穿墙生命探测技术研究

　　穿墙生命探测(Though-the-Wall Surveillance,简称TWS)技术[1,2]是研究障碍物后有无生命现象的一种探测技术。它主要根据人区别于动物或环境的某些特征,来判断障碍物后有无活着的人员。这种生命探测器可用于军事侦察、公安、武警、消防以及自然灾害的人员救护等领域,是一种用途广泛的探测设备。

　　研究TWS可采用无源探测和有源探测两种方法。无源探测主要是根据人体辐射能量与背景能量的差异,进行被动式探测;有源探测则主动发射电磁波,根据人的呼吸、心跳等生理特点,从反射回来的电磁波中探测是否存在生命现象。

　　D.D.Ferris,Jr.在文献[2]中绘出了不同频率下穿透一定厚度的各种材料的衰减曲线。测试频率从1 GHz开始到100 GHz,即波长从0.3 m到3mm,穿透材料有混凝土墙,砖墙,粘土,玻璃,木板,纸板等。测试结果表明,在穿透相同材料时,低频电磁波的衰减要比高频电磁波的衰减要小得多,随着频率的增高,衰减急剧增加;另外,相同频率下穿透不同材料时电磁波衰减也大不一样,穿透混凝土墙的衰减要比砖墙大得多。可见,低频段电磁波的穿透性能要优于高频段的电磁波。另外,电磁波频率越低,所得的距离分辨率越差;电磁波频率越高,则距离分辨率越高。故从成像的角度来看,频率越高,图像效果越好。因此有源TWS的发展,主要是高频段的毫米波穿墙成像系统和低频段的微波穿墙便携探测系统。目前两种类型的系统都正在研制发展中。

　　穿墙生命探测技术一直受到美国司法部门和军方的密切关注,所以有关TWS的研究较多,已有一些实验室产品和商品化的产品[3,4],而国内对TWS的研究刚刚起步。本文根据穿墙生命探测特点,提出了一种基于正弦调制、扩频连续波体制的有源TWS探测器设计方案,文中分析了该探测器的工作原理,研制完成了该探测器的原理实验系统,并进行了实验验证。初步的实验结果表明该方案是行之有效的。

　　1　正弦调制、扩频连续波TWS探测器的工作原理

　　传统探测器一般探测具有一定运动速度的目标,而TWS探测器则主要探测处于静止状态的人,即通过探测人体生理活动所引起的各种微动,从而判断有无生命现象。呼吸、心率是检测生命参数的重要指标,正常人在安静状态下,脉搏为60~100次/min,一般为70~80次/min;呼吸均匀时,为16~20次/min。由于呼吸、心跳所引起的人体微动极其微弱,因此TWS探测器必须具有很高的灵敏度,同时具有较强的抗干扰能力。

　　众所周知,采用连续波技术可使探测器具有良好的速度分辨特性;采用m序列进行扩频调制,可得到很好的距离分辨率,同时使探测器具有低截获性能和抗干扰性能;在此基础上加上正弦调制,可以抑制探测器的近距离泄漏和干扰[5]。正弦调制、扩频连续波TWS探测器的发射信号ST(t)可表示为