CN110542934A - 一种多传感融合生命探测定位系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种多传感融合生命探测定位系统及定位方法，该系统包括：雷达探测单元，用来为废墟下生命体的三维定位坐标的计算提供实时探测数据，并发送至数据传输单元；微振动探测单元，用来检测振动信号；音视频探测单元，用来为废墟下生命体提供图像和声波实时探测数据，来查看废墟下的实际环境、生命体位置和体征信息，并通过实时对话提供更准确的救援信息；数据传输单元，用来接收雷达探测单元、微振动探测单元和音视频探测单元发出的探测数据，并将其转发；探测显示终端，用来将探测过程和探测结果信息进行实时动态显示。该方法基于上述系统来实施。本发明具有操作简便、适用范围广、能够大大提高生命探测定位精度等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到生命探测技术领域，特指一种多传感融合生命探测定位系统及定位方法。
背景技术
当前国内的地震救援生命探测设备，主要是二维雷达生命探测仪、音视频探测仪和振动音频生命探测仪，这些设备普遍存在误报率高、定位不精准的问题，无法满足救援现场快速、精准的救援要求。
基于多普勒效应原理的雷达生命探测定位系统，可以穿透数米甚至数十米的石块或混凝土障碍物对废墟下的幸存者进行探测定位。但在实际操作使用中，这种仅依靠雷达探测的方式存在以下问题：
雷达生命探测定位，是通过对反射的电磁波进行算法分析处理后，来确定废墟下是否存在生命体及其方位。但由于废墟下环境复杂，包括石块、混凝土、砖瓦、钢筋等各种介质，均会对电磁回波有不同程度的反射作用，导致电磁接收机接收的信号与实际存在差异，探测的结果会存在信号强弱不同的多个目标，难以确定真实生命体的具体位置，增加了地震救援的难度；
雷达波穿透废墟的能力是有限的，当现场废墟层较厚、介质种类复杂时，目标回波信号将极其微弱，以至于接收机无法收到有效目标回波；特别是废墟下存在钢板等金属物质时，电磁波将无法穿透，这样的情况下雷达生命探测方式无法发挥作用。
当雷达探测到废墟下存在生命体时，无法进入废墟内部查看和确认生命体的状态并实现实时的沟通，难以掌握救援对象的信息，大幅降低了救援的效率。
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，本发明提供一种操作简便、适用范围广、能够大大提高生命探测定位精度的多传感融合生命探测定位系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种多传感融合生命探测定位系统，包括：
雷达探测单元，用来为废墟下生命体的三维定位坐标的计算提供实时探测数据，并发送至数据传输单元；
微振动探测单元，用来检测振动信号并发送至数据传输单元；
音视频探测单元，用来为废墟下生命体提供图像和声波实时探测数据，来查看废墟下的实际环境、生命体位置和体征信息，并通过实时对话提供更准确的救援信息，其探测数据通过无线方式发送至数据传输单元；
数据传输单元，用来接收雷达探测单元、微振动探测单元和音视频探测单元发出的探测数据，并将其通过无线方式转发至探测显示终端；
所述探测显示终端，用来将探测过程和探测结果信息进行实时动态显示。
作为本发明系统的进一步改进：所述雷达探测单元为超宽带雷达，探测面安放于特定范围内，逐步进行多方向范围的探测。
作为本发明系统的进一步改进：所述微振动探测单元包括至少两或四个微振动传感器，用来提供两种探测数据；一种是系统使用环境的先验数据，所述先验数据体现了设备所处的环境特征，也称为校准数据，在探测振动源方位之前完成，是确定振动源方位的基础；另一种是用来计算废墟下敲击振动源方位的实时探测数据。
作为本发明系统的进一步改进：所述探测显示终端包括数据处理单元和控制显示单元，所述数据处理单元用来接收数据传输单元上发的实时探测数据，并得出各自的探测结果；所述控制显示单元用来控制微振动探测单元的工作模式是校准模式还是探测模式，并控制雷达探测单元和微振动探测单元的探测进程和探测时间、及控制并显示图像和播放声音音视频探测单元。
作为本发明系统的进一步改进：所述雷达探测单元、微振动探测单元和音视频探测单元布设在同一区域范围。
本发明进一步提供一种基于上述探测定位系统的定位方法步骤包括：
步骤S1：布置设备、确定阈值；
步骤S2：确定生命体方位；操作探测控制终端开启探测模式，对不同方位的各路微振动传感器实时探测到的废墟下的振动信号进行分析得到各路震动特征值，将各路震动特征值与各自的S1步骤中生成的阈值进行对比，得到各个方位废墟下是否存在生命体及其概率，各路微振动传感器的探测结果在探测显示终端上显示并对有生命体的方位进行标记；
步骤S3：确定生命体三维坐标；
步骤S4：查看和监听生命体状态；探测过程及探测结果在探测显示终端上实时动态显示。
作为本发明方法的进一步改进：根据现场废墟环境及探测范围确定好所述微振动传感器的数量，选择合适的校准和生命体探测空间范围进行传感器布设，校准空间的选取原则是附近无明显振动源。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3包括：
步骤S301：将雷达探测单元探测到的废墟下生命体的二维位置坐标，二维是指深度和横向位置，结合步骤S2中探测到的生命体方位信息，排除由于复杂环境可能导致的雷达探测中出现的多个生命体目标中的虚假目标，此次雷达探测单元的摆放姿态为第一姿态；
步骤S302：将雷达探测单元按照第二姿态进行摆放，对筛选出的生命体目标进行二次探测，确定目标的三维位置坐标，所述第二姿态与第一姿态在同一平面上是垂直的。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S4包括：
步骤S401：结合步骤S3确定生命体三维坐标，在该坐标上方的废墟上寻找废墟的空隙位置；
步骤S402：将音视频探测单元的探头从废墟空隙插入废墟内部，同时通过控制显示终端查看和监听；根据图像和声音调整探头插入的深度和角度，逐步接近生命体；
步骤S403：音视频探测单元的探头接近生命体，通过图像查看生命体状态和废墟内部情况，并与生命体通话来制定最佳救援方案。
作为本发明方法的进一步改进：所述生命体方位的确定是以步骤S1中生成的阈值为基础的。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的多传感融合生命探测定位系统及定位方法，将雷达、微振动和音视频生命探测技术进行融合，可以将雷达探测单元、微振动设备和音视频设备布设在同一区域进行探测，将微振动设备确定的生命体定位信息与雷达探测单元确定的生命体定位信息进行对比分析，剔除大部分虚目标，将生命体锁定在更小、更准确的区域内。同时，通过音视频技术，将音视频传感器从缝隙深入废墟内部查看视频图像并与生命体实时通话，准确掌握被困区域内部的真实情况，最大限度的保证探测救援效果。
2、本发明的多传感融合生命探测定位系统及定位方法，既可弥补单一雷达生命探测技术或单一微振动探测技术或单一音视频探测技术的自身缺陷，又具有宽阔的时空覆盖区域、很高的测量维数、良好的性能稳定性和目标空间分辨力等优势，且可得到更全面、 更准确的生命体及救灾现场环境信息，为制定高效可行的救援方案提供决策依据，缩短救援时间，减小灾害损失。
3、本发明的多传感融合生命探测定位系统及定位方法，具有操作简单、探测速度快、快速锁定、准确定位等特点，通过采用无线组网方式，增加了系统的灵活性。
附图说明
图1是本发明定位系统的拓扑结构示意图。
图2是本发明定位方法的工作流程示意图。
图例说明：
1、雷达探测单元；2、微振动探测单元；3、音视频探测单元；4、数据传输单元；5、探测显示终端；51、数据处理单元；52、控制显示单元。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的多传感融合生命探测定位系统，包括：
雷达探测单元1，用来为废墟下生命体的三维定位坐标的计算提供实时探测数据，并发送至数据传输单元4。
微振动探测单元2，用来检测振动信号并发送至数据传输单元4。
音视频探测单元3，用来为废墟下生命体提供图像和声波实时探测数据，以此来查看废墟下的实际环境、生命体位置和体征信息，并通过实时对话提供更准确的救援信息，其探测数据通过无线方式发送至数据传输单元4。
数据传输单元4，用来接收雷达探测单元1、微振动探测单元2和音视频探测单元3发出的探测数据，并将其通过无线方式转发至探测显示终端5。
探测显示终端5，用来将探测过程和探测结果信息进行实时动态显示。
在具体应用实例中，雷达探测单元1可以根据实际需要采用超宽带雷达，可探测面安放于特定范围内，逐步进行多方向范围的探测，其探测数据通过无线方式发送至数据传输单元4。
在具体应用实例中，微振动探测单元2包括至少两或四个微振动传感器，用来提供两种探测数据，一种是系统使用环境的先验数据，一种是用来计算废墟下敲击振动源方位的实时探测数据，先验数据体现了设备所处的环境特征，也称为校准数据，需要在探测振动源方位之前完成，是确定振动源方位的基础。
在具体应用实例中，微振动探测单元2在进行振动源方位探测时，可按照传感器的感知半径范围结合传感器数量，在一个合适空间范围内进行传感器布设。例如，可将4个传感器分别布设在4个5X5或2个5X10的空间地面上的4个中心或2个中心位置，各传感器相互独立且无功能差别，其探测数据分别通过无线方式发送至数据传输单元4。
在具体应用实例中，作为优选方案，雷达探测单元1、微振动探测单元2和音视频探测单元3需布设在同一区域范围。
在具体应用实例中，数据传输单元4可以根据实际需要来选择，如选择具有无线路由功能的设备，例如无线AP。
在具体应用实例中，探测显示终端5可以根据实际需要来选择，即采用pad或笔记本电脑，与雷达探测单元1、微振动探测单元2和音视频探测单元3均通过无线方式接入数据传输单元4，增加了系统灵活性，其无线方式可以是WIFI无线网络连接。
在具体应用实例中，探测显示终端5包括数据处理单元51和控制显示单元52，其中，数据处理单元51用来接收数据传输单元4上发的实时探测数据，并调用相应算法进行数据分析，得出各自的探测结果；控制显示单元52，可以用来控制微振动探测单元2的工作模式是校准模式还是探测模式，可控制雷达探测单元1和微振动探测单元2的探测进程和探测时间，可控制并显示图像和播放声音音视频探测单元3。
由上可知，本发明将雷达、微振动和音视频生命探测技术进行融合，可以将雷达探测单元1、微振动单元2和音视频单元3布设在同一区域进行探测，将微振动单元2确定的生命体定位信息与雷达探测单元1确定的生命体定位信息进行对比分析，剔除大部分虚目标，将生命体锁定在更小、更准确的区域内。同时，通过音视频技术，将音视频单元3从缝隙深入废墟内部查看视频图像并与生命体实时通话，准确掌握被困区域内部的真实情况，最大限度的保证探测救援效果。
这种方式既可弥补单一雷达生命探测技术或单一微振动探测技术或单一音视频探测技术的自身缺陷，又具有宽阔的时空覆盖区域、很高的测量维数、良好的性能稳定性和目标空间分辨力等优势，且可得到更全面、 更准确的生命体及救灾现场环境信息，为制定高效可行的救援方案提供决策依据，缩短救援时间，减小灾害损失。
如图2所示，本发明进一步提供一种基于上述定位系统的定位方法，其步骤包括：
步骤S1：布置设备、确定阈值；
微振动探测单元2的布设，根据现场废墟环境及探测范围确定好微振动传感器2的数量，选择合适的校准和生命体探测空间范围进行传感器布设，校准空间的选取原则是附近无明显振动源，考虑到震后环境的复杂性，一般建议选择2个或4个传感器，探测人员操作探测显示终端5采集校准数据完成校准模式生成阈值后，将微振动探测单元2分别布设在4个约5X5或2个约5X10的空间地面上的4个中心或者2个中心位置，所述阈值体现了环境的特征；
雷达探测单元1的布设，可探测面面向探测区域放置在与微振动传感器所属同一约10X10探测区域内中心位置，以节省探测过程中的人力的投入，便于操作。
微振动探测单元2和雷达探测单元1的探测进程和探测时间可由探测人员控制探测显示终端5进行设置。
步骤S2：确定生命体方位；
生命体方位的确定是以步骤S1中生成的阈值为基础的，操作探测控制终端5开启探测模式，对不同方位的各路微振动传感器2实时探测到的废墟下的振动信号进行分析得到各路震动特征值，将各路震动特征值与各自的S1步骤中生成的阈值进行对比，得到各个方位废墟下是否存在生命体及其概率，各路微振动传感器2的探测结果可在探测显示终端5上显示并对有生命体的方位进行标记。
而现有的常用的振动信号分析手段是利用小波分析法去噪并结合经典的Geiger等方法对震动信号进行分析，从而对振动源进行有效定位。
步骤S3：确定生命体三维坐标；
步骤S301：将雷达探测单元1探测到的废墟下生命体的二维位置坐标，二维是指深度和横向位置，结合步骤S2中探测到的生命体方位信息，排除由于复杂环境可能导致的雷达探测中出现的多个生命体目标中的虚假目标，此次雷达探测单元1的摆放姿态为第一姿态；
步骤S302：将雷达探测单元1按照第二姿态进行摆放，对筛选出的生命体目标进行二次探测，确定目标的三维位置坐标，所述第二姿态与第一姿态在同一平面上是垂直的。
步骤S4：查看和监听生命体状态；
步骤S401：结合步骤S3确定生命体三维坐标，在该坐标上方的废墟上寻找废墟的空隙位置；
步骤S402：将音视频探测单元3的探头从废墟空隙插入废墟内部，同时通过控制显示终端5查看和监听；根据图像和声音调整探头插入的深度和角度，逐步接近生命体；
步骤S403：最后，音视频探测单元3的探头接近生命体，通过图像查看生命体状态和废墟内部情况，并与生命体通话来制定最佳救援方案。探测过程及探测结果可在探测显示终端5上实时动态显示。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多传感融合生命探测定位系统，其特征在于，包括：
雷达探测单元（1），用来为废墟下生命体的三维定位坐标的计算提供实时探测数据，并发送至数据传输单元（4）；
微振动探测单元（2），用来检测振动信号并发送至数据传输单元（4）；
音视频探测单元（3），用来为废墟下生命体提供图像和声波实时探测数据，来查看废墟下的实际环境、生命体位置和体征信息，并通过实时对话提供更准确的救援信息，其探测数据通过无线方式发送至数据传输单元（4）；
数据传输单元（4），用来接收雷达探测单元（1）、微振动探测单元（2）和音视频探测单元（3）发出的探测数据，并将其通过无线方式转发至探测显示终端（5）；
所述探测显示终端（5），用来将探测过程和探测结果信息进行实时动态显示。
2.根据权利要求1所述的多传感融合生命探测定位系统，其特征在于，所述雷达探测单元（1）为超宽带雷达，探测面安放于特定范围内，逐步进行多方向范围的探测。
3.根据权利要求1所述的多传感融合生命探测定位系统，其特征在于，所述微振动探测单元（2）包括至少两或四个微振动传感器，用来提供两种探测数据；一种是系统使用环境的先验数据，所述先验数据体现了设备所处的环境特征，也称为校准数据，在探测振动源方位之前完成，是确定振动源方位的基础；另一种是用来计算废墟下敲击振动源方位的实时探测数据。
4.根据权利要求1所述的多传感融合生命探测定位系统，其特征在于，所述探测显示终端（5）包括数据处理单元（51）和控制显示单元（52），所述数据处理单元（51）用来接收数据传输单元（4）上发的实时探测数据，并得出各自的探测结果；所述控制显示单元（52）用来控制微振动探测单元（2）的工作模式是校准模式还是探测模式，并控制雷达探测单元（1）和微振动探测单元（2）的探测进程和探测时间、及控制并显示图像和播放声音音视频探测单元（3）。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的多传感融合生命探测定位系统，其特征在于，所述雷达探测单元（1）、微振动探测单元（2）和音视频探测单元（3）布设在同一区域范围。
6.一种基于上述权利要求1-5中任意一项所述定位系统的定位方法，其特征在于，步骤包括：
步骤S1：布置设备、确定阈值；
步骤S2：确定生命体方位；操作探测控制终端（5）开启探测模式，对不同方位的各路微振动传感器（2）实时探测到的废墟下的振动信号进行分析得到各路震动特征值，将各路震动特征值与各自的S1步骤中生成的阈值进行对比，得到各个方位废墟下是否存在生命体及其概率，各路微振动传感器（2）的探测结果在探测显示终端（5）上显示并对有生命体的方位进行标记；
步骤S3：确定生命体三维坐标；
步骤S4：查看和监听生命体状态；探测过程及探测结果在探测显示终端（5）上实时动态显示。
7.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，根据现场废墟环境及探测范围确定好所述微振动传感器（2）的数量，选择合适的校准和生命体探测空间范围进行传感器布设，校准空间的选取原则是附近无明显振动源。
8.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S301：将雷达探测单元（1）探测到的废墟下生命体的二维位置坐标，二维是指深度和横向位置，结合步骤S2中探测到的生命体方位信息，排除由于复杂环境可能导致的雷达探测中出现的多个生命体目标中的虚假目标，此次雷达探测单元（1）的摆放姿态为第一姿态；
步骤S302：将雷达探测单元（1）按照第二姿态进行摆放，对筛选出的生命体目标进行二次探测，确定目标的三维位置坐标，所述第二姿态与第一姿态在同一平面上是垂直的。
9.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S401：结合步骤S3确定生命体三维坐标，在该坐标上方的废墟上寻找废墟的空隙位置；
步骤S402：将音视频探测单元（3）的探头从废墟空隙插入废墟内部，同时通过控制显示终端（5）查看和监听；根据图像和声音调整探头插入的深度和角度，逐步接近生命体；
步骤S403：音视频探测单元（3）的探头接近生命体，通过图像查看生命体状态和废墟内部情况，并与生命体通话来制定最佳救援方案。
10.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述生命体方位的确定是以步骤S1中生成的阈值为基础的。
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