CN109375209B - 一种震动与雷达探测融合的搜索救援装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种震动与雷达探测融合的搜索救援装置及方法，该装置包括主机模块、震动检测模块以及雷达探测模块，震动检测模块以及雷达探测模块分别与主机模块连接，震动检测模块检测目的区域中震动信号，并将震动检测结果发送给主机模块，雷达探测模块探测待测区域中待救目标生命体征信号，并将雷达探测结果发送给主机模块；该方法通过融合震动检测结果以及雷达探测结果，得到最终的待救目标探测结果。本发明具有实现简单、搜索效率与精度高且抗干扰性强等优点。

Description

一种震动与雷达探测融合的搜索救援装置及方法

技术领域

本发明涉及搜索救援技术领域，尤其涉及一种震动与雷达探测融合的搜索救援装置及方法。

背景技术

当发生如地震塌方等自然灾害后，关键的难题就在于对废墟内部被困、幸存人体目标识别、定位，以能够快速、高效的搜索废墟下被困人体目标。针对自然灾害场景中搜索救援，目前通常都是采用生命探测雷达（生物雷达）进行探测搜索，生命探测雷达是一种融合雷达技术和生物医学工程技术的生命体征目标搜索设备，可穿透非金属介质(砖墙、废墟等)非接触、远距离地探测人体生命体征(如呼吸、心跳、体动等)。生命探测雷达利用电磁波结合微多普勒原理工作，电磁波具有良好的废墟（非金属）穿透性，因而可以探测到废墟内部的被困人员，结合解析出来的多普勒频率和时差、相位信息，实现生命体征目标有无的判断和距离的计算，解析的多普勒频率与人体心跳、呼吸有相关性。

但是直接采用生命探测雷达进行自然灾害场景中搜索救援时会存在以下问题：

1、生命探测雷达无法区分目标类型，废墟下被困生命体征目标除人体外，还有犬、猫、猪等较大家禽，人体目标在废墟掩埋下，随着时间推移、受伤等状况加剧，其心跳、呼吸的频率、幅度变化范围较大，以至于难以区分是人还是动物，使用生命探测雷达实际检测到的目标可能是家禽等动物，造成救援力量的浪费；

2、生命探测雷达的工作频率一般较低，因此其辐射器（天线）尺寸较大，多为单元天线，其方向图波束宽，易受环境的干扰，而灾害场景中环境复杂，废墟表面四周/附近区域的人员、设备等动作，都可能会导致误报；

3、生命探测雷达通常为单发单收体制，只能实现二维定位功能，难以精确的实现目标三维定位，且二维定位功能的生命探测雷达中通道数量一般较少，电磁波在混合结构废墟内传播的路径复杂，存在明显的多径效应，会进一步影响定位精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、搜索效率与精度高且抗干扰性强的震动与雷达探测融合的搜索救援装置，及实现简单、搜索效率与精度高且抗干扰性强的搜索救援方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种震动与雷达探测融合的搜索救援装置，其特征在于：包括主机模块、震动检测模块以及雷达探测模块，所述震动检测模块以及雷达探测模块分别与所述主机模块连接，所述震动检测模块检测待测区域中震动信号，并将震动检测结果发送给所述主机模块，所述雷达探测模块探测待测区域中待救目标信号，并将雷达探测结果发送给所述主机模块。

作为本发明装置的进一步改进：所述雷达探测模块布置在待测区域的中心区域，所述震动检测模块包括多个震动检测单元，各个所述震动检测单元分别以所述雷达探测模块为中心按照指定间隔距离、间隔角度布置在待测区域中。

作为本发明装置的进一步改进：所述震动检测单元为四个，各个所述震动检测单元（21）分别以所述雷达探测模块为中心按照间隔90度布置在待测区域的四周。

作为本发明装置的进一步改进：所述雷达探测模块、各所述震动检测单元中均设置有用于组网及定位的自组网模块，各所述震动检测单元中的所述自组网模块为从机，所述雷达探测模块中的自组网模块为主机。

作为本发明装置的进一步改进：还包括与所述主机模块连接的控制端，所述控制端通过所述主机模块发送控制指令给所述雷达探测模块、各所述震动检测单元，以及所述控制端接收所述主机模块上传的探测结果。

一种震动与雷达探测融合的搜索救援方法，包括：

S1.在待测区域中分别布置震动检测模块、雷达探测模块；

S2.进行搜索救援时，由所述震动检测模块检测待测区域中震动信号，输出震动检测结果，以及由所述雷达探测模块探测待测区域中待救目标信号，输出雷达探测结果；

S3.分别接收所述震动检测结果以及雷达探测结果并进行融合判定，得到最终的待救目标探测结果。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中进行融合判定时，若所述震动检测模块、雷达探测模块探测到目标的区域相同或相近，则判定在所述雷达探测模块探测到目标的位置较大概率存在待救目标，否则判定在所述雷达探测模块探测到目标的位置较小概率存在待救目标。

作为本发明装置的进一步改进：所述步骤S1中将所述雷达探测模块布置在待测区域的中心区域，将多个震动检测单元以所述雷达探测模块为中心按照指定间隔距离、间隔角度布置在目的区域中，将待测区域划分为多个子区域，每个所述震动检测单元的检测范围覆盖一个所述子区域。

作为本发明装置的进一步改进：所述步骤S3中进行融合判定时，所述雷达探测模块检测到目标的目的区域与检测到目标信号的所述震动检测单元所对应的目的子区域若重合，则判定在所述目的区域内最大概率存在待救目标，若不重合、且所述目的区域与所述目的子区域均位于纵向或横向上的同一侧，则判定在所述目的区域内中等概率存在待救目标，否则判定在所述目的区域内最小概率存在待救目标。

作为本发明装置的进一步改进：所述步骤S2中由所述雷达探测模块探测待测区域中待救目标信号时，在基线方向、垂直于所述基线方向的方向分别探测一次，综合两次探测得到的探测结果得到目标的三维位置信息。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明震动与雷达探测融合的搜索救援装置及方法，针对复杂灾害环境下被困人员的搜索救援，通过同时配置震动检测模块以及雷达探测模块进行目标探测，将震动检测引入到废墟掩埋情况下生命体征的目标探测中，可以同时探测到待救目标生命体征信号以及所发出的敲击等震动信号，实现震动检测与雷达探测两种方式的结合，可以相互复核验证各自探测结果，同时可以提高待救目标搜索的精度，减小因动物等干扰目标产生的误报，有效消除虚警、提升检测概率与定位精度。

2、本发明震动与雷达探测融合的搜索救援装置及方法，进一步雷达探测模块布置在待测区域的中心区域，各个震动检测单元分别以雷达探测模块为中心间隔布置在待测区域中，由每个震动检测单元覆盖待测区域中一个子区域，通过该布置方式，由雷达探测模块以及各震动检测单元同时检测到目标时的位置对应关系，可实现待救目标的双重定位判断，从而可实现建筑废墟内部被困人体目标的准确识别定位。

3、本发明震动与雷达探测融合的搜索救援装置及方法，进一步通过融合雷达探测结果以及震动检测结果进行双重判断，在雷达探测模块、震动检测模块同时在同一区域检测到目标时，则判定较大概率存在待救目标，否则判定较低概率存在待救目标，可以有效去除动物等干扰目标，提高检测精度、减少误报。

附图说明

图1是本实施例震动与雷达探测融合的搜索救援装置的结构示意图。

图2是本发明具体应用实施例中震动传感器与雷达传感器的布置原理示意图。

图3是本实施例中震动检测单元的具体结构示意图。

图4是本发明具体应用实施例中搜索救援装置实现目标搜索的流程示意图。

图5是本发明具体应用实施例中使用生物雷达两次探测的原理示意图。

图6是本发明具体应用实施例中得到的第一种（两类传感器探测到目标的区域重合）目标探测结果。

图7是本发明具体应用实施例中得到的第二种（两类传感器探测到目标的区域不重合、同一侧）目标探测结果。

图8是本发明具体应用实施例中得到的第三种（两类传感器探测到目标的区域不重合、非同一侧）目标探测结果。

图例说明：1、主机模块；2、震动检测模块；21、震动检测单元；211、锥形固定件；3、雷达探测模块；4、自组网模块；5、控制端。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例震动与雷达探测融合的搜索救援装置包括主机模块1、震动检测模块2以及雷达探测模块3，震动检测模块2以及雷达探测模块3分别与主机模块1连接，震动检测模块2检测待测区域中震动信号，并将震动检测结果发送给主机模块1，雷达探测模块3探测待测区域中待救目标信号，并将雷达探测结果发送给主机模块1。

与动物不同，被困人员在废墟内部出于本能，通常会以呼喊、有规律的敲打、有规律的肢体摆动等行为进行呼救。本实施例针对复杂灾害环境下被困人员的搜索救援，通过同时配置震动检测模块2以及雷达探测模块3进行目标探测，将震动检测引入到废墟掩埋情况下生命体征的目标探测中，实现震动与生物雷达融合探测，可以同时探测到待救目标（被困人员）的生命体征信号以及所发出的震动信号，从而通过结合震动检测与雷达探测两种方式，可以相互复核验证各自探测结果，减小因动物等干扰目标产生的误报，有效消除虚警、提升检测概率与定位精度。

本实施例中，雷达探测模块3布置在待测区域的中心区域，震动检测模块2包括多个震动检测单元21，各个震动检测单元21分别围绕雷达探测模块3，以雷达探测模块3为中心按照指定间隔距离、间隔角度布置在待测区域中，每个震动检测单元21覆盖待测区域中部分区域，所有震动检测单元21覆盖的范围能够完全覆盖待测区域的全部范围。各震动检测单元21覆盖的检测范围可以根据实际需求配置为不重叠，也可以配置为相邻两个震动检测单元21之间覆盖范围有部分重叠以进一步提高检测精度。通过上述布置方式，由雷达探测模块3以及各震动检测单元21同时检测到目标时的位置对应关系即可判定存在待救目标的可能性，实现建筑废墟内部被困人体目标的准确识别定位，如雷达探测模块3在目的区域检测到目标时，若目的区域对应的震动检测单元21也检测到震动信号，则判定在目的区域较大概率存在待救目标。

如图2所示，本发明具体应用实施例中震动检测单元21具体为四个，各个震动检测单元21分别以雷达探测模块3为中心按照间隔90度布置在待测区域的四周，每个震动检测单元21覆盖待测区域中一个半球形子区域，且四个震动检测单元21能够完整覆盖待测区域。各个震动检测单元21具体可按照以雷达探测模块3为中心、半径为5-10m布置在四周，每个震动检测单元21各自负责半径5-10m的半球形子区域内震动信息的检测。

本实施例雷达探测模块3具体采用低频超宽带MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多发多收）体制的二维定位生物雷达，雷达的接收天线阵列呈分布，具有角度分辨能力，可实现二维定位，雷达探测模块3具体包括发天线阵列、雷达发射机、雷达接收机、微波开关矩阵、信号采集与数据处理平台、无线通信模块等。可以理解的是，雷达探测模块3也可以采用其他类型的雷达。

本实施例中震动检测单元21具体采用微震动传感器，内部包括微震动传感模块、信号采集处理模块、电池等部分。微震动传感器采用特殊的微电子处理器，能够识别在空气和固体中传播的微小震动，从而有效搜寻被困在混凝土和其他固体下的幸存者，准确识别来自幸存者的声音如呼喊、拍打、刻划和敲击等震动信号，且还可以将周围的背景噪声进行过滤处理，由于混凝土可能会把所有的声音挡住，但如果幸存者可以敲击、刮擦或者移动，废墟结构仍然可以有效地传递这些弱震动，利用微震动传感器则可以有效检测到该微弱的震动，可以进一步提高搜索救援的精度。

如图3所示，本实施例中震动检测单元21的底部设置有锥形固定件211，具体是在微震动传感器的外壳底部嵌入金属长锥，锥形固定件211可***废墟、介质内部，起到固定、加强与废墟、介质接触的作用，使得能够对废墟内部的震动敏感，从而起到滤除地面上干扰信号的效果。

本实施例中，雷达探测模块3、各震动检测单元21中均设置有用于组网及定位的自组网模块4，各震动检测单元21中的自组网模块4为从机，雷达探测模块3中的自组网模块4为主机，使得雷达探测模块3、各震动检测单元21间具备自组网定位功能，可以实时获取各个震动检测单元21之间以及与雷达探测模块3之间的位置信息，可以实现以雷达探测模块3为中心的厘米级自动定位。

本实施例中，还包括与主机模块1连接的控制端5，控制端5通过主机模块1发送控制指令给雷达探测模块3、各震动检测单元21，以及控制端5接收主机模块1上传的探测结果。

在具体应用实施例中，将自组网模块4分别置于各微震动无线传感器和生物雷达内部，以作为整个***的内部组网、定位模块，以生物雷达内部的自组网模块4作为主机、其他作为从机，可实现各个传感器的精准定位，同时具备微震动传感器探测数据收集汇总功能；控制端5通过WIFI信号与生物雷达主机通信，可控制生物雷达以及通过生物雷达控制各个微震动无线传感器，进一步可显示各传感器探测的结果以及显示融合后的探测结果，以及在控制端5可以实时展示各个微震动无线传感器之间及其与生物雷达之间的位置信息。

本实施例中，主机模块1中设置有数据融合处理单元，用于分别接收雷达探测模块3、各震动检测单元21发送的探测结果进行融合分析，输出最终的探测结果。

本实施例利用上述装置的震动与雷达探测融合的搜索救援方法，步骤包括：

S1.在待测区域中分别布置震动检测模块2、雷达探测模块3；

S2.进行搜索救援时，由震动检测模块2检测待测区域中震动信号，输出震动检测结果，以及由雷达探测模块3探测待测区域中待救目标信号，输出雷达探测结果；

S3.分别接收震动检测结果以及雷达探测结果并进行融合判定，得到最终的待救目标探测结果。

本实施例通过融合震动与生物雷达的探测结果来确定最终的待救目标探测结果，可以利用震动与生物雷达的探测结果实现相互复核验证，同时结合两类探测结果可以提高待救目标搜索的精度，减小因动物等干扰目标产生的误报，实现建筑废墟内部被困人体目标的准确识别定位。

本实施例中，步骤S3中进行融合判定时，若震动检测模块2、雷达探测模块3探测到目标的区域相同或相近，则判定在雷达探测模块3探测到目标的位置较大概率存在待救目标，否则判定在雷达探测模块3探测到目标的位置较小概率存在待救目标。通过融合雷达探测结果以及震动检测结果进行双重判断，在雷达探测模块3、震动检测模块2同时在同一区域检测到目标时，则较大概率存在待救目标，可以有效去除动物等干扰目标，提高检测精度、减少误报。

本实施例中，步骤S1中先将雷达探测模块3布置在待测区域的中心区域，将多个震动检测单元21以雷达探测模块3为中心按照指定间隔距离、间隔角度布置在目的区域中，将待测区域划分为多个子区域，每个震动检测单元21的检测范围覆盖一个子区域。如图2所示，本实施例具体将待测区域划分为四个半球形子区域，各个震动检测单元21分别以雷达探测模块3为中心间隔90度布置在待测区域的四周，每个震动检测单元21覆盖一个子区域。

本实施例先分别获取各个震动检测单元21的检测信号进行比幅、比相，确定目标在哪个震动检测单元21覆盖的子区域，再结合雷达探测模块3的探测数据，复核得到目标的最终位置坐标，可以滤除干扰，从而提高定位精度。

本实施例中，步骤S3中进行融合判定时，具体雷达探测模块3检测到目标的目的区域与检测到目标信号的震动检测单元21所对应的目的子区域若重合，即雷达探测与震动检测均在同一区域检测到目标，则判定目的区域内最高概率存在待救目标，若不重合、且目的区域与目的子区域均位于纵向或横向上的同一侧，即雷达探测与震动检测所检测到的目标不完全相同但位置较近，则判定在目的区域内中等概率存在待救目标，否则若不重合、且目的区域与目的子区域不属于同一侧，则判定在目的区域内最低概率存在待救目标，较大可能为非待救目标。通过上述方法可以融合雷达探测模块3与震动检测单元21两者的数据来实现待救目标的精确定位。

本实施例中，步骤S2中由雷达探测模块3探测待测区域中待救目标信号时，在基线方向、垂直于基线方向的方向分别探测一次，综合两次探测得到的探测结果得到目标点的位置。具体将由雷达探测模块3在基线方向和垂直于基线方向各探测一次，将探测得到的两条圆弧的交点作为目标点的位置，可进一步实现目标的三维定位功能。

如图4、5所示，本发明在具体应用实施例中按照图2布置各传感器后，启动各传感器以及无线自组网功能，完成***位置布局，分别为微震动无线传感器以及生物雷达进行目标探测以及识别定位，生物雷达探测时先在基线方向进行第一次识别定位，再在垂直于基线方向进行第二次识别定位，综合两次探测结果确定目标位置，将生物雷达探测到的目标位置与微震动传感器识别到的目标位置进行融合，得到最终的目标位置。

在具体应用实施例中，按照图2布置各传感器得到的探测结果中，第一种情况如图6所示，即两种传感器探测到目标区域重合，其中阴影区域为生物雷达和微震动传感器都探测到的区域，则可判定在该区域较大概率存在待救目标；第二种情况如图7所示，即两种传感器探测到目标区域不重合但处于同侧，其中生物雷达探测到目标区域为所示坐标的第二象限区域，微震动传感器探测到的目标位于第一、第三象限，若微震动探测到的是第一象限，则生物雷达与微震动探测到的区域均位于X轴上方一侧；若微震动探测到的是第三象限，则生物雷达与微震动探测到的区域均位于Y轴左方一侧，则判定中等概率存在待救目标；第三种情况如图8所示，即两种传感器探测到目标区域完全不重合，其中生物雷达探测到目标区域为所示坐标的第二象限区域，微震动传感器探测到的目标位于第四象限，此时以生物雷达探测结果为准但概率较低，存在较大误报可能。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种震动与雷达探测融合的搜索救援装置，其特征在于：包括主机模块(1)、震动检测模块(2)以及雷达探测模块(3)，所述震动检测模块(2)以及雷达探测模块(3)分别与所述主机模块(1)连接，所述震动检测模块(2)检测待测区域中震动信号，并将震动检测结果发送给所述主机模块(1)，所述雷达探测模块(3)探测待测区域中待救目标生命体征信号，并将雷达探测结果发送给所述主机模块(1)，所述雷达探测模块(3)布置在待测区域的中心区域，所述震动检测模块(2)包括多个震动检测单元(21)，各个所述震动检测单元(21)以所述雷达探测模块(3)为中心按照指定间隔距离、间隔角度布置在待测区域中，所述主机模块(1)进行融合判定时，所述雷达探测模块(3)检测到目标的目的区域与检测到目标信号的所述震动检测单元(21)所对应的目的子区域若重合，则判定在所述目的区域内最大概率存在待救目标，若不重合、且所述目的区域与所述目的子区域均位于纵向或横向上的同一侧，则判定在所述目的区域内中等概率存在待救目标，否则判定在所述目的区域内最低概率存在待救目标。

2.根据权利要求1所述的震动与雷达探测融合的搜索救援装置，其特征在于：所述震动检测单元(21)为四个，各个所述震动检测单元(21)分别以所述雷达探测模块(3)为中心按照间隔90度布置在待测区域的四周。

3.根据权利要求1或2所述的震动与雷达探测融合的搜索救援装置，其特征在于：所述雷达探测模块(3)、各所述震动检测单元(21)中均设置有用于组网及定位的自组网模块(4)，各所述震动检测单元(21)中的所述自组网模块(4)为从机，所述雷达探测模块(3)中的自组网模块(4)为主机。

4.根据权利要求3所述的震动与雷达探测融合的搜索救援装置，其特征在于：还包括与所述主机模块(1)连接的控制端(5)，所述控制端(5)通过所述主机模块(1)发送控制指令给所述雷达探测模块(3)、各所述震动检测单元(21)，以及所述控制端(5)接收所述主机模块(1)上传的探测结果。

5.一种震动与雷达探测融合的搜索救援方法，其特征在于，包括：

S1.在待测区域中分别布置震动检测模块(2)、雷达探测模块(3)；

S2.进行搜索救援时，由所述震动检测模块(2)检测待测区域中震动信号，输出震动检测结果，以及由所述雷达探测模块(3)探测待测区域中待救目标信号，输出雷达探测结果；

S3.分别接收所述震动检测结果以及雷达探测结果并进行融合判定，得到最终的待救目标探测结果；

所述步骤S1中将所述雷达探测模块(3)布置在待测区域的中心区域，将多个震动检测单元(21)以所述雷达探测模块(3)为中心按照指定间隔距离、间隔角度布置在目的区域中，将待测区域划分为多个子区域，每个所述震动检测单元(21)的检测范围覆盖一个所述子区域；

所述步骤S3中进行融合判定时，所述雷达探测模块(3)检测到目标的目的区域与检测到目标信号的所述震动检测单元(21)所对应的目的子区域若重合，则判定在所述目的区域内最大概率存在待救目标，若不重合、且所述目的区域与所述目的子区域均位于纵向或横向上的同一侧，则判定在所述目的区域内中等概率存在待救目标，否则判定在所述目的区域内最低概率存在待救目标。

6.根据权利要求5所述的震动与雷达探测融合的搜索救援方法，其特征在于：所述步骤S3中进行融合判定时，若所述震动检测模块(2)、雷达探测模块(3)探测到目标的区域相同或相近，则判定在所述雷达探测模块(3)探测到目标的位置较大概率存在待救目标，否则判定在所述雷达探测模块(3)探测到目标的位置较小概率存在待救目标。

7.根据权利要求5或6所述的震动与雷达探测融合的搜索救援方法，其特征在于：所述步骤S2中由所述雷达探测模块(3)探测待测区域中待救目标信号时，在基线方向、垂直于所述基线方向的方向分别探测一次，综合两次探测得到的探测结果得到目标点的三维位置信息。