国内外生物雷达技术的研究现状及发展趋势

常 鹏

空军工程大学，陕西 西安 710032

0 引言

雷达技术最先应用于军事领域，用以探测和定位参与军事活动中的目标。随着科技的进步和社会的发展，雷达技术已经广泛应用于其他领域。生物雷达技术是生命科学和生物医学中雷达技术交叉产生的一个新的技术领域。生物雷达技术的应用，可以通过衣服、被褥等物体，以非接触的方式监测人体的心跳、呼吸等生理运动。与传统的接触监测相比，这种工艺可以减少电极、导线、传感器等给人体带来的不适感。因此，生物雷达技术在社会医学方面具有广阔的应用前景。

1 生物雷达技术概述

（1）含义。雷达技术一般被认为是自由特定空间技术中的一种无线电磁波探测应用技术，通过向自由特定空间发射无线电磁波信号快速探测到目标的相关物体信息。在此基础上，生物雷达技术向目标物体发射大量电磁波，通过目标呼吸时的胸部运动和目标运动时的身体运动来调制电磁波的相位。雷达通过接收调制信号，解调人体的呼吸和心跳信号。随着现代生物医学信息工程、雷达、计算机、电子等信息技术的飞速发展，以及现代军事、医学和经济社会的发展需要，这种基于雷达的生命探测跟踪技术逐渐得以发展应用起来。

近年来，国内外专家学者相继提出了非接触物体探测雷达技术的新概念—生物雷达探测技术。该探测技术充分融合了现代雷达探测技术和现代生物医学电子工程技术，能准确穿透各种非金属活体介质（包括砖墙、废墟等）并同时检测其他生命活体信号（包括呼吸、身体运动等），而没有任何电极或传感器接触活体。该技术开发的生物医学雷达技术是一种目前可以直接用于自动探测识别所有生命，探测和识别生命数量、状态和位置的仪器。一般的要求是能够穿过障碍物，发现并捕捉到受害者的生命特征。与基于红外、光学、超声的生命探测相关技术应用相比，生物医学雷达技术以其非接触、穿透力强、定位准确等诸多优点，已成为最具创新性、最具活力和发展潜力的现代生命科学探测应用技术。目前，该技术有着特殊的实际应用和发展前景，主要表现在：可以快速找到埋在废墟、隧道和雪地中的幸存者；可用于城市巷战中的穿墙侦察；可用于战场急救中的非接触式生命参数监测；可以用来监视恐怖分子和罪犯；还可以通过穿透搜索隐藏在各种非金属介质中的罪犯。由于这些领域大多与国家安全有关，一些关键技术被各国保密。因此，发展应用目前我国拥有完全自主研发知识产权的新型生物医学雷达技术也就显得尤为重要。

（2）新发展。人体生理信号采集有很多种方法，传统的做法都是在人体安装各种不同的传感器电极，如心电、脑电、血氧、血压、体温等，虽然结果比较可靠，但使用繁琐、不舒适，不合适居家日常采用。近年来，可穿戴式健康检测产品发展迅速，除了可穿戴式设备外，也出现了非穿戴式和非接触式检测技术，尤其是生物雷达非接触式体征检测技术越来越受到人们的关注。其实，在非接触式生物雷达体征监测领域，中国一直就不落后，国内的技术积累已有近30年的时间，只是以前主要应用领域都集中在军用、警用方面，后来扩展到灾害救援，直到移动互联网、智能家居行业兴起之后才开始涉足民用领域。国产的非接触式生物雷达体征检测产品不仅性价比高，而且技术水平全球领先。珠海奥美健康科技有限公司是国内在生物雷达民用领域起步最早、产品技术最全面的一家公司，该公司已成功实现了硬件设备的微型化、低功耗、采用24 GHz频段检测分辨率可以达到0.02 mm，特别是通过采用神经网络深度学习算法，使心率计算的准确性达到95%以上。由于生物雷达波形含有极丰富的健康信息，可以通过数据挖掘对用户的健康状况进行深度分析，应用前景广阔，值得期待[1]。

2 国内生物雷达目标识别定位技术研究现状

国内生物雷达目标识别定位技术主要是通过墙壁探测单个目标。根据现有文献[2]来看，国内应用生物医学雷达定位目标系统技术大多数是采用自动调频连续式微波和超声波宽谱微波雷达定位系统。

北京理工大学研究小组采用了低频超宽带穿墙雷达和小波双谱检测算法相结合的方法，定位一个物体在墙后的距离和方位。重建位置图需要每隔5 cm移动天线100次。中国国防科技大学的研究小组提出了一种改进的超声波宽谱无线穿墙目标探测雷达定位成像检测算法，与传统的穿墙目标定位算法相比，该算法可以提供更丰富的成像信息，解决了由于电磁波折射穿墙而引起的时间延迟问题。当天线穿过墙面的数量较少时，天线的尾部反射现象大大减少，该方法适用于通过天线穿过墙壁对单向目标点进行检测和定位。

空军工程大学导弹研究所研制的超宽谱动目标探测雷达，通过积累接收到的信号，放大和微分，实现了对单个动目标的探测。

自2006年以来，第四军医大学研究团队将繁殖定量分析（RQA）方法应用于生物雷达识别人体数量的研究。穿透12 cm砖墙后，对探测到的双目标（分别位于墙后3.5 m和4.5 m处）的信号进行分析，发现目标位置与该距离处的繁殖率存在一定的相关性[3]。

3 国外应用生物雷达技术的研究现状

随着现代生物医学工程、雷达、电子和现代计算机信息技术的飞速发展，以及现代军事、医学和经济社会的发展需要，国外已经开始出现了各种利用生物医学雷达技术探测人体生命不同周期参数的先进技术。利用生物雷达探测技术探测人类内部生命特征的重点研究机构主要集中在俄罗斯、美国、意大利、日本等发达国家。美国密歇根州立大学的一个研究团队，利用具有L射频波段以及S射频波段两种不同发射频率的卫星雷达连续波天线同时进行发射探测，取得了较好的探测效果。在其中模拟一次地震后，它在倒塌的一座建筑物中成功探测到了人的呼吸和生命信号。然而，由于工作环境和操作者活动带来的各种背景噪声对检测到的效果造成严重的影响，对于活体识别一直没有可行的具体解决办法方案。日本研究组通过各种衣服和床上用品，集中对心率、股动脉、颈部主动脉、指尖脉搏等近距离（50 cm以内）进行测量，它主要采用连续波长线探测信号、双向正交波微波探测信号技术和最小二乘法的估计探测方法，但是与探测距离太近。利用雷达生命特征在线雷达探测技术，美国公司开发了一种雷达手电筒探测工具，可以直接探测到围墙后、门后和树后的人。据说，在已有成熟的商业技术设备基础上开发的这种手电筒探测雷达，既能探测到房间内走动的可疑人员，也能探测到行动不畅、呼吸不顺畅的可疑人员，但前者的工作距离要比后者长得多。目前该装置只能固定使用，不能用于运动。

4 生物雷达技术的发展趋势

生物雷达技术可以广泛应用于救灾（地震、滑坡中搜寻伤员）、城市反恐（隔墙监视罪犯、解救人质）、临床监测（非典等传染病）、边境海关安检、军事斗争等。在这些应用中，不仅要注意是否检测到活体的存在，还要注意活体的状况。比如，在伤员的搜救中关注人与动物的区别，在反恐和军事斗争中关注活体的数量、状态和距离方位，在临床监测中关注生命指标。因此，有必要研究基于生物雷达的生命识别问题，识别和提取生命类型、数量、方位、距离、姿态和生理特征等信息。详尽的数据表明，生物雷达的科学研究主要重点集中在两个部分：一是主要研究具有生命的物体探测，即主要关注在被探测到的区域内是否已经有其他生命物体存在，以及国内外的科学研究进展。二是主要研究生物体及其重要器官的正常活动和检测的各种生理现象，信息之间的相互联系，及一个生物体的正常生存生理状况。生命探测的科学研究已经取得了很大的技术进步，包括利用生物雷达探测系统和各种生命探测信号的分析提取。然而，生命特征的准确识别在国内还处于技术起步阶段（不曾见过国外的相关报道），解决这一问题将成为下一阶段调查的重点和难点。如果当前的问题得到解决，将为生物雷达技术打开更广阔的应用空间[4-5]。

5 结束语

随着网络技术的快速发展，目标生物探测雷达定位系统也随之迅速发展，将为现代生物探测雷达技术开辟更广阔的技术应用发展空间和新的研究发展前景。