CN110426703B - 一种基于高频率雷达的手持式无线搜救系统及搜救方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高频率雷达的手持式无线搜救系统及搜救方法。该系统包括高频率雷达传感芯片、信号处理模块、数据记忆模块、信息显示模块、无线传输模块、报警装置和电源模块，所述高频率雷达传感芯片与信号处理模块、电源模块电连接，所述信号处理模块与数据记忆模块、信息显示模块、无线传输模块、报警装置和电源模块电连接；本发明采用集成雷达芯片设计搜救系统，通过远距离模式和近距离模式双模式切换机制，增加了被困人员呼吸信息、心跳信息、姿态信息和动作信息的探测，大大提高了复杂救援环境下的搜救效率和救援行动的成功率。具有携带方便、低功耗、低成本的优点。

Description

一种基于高频率雷达的手持式无线搜救系统及搜救方法

技术领域：

本发明涉及一种基于高频率雷达的手持式无线搜救系统及搜救方法，属于雷达探测技术和信号处理分析领域。

背景技术：

在人类长期的历史发展进程中，火灾、地震、海啸等重大自然灾害是威胁人类生存的重要因素，灾害的发生往往会给人带来极大的精神痛苦和经济损失。当灾害发生时，如何尽可能快地抢救处于危险之中的生命，是最为关键的任务，而搜救仪是救援行动中最为重要的搜救工具。

近年来，我国消防产业已初具规模，但与欧美等发达国家相比，在基础研究与知识产权方面仍相对较弱。就目前来看，在救援行动中应用较多的搜救仪主要有音频生命搜救仪、视频生命搜救仪、气敏生命搜救仪和雷达生命搜救仪等，但以上音频生命搜救仪容易受现场噪声的影响，探测速度较慢，视频生命搜救仪要求现场必须有或大或小的孔洞、缝隙等，且易因泥土等环境的影响造成图像模糊不清甚至遮挡，气敏生命搜救仪只能应用于密闭无风的环境，而现有的雷达生命搜救仪多数体积庞大笨重不易携带，无法到达一些地形崎岖的搜救现场。由此可见，现有的搜救仪多数存在一定的局限之处，且操作复杂，价格昂贵。

因此，基于目前我国消防产业的现状，针对现有各种消防搜救产品的不足，亟需对消防救援搜救技术进行进一步升级，对生命探测技术进行深入全面的研究，使搜救工具能够适应多种复杂的搜救环境，携带方便，提高搜救效率。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种基于高频率雷达的手持式无线搜救系统及搜救方法，携带方便，能够在搜救人员移动状态下精确探测，所反馈被困人员信息全面准确，并且低功耗，低成本。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种基于高频率雷达的手持式无线搜救系统，包括高频率雷达传感芯片、信号处理模块、数据记忆模块、信息显示模块、无线传输模块、报警装置和电源模块，所述高频率雷达传感芯片与信号处理模块、电源模块电连接，所述信号处理模块与数据记忆模块、信息显示模块、无线传输模块、报警装置和电源模块电连接；

所述高频率雷达传感芯片探测处于被困状态的人体所反射的雷达信号并将探测的雷达数据传输给信号处理模块，所述信号处理模块将接受到的雷达数据进行滤波，并从滤波后的数据中提取出所检测区域的被困人数以及被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息，并进一步将所提取信息传输给信息显示模块和无线传输模块，所述信息显示模块显示被困人数以及被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息，所述无线传输模块将所测信息传回搜救管理中心和救护中心，信号处理模块根据数据记忆模块中的预设信息，确定是否触发报警装置，所述报警装置包括蜂鸣器、被困人员存在警示灯和被困人员危险警示灯。

所述的基于高频率雷达的手持式无线搜救系统，所述高频率雷达传感芯片由高频率雷达天线阵列和AD转换器集成组成，其中高频率雷达天线阵列发射并接受毫米波或超宽带雷达信号，所述雷达信号频率处于超高频和极高频范围之内。

所述的基于高频率雷达的手持式无线搜救系统，所述系统工作状态包括远距离模式和近距离模式，所述系统工作于远距离模式时，用于探测所检测区域被困人员的存在和被困人数，所述系统工作于近距离模式时，用于检测被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息。

用上述基于高频率雷达的手持式无线搜救系统进行搜救的方法，包括如下步骤：

step1，设备初始化，设定搜救系统雷达参数，加载雷达信号滤波程序；

step2，设定系统工作于远距离模式，搜救仪运行被困人员存在性检测程序；

step3，搜救人员四处走动寻找被困目标；

step4，当检测到被困人数大于等于1人时，开启蜂鸣器和被困人员存在警示灯，并转到step6；

step5，当所测被困人数小于1人时，循环step3-5；

step6，搜救人员接近被困人员并切换系统工作于近距离模式，搜救仪对被困人员的人体参数信息进行检测；

step6，当检测到的被困人员人体参数信息与数据记忆模块中人体虚弱信息相匹配时，开启被困人员危险警示灯；

step7，将所测被困人数以及被困人员的人体参数信息用信息显示模块显示，并将所测信息用无线传输模块传回搜救管理中心和救护中心，根据所得信息制定相应救援措施；

step8，对被困人员实施救援，搜救仪继续监测被困人员人体参数信息以作为救援行动的信息参考；

step9，当此处救援成功时，继续搜寻下一处被困人员，循环step2-9。

所述的基于高频率雷达的手持式无线搜救系统搜救方法，step1中所述的雷达参数包括搜救系统雷达信号频率、雷达移速范围、扫描范围、距离分辨率、环境遮挡物参数，所述雷达参数估计算法采用最大后验估计、最大似然估计、最小均方误差估计、最小二乘估计、卡尔曼滤波或维纳滤波，所述雷达信号滤波算法包括雷达杂波抑制算法和雷达信号增强算法。

所述的基于高频率雷达的手持式无线搜救系统搜救方法，step2中所述的被困人员存在性检测包括人体存在性检测算法、距离检测算法和人数检测算法；

所述人体存在性检测算法通过检测雷达信号中的人体微动信号进行是否有被困人员存在的判别；

所述距离检测算法通过检测所发射雷达信号的反射时间对搜救仪和被困人员之间的距离进行估算；

所述人数检测算法通过对所得雷达基带信号或射频信号进行时域或频域幅值、相位特征的提取，进一步用决策树算法、贝叶斯算法、支持向量机算法、遗传算法、模糊算法、神经网络算法或概率统计算法进行分类，从而得到人数信息。

所述的基于高频率雷达的手持式无线搜救系统搜救方法，step6中所述的人体参数信息检测包括呼吸检测算法、心跳监测算法、姿态检测算法和动作检测算法；

所述姿态检测算法和动作检测算法通过对所得雷达基带信号或射频信号进行时域或频域幅值、相位特征的提取，进一步用决策树算法、贝叶斯算法、支持向量机算法、遗传算法、模糊算法、神经网络算法或概率统计算法进行分类，从而得到人体姿态信息和人体动作信息；

所述呼吸检测算法和心跳监测算法通过对所得雷达信号进行傅里叶变换，并对变换后信号进行特征分析，从而得到被困人员呼吸和心跳的频率信息。

有益效果：

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1.本发明针对救援环境复杂多变的现状，采用集成雷达芯片设计搜救仪系统，且系统高度精简无冗余，相对于音视频探测方式，信号穿透性好，可探测性高；相对于现有雷达探测方式，体积大幅缩小，可以随身携带，能够实现边行走边探测，大大提高了搜救效率。

2.本发明所采用的远距离模式和近距离模式双模式切换机制，降低了系统功耗，远距离模式时专注探测被困人员的存在，将探测范围扩大到极致；近距离模式时专注检测被困人员人体信息，提高探测精度，与所有信息同时探测相比，提高了系统资源的利用率。

3.本发明在传统雷达探测系统探测人体存在信息和距离信息的基础上，增加了被困人员呼吸信息、心跳信息、姿态信息和动作信息的探测，为搜救人员的救援行动提供了更多的信息指导，保证了救援行动的成功率。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的雷达信号处理算法结构图。

图3是本发明的搜救方法流程图。

具体实施方式

本发明是一种基于高频率雷达的手持式无线搜救系统及搜救方法，其特征在于，所述系统包括高频率雷达传感芯片100、信号处理模块200、数据记忆模块300、信息显示模块400、无线传输模块500、报警装置600和电源模块700，所述高频率雷达传感芯片100与信号处理模块200、电源模块700电连接，所述信号处理模块200与数据记忆模块300、信息显示模块400、无线传输模块500、报警装置600和电源模块700电连接；

为使本发明的设计意图、实施方式和优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步的详细说明。

图1所示100为高频率雷达传感芯片，由高频率雷达天线阵列101和AD转换器102集成组成，其中高频率雷达天线阵列101用于发射并接受毫米波或超宽带雷达信号，所述雷达信号频率处于超高频和极高频范围之内，用于探测处于被困状态的人体所反射的雷达信号并将探测的雷达数据传输给信号处理模块200。

图1所示200为信号处理模块，用于将接受到的雷达数据进行滤波，并从滤波后的数据中提取出所检测区域的被困人数以及被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息，并进一步将所提取信息传输给信息显示模块400和无线传输模块500，并且根据数据记忆模块300中的预设信息，确定是否触发报警装置600。

图1所示300为数据记忆模块，用于储存是否触发报警装置600的预设信息和判定人体是否虚弱的阈值信息。

图1所示400为信息显示模块，用于显示被困人数以及被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息。

图1所示500为无线传输模块，用于将所测信息传回搜救管理中心和救护中心。

图1所示600为报警装置，包括蜂鸣器601、被困人员存在警示灯602和被困人员危险警示灯603，用于引起搜救人员的注意。

图2所示为信号处理模块中的雷达信号处理算法，包含雷达信号滤波算法、雷达参数估计算法、被困人员存在性检测算法和被困人员人体参数信息检测算法，所述雷达信号滤波算法包括雷达杂波抑制算法和雷达信号增强算法，所述被困人员存在性检测算法包括人体存在性检测算法、距离检测算法和人数检测算法，所述被困人员人体参数信息检测算法包括呼吸检测算法、心跳监测算法、姿态检测算法和动作检测算法；

所述雷达参数估计算法采用最大后验估计、最大似然估计、最小均方误差估计、最小二乘估计、卡尔曼滤波或维纳滤波；

所述人体存在性检测算法通过检测雷达信号中的人体微动信号进行是否有被困人员存在的判别；

所述距离检测算法通过检测所发射雷达信号的反射时间对搜救仪和被困人员之间的距离进行估算；

所述人数检测算法、姿态检测算法和动作检测算法通过对所得雷达基带信号或射频信号进行时域或频域幅值、相位特征的提取，进一步用决策树算法、贝叶斯算法、支持向量机算法、遗传算法、模糊算法、神经网络算法或概率统计算法进行分类，从而得到人数信息、人体姿态信息和人体动作信息；

所述呼吸检测算法和心跳监测算法通过对所得雷达信号进行傅里叶变换，并对变换后信号进行特征分析，从而得到被困人员呼吸和心跳的频率信息。

系统工作状态包括远距离模式和近距离模式，所述系统工作于远距离模式时，用于探测所检测区域被困人员的存在和被困人数，所述系统工作于近距离模式时，用于检测被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息。

图3所示为基于高频率雷达的手持式无线搜救系统搜救方法，包括以下步骤：

step1，设备初始化，设定搜救系统雷达信号频率、雷达移速范围、扫描范围、距离分辨率、环境遮挡物参数，加载信号滤波程序；

step2，设定系统工作于远距离模式，搜救仪运行被困人员存在性检测程序；

step3，搜救人员四处走动寻找被困目标；

step4，当检测到被困人数大于等于1人时，开启蜂鸣器601和被困人员存在警示灯602，并转到step6；

step5，当所测被困人数小于1人时，循环step3-5；

step6，搜救人员接近被困人员并切换系统工作于近距离模式，搜救仪对被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息进行检测；

step6，当检测到的被困人员人体参数信息与数据记忆模块300中人体虚弱信息相匹配时，开启被困人员危险警示灯603；

step7，将所测被困人数以及被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息用信息显示模块400显示，并将所测信息用无线传输模块500传回搜救管理中心和救护中心，根据所得信息制定相应救援措施；

step8，对被困人员实施救援，搜救仪继续监测被困人员人体参数信息以作为救援行动的信息参考；

step9，当此处救援成功时，继续搜寻下一处被困人员，循环step2-9。

综上所述，本发明提供了一种基于高频率雷达的手持式无线搜救系统及搜救方法，通过对其系统结构、信号处理算法和搜救方法的综合设计，能顺利完成复杂环境的精确搜救任务。

以上所述的具体实施操作方法，对本发明的技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述为本发明具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于高频率雷达的手持式无线搜救系统进行搜救的方法，该方法采用的基于高频率雷达的手持式无线搜救系统包括高频率雷达传感芯片、信号处理模块、数据记忆模块、信息显示模块、无线传输模块、报警装置和电源模块，所述高频率雷达传感芯片与信号处理模块、电源模块电连接，所述信号处理模块与数据记忆模块、信息显示模块、无线传输模块、报警装置和电源模块电连接；

所述高频率雷达传感芯片探测处于被困状态的人体所反射的雷达信号并将探测的雷达数据传输给信号处理模块，所述信号处理模块将接受到的雷达数据进行滤波，并从滤波后的数据中提取出所检测区域的被困人数以及被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息，并进一步将所提取信息传输给信息显示模块和无线传输模块，所述信息显示模块显示被困人数以及被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息，所述无线传输模块将所测信息传回搜救管理中心和救护中心，信号处理模块根据数据记忆模块中的预设信息，确定是否触发报警装置，所述报警装置包括蜂鸣器、被困人员存在警示灯和被困人员危险警示灯；

其特征在于，包括如下步骤：

step1，设备初始化，设定搜救系统雷达参数，加载雷达信号滤波程序；

step2，设定系统工作于远距离模式，搜救仪运行被困人员存在性检测程序；

step3，搜救人员四处走动寻找被困目标；

step4，当检测到被困人数大于等于1人时，开启蜂鸣器和被困人员存在警示灯，并转到step6；

step5，当所测被困人数小于1人时，循环step3-5；

step6，搜救人员接近被困人员并切换系统工作于近距离模式，搜救仪对被困人员的人体参数信息进行检测；

step6，当检测到的被困人员人体参数信息与数据记忆模块中人体虚弱信息相匹配时，开启被困人员危险警示灯；

step7，将所测被困人数以及被困人员的人体参数信息用信息显示模块显示，并将所测信息用无线传输模块传回搜救管理中心和救护中心，根据所得信息制定相应救援措施；

step8，对被困人员实施救援，搜救仪继续监测被困人员人体参数信息以作为救援行动的信息参考；

step9，当此处救援成功时，继续搜寻下一处被困人员，循环step2-9。

2.根据权利要求1所述的基于高频率雷达的手持式无线搜救的方法，其特征在于，所述高频率雷达传感芯片由高频率雷达天线阵列和AD转换器集成组成，其中高频率雷达天线阵列发射并接受毫米波或超宽带雷达信号，所述雷达信号频率处于超高频和极高频范围之内。

3.根据权利要求1或2所述的基于高频率雷达的手持式无线搜救的方法，其特征在于，所述系统工作状态包括远距离模式和近距离模式，所述系统工作于远距离模式时，用于探测所检测区域被困人员的存在和被困人数，所述系统工作于近距离模式时，用于检测被困人员的呼吸、心跳、姿态和动作信息。

4.根据权利要求1或2所述的基于高频率雷达的手持式无线搜救系统搜救方法，其特征在于，step1中所述的雷达参数包括搜救系统雷达信号频率、雷达移速范围、扫描范围、距离分辨率、环境遮挡物参数，所述雷达参数估计算法采用最大后验估计、最大似然估计、最小均方误差估计、最小二乘估计、卡尔曼滤波或维纳滤波，所述雷达信号滤波算法包括雷达杂波抑制算法和雷达信号增强算法。

5.根据权利要求1或2所述的基于高频率雷达的手持式无线搜救系统搜救方法，其特征在于，step2中所述的被困人员存在性检测包括人体存在性检测算法、距离检测算法和人数检测算法；

所述人体存在性检测算法通过检测雷达信号中的人体微动信号进行是否有被困人员存在的判别；

所述距离检测算法通过检测所发射雷达信号的反射时间对搜救仪和被困人员之间的距离进行估算；

所述人数检测算法通过对所得雷达基带信号或射频信号进行时域或频域幅值、相位特征的提取，进一步用决策树算法、贝叶斯算法、支持向量机算法、遗传算法、模糊算法、神经网络算法或概率统计算法进行分类，从而得到人数信息。

6.根据权利要求1或2所述的基于高频率雷达的手持式无线搜救系统搜救方法，其特征在于，step6中所述的人体参数信息检测包括呼吸检测算法、心跳监测算法、姿态检测算法和动作检测算法；

所述姿态检测算法和动作检测算法通过对所得雷达基带信号或射频信号进行时域或频域幅值、相位特征的提取，进一步用决策树算法、贝叶斯算法、支持向量机算法、遗传算法、模糊算法、神经网络算法或概率统计算法进行分类，从而得到人体姿态信息和人体动作信息；

所述呼吸检测算法和心跳监测算法通过对所得雷达信号进行傅里叶变换，并对变换后信号进行特征分析，从而得到被困人员呼吸和心跳的频率信息。

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