國內(nèi)外生物雷達(dá)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

常 鵬

空軍工程大學(xué)，陜西 西安 710032

0 引言

雷達(dá)技術(shù)最先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，用以探測和定位參與軍事活動中的目標(biāo)。隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域。生物雷達(dá)技術(shù)是生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中雷達(dá)技術(shù)交叉產(chǎn)生的一個新的技術(shù)領(lǐng)域。生物雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，可以通過衣服、被褥等物體，以非接觸的方式監(jiān)測人體的心跳、呼吸等生理運動。與傳統(tǒng)的接觸監(jiān)測相比，這種工藝可以減少電極、導(dǎo)線、傳感器等給人體帶來的不適感。因此，生物雷達(dá)技術(shù)在社會醫(yī)學(xué)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 生物雷達(dá)技術(shù)概述

（1）含義。雷達(dá)技術(shù)一般被認(rèn)為是自由特定空間技術(shù)中的一種無線電磁波探測應(yīng)用技術(shù)，通過向自由特定空間發(fā)射無線電磁波信號快速探測到目標(biāo)的相關(guān)物體信息。在此基礎(chǔ)上，生物雷達(dá)技術(shù)向目標(biāo)物體發(fā)射大量電磁波，通過目標(biāo)呼吸時的胸部運動和目標(biāo)運動時的身體運動來調(diào)制電磁波的相位。雷達(dá)通過接收調(diào)制信號，解調(diào)人體的呼吸和心跳信號。隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)信息工程、雷達(dá)、計算機(jī)、電子等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代軍事、醫(yī)學(xué)和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展需要，這種基于雷達(dá)的生命探測跟蹤技術(shù)逐漸得以發(fā)展應(yīng)用起來。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者相繼提出了非接觸物體探測雷達(dá)技術(shù)的新概念—生物雷達(dá)探測技術(shù)。該探測技術(shù)充分融合了現(xiàn)代雷達(dá)探測技術(shù)和現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)電子工程技術(shù)，能準(zhǔn)確穿透各種非金屬活體介質(zhì)（包括磚墻、廢墟等）并同時檢測其他生命活體信號（包括呼吸、身體運動等），而沒有任何電極或傳感器接觸活體。該技術(shù)開發(fā)的生物醫(yī)學(xué)雷達(dá)技術(shù)是一種目前可以直接用于自動探測識別所有生命，探測和識別生命數(shù)量、狀態(tài)和位置的儀器。一般的要求是能夠穿過障礙物，發(fā)現(xiàn)并捕捉到受害者的生命特征。與基于紅外、光學(xué)、超聲的生命探測相關(guān)技術(shù)應(yīng)用相比，生物醫(yī)學(xué)雷達(dá)技術(shù)以其非接觸、穿透力強(qiáng)、定位準(zhǔn)確等諸多優(yōu)點，已成為最具創(chuàng)新性、最具活力和發(fā)展?jié)摿Φ默F(xiàn)代生命科學(xué)探測應(yīng)用技術(shù)。目前，該技術(shù)有著特殊的實際應(yīng)用和發(fā)展前景，主要表現(xiàn)在：可以快速找到埋在廢墟、隧道和雪地中的幸存者；可用于城市巷戰(zhàn)中的穿墻偵察；可用于戰(zhàn)場急救中的非接觸式生命參數(shù)監(jiān)測；可以用來監(jiān)視恐怖分子和罪犯；還可以通過穿透搜索隱藏在各種非金屬介質(zhì)中的罪犯。由于這些領(lǐng)域大多與國家安全有關(guān)，一些關(guān)鍵技術(shù)被各國保密。因此，發(fā)展應(yīng)用目前我國擁有完全自主研發(fā)知識產(chǎn)權(quán)的新型生物醫(yī)學(xué)雷達(dá)技術(shù)也就顯得尤為重要。

（2）新發(fā)展。人體生理信號采集有很多種方法，傳統(tǒng)的做法都是在人體安裝各種不同的傳感器電極，如心電、腦電、血氧、血壓、體溫等，雖然結(jié)果比較可靠，但使用繁瑣、不舒適，不合適居家日常采用。近年來，可穿戴式健康檢測產(chǎn)品發(fā)展迅速，除了可穿戴式設(shè)備外，也出現(xiàn)了非穿戴式和非接觸式檢測技術(shù)，尤其是生物雷達(dá)非接觸式體征檢測技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。其實，在非接觸式生物雷達(dá)體征監(jiān)測領(lǐng)域，中國一直就不落后，國內(nèi)的技術(shù)積累已有近30年的時間，只是以前主要應(yīng)用領(lǐng)域都集中在軍用、警用方面，后來擴(kuò)展到災(zāi)害救援，直到移動互聯(lián)網(wǎng)、智能家居行業(yè)興起之后才開始涉足民用領(lǐng)域。國產(chǎn)的非接觸式生物雷達(dá)體征檢測產(chǎn)品不僅性價比高，而且技術(shù)水平全球領(lǐng)先。珠海奧美健康科技有限公司是國內(nèi)在生物雷達(dá)民用領(lǐng)域起步最早、產(chǎn)品技術(shù)最全面的一家公司，該公司已成功實現(xiàn)了硬件設(shè)備的微型化、低功耗、采用24 GHz頻段檢測分辨率可以達(dá)到0.02 mm，特別是通過采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法，使心率計算的準(zhǔn)確性達(dá)到95%以上。由于生物雷達(dá)波形含有極豐富的健康信息，可以通過數(shù)據(jù)挖掘?qū)τ脩舻慕】禒顩r進(jìn)行深度分析，應(yīng)用前景廣闊，值得期待[1]。

2 國內(nèi)生物雷達(dá)目標(biāo)識別定位技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)生物雷達(dá)目標(biāo)識別定位技術(shù)主要是通過墻壁探測單個目標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[2]來看，國內(nèi)應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)雷達(dá)定位目標(biāo)系統(tǒng)技術(shù)大多數(shù)是采用自動調(diào)頻連續(xù)式微波和超聲波寬譜微波雷達(dá)定位系統(tǒng)。

北京理工大學(xué)研究小組采用了低頻超寬帶穿墻雷達(dá)和小波雙譜檢測算法相結(jié)合的方法，定位一個物體在墻后的距離和方位。重建位置圖需要每隔5 cm移動天線100次。中國國防科技大學(xué)的研究小組提出了一種改進(jìn)的超聲波寬譜無線穿墻目標(biāo)探測雷達(dá)定位成像檢測算法，與傳統(tǒng)的穿墻目標(biāo)定位算法相比，該算法可以提供更豐富的成像信息，解決了由于電磁波折射穿墻而引起的時間延遲問題。當(dāng)天線穿過墻面的數(shù)量較少時，天線的尾部反射現(xiàn)象大大減少，該方法適用于通過天線穿過墻壁對單向目標(biāo)點進(jìn)行檢測和定位。

空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈研究所研制的超寬譜動目標(biāo)探測雷達(dá)，通過積累接收到的信號，放大和微分，實現(xiàn)了對單個動目標(biāo)的探測。

自2006年以來，第四軍醫(yī)大學(xué)研究團(tuán)隊將繁殖定量分析（RQA）方法應(yīng)用于生物雷達(dá)識別人體數(shù)量的研究。穿透12 cm磚墻后，對探測到的雙目標(biāo)（分別位于墻后3.5 m和4.5 m處）的信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置與該距離處的繁殖率存在一定的相關(guān)性[3]。

3 國外應(yīng)用生物雷達(dá)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程、雷達(dá)、電子和現(xiàn)代計算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代軍事、醫(yī)學(xué)和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展需要，國外已經(jīng)開始出現(xiàn)了各種利用生物醫(yī)學(xué)雷達(dá)技術(shù)探測人體生命不同周期參數(shù)的先進(jìn)技術(shù)。利用生物雷達(dá)探測技術(shù)探測人類內(nèi)部生命特征的重點研究機(jī)構(gòu)主要集中在俄羅斯、美國、意大利、日本等發(fā)達(dá)國家。美國密歇根州立大學(xué)的一個研究團(tuán)隊，利用具有L射頻波段以及S射頻波段兩種不同發(fā)射頻率的衛(wèi)星雷達(dá)連續(xù)波天線同時進(jìn)行發(fā)射探測，取得了較好的探測效果。在其中模擬一次地震后，它在倒塌的一座建筑物中成功探測到了人的呼吸和生命信號。然而，由于工作環(huán)境和操作者活動帶來的各種背景噪聲對檢測到的效果造成嚴(yán)重的影響，對于活體識別一直沒有可行的具體解決辦法方案。日本研究組通過各種衣服和床上用品，集中對心率、股動脈、頸部主動脈、指尖脈搏等近距離（50 cm以內(nèi)）進(jìn)行測量，它主要采用連續(xù)波長線探測信號、雙向正交波微波探測信號技術(shù)和最小二乘法的估計探測方法，但是與探測距離太近。利用雷達(dá)生命特征在線雷達(dá)探測技術(shù)，美國公司開發(fā)了一種雷達(dá)手電筒探測工具，可以直接探測到圍墻后、門后和樹后的人。據(jù)說，在已有成熟的商業(yè)技術(shù)設(shè)備基礎(chǔ)上開發(fā)的這種手電筒探測雷達(dá)，既能探測到房間內(nèi)走動的可疑人員，也能探測到行動不暢、呼吸不順暢的可疑人員，但前者的工作距離要比后者長得多。目前該裝置只能固定使用，不能用于運動。

4 生物雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢

生物雷達(dá)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于救災(zāi)（地震、滑坡中搜尋傷員）、城市反恐（隔墻監(jiān)視罪犯、解救人質(zhì)）、臨床監(jiān)測（非典等傳染?。?、邊境海關(guān)安檢、軍事斗爭等。在這些應(yīng)用中，不僅要注意是否檢測到活體的存在，還要注意活體的狀況。比如，在傷員的搜救中關(guān)注人與動物的區(qū)別，在反恐和軍事斗爭中關(guān)注活體的數(shù)量、狀態(tài)和距離方位，在臨床監(jiān)測中關(guān)注生命指標(biāo)。因此，有必要研究基于生物雷達(dá)的生命識別問題，識別和提取生命類型、數(shù)量、方位、距離、姿態(tài)和生理特征等信息。詳盡的數(shù)據(jù)表明，生物雷達(dá)的科學(xué)研究主要重點集中在兩個部分：一是主要研究具有生命的物體探測，即主要關(guān)注在被探測到的區(qū)域內(nèi)是否已經(jīng)有其他生命物體存在，以及國內(nèi)外的科學(xué)研究進(jìn)展。二是主要研究生物體及其重要器官的正?；顒雍蜋z測的各種生理現(xiàn)象，信息之間的相互聯(lián)系，及一個生物體的正常生存生理狀況。生命探測的科學(xué)研究已經(jīng)取得了很大的技術(shù)進(jìn)步，包括利用生物雷達(dá)探測系統(tǒng)和各種生命探測信號的分析提取。然而，生命特征的準(zhǔn)確識別在國內(nèi)還處于技術(shù)起步階段（不曾見過國外的相關(guān)報道），解決這一問題將成為下一階段調(diào)查的重點和難點。如果當(dāng)前的問題得到解決，將為生物雷達(dá)技術(shù)打開更廣闊的應(yīng)用空間[4-5]。

5 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，目標(biāo)生物探測雷達(dá)定位系統(tǒng)也隨之迅速發(fā)展，將為現(xiàn)代生物探測雷達(dá)技術(shù)開辟更廣闊的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展空間和新的研究發(fā)展前景。