超宽带雷达生命探测技术研究

第 49 卷 第 9 期

2023 年 9 月

工　矿　自　动　化

Journal of Mine Automation

Vol.49 No.9

Sep. 2023

文章编号：1671−251X（2023）09−0178−09

DOI：10.13272/.1671-251x.18111

超宽带雷达生命探测技术研究

赵尤信

1

， 姚海飞

1，2

， 李佳慧

3

， 彭然

1

， 李璕

1

（1. 煤炭科学技术研究院有限公司 矿山智能通风事业部，北京　100013；

2. 中国矿业大学（北京） 应急管理与安全工程学院，北京　100083；

3. 华北科技学院 建筑工程学院，河北 廊坊　065201）

摘要：超宽带（UWB）雷达生命探测技术具有功耗低、穿透性好、保密性高等优点，有利于提高灾后受困人员

的生存率。系统总结了UWB雷达生命探测技术的国内外研究进展及现状。根据发射信号形式不同，将UWB雷

达生命探测技术分为连续波雷达生命探测技术和脉冲波雷达生命探测技术，分别介绍了2种探测技术的原理与

应用优势。基于连续波雷达生命探测技术和脉冲波雷达生命探测技术的各自特点，从探测信号发射、回波信号预

处理、生命信号提取与分析3个角度，分析了UWB雷达生命探测关键技术，总结了3种关键技术的研究现状。

对UWB雷达生命探测技术的研究进行展望：突破生命探测仪收发机硬件性能，提升发射信号带宽，优化射频功

率放大技术，以增大穿墙探测距离；综合利用多种特征提取方法和智能模式分类方法，以及人工智能、大数据、云

计算等新一代信息技术，提高目标识别的精确度；研制基于多输入多输出雷达的人体目标辨识与定位装备和高精

度分布式组网全极化UWB雷达生命探测仪，提升探测结果维度。

关键词：灾后救援；生命探测；超宽带雷达探测；连续波雷达；脉冲波雷达；生命信号提取

中图分类号：TD67　　　　文献标志码：A

Research on ultra wideband radar life detection technology

ZHAO Youxin

1

, YAO Haifei

1,2

, LI Jiahui

3

, PENG Ran

1

, LI Xun

1

(1. Mine Intelligent Ventilation Division, CCTEG China Coal Research Institute, Beijing 100013, China；

2. School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing,

Beijing 100083, China； 3. Architectural Engineering College, North China University of Science and Technology,

Langfang 065201, China)

Abstract: Ultra wideband (UWB) radar life detection technology has the advantages of low power

consumption, good penetration, and high confidentiality. It is beneficial for improving the survival rate of trapped

personnel after disasters. This paper systematically summarizes the research progress and current status of UWB

radar life detection technology both domestically and internationally. According to the different forms of

transmitted signals, UWB radar life detection technology is divided into continuous wave radar life detection

technology and pulse wave radar life detection technology. The principles and application advantages of the two

detection technologies are introduced respectively. Based on the respective features of continuous wave radar life

detection technology and pulse wave radar life detection technology, this paper analyzes the key technologies of

UWB radar life detection from three perspectives: detection signal transmission, echo signal preprocessing, and

life signal extraction and analysis, and summarizes the research status of the three key technologies. The paper

proposes prospects for the research on UWB radar life detection technology. The technology breaks through the

收稿日期：2023-07-03；修回日期：2023-09-14；责任编辑：李明。

基金项目：廊坊市科技局自筹项目（2020011017）；中央高校基本科研业务费资助项目（3142020020）。

作者简介：赵尤信（1988—），男，山东临沂人，副研究员，博士，主要从事应急技术及火灾防治方面的研究工作，E-mail：

zhaoyx_1026@。

引用格式：赵尤信，姚海飞，李佳慧，等. 超宽带雷达生命探测技术研究[J]. 工矿自动化，2023，49（9）：178-186.

ZHAO Youxin, YAO Haifei, LI Jiahui, et al. Research on ultra wideband radar life detection technology[J]. Journal of Mine

Automation，2023，49（9）：178-186.

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2023 年第 9 期

赵尤信等： 超宽带雷达生命探测技术研究

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hardware performance of life detector transceivers, improves the transmission signal bandwidth, and optimizes RF

power amplification technology to increase the detection distance through walls. The technology comprehensively

utilizes multiple feature extraction methods and intelligent pattern classification methods, as well as new

generation information technologies such as artificial intelligence, big data, and cloud computing, to improve the

precision of target recognition. The technology develops a human target recognition and positioning equipment

based on multi input multi output radar and a high-precision distributed networked fully polarized UWB radar life

detector to enhance the dimension of detection results.

Key words: post disaster rescue; life detection; ultra wideband radar detection; continuous wave radar; pulse

wave radar; life signal extraction

0　引言

地震、塌方、矿难等灾害会导致人员被困伤亡。

灾后72 h是受困幸存者的黄金救援时间，但受困幸

存者多被岩石、砖块等掩埋较深，且活动空间狭小，

导致搜救人员难以准确、及时地对其展开救援，因

此，对生命探测技术的研究意义重大

[1]

。生命探测

方法众多，根据红外温度特征、声音探测等原理可设

计生命探测装置，但大多存在探测精度低、穿透能力

差、抗干扰能力弱等问题，无法达到预期目标。雷达

生命探测技术具有穿透力强、定位迅速准确等特点，

特别是UWB（Ultra Wide Band，超宽带）雷达生命探

测技术具有功耗低、穿透性好、保密性高等优点，为

生命探测技术的研究提供了新思路，对灾后快速展

开人员搜救、提高生存率具有重大意义。

本文首先对UWB雷达生命探测技术的国内外

研究现状进行总结，然后对该技术原理及其关键技

术进行分析，最后对UWB雷达生命探测技术的未来

发展趋势进行展望。

表 1 部分雷达生命探测设备

Table 1 Part of radar life detectors

型号

Lifelocator 3+

产地

美国

性能指标

频率范围100～700 MHz，探测角度±60°，可探测

6 m内的呼吸活动及10 m内的移动目标

中心频率450 MHz，距离分辨率1 m，带宽250 MHz，

最大探测距离25 m

频率范围3～10 GHz，检测张角80°，穿墙范围4，8，

20 m，分辨率≤1 m，最大探测距离100 m

SRI UWB−SAR

美国

Xaver−400

以色列

中心频率400 MHz，穿墙后可检测7 m以外的移动

Po−400 GPR−

俄罗斯

人体，最大探测距离20 m

Detector

GPR−Detector

英国

LEADERSCAN

法国

中心频率400 MHz，探测深度5 m，穿墙后可测20 m

内移动目标，最大探测深度5 m

中心频率400 MHz，穿墙后最大探测距离10 m，最

大探测距离30 m

后，UWB雷达生命探测技术取得了长足进展。

在整体探测系统研发方面，法国THALES集团

成功研制了功耗低、穿墙检测距离达30 m的

UWB雷达生命探测仪

[4]

，其可对多个目标进行定位

及运动跟踪成像，对掩埋生命体救援十分有利。在

信号发射/接收机方面，N. Hafner等

[5]

设计了一种脉

宽可调的UWB单周期脉冲源，其最大带宽达

3.8 GHz，发射信号穿透性更强，更符合UWB雷达生

命探测要求，可有效提高生命探测仪的检测能力。

在系统回波信号提取方面，F. M. Shikhsarmast等

[6]

提

出了一种奇异值分解信号方法，该方法采用

FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）和

Hilbert−Huang变换提取生命体征，可在低信噪比情

况下准确估计奇异参数，从而有效消除生命信号中

的噪声。F. Soldovieri 等

[7]

提出了基于连续波UWB

雷达在46 GHz左右检测生命体征的方法，并设计了

2种数据处理方法，可有效提取被测人员的生命体征

信号，促进了生命探测系统的发展。

1　UWB雷达生命探测技术研究现状

1.1　国外研究现状

自1994年美国斯坦福尼亚大学将UWB雷达技

术应用于生命探测领域以来，UWB雷达生命探测相

关技术逐渐成为研究热点

[2]

。2000年，美国TDC公

司成功研制了RV2000 UWB穿墙雷达

[3]

，可实时探

测动目标，为灾后救援提供了新方法。

目前国际上已推入市场使用的部分雷达生命探

测设备见表1。可看出目前已有设备的发射信号中

心频率基本处于400 MHz，穿墙后的检测距离均为

10 m左右，可基本完成生命探测功能，但分辨率、探

测精度等与实际需求存在一定差距，穿墙后探测距

离仍有待提高。

针对目前雷达生命探测设备存在的不足，研究

人员进一步开展研究与改进工作，特别是2010年

1.2　国内研究现状

2001年，第四军医大学王健琪团队利用低功耗

毫米波雷达成功研制了我国第1台生命探测仪

[8]

。

该设备根据多普勒效应分解出较高质量的人体呼吸

及心跳信号，在实验室阶段取得了成功。此后，国内

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工矿自动化第 49 卷

众多学者针对生命探测技术的各个环节开展研究和

应用。

目前，国内研发了一些UWB生命探测仪，如华

诺星空系列的雷达生命探测仪。以DN−IV型生命

探测仪（图1）为例，该仪器发射中心频率为400 MHz，

与国际上类似产品指标相近，具有二维定位搜索功

能，可穿透10 m的干扰墙进行搜救，基本满足各类

生命搜救现场的救援辅助工作。但其具有一定的局

限性，如分辨率为1 m，而在很多救援环境中被掩人

员之间的距离远小于1 m，因此在实际使用中可能发

生定位不准的问题。

无法商用等问题。为降低消防救援中火场人员搜救

的危险性，提高救援成功率，陈绍黔等

[10]

研制了警

用UWB雷达生命探测仪，可对建筑废墟、地震现

场、火场等灾害现场进行快速有效的人员定位，对提

高救援效率有积极作用。为提高雷达发射机信号的

穿透力，李秀贵等

[11]

对脉冲发生器展开研究，改进了

雪崩三极管型UWB脉冲发生器，形成皮秒级双极性

脉冲，有效提高了频带宽度与发射信号穿透能力。

胡巍

[12]

提出了基于连续小波变换与EMD（Empirical

Mode Decomposition，经验模态分解）相结合的生命

信号提取算法，并利用该算法搭建了相应的样机，经

测试验证了该算法可提高生命信号提取能力。陈瑞

鼎等

[13]

提出了一种基于卡尔曼滤波的移动目标信号

分离方法，并对样机的处理器进行改进，测试结果表

明，其可有效解决UWB回波信号穿墙后难以有效提

取的问题，从而获取被掩生命体的生命特征。周小

龙

[14]

提出了基于PCA（Principal Component Analysis，

主成分分析）−DCT（Discrete Cosine Transformation，离

散余弦变换）的无载波UWB雷达人体动作识别算法

与二维VMD（Varational Mode Decomposition，变分模

态分解）回波信号重构算法，有效提高了检测准确性

与快速性。

虽然目前UWB雷达生命探测技术发展较快，取

得了一定的应用成果，但在生命信号的处理上仍存

在特征提取精度不足、探测深度有限、信号处理速

度较慢等问题，成为学科研究热点。

图 1 DN−IV型生命探测仪

Fig. 1 DN−IV life detector

针对检测设备专业性不强的问题，研究人员设

计开发了专业化的UWB雷达生命探测仪，用于特定

救援场景，如YSR25矿用防爆型雷达生命探测仪。

该仪器模拟现场应用如图2所示。该设备较

DN−IV型生命探测仪的探测精度有一定提升，分辨

率最大可达0.5 m，但其穿透性有所下降，穿透距离

仅为5 m，一般应用于矿井灾后救援。

2　UWB雷达生命探测原理

呼吸与心跳频率是生命体征最可靠的体现，

UWB雷达生命探测技术通过快速提取分析回波信

号中的信号特征，可高效辅助生命搜救工作的开

展。根据发射信号形式，UWB雷达生命探测技术可

分为连续波雷达生命探测和脉冲波雷达生命探测，

图 2 YSR25矿用防爆型雷达生命探测仪模拟现场应用

Fig. 2 Simulated field application of YSR25 mine-used

explosion-proof radar life detector

二者对生命信号的探测原理不同，可根据具体情况

选择应用。

2.1　连续波雷达生命探测技术

连续波雷达生命探测技术的发射信号一般为单

频、多频或调制连续波信号，采用多普勒雷达，其探

测原理为信号的多普勒效应，如图3所示。当采用

连续波雷达生命探测技术进行生命搜救时，多普勒

雷达信号发生系统向外发射满足要求的连续波。生

命体存在生命信号时，胸腔因呼吸与心跳作用前后

做周期性运动，连续波雷达信号遇到生命体胸腔后

发生反射，信号被调制，使得回波信号中存在人体生

命特征信号。回波信号经接收天线回到多普勒雷达

与国外UWB雷达生命探测仪相比，我国

UWB雷达生命探测仪虽能基本满足搜救要求，但仍

存在探测深度不足、探测精度较低、续航能力较差

的问题。针对上述问题，国内学者进一步开展了改

进优化工作。为提高探测距离，王保生

[9]

对信号传

递的信道模型进行分析，结合井下实际情况，建立了

UWB井下复合衰减信道模型，提出利用矩阵束算法

来获得矿井UWB多径衰落信道模型参数，具有功耗

低、探测精度高等优点，但存在传输距离短、短时间

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赵尤信等： 超宽带雷达生命探测技术研究

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信号发生系统。由于环境干扰等问题，回波信号中

除生命信号外，也存在部分直流信号与干扰信号，采

取I，Q 2路滤波器进行校正，利用频率特征对信号进

行滤波，以去除噪声。之后对信号进行放大和AD转

换，经处理器处理后进一步提取、分析人体生命信

号，获取呼吸与心跳频率，最终将结果显示在人机显

示模块。

发射波

T

接收波

Δt

1

Δt

2

Δt

3

Δt

4

90°

I

滤波器

Q

多普勒雷达

信号发生系统

滤波器

信

号

放

大

器

转

换

器

处

理

器

人

机

显

示

模

块

图 4 脉冲波雷达生命探测原理

Fig. 4 Life detection principle of pulse wave radar

图 3 连续波雷达生命探测原理

Fig. 3 Life detection principle of continuous wave radar

连续波雷达生命探测技术具有雷达功耗低、射

频电路结构简单、集成实现容易等特点，采用不同的

发射波类型可满足不同场合的测距、测速等要求。

但受限于发射信号形式，其极易受到其他静态与动

态信号的干扰，从而降低检测精度，不宜用于高精度

检测领域。另外，受制于连续波的形式，该技术的发

射信号穿透力较弱，不适用于被掩生命体搜救工作，

更适用于干扰较弱的日常或医疗领域非接触生命检

测系统中

[12]

。

AD

式中：A

r

，A

h

分别为人体胸腔因呼吸、心跳引起的幅

度变化；f

r

为人体呼吸频率；f

h

为人体心跳频率。

由式（1）可知：若被测物体为静止状态，则A

r

和

A

h

均为0，起作用的仅为基础距离d

0

，因此回波时延

Δt为一固定数值；若被测物体为运动状态，则A

r

和

A

h

均不为0，时延根据运动状态周期性变化。

非理想条件下，脉冲波回波信号为

r=a

v

+∞

∑

i=0

+∞

∑

M

∑

i=0k=1

+∞

∑

N

∑

i=0j=1

s(t

−iT−τ

v

)+

′

a

j

s(t

′

−iT−τ

j

)+

（2）b

k

s(t

′

−iT−τ

k

)+n

式中：a

v

为微动目标的衰减系数；i为脉冲序号；s（·）

为不同运动状态目标的回波信号函数；t' 为微动信号

快时间；τ

v

为微动信号慢时间；N 为除人体外动目标

总数；a

j

为第j个动目标回波的衰减系数；τ

j

为第 j 个

动目标回波的慢时间；M 为静目标总数；b

k

为第 k 个

静目标回波的衰减系数；τ

k

为第 k 个静目标回波的慢

时间；n为高斯噪声。

式（2）中，第1项为人体微动信号的回波，第2项

为动目标的回波，第3项为静目标的回波，第4项为

高斯噪声。根据式（2）可知，回波信号为一串脉冲信

号，所以通过对比连续不断接收到的回波脉冲所探

测出的距离之间的相对差值，即可获得包含生命信

息的回波信号。之后对信号进行去噪、分离、提取

等操作，即可获得实际生命体状态信息。

与连续波雷达生命探测技术相比，脉冲波雷达

生命探测技术对硬件要求低，有助于简化生命探测

仪结构，实现系统微型化，且算法精准，可有效提高

生命信号定位精度，更适合在抢险救灾等复杂环境

中应用。

2.2　脉冲波雷达生命探测技术

脉冲波雷达的发射波为高频脉冲波，带宽可达

GHz级别，使高精度探测微弱信号成为可能，有利于

探测心跳、呼吸等生命信号。此外，因其高频特性，

脉冲波雷达生命探测技术的穿透能力与抗干扰能力

较连续波雷达生命探测技术明显提高，更符合搜救

掩埋生命体要求。脉冲波雷达生命探测系统结构与

连续波雷达生命探测系统类似，均包括信号发射、接

收、处理、显示4个部分。但由于脉冲信号带宽很

大，从频域角度对回波信号分析困难较大，所以连续

波回波信号处理方法与脉冲波回波信号处理方法不

通用。

脉冲波雷达生命探测技术原理如图4所示。雷

达发射系统以周期T发射连续脉冲信号（常见为一

阶高斯脉冲），当脉冲遇被测物体后产生回波，通过

一段时延Δt被接收雷达接收，该时延受信号发射装

置与被测物体之间距离的影响而不同。分析可知，

任意时刻t下探测仪和被测物体间的距离d（t）基本

由基础距离d

0

、心跳影响距离d

h

、呼吸影响距离

d

r

组成，即

d(t)=d

0

+d

r

+d

h

=d

0

+A

r

sin(2πf

r

t)+A

h

sin(2πf

h

t)

（1）

3　UWB雷达生命探测关键技术

3.1　探测信号发射技术

无论连续波雷达生命探测技术还是脉冲波雷达

生命探测技术，合理选择载波信号的种类及信号产

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工矿自动化第 49 卷

与雪崩三极管脉冲发生电路相比，SRD脉冲发

生技术十分关键。

连续波雷达生命探测信号一般为正弦信号，为

准确进行生命体定位，大多选用调频连续波或步进

频率的连续波作为发射波，一般均通过多普勒雷达

发射模块产生。该模块结构如图5所示。振荡器起

振后经定向耦合器、相位调整电路、幅值调整电路

对原始信号进行整形与功率放大，生成预期信号波

形，并通过发射天线发出进行生命探测。发射的关

键技术在于波形整形与频率调整，其直接决定了发

射信号的带宽与幅值。目前该技术相对成熟，基本

可保证检测水平与效果。

生电路更易实现且稳定。SRD产生脉冲的原因是其

在进行快速关断时释放能量，使得负载端产生陡前沿

脉冲，其等效电路如图6所示。

振荡器

图 6 SRD等效电路

Fig. 6 Step recovery diode (SRD) equivalent circuit

定向耦合器相位调整电路幅值调整电路

为进一步提高SRD脉冲发生电路的发射信号带

宽与稳定性，张岩松等

[19]

提出了一种基于MOS管

和SRD的脉冲发生源，解决了脉冲源难以兼顾脉冲

宽度与幅值的问题，使发射脉冲可达皮秒级；王蕾等

[20]

设计了基于双SRD的高幅度双极性窄脉冲发生电

路，通过仿真获得了短脉冲前沿高幅度的脉冲信号；

王亚杰等

[21]

利用类似SRD的漂移阶跃恢复二极管

（Drift Step Recovery Diodes，DSRD）构建了新型脉冲

发生器，并给出了电路中各参数的计算方法，实现了

纳秒级的脉冲产生。

功率放大器是重要的发射信号处理单元。发射

信号高频虽保证了穿透性，但同时也加快了信号衰

减，所以对原始脉冲信号进行功率放大至关重要。

UWB信号为功率放大带来了新的挑战，以典型的

NVA6100芯片为例，其带宽可达9 GHz，现有的射频

放大芯片很少能满足其信号放大需求。为解决这一

问题，研发了射频毫米波放大法

[22]

、功率合成放大

法

[2]

、智能算法功率放大法

[23]

等。上述方法在解决

UWB信号功率放大问题方面各有优势，但大多处于

理论研究阶段，实际应用不够充分。

目前用于UWB雷达生命探测的天线种类有对

数周期天线、螺旋天线、渐变槽天线、蝶形天线、非

共面扇形天线、双锥天线、锥形槽天线、陷波可重构

天线、单极子天线等。针对生命探测仪发射信号带

宽为固定区间的特点，单极子天线结构因其效果好、

结构简单、成本较低，近年来受到了国内外学者的青

睐。张彦婷等

[24]

针对0.54～10 GHz频段研制出一种

新型UWB单极子天线并进行实验验证，结果表明该

天线可较好地用于生命救援、探地、损伤检测等领

域。郑艳

[25]

研制了一款基于CPW（Cost Per Wear，共

面波导）馈电的UWB平面单极子天线，有效扩大了

传统单极子天线的测量范围，更适用于生命搜救场

图 5 多普勒雷达发射模块结构

Fig. 5 Structure of Doppler radar launch module

脉冲波雷达生命探测信号为脉冲波，包括矩形

脉冲、升余弦脉冲、高斯脉冲等。其中一阶高斯脉

冲直流分量极其微弱，且基本保证能量无损，成为当

前研究热点。脉冲波发射机可分为窄脉冲发生器、

功率放大器、发射天线3个部分。窄脉冲发生器用

于生成基本的高斯脉冲原始信号；功率放大器用于

放大原始发射信号，使其符合实际的穿透特性与衰

减要求；发射天线用于提高信号传播范围。

脉冲产生方式众多。早期有基于隧道二极管与

基于俘越二极管等方法，但存在脉冲产生不稳定、需

要较大的激励电压等问题，并不适用于现场生命搜

救。目前，用于生命搜救场景的脉冲发生电路多采

用雪崩三极管或阶跃恢复二极管（Step Recovery

Diode，SRD），其具有高速、稳定、价格便宜等优点。

雪崩三极管脉冲发生电路利用雪崩三极管极易

进入雪崩击穿区，从而诱发雪崩效应的特点产生信

号脉冲。最常见的诱发雪崩效应的方法：① 在基极

和发射极之间增加1个正向触发脉冲。② 当三极管

处于雪崩区且集电极与发射极电压位于2个临界点

之间时，立即增大基极与发射极之间的电压，使其超

过临界电压

[15]

。为了提高脉冲带宽，饶俊峰等

[16]

采

用二极管代替传统多管串联Marx电路的限流电阻，

降低了雪崩三极管电路的能量损耗，提高了充电速

度与重复效率；何兴坤等

[17]

提出了一种新型的基于

雪崩三极管两级Marx脉冲产生电路，其具有波形完

整无失真、电路结构简单且易调节、脉冲可达纳秒

级的特点；M. Rongen等

[18]

对雪崩三极管的驱动电路

进行了改进，通过控制偏置触发信号提高了脉冲发

生的准确度和灵活性。

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2023 年第 9 期

赵尤信等： 超宽带雷达生命探测技术研究

•

183

•

景。P. P. Shome等

[26]

基于传统单极子天线引入可调

的陷波功能，通过在开环槽间引入3个变容二极管

实现电子控制，将其工作频带稳定在1.98～10.54 GHz，

提高了天线应用的灵活性。

等

[33]

、马增强等

[34]

分别采用奇异值分解构建多特征

集的方法和通过峭度准则选取其中峭度最大分量进

行Teager能量算子解调方法解决VMD固定模态数

的问题，均取得了较好效果。另外，研究人员将VMD

与深层双向长短记忆神经网络

[35]

、蝗虫优化算法

[36]

、

自适应算法

[37]

等进行融合，有效提高了信号分解

性能。

VMD在理论上能较好地完成雷达探测回波信

号预处理，但目前专门结合VMD对雷达探测回波处

理的应用较为鲜见，仍有很大的研究空间。

3.2　回波信号预处理技术

UWB雷达生命探测技术中的回波信号接收与

预处理直接决定了后续能否提取出被测生命体的生

命体征信息。受环境等外在因素的干扰，回波信号

中除含有用信号外，还混杂了噪声，若直接对回波信

号进行分解，计算量大且不易找到最优解，因此需对

接收的回波信号进行预处理。

因发射信号不同，连续波雷达生命探测与脉冲

波雷达生命探测的回波不同，回波信号预处理方法

也不同。连续波雷达生命探测回波信号预处理技术

较成熟。针对由10 Hz以内微弱呼吸与心跳信号组

成的生命探测信号

[27]

，一般采用I，Q 2路信号校正，

之后采用低通滤波器对校正信号进行初步滤波，完

成信号预处理，如图3所示。

脉冲波雷达生命探测的发射波为脉冲波，回波

预处理的目的是最大可能地降低环境杂波、静止物

体、非人体生命体的信号干扰。脉冲波回波具有频

带宽、频率高的特点，采用传统的低通滤波器处理效

果不佳，大多采用VMD或VMD与其他智能算法结

合的预处理方法。VMD通过将原始信号分解成多

个模态函数，根据各模态函数的能量分布进行信号

重构，从而抽离出有用信号，达到一定的滤波效果，

凸显回波中生命信号的峰值特征。该算法简单快

速，对非平稳、非线性信号有很好的处理效果，符合

脉冲波雷达生命探测回波信号预处理要求。

VMD中分解参数与模态数的确定一直是研究

重点。在参数优化方面，唐贵基等

[28]

采用粒子群优

化算法对VMD最佳影响参数进行优化，设定了惩罚

参数与分量个数，更有利于对给定信号的处理；刘长

良等

[29]

采用改进奇异值分解算法提取VMD中各模

态特征，并通过FCM（Fuzzy C-Means，模糊C均值）

算法形成标准聚类中心，采用计算分类系数和平均

模糊熵对分类性能进行评价，对雷达回波信号的处

理具有一定的借鉴意义；A. Kumar等

[30]

突破性地提

出了基于适应度函数的VMD参数优化方法，可快速

利用遗传算法得到VMD最优参数；黄沁元等

[31]

提

出了一种基于天牛须搜索的VMD参数优化方法，有

效解决了VMD参数范围广及参数统一预设产生的

问题。在模态数确定方面，Wang Ran等

[32]

提出了一

种改进VMD方法，其可根据瞬态曲线自适应确定模

态函数的频率平均值，进而确定模态数；康守强

3.3　生命信号提取与分析技术

UWB雷达生命探测的最终目的是获取被测生

命体的生命体征信息。对于连续波雷达生命探测技

术，回波经预处理后一般采用傅里叶变换即可获得

所需信号。但对于脉冲波雷达生命探测技术，若直

接对预处理后的回波信号进行分解很难获取生命信

号，因此可将预处理后的回波信号由慢时间轴转换

到快时间轴上进行分析，从而将获得的时间信号转

变为距离信号，大大降低信号处理难度，提高信号提

取的快速性与准确性。

针对脉冲波雷达生命探测的生命信号提取技

术，Li Jing等

[38]

受连续波雷达探测信号处理方法的

启发，提出了基于FFT和S变换的生命信号检测与

识别方法，实现了生命体精准定位；戴舜等

[39]

提出了

基于PCA−EMD的生命信号检测方法，根据生命信

号与环境杂波的特征，较好地重构了平滑的生命特

征曲线，并在高信噪比下将心跳与呼吸信号分离，有

利于在实际救援中判断被测对象状态；Li Jing等

[40]

提出了基于HHT（Hilbert-Huang Transform，希尔伯特−

黄变换）变换与2−D FFT的生命信号提取算法，并利

用Curvelet变化消除环境干扰，实现了生命信号有效

提取。

近年来，研究人员对基于EMD及其改进算法的

生命信号分离与提取技术给予较大关注。王亮

[41]

针

对心跳与呼吸信号频率相近、难以区分的问题，采

用EEMD（Ensemble EMD，集合经验模态分解）重构

回波信号，并进行自相关运算，得到了呼吸与心跳频

谱，为提取生命信号提供了依据。唐良勇等

[42]

在

EMD基础上为信号加窗，提出了WA−EMD（Window

Average EMD，窗平均经验模态分解）算法，其较传

统EMD算法具有更好的抗模态混叠和噪声性能。

崔丽辉

[43]

在EEMD基础上引入BP神经网络，改善

了重构信号的信噪比。在实际井下塌方救援中，利

用EMD对回波信号进行处理可较好地重构目标生

命体的呼吸与心跳波形

[44]

，具有较高应用价值。

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[45]

等智此外

能算法提取脉冲波雷达探测回波中的生命信号特

征，目前在实验室阶段取得了较好效果。

[

4

]

4　展望

目前，UWB雷达生命探测技术在塌方、矿井爆

炸、火灾等灾害救援领域得到广泛研究

[46-47]

，但大多

处于实验室研究阶段，实际应用效果有待验证和提

高。因此，对UWB雷达生命探测技术进行以下

展望。

1） 生命探测仪收发机硬件性能继续突破，发射

信号带宽进一步提升，射频功率放大技术继续优化，

从而使发射信号的穿透力更强，提高穿墙探测距

离。随着硬件技术进一步发展，生命探测仪逐步微

型化，续航能力大幅提高，满足长时间搜救要求。

2） 目前UWB雷达生命探测的目标识别仍存在

困难，如：回波中除噪声外，还存在大量电磁干扰和

背景杂波，导致有效信息难以提取；现有分类识别算

法的识别精度不理想。对此，需综合利用多种特征

提取方法和智能模式分类方法，更好地实现信号识

别。借助人工智能、大数据、云计算等新一代信息

技术，提高生命微动信号的提取精确度和生命体征

特征的区分度，为建立人体生命体征数据库提供技

术支撑。

3） 探测结果维度进一步提高。研制基于

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输

出）雷达的人体目标辨识与定位装备，实现一维测距

到三维定位的跨越，提高生命探测仪的抗干扰能力

和在复杂环境下的适用性和实用性；研制高精度分

布式组网全极化UWB雷达生命探测仪，实现同一区

域多台雷达协同探测，提高探测精度和准确率。

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