生命探測技術研究現狀與發展*

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(1.燕山大學 電氣工程學院 儀器科學與工程系，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、雪崩等自然災害已經嚴重影響和制約了人類社會經濟的發展。20世紀以來，全世界已有約500萬人死于各種自然災害，8億人生活受到影響，人類每年創造的財富約有10 %被各種自然災害吞噬[1]。每次發生自然災害后及時對被困人員進行定位和救助是災后的首要任務。總結世界各國多次強烈地震救援經驗表明，生命救活率與幸存者被救援的及時性密切相關，根據有關專家調查統計，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]。上述數據表明，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，是地震救援技術中的關鍵[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，發現并救活了許多被困人員。進入21世紀以來，生命搜索定位技術和設備的研發工作引起了許多國家的關注,生命探測技術發展得已經比較完善，主要是根據光波、聲波、電磁波等物理學原理，通過專用的傳感器將物理信號轉換為電信號，再經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，并對于其應用現狀和發展前景進行了分析。

1 生命探測原理與現狀分析

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成熟、應用廣泛的幾種生命探測器，而氣體生命探測器的技術還不成熟，仍處于研發階段。

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換為電信號，電信號經過前放、陷波、濾波處理后將信號放大送入監視耳機，然后通過營救人員監聽被困者發出的各種聲音[6]。營救人員通過監聽到的被困者發出的聲音對被困者進行定位，進而采取相應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生產，后來英國救援人員在1985年墨西哥地震中應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研究起步較晚。在“十五”期間，成都理工大學相關的研究人員成功研制了聲波振動生命探測儀，并將其應用在抗震救災中，并取得了較好的表現。在 2005 年成都市發生的“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。多道動態顯示，實時地監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送/接收天線發射電磁信號，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，并采取相應的措施對其進行營救。

美國的Georsia技術研究所在雷達式生命探測技術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測(radar vital signal monitoring,RVSM)的概念，這對于雷達式生命探測技術的發展具有重要的意義。Georsia研究所前后相繼制作出了用于軍用的調頻雷達和拋物面式天線結構雷達式的生命特征監視儀，前者在1992年就已經作為RVSM裝備在戰場上使用，用于判定一個受傷軍人在陸軍醫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方面的研究起步較晚。在國家重點培養和大力支持下，我國第一部非接觸雷達式穿墻生命探測儀在2004年誕生于第四軍醫大學。在非接觸雷達式生命探測技術方面做了相應的研究并取得了不錯的成果，還有武警工程學院和西安電子科技大學。在非接觸式生命探測技術進行研究并制做出相應的產品的青島電氣有限公司和西安必肯科技發展有限公司為我國在這方面的發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有限公司研發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：可以穿透數米甚至數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還是靜止狀態。但是,外界環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生輻射，人也不例外。經研究表明：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 %，這個波段是設計人體紅外探測儀的一個重要技術參數[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，可在地震發生后的黑暗環境中探測被埋在廢墟中的生命，但同時在應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過后，經過近一年的探索，首次研發出了應用于軍事領域的紅外成像裝置—紅外尋視系統(FLIR)。20世紀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的基礎上增加了測溫的功能，稱之為紅外熱像儀；幾經改進，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研究成功了一種亞毫米波熱成像儀[16]。目前應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，能夠將被困者的狀況進行清晰地顯示，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應用在生命探測方面。地震災害發生后，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，造成在該空間內人體新陳代謝釋放出來的氣體不易散發出去，造成氣體在空間內的富集，影響空間內氣體濃度的比例。空間內氣體濃度的變化與人體的新陳代謝密切相關，因而，通過探測該空間內氣體的濃度信息就可以從中推斷出在該空間內幸存者的信息。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和光纖傳感技術，是光纖技術在氣體探測方面的重要應用。這種生命探測器測量靈敏度高、氣體鑒別能力強、響應快,而且對溫度、濕度等環境干擾的抵抗能力強[19]。這種生命探測器曾經在汶川地震中的日本救援隊中出現過一次，還未廣泛應用于震后現場救援工作中。

2 結 論

隨著科學技術的發展,每種生命探測器都有了一定的進展，現在生命探測器的發展方向主要體現在探測精度和探測速度的提高以及探測設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展已經比較成熟，而且已經廣泛應用在災后現場的救援之中。聲波振動生命探測器缺點主要體現在信號經由廢墟傳播到地面上的時候會有很大的衰減，嚴重影響探測的靈敏度，而且救援現場中大量噪聲信號的干擾也會對探測的準確性造成很大的影響。因此，聲波振動生命探測器的發展方向主要體現在不斷提高探測的靈敏性和準確性這2方面。雷達生命探測器的發展方向也是體現在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，從而能夠對幸存者進行更準確的定位并識別出在廢墟下幸存者的具體人數，為救援工作提供幫助。紅外生命探測器的技術比較成熟，其缺點主要體現在應用設備進行探測時需要探測人員佩戴笨重的探測設備，身上負重大，不利于行動，因此，研發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展的比較緩慢，但是,這種生命探測器具有很好的發展前景。氣體生命探測器的發展主要依賴于氣體探測技術的發展，但是,它的發展又比氣體探測的發展更廣闊。氣體探測器的探測精度與光源的選取密切相關，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展突破的重要因素。

隨著科學研究水平的不斷提高，將會有更先進的生命探測技術問世，現有的生命探測技術也將日臻完善，在更多的領域得到應用和發展。

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