無(wú)人機(jī)載雷達(dá)在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中的應(yīng)用研究

宋星秀

（武警警官學(xué)院訓(xùn)練基地，廣東 廣州 510440）

近年來(lái)，地球水文、氣象和地質(zhì)等自然災(zāi)害頻發(fā)多發(fā)，對(duì)國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。各種復(fù)雜高危的救援現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)國(guó)家應(yīng)急救援力量的搶險(xiǎn)救援技術(shù)水平提出更高的要求。加強(qiáng)新質(zhì)技術(shù)在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中的應(yīng)用研究，有利于提高救援行動(dòng)中無(wú)人化智能化水平，為解決搶險(xiǎn)救援行動(dòng)存在困境提供新思路。隨著無(wú)人機(jī)載雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)人機(jī)載雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)測(cè)量、海洋監(jiān)測(cè)、艦船監(jiān)測(cè)、立體測(cè)繪等方面得到了廣泛應(yīng)用，但是其在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中的應(yīng)用研究尚為空白。無(wú)人機(jī)載雷達(dá)具有全天時(shí)、全天候、高分辨率、遠(yuǎn)距離、穿透性好等特點(diǎn)，使得當(dāng)其他傳感器模式失效時(shí)，仍然能夠在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中發(fā)揮作用。

1 搶險(xiǎn)救援行動(dòng)的特點(diǎn)

一是救援環(huán)境復(fù)雜高危。災(zāi)害發(fā)生后，救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境往往復(fù)雜多樣、惡劣高危，且常常會(huì)伴隨次生災(zāi)害，安全風(fēng)險(xiǎn)無(wú)處不在，人員情緒波動(dòng)大，自然環(huán)境嚴(yán)峻和瞬息萬(wàn)變，受災(zāi)人員和救援人員的生活和安全都難以得到有效保障。

二是救援指揮決策緊急。事故災(zāi)害發(fā)生后，任務(wù)區(qū)的救援力量需要第一時(shí)間獲取災(zāi)情信息，同時(shí)準(zhǔn)確研判災(zāi)情發(fā)展情況，制定科學(xué)的救援方案，并根據(jù)災(zāi)情險(xiǎn)情變化和救援進(jìn)度實(shí)時(shí)調(diào)整部署，確保指揮決策及時(shí)、準(zhǔn)確，救援力量安全、科學(xué)施救。

三是救援范圍輻射面廣。自然災(zāi)害、安全事故種類多，分布范圍廣，救援范圍輻射面廣。各類搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中，地震災(zāi)害破壞力最大，破壞范圍最廣，救援難度最大；滑坡、泥石流災(zāi)害在山區(qū)多發(fā)、突發(fā)，救援行動(dòng)最頻繁、覆蓋山區(qū)面最廣；臺(tái)風(fēng)災(zāi)害路徑多種多樣、洪水災(zāi)害，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，范圍廣，救援時(shí)間長(zhǎng)。

四是救援裝備依賴性強(qiáng)。搶險(xiǎn)救援行動(dòng)注重時(shí)效性、科學(xué)性和專業(yè)性，對(duì)救援裝備的依賴性較強(qiáng)。需要根據(jù)不同的災(zāi)害事故救援需求，投入多種類型的救援裝備，可以說(shuō)救援裝備的無(wú)人化智能化水平很大程度上影響搶險(xiǎn)救援行動(dòng)的能力水平。

2 搶險(xiǎn)救援行動(dòng)存在困境

一是極端環(huán)境惡劣天候中救援能力不足。在重大自然災(zāi)害、安全事故中，易造成山河崩塌、大面積建筑倒塌、道路橋梁隧道損毀、易燃物質(zhì)火災(zāi)蔓延、有毒有害物質(zhì)泄漏，國(guó)家應(yīng)急救援力量遂行救援任務(wù)的強(qiáng)度大且環(huán)境復(fù)雜高危。當(dāng)前，由于對(duì)災(zāi)害區(qū)域內(nèi)的地形、氣候特點(diǎn)規(guī)律研究不夠，對(duì)各類災(zāi)害特點(diǎn)、類型的了解及研判不夠，對(duì)惡劣極端環(huán)境下救援經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致國(guó)家應(yīng)急救援力量在急險(xiǎn)大災(zāi)、有毒有害的復(fù)雜高危環(huán)境下的搶險(xiǎn)救援能力明顯不足。

二是災(zāi)害評(píng)估預(yù)判和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)不夠。搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中很多復(fù)雜偏僻地域缺乏原始地形數(shù)據(jù)，而災(zāi)害救援中現(xiàn)場(chǎng)地形測(cè)繪數(shù)據(jù)收集和處理速度慢，不能及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估預(yù)判，在救援行動(dòng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)滑坡、崩塌落石、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害缺少及時(shí)準(zhǔn)確持續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，難以有效保障救援人員和受災(zāi)人員的安全。

三是搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中裝備器材機(jī)動(dòng)性差。搶險(xiǎn)救援行動(dòng)保障對(duì)象多元，既有多建筑群的城市中心，又有城鄉(xiāng)結(jié)合的郊區(qū)，還有崎嶇偏遠(yuǎn)的山區(qū)，既要完成電力、通信、交通樞紐等重點(diǎn)目標(biāo)的搶修保通，還要保障人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，且災(zāi)害類型多樣，對(duì)救援裝備器材機(jī)動(dòng)性要求高。當(dāng)前在救援行動(dòng)中參與救援的通用性裝備器材較多，比如各類型的工程機(jī)械等，多功能、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的裝配器材配備不夠，但是受災(zāi)地域常伴隨次生災(zāi)害，且往往處于深山峽谷，需要更多的高機(jī)動(dòng)性、多功能、高效能的搶險(xiǎn)救援裝備提高救援行動(dòng)水平。

四是非接觸生命體征檢測(cè)和搜救技術(shù)弱。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的一種非接觸式人體生命體征檢測(cè)技術(shù)是遠(yuǎn)程成像光容積圖，它是利用光學(xué)來(lái)檢測(cè)面部、手和腳，通過(guò)檢測(cè)暴露的皮膚中血液循環(huán)引起的微小顏色變化，以估計(jì)生命體征。但是遠(yuǎn)程成像光容積圖在能見(jiàn)圖條件和膚色的動(dòng)態(tài)變化下不穩(wěn)定。其他相關(guān)技術(shù)還有紅外熱像儀，它是通過(guò)檢測(cè)人體鼻孔的溫度變化來(lái)提取呼吸信號(hào)。雖然上述技術(shù)在非接觸生命體征檢測(cè)和搜救方面起到一定的作用，但是它們都無(wú)法穿透災(zāi)區(qū)的障礙物，且易受干擾，在搶險(xiǎn)救援過(guò)程中發(fā)揮的作用有限，非接觸式生命體征檢測(cè)和搜救技術(shù)還比較薄弱，與多維、精準(zhǔn)、高效救援的要求不相適應(yīng)，還需進(jìn)一步提高非接觸式救援技術(shù)水平。

3 無(wú)人機(jī)載雷達(dá)在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中的優(yōu)勢(shì)

一是能夠全天候、全天時(shí)、全方位工作。無(wú)人機(jī)載雷達(dá)是將無(wú)人機(jī)與微小型雷達(dá)相結(jié)合的傳感技術(shù)，能夠全天候、全天時(shí)、全方位工作。雷達(dá)通過(guò)發(fā)射機(jī)周期性地發(fā)射一系列已知的高頻脈沖，與目標(biāo)相互作用，目標(biāo)反射的結(jié)果被雷達(dá)接收，并作為發(fā)射信號(hào)的疊加、衰減、時(shí)移和頻移副本，通過(guò)計(jì)算接收信號(hào)的這些未知參數(shù)，確定目標(biāo)的位置、形狀及形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤。雷達(dá)作為一種主動(dòng)傳感器，能夠全天候、全天時(shí)提供詳細(xì)的地面測(cè)繪資料及圖像[1]，通過(guò)采用相控陣天線，提高天線性能，改善探測(cè)能力，雷達(dá)可以360 度全方位地進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)與搜索[2]，使得其在夜間及惡劣環(huán)境下仍然能夠在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中發(fā)揮作用。

二是具有距離遠(yuǎn)、分辨率高、穿透性好的性能。無(wú)人機(jī)載雷達(dá)具有防區(qū)外探測(cè)能力，可以不直接飛越某一地區(qū)而對(duì)該地區(qū)進(jìn)行測(cè)繪[3],探測(cè)距離遠(yuǎn)，此外，雷達(dá)特殊的成像原理，使得雷達(dá)具有分米級(jí)的高分辨率，且分辨率不會(huì)隨著距離的增加而降低[4]，例如無(wú)人機(jī)Lynx 雷達(dá)在作用距離30km 時(shí)，分辨率為10cm[5]。雷達(dá)在適當(dāng)?shù)念l率下，微波信號(hào)具有較寬的帶寬，使得雷達(dá)不僅具有穿透障礙物的能力，并且在惡劣天氣和低能見(jiàn)度等不利條件下也能表現(xiàn)良好，當(dāng)其他傳感器模式失效時(shí)，仍能夠在碎片上探測(cè)被遮擋的人體對(duì)象。例如，穿墻成像雷達(dá)和葉簇穿透成像雷達(dá)均能穿過(guò)障礙物對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，且已在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、反恐維穩(wěn)以及資源勘查與監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[6]。

4 無(wú)人機(jī)載雷達(dá)在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中的應(yīng)用

4.1 災(zāi)害信息獲取及評(píng)估預(yù)測(cè)

將無(wú)人機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用到搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中，可以在災(zāi)害中及時(shí)獲取重要的信息資料，為救援人員提供評(píng)估預(yù)測(cè)的依據(jù)。通過(guò)文獻(xiàn)[7]可以知道，對(duì)地貌地形復(fù)雜、植被茂密、坡度陡峭的區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)繪模式難度較大，精度較低，無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)可以完成此區(qū)域的數(shù)據(jù)采集工作。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，無(wú)人機(jī)載雷達(dá)可應(yīng)用到洪澇災(zāi)害調(diào)查工作中，其獲取的數(shù)據(jù)速度快、精度高，能夠?yàn)樯胶闉?zāi)害的信息獲取、預(yù)警預(yù)報(bào)提供支撐。災(zāi)害發(fā)生后，無(wú)人機(jī)載雷達(dá)將采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后生成點(diǎn)云圖，能讓救援人員及時(shí)了解受災(zāi)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)情況，為指揮者提供決策依據(jù)。

4.2 災(zāi)害救援行動(dòng)監(jiān)測(cè)

受災(zāi)區(qū)域復(fù)雜的地理環(huán)境和惡劣的氣候條件，使得在能見(jiàn)度低的情況下利用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分困難，無(wú)法及時(shí)掌握災(zāi)害發(fā)展動(dòng)態(tài)，保障救援人員的生命安全。將無(wú)人機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用到災(zāi)害救援行動(dòng)中就可以很好地解決這一問(wèn)題。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，無(wú)人機(jī)載雷達(dá)在黃河冰情凌汛的監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載合成孔徑雷達(dá)在黃河包頭端獲取數(shù)據(jù)后，運(yùn)用移動(dòng)數(shù)據(jù)處理車處理數(shù)據(jù)，可獲得晝夜不間斷地對(duì)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高了應(yīng)急救援進(jìn)行破冰除險(xiǎn)的準(zhǔn)確性和安全性。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，無(wú)人機(jī)載雷達(dá)可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)后處理得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠顯示露天礦邊坡位移距離，實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測(cè)和預(yù)警。這一技術(shù)可用于在搶險(xiǎn)救援現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工作量快速評(píng)估、動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)和滑坡、崩塌落石、泥石流的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，提升復(fù)雜高危環(huán)境下應(yīng)急救援行動(dòng)的精準(zhǔn)指揮和安全避險(xiǎn)能力，保障人員的人身安全。

4.3 非接觸生命探測(cè)及人員搜索

災(zāi)害發(fā)生后，第一時(shí)間開(kāi)展壓埋的受災(zāi)人員搜救定位，是災(zāi)后救援的首要問(wèn)題。目前，非接觸生命探測(cè)技術(shù)主要有紅外生命探測(cè)器、音頻生命探測(cè)儀以及雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)。紅外生命探測(cè)器能夠在夜間通過(guò)溫度變化來(lái)提取人體生命信號(hào)，但是沒(méi)有穿透能力。音頻生命探測(cè)儀能夠穿透廢墟，但是埋壓人員必須發(fā)出聲音，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的安靜度要求很高，探測(cè)過(guò)程易受干擾[11]。雷達(dá)探測(cè)信號(hào)不僅能穿透覆蓋或遮擋受害者的碎片和建筑材料，且穩(wěn)定性好，不易受環(huán)境干擾，這使得基于無(wú)人機(jī)載雷達(dá)的非接觸式生命探測(cè)非常有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，無(wú)人機(jī)載雷達(dá)也具備強(qiáng)的葉簇穿透和高分辨率成像能力[12]，能在葉簇覆蓋的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行人員搜索。因此，綜合運(yùn)用穿透能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、靈敏度高的無(wú)人機(jī)載雷達(dá)生命探測(cè)手段，能夠開(kāi)展災(zāi)區(qū)大范圍和重要目標(biāo)埋壓或被遮擋人員生命搜尋定位，為救援人員提供技術(shù)支持。

5 無(wú)人機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用于搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中應(yīng)把握的問(wèn)題

5.1 需解決無(wú)人機(jī)載雷達(dá)飛行時(shí)間及路徑規(guī)劃問(wèn)題

要對(duì)受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行大范圍搜索及對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行經(jīng)常監(jiān)測(cè)，需要無(wú)人機(jī)具有更長(zhǎng)的飛行時(shí)間。在許多商用無(wú)人機(jī)中，無(wú)人機(jī)有限的電池功率將飛行時(shí)間限制在1小時(shí)以內(nèi)，并且，有限的電池功率意味著無(wú)人機(jī)在空中停留的時(shí)間也比較短。然而，無(wú)人機(jī)載雷達(dá)在搜索受災(zāi)人員過(guò)程中，通常需要窮舉搜索路徑來(lái)定位滯留對(duì)象，因此，合適的路徑規(guī)劃能在最短時(shí)間覆蓋整個(gè)區(qū)域進(jìn)行搜索，以最大限度地利用有限的電池電力。

5.2 無(wú)人機(jī)載雷達(dá)信號(hào)處理難度大

無(wú)人機(jī)載雷達(dá)信號(hào)處理主要包括無(wú)人機(jī)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、處理和信息解讀。無(wú)人機(jī)傳感中的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)是在飛行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)進(jìn)行的，而數(shù)據(jù)處理通常是在另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上離線進(jìn)行的，以節(jié)省飛行和懸停時(shí)間以及電池電量，甚至有些無(wú)人機(jī)可能不具有大的計(jì)算資源。但是，離線處理會(huì)降低更新速率，且不具有自適應(yīng)能力。此外，當(dāng)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，還需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，采用聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)濾波器、多元變分模態(tài)分解等技術(shù)對(duì)不同對(duì)象發(fā)出的回波進(jìn)行區(qū)分。在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)應(yīng)用中，需要進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)載雷達(dá)信號(hào)實(shí)時(shí)處理能力及自適應(yīng)能力。

5.3 專業(yè)技術(shù)操作人員力量薄弱

無(wú)人機(jī)載雷達(dá)需要不同任務(wù)分工的專業(yè)操作員進(jìn)行操作。若操作不當(dāng)，不僅會(huì)損壞器材，還會(huì)影響救援進(jìn)度，進(jìn)而影響救援人員及受災(zāi)人員的生命安全保障。但是目前專業(yè)人才稀缺，特別是參與搶險(xiǎn)救援一線的專業(yè)技術(shù)人員占比較小，即使有少量專業(yè)人員，也存在經(jīng)驗(yàn)技能缺少的問(wèn)題，尤其需要組建一些既懂無(wú)人機(jī)駕駛，又懂雷達(dá)信號(hào)處理及雷達(dá)圖像識(shí)讀的專業(yè)技術(shù)人員隊(duì)伍，需加強(qiáng)這方面專業(yè)力量的建設(shè)。

5.4 無(wú)人機(jī)荷載能力應(yīng)進(jìn)一步提高

無(wú)人機(jī)平臺(tái)所承載的荷載重量是有限的，其能承載的重量稱為有效荷載，無(wú)人機(jī)的有效荷載越大，就越能靈活地為系統(tǒng)添加攝像頭、傳感器、救援物資以及其他特定需求等額外技術(shù)。具有多傳感器融合模式的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，能夠攜帶可見(jiàn)光、紅外、攝像機(jī)和雷達(dá)等傳感器，集成通信、導(dǎo)航、定位、遙測(cè)、遙控等組件，進(jìn)行遙感操作，獲取災(zāi)區(qū)圖像。另外，無(wú)人機(jī)有效荷載足夠的情況下，還可以配備投擲器空投應(yīng)急救援物資，包括純凈水、方便食品、藥品、衣服和通信裝備等。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)載雷達(dá)技術(shù)發(fā)展迅速，在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，加強(qiáng)無(wú)人機(jī)載雷達(dá)技術(shù)在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中的應(yīng)用研究是提高搶險(xiǎn)救援行動(dòng)無(wú)人化智能化水平的途徑之一。本文通過(guò)分析搶險(xiǎn)救援行動(dòng)的特點(diǎn)和存在困境，結(jié)合無(wú)人機(jī)載雷達(dá)在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中的優(yōu)勢(shì)，著力研究無(wú)人機(jī)載雷達(dá)在搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中的應(yīng)用，并指出了無(wú)人機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用于搶險(xiǎn)救援行動(dòng)中應(yīng)把握的幾點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)提高搶險(xiǎn)救援技術(shù)水平具有十分重要的理論意義。