?

紅外與聲波協(xié)同生命探測(cè)平臺(tái)研發(fā)

楊敬松，姚振靜，宋燕星，賀秀玲

（防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)儀器系，河北三河065201）

摘要：基于單一類型信息源的生命探測(cè)技術(shù)因自身缺陷無(wú)法完全滿足震后救援的需要。該文在介紹音頻、視頻和雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)工作原理的基礎(chǔ)上，分析它們各自具有的優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題，給出異類多傳感器協(xié)同探測(cè)的優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)紅外與聲波協(xié)同生命探測(cè)平臺(tái)，給出平臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型、傳感器的選擇策略以及相應(yīng)的性能指標(biāo)。主要實(shí)現(xiàn)紅外圖像與聲波信息的同步采集、分析與處理，兼具音頻生命探測(cè)和視頻生命探測(cè)的功能，彌補(bǔ)單一傳感器生命探測(cè)儀的不足，能得到更全面、更準(zhǔn)確的生命體及救援現(xiàn)場(chǎng)信息，更適用于震后復(fù)雜的救援環(huán)境。

關(guān)鍵詞：生命探測(cè)；多傳感器協(xié)同；紅外傳感器；聲波傳感器

收到修改稿日期：2013-06-29

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（ZY20110104）

0　引言

災(zāi)害發(fā)生后，如何在災(zāi)后惡劣、復(fù)雜的地理環(huán)境中，快速有效地實(shí)施人員搜救，挽救更多的生命成為災(zāi)后救援亟待解決的問(wèn)題。正確合理地運(yùn)用搜救方法和儀器對(duì)被埋壓人員進(jìn)行搜救定位，可以達(dá)到事半功倍的效果。已有的生命探測(cè)技術(shù)基于單一類型的傳感器，存在著各自的缺陷，基于異類多傳感器協(xié)同的生命探測(cè)技術(shù)必將成為研究熱點(diǎn)。目前，異類多傳感器協(xié)同的應(yīng)用主要集中在軍事、航天、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，而針對(duì)生命探測(cè)救援方面的研究非常少[1-3]。國(guó)內(nèi)有山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所、沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化有限公司和山東省煤炭工業(yè)局聯(lián)合研制的針對(duì)我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)和救災(zāi)的井下探測(cè)救援機(jī)器人，該機(jī)器人采用音頻探測(cè)、視頻觀測(cè)、紅外熱成像等多種傳感技術(shù)手段相結(jié)合的人員生命探測(cè)方式，確認(rèn)并搜救事故現(xiàn)場(chǎng)是否有生命存在，該機(jī)器人的研究將多傳感器集成技術(shù)應(yīng)用到煤礦救災(zāi)領(lǐng)域。但是針對(duì)異類多傳感器協(xié)同生命探測(cè)平臺(tái)的研究較少。

本文分析了單一傳感器生命探測(cè)技術(shù)的缺陷，以及異類多傳感器協(xié)同生命探測(cè)的可行性，給出了紅外與聲波協(xié)同生命探測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。

1　單一類型傳感器生命探測(cè)技術(shù)分析

生命探測(cè)是利用傳感器技術(shù)，采集災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)幸存者發(fā)出的生理、物理、化學(xué)信息，并對(duì)生命體進(jìn)行有效識(shí)別與定位[4-5]。根據(jù)傳感器類型可分為音頻生命探測(cè)技術(shù)（聲波、振動(dòng)波）、視頻生命探測(cè)技術(shù)（光學(xué)、光纖、紅外）和雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)（成像、非成像）。上述生命探測(cè)技術(shù)都是基于單一類型的傳感器，而每種傳感器又存在著自身缺陷。

1.1音頻生命探測(cè)技術(shù)

音頻生命探測(cè)技術(shù)是應(yīng)用聲波及震動(dòng)波的原理，通過(guò)探測(cè)地下微弱的諸如被困者呻吟、呼喊、爬動(dòng)、敲打等產(chǎn)生的音頻聲波和振動(dòng)波來(lái)判斷生命是否存在[6-7]。但這類生命探測(cè)儀是一種被動(dòng)接收音頻信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的儀器，因此，救援時(shí)需要在廢墟中尋找空隙伸入探頭，容易受到周圍環(huán)境中各種噪聲的干擾，探測(cè)速度較慢。

1.2視頻生命探測(cè)技術(shù)

視頻生命探測(cè)技術(shù)是將救援環(huán)境和對(duì)象轉(zhuǎn)變成可視圖像，從而為救援人員提供現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息、待救人員的位置信息等。其中，紅外生命探測(cè)設(shè)備在救援過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛，它將不同溫度物體發(fā)出的紅外線轉(zhuǎn)變成可視圖像，利用人體黑白圖像來(lái)確定幸存者和遇難者，該儀器可對(duì)黑暗、濃煙環(huán)境進(jìn)行搜索，且具有夜視功能，這就使生命探測(cè)工作不受光線的影響，可以幫助救援隊(duì)員快速、準(zhǔn)確地確定被埋在廢墟內(nèi)或隱藏在塵霧后面的遇難者的位置[8-10]。但是紅外生命探測(cè)設(shè)備不能穿透障礙物，還必須要求現(xiàn)場(chǎng)有或大或小的孔洞、裂縫等，才能將探頭伸入觀察到內(nèi)部的情況，因此在震后救援工作的應(yīng)用中受到一定的限制。

1.3雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)

雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)是融合雷達(dá)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)于一體的生命探測(cè)設(shè)備。具有穿透力強(qiáng)、作用距離精確、抗干擾能力強(qiáng)、多目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)生命體的識(shí)別[11-12]。但其成本較高并且電磁波對(duì)人體有輻射作用，不適用于近距離探測(cè)?？梢?，基于單一類型信息源的生命探測(cè)技術(shù)都存在著自身無(wú)法彌補(bǔ)的缺陷，無(wú)法完全滿足震后救援的需要，異類多傳感器協(xié)同的生命探測(cè)技術(shù)必將成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

2　異類多傳感器協(xié)同探測(cè)的優(yōu)勢(shì)

利用異類多傳感器協(xié)同探測(cè)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合處理進(jìn)行目標(biāo)的綜合識(shí)別具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以拓寬監(jiān)視探測(cè)的空間覆蓋范圍；（2）可以發(fā)揮各傳感器的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短以提高目標(biāo)識(shí)別率；（3）多傳感器抗干擾的性能大大優(yōu)于單個(gè)傳感器；（4）提高了系統(tǒng)的可靠性、容錯(cuò)性。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于多傳感器協(xié)同探測(cè)的研究主要集中在3個(gè)方面：多傳感器集成模型的搭建；多傳感器的選擇策略和控制結(jié)構(gòu)研究；多傳感器信息融合方法研究。

3　紅外與聲波協(xié)同生命探測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

紅外與聲波傳感器都可在光線暗、油污等環(huán)境惡劣的條件下工作，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、不容易損壞等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)紅外傳感器可以得到生命體所處環(huán)境的圖像，利用主、被動(dòng)式聲波傳感器可以對(duì)生命體發(fā)出的微弱求救信號(hào)進(jìn)行探測(cè)并對(duì)生命體進(jìn)行更為準(zhǔn)確地定位，二者協(xié)同工作可為制定救援方案提供更為準(zhǔn)確的決策依據(jù)，降低救援時(shí)間，減小災(zāi)害損失。

3.1紅外與聲波協(xié)同生命探測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

該協(xié)同生命探測(cè)平臺(tái)的功能模型如圖1所示。

圖1　協(xié)同生命探測(cè)平臺(tái)的功能模型

首先利用被動(dòng)式聲波探測(cè)技術(shù)，在廢墟外或廢墟空洞內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，采集并提取生命體發(fā)出的聲波信號(hào)（被困者呻吟、呼喊、爬動(dòng)、敲打等產(chǎn)生的音頻聲波），以判斷生命體存在的疑似區(qū)域。在該區(qū)域?qū)ふ覐U墟空洞，利用紅外視覺探測(cè)技術(shù)，采集生命體環(huán)境圖像。同時(shí)可針對(duì)生命體目標(biāo)發(fā)射主動(dòng)式超聲波，以便對(duì)生命體進(jìn)行較為準(zhǔn)確地定位。將上述采集到的有用信息，經(jīng)過(guò)信息融合處理，對(duì)生命體進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和定位，為制定行之有效的救援方案提供決策支持。

3.2平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

該平臺(tái)的硬件主要包括：多路聲波信息采集模塊；視頻采集模塊；信號(hào)融合處理器（FPGA+DSP）；嵌入式處理器。

多路聲波信息采集模塊實(shí)現(xiàn)低頻聲波信號(hào)和超聲波信號(hào)的同步采集；視頻采集模塊實(shí)現(xiàn)紅外視頻的采集傳輸和預(yù)處理；信號(hào)融合處理器，完成主被動(dòng)式聲波信號(hào)的融合處理；嵌入式處理器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的通信、控制、顯示等。

3.3紅外與聲波傳感器的選擇策略

傳感器選擇是多傳感器協(xié)同的一部分，它可以使多傳感器系統(tǒng)從可用的傳感器中選擇最合適的傳感器組合。預(yù)選法和實(shí)時(shí)選擇法是目前采用的兩種基本方法。預(yù)選法是根據(jù)具體應(yīng)用和最優(yōu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，事先對(duì)傳感器進(jìn)行最優(yōu)的配置；和預(yù)選法相比，實(shí)時(shí)選擇法對(duì)傳感器的配置是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行的，根據(jù)系統(tǒng)的變化可以進(jìn)行實(shí)時(shí)配置以達(dá)到局部最優(yōu)。前者適于靜態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用，而后者則適于動(dòng)態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用。

針對(duì)災(zāi)后救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、情況多變的特點(diǎn)，紅外與聲波協(xié)同生命探測(cè)平臺(tái)采用實(shí)時(shí)法來(lái)確定紅外與主、被動(dòng)式聲波傳感器的組合，最大限度地發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，并彌補(bǔ)其不足，使采集到的生命體信息更為準(zhǔn)確可靠。

3.4紅外圖像與聲波信息融合模型

紅外圖像與聲波信息是完全不同質(zhì)的信息，即異類信息。一般情況下，異類信息具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，因而由之產(chǎn)生的融合信息更具有實(shí)用價(jià)值。然而，異類傳感器信息融合卻面臨著許多困難，最主要的困難是目前尚沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)工具與方法，描述和分析多源異類信息特征以及相應(yīng)的異類信息融合問(wèn)題。

多源信息融合，一般可在不同的層次上進(jìn)行，如數(shù)據(jù)層、特征層和決策層。因?yàn)楫愵愋畔⒐逃械奶攸c(diǎn)，目前在數(shù)據(jù)層進(jìn)行融合的難度極大，一般只限于在特征層或決策層進(jìn)行研究。而決策級(jí)融合是在信息表示的最高層上進(jìn)行的融合處理。因此，本平臺(tái)在決策層進(jìn)行信息融合，圖2給出了紅外與聲波信息的決策級(jí)融合模型。

對(duì)紅外與主、被動(dòng)式聲波傳感器獲得信息分別進(jìn)行處理，即分別進(jìn)行信息獲取、特征提取和目標(biāo)識(shí)別，建立對(duì)生命體的初步判決和結(jié)論；然后由融

圖2　紅外與聲波信息的決策級(jí)融合模型

合中心進(jìn)行表決以取得最終的識(shí)別結(jié)論?？刹捎肈empster-Shafter方法進(jìn)行決策級(jí)融合。

4　平臺(tái)搭建

本文設(shè)計(jì)的紅外與聲波協(xié)同生命探測(cè)平臺(tái)由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)組成，硬件平臺(tái)包括：紅外視頻傳感器、振動(dòng)傳感器、超聲傳感器、多路聲波/振動(dòng)信息采集卡、超聲波信息采集卡、嵌入式處理器和I/O設(shè)備組成。軟件平臺(tái)采用LabVIEW作為開發(fā)工具，完成視頻信息和聲波信息的采集、顯示和處理。圖3給出了8路聲波信息的同步采集與顯示。

傳感器、采集卡和控制器的性能決定著整個(gè)平臺(tái)的處理性能，各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1　平臺(tái)性能指標(biāo)

圖3　8路聲波信息的同步采集與顯示

5　結(jié)束語(yǔ)

目前對(duì)于生命探測(cè)儀的研制仍基于某一類型傳感器，而在實(shí)際的震后救援工作中，生命探測(cè)、救援往往需要結(jié)合多方面的信息來(lái)完成。紅外與聲波協(xié)同生命探測(cè)技術(shù)可以彌補(bǔ)單一傳感器生命探測(cè)的缺陷，更適用于震后復(fù)雜的救援環(huán)境，能得到更全面、更準(zhǔn)確的生命體及救援現(xiàn)場(chǎng)信息，為制定高效可行的救援方案提供決策依據(jù)，降低救援時(shí)間，提高救援效率，減小災(zāi)害損失。

災(zāi)害環(huán)境下傳感器數(shù)據(jù)采集及空間定位的研究，多傳感器件協(xié)同和多傳感信息融合的理論和方法的研究，是多參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息獲取的核心內(nèi)容，本平臺(tái)的研制將有利于促進(jìn)我國(guó)突發(fā)公共事件的信息獲取及分析理論的發(fā)展，并為此提供一定的實(shí)踐依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙慶建，陳森發(fā)．基于紋理分析的多源信息融合方法研究[J] .信息與控制，2007，36（2）：160-164.

[2] 趙雙龍，郝永生.基于二級(jí)信息融合的裝備故障診斷方法[J] .中國(guó)測(cè)試，2011，37（3）：74-77.

[3] 秦世引，羅公亮，孫增圻.智能控制研究中的幾個(gè)問(wèn)題[J] .信息與控制，1996，25（3）：122-126.

[4] 陳維鋒，彭晉川，王云基，等.三種生命探測(cè)儀及其在地震救助中的應(yīng)用[J] .四川地震，2003（3）：25-28.

[5] 王書偉，張晗，張鳴.人體生命信息探測(cè)系統(tǒng)中的傳感器技術(shù)[J] .紅外，2008，29（12）：24-26.

[6] 王緒本，郭勇，王嬌，等.基于聲波與振動(dòng)探測(cè)的地震災(zāi)害生命搜索系統(tǒng)信號(hào)分析[J] .工程地球物理學(xué)報(bào)，2005，2（2）：79-83.

[7] 徐雯琪.生命搜索中超聲探測(cè)的機(jī)理研究及超聲探生儀的初步設(shè)計(jì)[D] .成都：成都理工大學(xué)，2006.

[8] 沈軍.用于災(zāi)后救援的微型聲波生命探測(cè)系統(tǒng)[D] .成都：成都理工大學(xué)，2008.

[9] 朱愛軍，胡賓鑫，趙云，等.聲光一體生命搜索與定位探測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J] .計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004（4）：198-200.

[10] J·博爾戈斯.光學(xué)的生命體征檢測(cè)方法和測(cè)量裝置：英國(guó)，200780025282[P] .2009-07-15.

[11] 石國(guó)安，商文忠，張晗.生命探測(cè)中的紅外技術(shù)[J] .紅外，2008，29（11）：12-16.

[12] 李述為，高梅國(guó)，傅雄軍，等.雷達(dá)穿墻檢測(cè)呼吸和心跳的信號(hào)分析[J] .儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：1633-1635.

Design life detection synergy platform with infrared and acoustic wave

YANG Jing-song，YAO Zhen-jing，SONG Yan-xing，HE Xiu-ling

（Department of Disaster Prevention Instrument，Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，China）

Abstract:Life detection technology based on a single type of information sources can’t completely meet the needs of the earthquake relief，because they can’t make up for their own defects. This paper introduces the existing life detection techniques including acoustic wave life detection，optical life detection and radar life detection. The advantages and existing problems of the three life detection techniques are also analyzed. The advantages and present situation of multi-sensor detection synergy technique are given. The life detection synergy platform is designed with infrared and acoustic wave in this paper. And the platform structure model，multi-sensor selection strategy and performance index are introduced too. Finally，the development direction of life detection technique based on multi-sensor synergy is forecasted. This platform can synchronously collect，analyze and process infrared image and acoustic wave，has the functions of audio life detection and video detection function，makes up for the deficiency of the single sensor life detector. It can get more comprehensive and more accurate information about the scene of rescue and living organisms，and it is more suitable for complex quake rescue environment.

Key words:life detection；multi-sensor synergy；infrared sensor；acoustic wave sensor

基金項(xiàng)目：地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH12076）

收稿日期：2013-04-24；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.020

文章編號(hào)：1674-5124（2013）05-0072-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TP212.1；TH715.1+16；TP274+.2；TP391.45

作者簡(jiǎn)介：楊敬松（1975-），女，吉林省吉林市人，副教授，博士，主要從事生命探測(cè)、多傳感器信息融合研究。