì)比較明顯。

圖9　微型聲波生命信號(hào)探測(cè)頻率差仿真測(cè)量結(jié)果

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)一:模擬震后環(huán)境在測(cè)量范圍內(nèi)完成4個(gè)目標(biāo)的探側(cè)，兩個(gè)健康人體安靜坐于30cm厚水泥墻后，順序改變延遲時(shí)間，查看中頻信號(hào)輸出和最終目標(biāo)信噪比。實(shí)驗(yàn)情況見表1。表1信息證實(shí)微型聲波生命探測(cè)能夠穿越較厚障礙物對(duì)生命體信號(hào)特征進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)和準(zhǔn)確的分析。

表1　系統(tǒng)經(jīng)輸出目標(biāo)信息

實(shí)驗(yàn)二:實(shí)驗(yàn)測(cè)得四個(gè)生命體呼吸信號(hào)的頻譜如圖10所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出后者比前者信息更加豐富，這是由相鄰操作者的影響引起的。由此可以看出生命信號(hào)可以采用型聲波生命信號(hào)探測(cè)方法進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)回波信號(hào)判斷生命體有無(wú)呼吸和心跳，從而做到快速精確檢測(cè)生命信號(hào)的目的。

圖10　生命目標(biāo)特征探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

4　結(jié)束語(yǔ)

為達(dá)到更精準(zhǔn)快速的探索生命信號(hào)的目的提出利用微型聲波進(jìn)行生命探測(cè)的與方法，依托對(duì)微型聲波生命探測(cè)機(jī)理的研究成果，進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)的計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方法的可行性，同時(shí)通過(guò)硬件設(shè)計(jì)，創(chuàng)新微型聲波生命探測(cè)模型，以便修正和完善微型聲波生命探測(cè)理論。

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