随着国民经济增长对能源需求的增加，矿井开采强度逐渐加大，我国煤矿开采深度正以8~12 m/a的速度增加^[1-2]。随着采深的逐年延伸，井下开挖结构愈加庞大复杂，地质条件特别是岩体应力条件变化显著，在深部高地应力、高气压等因素扰动下，冲击地压、冒顶、坍塌和煤与瓦斯突出等事故的发生越发频繁^[3]。

由于井下巷道分布复杂、空间有限、障碍物多，当冲击地压、冒顶和坍塌等事故发生时，巷道极易堵塞，短时间内难以快速疏通^[4]。直接透巷和新掘绕巷等传统救援方式效率较低且具有一定的局限性；而通过实施直径较小的灵活救援通道，建立地面与井下被困人员的信息沟通和生命保障通道，可极大提高救援效率^[5]。然而，受限于现有技术水平，救援钻孔施工过程常因局部地质条件异常或发生坍塌，造成钻孔位置偏移未能精准贯入至目标巷道空间内，导致探测目标与救援钻孔间存在大量障碍物，现有生命探测中常用的红外、气体和视音频探测都无法实现对障碍物后生命信息的搜集^[6-7]。

雷达生命探测技术基于人体运动在雷达波上产生的时域多普勒效应，可穿透煤岩体、混凝土等非金属障碍物进行非接触式探测，若将其运用到钻孔救援当中，可实现非视条件下的人员生命信息探测^[8-10]。特别是超宽带（UWB）雷达，因其发出的电磁波脉冲频谱宽、穿透性强、分辨力高、抗干扰性好、功耗低等特性，正逐渐替代窄带连续波雷达，引领生命探测新的发展趋势^[11]。2005年，MIT研制出一款基于UWB雷达技术的救生装备，并于汶川地震救援过程中应用^[12]；2008年以色列Camero Tech公司研制出一款UWB脉冲穿墙雷达Xaver800，其可将墙体后被探测目标的相关数据可视化显示在设定好的三维空间，从应用层面实现了30 cm墙体后2~3 m范围内人体目标的透视探测^[13]。相比国外，国内关于UWB雷达生命信息探测方面的理论研究和装备研发虽起步较晚，但进展很快。2004年，空军工程大学王健琪教授团队联合西安必肯科技发展有限公司、青岛电波传播研究所等研发出“生命侦测装置”，实现了无遮蔽环境下50 m外人体生命探测^[14]；在此基础上，国防科技大学研制出可车载、手持的穿墙雷达，极大地促进了UWB雷达生命信息探测技术在各个领域的使用^[15]；2014年，中国科学院将UWB、Wi-Fi技术相结合研制出组网探测雷达，极大地提升了探测精度；为了更好地实现建筑物坍塌后的人员搜救，中南大学研发出有效探测36 cm墙体后20 m范围内人体目标的UWB雷达生命探测仪^[16]。虽然UWB雷达在生命探测中展现了很大的优势，但是在矿山钻孔救援这一特殊环境中，由于其主要依靠检测人体呼吸和心跳信号引起的位移变化，较大障碍物情况下回波信号微弱，再加上复杂的现场救援环境，人员可能存在负伤等极端情况，回波信号的接收和提取面临挑战，因此对超宽带雷达探测的脉冲信号、降噪滤波处理和精准提取有了更高的要求。

综上，针对矿山钻孔救援这一特殊环境，基于UWB雷达探测技术特点和优势，确定了UWB雷达生命信息探测仪关键技术参数，研发出适用于钻孔救援的UWB雷达生命探测仪样机，并通过室内试验对装备的穿透性、多目标及微弱体动信号的探测性能进行了测试与检验，为今后UWB雷达生命信息探测装备升级提供重要借鉴。

1.   UWB雷达生命信息和位置信息探测原理

UWB雷达生命探测仪通过监测人体生命活动（如呼吸、心跳等）引起的雷达回波信号相参变化，滤除墙壁、瓦砾等静止目标回波，实现人体相关生命特征信息的提取^[17]。

1.1   UWB雷达生命探测原理

假设人体呼吸、心跳等造成胸腔微动可近似为简谐振动，简谐振动运动方程为：

式中：γ(t)为胸腔的振动；t为时间；f_b为运动频率；∆d为胸腔的振动的最大幅度。

假设胸腔到雷达距离为d(t)，则d(t)可以表达为：

式中：d₀为胸腔到雷达平均距离。

假设雷达发射信号为δ(t)，整个空间的通道传输函数为h(t, τ)，背景信号可视为静态函数，则胸腔周期性的起伏必将在信号传输函数上表现为1个周期性的函数：

式中：$ {\alpha _i}\delta (\tau - {\tau _i}) $为由环境中静止目标引起的雷达回波；$ {\alpha _i} $、$ {\tau _i} $分别为第i个静止目标回波的幅度、传播时延；$ \delta (\tau - {\tau _{\mathrm{b}}}(t)) $为由人体胸腔的简谐运动引起的雷达回波；α_b为幅度。

胸腔起伏对电磁脉冲信号的反射回波时延变化τ_b(t)可表示为^[18]：

式中：c为电磁波在空气中的传播速度。

综合以上分析可得。胸腔起伏微动对反射回波时延起到了调制作用，引起周期性变化。若人体静止不动，则每次反射时延位置相同；胸腔周期运动特征表现为时延位置呈一定周期变化。

如果长时间观察的道次之间时间间隔为t_s，即t=mt_s（m=1、2、···、N_w），则长时间观察到的接收回波为：

由式（5）可得，可根据回波中是否存在周期变化特征，初步判断生命特征信号有无检测并进行参数提取。

1.2   UWB雷达位置探测原理

UWB雷达区别于传统的窄带传输方式，通过发送和接收具有纳米或纳米级以下的极窄脉冲来传输数据，具有GHz量级的带宽，因此在复杂环境下的定位技术和获取的位置信息依然可实现厘米级的定位精度^[19]。UWB超宽带定位技术与普通窄带定位技术的波形图对比如图1所示。

图  1  窄带与UWB信号传输波形对比图

Figure  1.  Comparison of narrowband and UWB signal transmission waveforms

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无线信号在传输时往往经过折射或反射才能被接收，接收段收到直达波及反射波的叠加信号，分辨不出直达波，因此定位精度不高，而UWB信号发出的是可分辨的，更适用于灾害区域精确定位，精准捕捉人员位置信息^[20]。

1.3   生命信号对雷达回波的调制特征

人体生命信号主要包括心肺运动、胸腔起伏和肢体动作等，此类信号具有以下特征：

1）人体心跳和呼吸频率低，心跳大约70~80 次/min，而呼吸引起的胸腔起伏20~30 次/min，所以人体对雷达回波的调制频率对应0.2~2.0 Hz范围，是典型的低速目标检测问题，需要积累观察。

2）人体情绪平稳时，心跳和呼吸的频率维持在一个稳定的范围，呈周期性的变化，可以从时域和频域的积累上观察到这一特性。值得注意的是心跳和呼吸并不是严格的正弦曲线，且人和人之间的差异造成信号的频率和幅度等参数也是不同的。即使是同一个人，参数也会发生变化，情绪的变化、人体位置的变化都会对信号有所影响。

2.   面向钻孔救援的UWB雷达生命信息探测仪

UWB雷达生命信息探测仪通常主要包括手持终端和雷达主机2大分系统，雷达生命信息探测仪系统构成如图2所示。

图  2  雷达生命信息探测仪系统构成

Figure  2.  Schematic of radar life detector

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手持终端内置人机交互系统，主要完成数据图像显示、参数设置和指令控制等功能。

雷达主机包含控制与处理系统、收发射频前端和收发天线等3个系统：控制与处理系统包括主控模块、DSP数据处理、数据采集和传输模块，主要完成信号处理、时序控制和参数调整等功能；收发射频前端包括发射机、接收机2大核心电路，主要完成电磁脉冲发射和回波接收；收发天线包括发射和接收天线，结合定位基站配套使用。主机通过软件完成数据的分析、处理、存储。

UWB雷达生命信息探测仪关键技术参数如下：

1）几何尺寸。矿山冒顶、地震灾害及坍塌事故形成的掩埋体内部布满尺度不同内部空间，造成大量人员被困，事故发生后借助钻孔施工接近被困人员是常用的救援手段。为了更好适应救援现场工况，满足钻孔救援需求，便于将探测器伸至掩埋空间，最大限度接近被困人员，结合现有雷达探测技术特点，确定UWB雷达主机应为圆柱形，底面半径为150 mm。雷达主机外形及内部结构如图3所示。

图  3  雷达生命信息探仪外形和内部结构

Figure  3.  Appearance and internal structure of radar life detector

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2）雷达体制。与目前主流生命探测仪相类似，该雷达发射机也选择UWB冲激脉冲体制。由于窄波门分段积分检测接收机技术是将整个作用距离范围的雷达回波分割成多个距离单元，逐个进行检测接收，无法保留原始回波信息，不能实现全局范围内目标的快速实时准确检测。但现实是很难有接收器可以同时满足雷达灵敏性、准确性和全局性最优条件，需要折中处理、综合考虑。高速等效采样机相对于实时采样不失为一种较好的折中方法。因此，雷达探测仪选用该种接收机。

3）脉宽及中心频率。为保障雷达穿透性，设计脉冲应尽可能宽，对应到中心频率应尽量低。但受限于便携性考虑，设计脉冲宽度2.0~2.5 ns，中心频率为400~500 MHz。

4）目标穿透性及距离。综合分析，常见坍塌事故、矿井冒顶和地震灾害所形成掩埋体厚度约5~10 m，包含混凝土、岩石、木材、土壤等及低含水量物体。因此，该雷达探测仪目标穿透距离也设定5~10 m。

5）探测张角。探测张角过小，会显著影响探测效率；张角过大，则会降低定位精度。为兼顾探测效率和定位精度，并根据XF3010—2020《消防用雷达生命探测仪》标准，探测距离≤10 m，雷达探测张角≤90°，因此确定该雷达探测仪探测张角定为90°。

6）响应时间。由于该雷达接收机选用高速等效采样体制，其对运动目标检测响应时间0.1~1.0 s，静止目标检测响应时间为10~60 s。考虑掩埋人员活动受限，呼吸频率约16~20 次/min，为保障检测准确度，检测5~10个周期的呼吸信号，耗时20~40 s的时间后再进行检测目标结果显示。

7）目标探测数量。由于雷达生命探测是基于信噪比在距离轴上的峰值点分布进行恒虚警率目标检测，增加探测目标数量，将导致虚警率升高，浪费搜救资源，降低搜救效率。考虑救援现场发掘与探测同步进行的作业流程，该雷达探测仪目标探测数量3~4个。

8）手持终端与雷达主机连接方式。综合考虑救援现场操作的方便性和国内矿井已超1 000 m的开采深度，雷达主机与手机终端设置有无线和有线2种方式；无线连接采用RJ45网络接口，通信距离约5~10 m；有线连接则通过1 500 m通信布线轮连接，可实现1 000 m垂深钻孔探测。

UWB雷达生命信息探测仪关键参数确定后，将各系统和模块有序连接，并增加电池及供电控制模块，然后采用圆柱形玻璃纤维复合材料面罩将其覆盖保护，以降低环境对雷达天线工作状态的影响和干扰，最终完成UWB雷达生命信息探测仪组装。

3.   UWB雷达生命信息探测仪性能测试

为检验所研制的UWB雷达生命信息探测仪性能及精度，开展了不同探测距离、目标数量和微弱体动下UWB雷达探测实验，获得了3种条件下的探测图谱特征，验证了设备探测性能，明确了探测误差。

3.1   不同距离探测回波图谱特征

0.5 m砖墙单人不同距离雷达探测回波图谱如图4所示。由图4可知：单人在雷达探测方向1.5~2.0 m范围内径向移动，人体返回波约为5.60 ns，移动范围时间为5.6~8.25 ns，时差2.55 ns；在2.5~3.0 m范围内径向移动，人体返回波约为10.15 ns，移动范围时间为10.15~12.75 ns，时差2.60 ns；在3.5~4.0 m范围内径向移动，人体返回波约为15.35 ns，移动范围时间为15.35~17.75 ns，时差2.40 ns。

图  4  0.5 m砖墙单人不同距离雷达探测回波图谱

Figure  4.  Radar detection echo spectrum of 0.5 m obstruction at different distances for single person

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综合分析可得：以上3组0.5 m范围内移动平均时差为2.52 ns，与空气环境中0.5 m范围内移动时差2.7 ns，误差0.18 ns，认为UWB雷达生命信息探测仪穿透0.5 m后砖墙，可较好地从雷达回波观测出4.0 m范围内的人员小范围移动。

3.2   多人体目标探测回波图谱特征

0.5 m砖墙同距离双人雷达探测回波图谱如图5所示。

图  5  0.5 m砖墙同距离双人雷达探测回波图谱

Figure  5.  Radar detection echo spectrum of 0.5 m obstruction at different distances for single person

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由图5可知：身高体型相近的2人并肩同步走动，所得返回波与2.5~3.0 m范围内单人返回波相似，据此推断当多个目标运动方向、范围和速度相差很小时，依据UWB雷达生命信息探测仪所得探测回波图谱无法判断目标数量；当2人间隔25 cm以不同速度行走时，雷达探测回波图谱均可较清晰显示移动范围相同、采样道数不同的人体返回波；走动速度较大的2人单周期返回波宽较速度较慢的2人要窄，据此推断当速度明显差异时，可根据人体单周期返回波波形判断目标数量。

3.3   其他微弱体动信号探测回波图谱特征

穿透0.5 m砖墙同距离单人挥手动作雷达探测回波图谱如图6所示。

图  6  穿透0.5 m砖墙同距离单人挥手动作雷达探测回波图谱

Figure  6.  Radar detection echo spectrum of single person waving action at the same distance penetrating 0.5 m brick wall

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由图6可知：人员距雷达收发天线1、2、3、4 m处做周期性举臂动作，手臂抬起范围约30 cm，雷达探测回波图谱均可显示出人体返回波信号；因雷达信号衰减及抬举动作幅度较小等因素，人员距雷达1、2 m时，人体返回波信号明显；人员距雷达3、4 m时，人体返回波信号不明显。此时，为更好地分析人体回波，需要对雷达回波原始图谱进行相应的背景消除和增益调节处理，使得人体返回波更加明显，即提取人体生命信号波。

4.   结　语

1）介绍了UWB雷达生命信息探测原理与特点，结合现有UWB雷达生命信息探测仪的结构，确定了适用于钻孔生命探测的UWB雷达样机的关键技术参数。

2）设计并试制了应用于遮蔽环境的UWB雷达生命信息探测探测仪，开展了不同探测距离、目标数量和微弱体动下UWB雷达探测试验。结果表明：UWB雷达生命信息探测仪穿透0.5 m厚砖墙，可较好地从雷达回波观测出4.0 m范围内的人员小范围移动；当多个人体目标在雷达收发天线同一范围内，且距雷达径向相对位置有差异时（径向距离、移动速度），可从回波图谱判断出人体目标数量。