红外与声波协同生命探测平台研发



红外与声波协同生命探测平台研发

杨敬松，姚振静，宋燕星，贺秀玲

（防灾科技学院防灾仪器系，河北三河065201）

摘要：基于单一类型信息源的生命探测技术因自身缺陷无法完全满足震后救援的需要。该文在介绍音频、视频和雷达生命探测技术工作原理的基础上，分析它们各自具有的优势和存在的问题，给出异类多传感器协同探测的优势与现状，设计红外与声波协同生命探测平台，给出平台的结构模型、传感器的选择策略以及相应的性能指标。主要实现红外图像与声波信息的同步采集、分析与处理，兼具音频生命探测和视频生命探测的功能，弥补单一传感器生命探测仪的不足，能得到更全面、更准确的生命体及救援现场信息，更适用于震后复杂的救援环境。

关键词：生命探测；多传感器协同；红外传感器；声波传感器

收到修改稿日期：2013-06-29

中央高校基本科研业务费专项（ZY20110104）

0　引言

灾害发生后，如何在灾后恶劣、复杂的地理环境中，快速有效地实施人员搜救，挽救更多的生命成为灾后救援亟待解决的问题。正确合理地运用搜救方法和仪器对被埋压人员进行搜救定位，可以达到事半功倍的效果。已有的生命探测技术基于单一类型的传感器，存在着各自的缺陷，基于异类多传感器协同的生命探测技术必将成为研究热点。目前，异类多传感器协同的应用主要集中在军事、航天、工业生产领域，而针对生命探测救援方面的研究非常少[1-3]。国内有山东省科学院自动化研究所、沈阳新松机器人自动化有限公司和山东省煤炭工业局联合研制的针对我国煤矿安全生产和救灾的井下探测救援机器人，该机器人采用音频探测、视频观测、红外热成像等多种传感技术手段相结合的人员生命探测方式，确认并搜救事故现场是否有生命存在，该机器人的研究将多传感器集成技术应用到煤矿救灾领域。但是针对异类多传感器协同生命探测平台的研究较少。

本文分析了单一传感器生命探测技术的缺陷，以及异类多传感器协同生命探测的可行性，给出了红外与声波协同生命探测平台的设计方案。

1　单一类型传感器生命探测技术分析

生命探测是利用传感器技术，采集灾害现场幸存者发出的生理、物理、化学信息，并对生命体进行有效识别与定位[4-5]。根据传感器类型可分为音频生命探测技术（声波、振动波）、视频生命探测技术（光学、光纤、红外）和雷达生命探测技术（成像、非成像）。上述生命探测技术都是基于单一类型的传感器，而每种传感器又存在着自身缺陷。

1.1音频生命探测技术

音频生命探测技术是应用声波及震动波的原理，通过探测地下微弱的诸如被困者呻吟、呼喊、爬动、敲打等产生的音频声波和振动波来判断生命是否存在[6-7]。但这类生命探测仪是一种被动接收音频信号和振动信号的仪器，因此，救援时需要在废墟中寻找空隙伸入探头，容易受到周围环境中各种噪声的干扰，探测速度较慢。

1.2视频生命探测技术

视频生命探测技术是将救援环境和对象转变成可视图像，从而为救援人员提供现场环境信息、待救人员的位置信息等。其中，红外生命探测设备在救援过程中应用较为广泛，它将不同温度物体发出的红外线转变成可视图像，利用人体黑白图像来确定幸存者和遇难者，该仪器可对黑暗、浓烟环境进行搜索，且具有夜视功能，这就使生命探测工作不受光线的影响，可以帮助救援队员快速、准确地确定被埋在废墟内或隐藏在尘雾后面的遇难者的位置[8-10]。但是红外生命探测设备不能穿透障碍物，还必须要求现场有或大或小的孔洞、裂缝等，才能将探头伸入观察到内部的情况，因此在震后救援工作的应用中受到一定的限制。

1.3雷达生命探测技术

雷达生命探测技术是融合雷达技术、生物医学工程技术于一体的生命探测设备。具有穿透力强、作用距离精确、抗干扰能力强、多目标识别能力强等优点，能准确地实现生命体的识别[11-12]。但其成本较高并且电磁波对人体有辐射作用，不适用于近距离探测。可见，基于单一类型信息源的生命探测技术都存在着自身无法弥补的缺陷，无法完全满足震后救援的需要，异类多传感器协同的生命探测技术必将成为一个新的研究热点。

2　异类多传感器协同探测的优势

利用异类多传感器协同探测，经过数据融合处理进行目标的综合识别具有以下优点：（1）可以拓宽监视探测的空间覆盖范围；（2）可以发挥各传感器的优势，取长补短以提高目标识别率；（3）多传感器抗干扰的性能大大优于单个传感器；（4）提高了系统的可靠性、容错性。

国内外对于多传感器协同探测的研究主要集中在3个方面：多传感器集成模型的搭建；多传感器的选择策略和控制结构研究；多传感器信息融合方法研究。

3　红外与声波协同生命探测平台设计

红外与声波传感器都可在光线暗、油污等环境恶劣的条件下工作，并具有结构简单、成本低廉、适应性强、不容易损坏等优点。通过红外传感器可以得到生命体所处环境的图像，利用主、被动式声波传感器可以对生命体发出的微弱求救信号进行探测并对生命体进行更为准确地定位，二者协同工作可为制定救援方案提供更为准确的决策依据，降低救援时间，减小灾害损失。

3.1红外与声波协同生命探测平台结构

该协同生命探测平台的功能模型如图1所示。

图1　协同生命探测平台的功能模型

首先利用被动式声波探测技术，在废墟外或废墟空洞内进行探测，采集并提取生命体发出的声波信号（被困者呻吟、呼喊、爬动、敲打等产生的音频声波），以判断生命体存在的疑似区域。在该区域寻找废墟空洞，利用红外视觉探测技术，采集生命体环境图像。同时可针对生命体目标发射主动式超声波，以便对生命体进行较为准确地定位。将上述采集到的有用信息，经过信息融合处理，对生命体进行目标识别和定位，为制定行之有效的救援方案提供决策支持。

3.2平台硬件结构

该平台的硬件主要包括：多路声波信息采集模块；视频采集模块；信号融合处理器（FPGA+DSP）；嵌入式处理器。

多路声波信息采集模块实现低频声波信号和超声波信号的同步采集；视频采集模块实现红外视频的采集传输和预处理；信号融合处理器，完成主被动式声波信号的融合处理；嵌入式处理器负责整个系统的通信、控制、显示等。

3.3红外与声波传感器的选择策略

传感器选择是多传感器协同的一部分，它可以使多传感器系统从可用的传感器中选择最合适的传感器组合。预选法和实时选择法是目前采用的两种基本方法。预选法是根据具体应用和最优设计标准，事先对传感器进行最优的配置；和预选法相比，实时选择法对传感器的配置是在系统运行过程中进行的，根据系统的变化可以进行实时配置以达到局部最优。前者适于静态环境下的应用，而后者则适于动态环境下的应用。

针对灾后救援现场环境复杂、情况多变的特点，红外与声波协同生命探测平台采用实时法来确定红外与主、被动式声波传感器的组合，最大限度地发挥各自的优势，并弥补其不足，使采集到的生命体信息更为准确可靠。

3.4红外图像与声波信息融合模型

红外图像与声波信息是完全不同质的信息，即异类信息。一般情况下，异类信息具有很强的互补性，因而由之产生的融合信息更具有实用价值。然而，异类传感器信息融合却面临着许多困难，最主要的困难是目前尚没有统一的数学工具与方法，描述和分析多源异类信息特征以及相应的异类信息融合问题。

多源信息融合，一般可在不同的层次上进行，如数据层、特征层和决策层。因为异类信息固有的特点，目前在数据层进行融合的难度极大，一般只限于在特征层或决策层进行研究。而决策级融合是在信息表示的最高层上进行的融合处理。因此，本平台在决策层进行信息融合，图2给出了红外与声波信息的决策级融合模型。

对红外与主、被动式声波传感器获得信息分别进行处理，即分别进行信息获取、特征提取和目标识别，建立对生命体的初步判决和结论；然后由融

图2　红外与声波信息的决策级融合模型

合中心进行表决以取得最终的识别结论。可采用Dempster-Shafter方法进行决策级融合。

4　平台搭建

本文设计的红外与声波协同生命探测平台由硬件平台和软件平台组成，硬件平台包括：红外视频传感器、振动传感器、超声传感器、多路声波/振动信息采集卡、超声波信息采集卡、嵌入式处理器和I/O设备组成。软件平台采用LabVIEW作为开发工具，完成视频信息和声波信息的采集、显示和处理。图3给出了8路声波信息的同步采集与显示。

传感器、采集卡和控制器的性能决定着整个平台的处理性能，各项指标如表1所示。

表1　平台性能指标

图3　8路声波信息的同步采集与显示

5　结束语

目前对于生命探测仪的研制仍基于某一类型传感器，而在实际的震后救援工作中，生命探测、救援往往需要结合多方面的信息来完成。红外与声波协同生命探测技术可以弥补单一传感器生命探测的缺陷，更适用于震后复杂的救援环境，能得到更全面、更准确的生命体及救援现场信息，为制定高效可行的救援方案提供决策依据，降低救援时间，提高救援效率，减小灾害损失。

灾害环境下传感器数据采集及空间定位的研究，多传感器件协同和多传感信息融合的理论和方法的研究，是多参数实时动态信息获取的核心内容，本平台的研制将有利于促进我国突发公共事件的信息获取及分析理论的发展，并为此提供一定的实践依据。

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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

基金项目：地震科技星火计划项目（XH12076）

收稿日期：2013-04-24；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.020

文章编号：1674-5124（2013）05-0072-04

文献标志码：A

中图分类号：TP212.1；TH715.1+16；TP274+.2；TP391.45

作者简介：杨敬松（1975-），女，吉林省吉林市人，副教授，博士，主要从事生命探测、多传感器信息融合研究。