天线的极化方式对生命探测仪检测效果的影响
作者：张杨，王健琪，焦腾，荆西京
【关键词】 生命探测仪
Influence of two antenna polarization modes on detecting effect of LifeDetection Instrument
【Abstract】 AIM: To discuss the influence of two antenna polarization modes (horizontal polarization and vertical polarization) on the detecting effect of LifeDetection Instrument. METHODS: Respiration signal in horizontal polarization and vertical polarization modes on 10 people were respectively sampled and the amplitudes of the two types of signals were compared. The power of signals in the two polarization modes was estimated, and paired ttest on the estimated values of the power in the 2 groups was conducted. RESULTS: The amplitude of respiration wave in horizontal polarization mode was higher than that in vertical polarization mode. Significant difference existed in the power in the two polarization modes（P<0.01）. CONCLUSION: Power of respiration signal in horizontal polarization mode is obviously higher than that in vertical polarization mode. When testing the standing objects, the detecting effect in horizontal polarization mode is better than that in vertical polarization mode.
【Keywords】 polarization；antenna；lifedetection instrument; respiration signal
【摘要】 目的：探讨天线的水平极化和垂直极化对生命探测仪检测效果的影响. 方法：对10名受试对象分别采用水平和垂直两种极化方式采集呼吸信号，比较两种信号的幅值；对两种极化方式下的呼吸信号做功率谱估计，对两组谱估计值做配对t检验. 结果：水平极化方式下测得的呼吸波信号幅值大于垂直极化方式下测得的呼吸波信号幅值，水平极化与垂直极化测得的呼吸信号能量有统计学意义（P<0.01）. 结论：水平极化方式下的呼吸信号能量明显大于垂直极化方式. 当被测对象站立时，天线水平极化方式的检测效果好于垂直极化方式.
【关键词】 极化；天线；生命探测仪;呼吸信号
0引言
生物体目标内部的电磁场分布，理论上是可以通过麦克斯韦方程组来［1］，但是这包含了复杂的数学运算，实现起来相当困难，因此要采用简化了的计算目标整体平均比吸收率SAR值的经验公式. 经验公式是在Durney，Hurt和Luis Lozano等人多年的剂量计算经验基础上为了得到目标的整体平均比吸收率SAR而提出的［2］. 根据经验公式，当入射电磁波的电场分量E平行于目标的长轴的时候目标生物体的吸收剂量最大，反射量相对较小. 由此推测，当人体站立时，天线采用水平极化方式，人体的吸收剂量最小，反射剂量最大，此时，检测效果应该最好. 经验公式适合于鼠和人等模型尺寸以及尺寸在这个范围内的扁长类似球体或椭圆体模型. 在雷达式非接触生命探测系统中，线极化天线的极化方式对检测效果的影响可以通过经验公式给出预测结果，但是没有经过实验验证. 近年来有［3］报道，K.M.Chen教授领导的美国密歇根州立大学研究小组采用L和S波段的两种不同频率的雷达连续波天线同时进行检测，采用互相关技术来从强的背景噪声中提取人体呼吸信号,取得了较好的结果. 但是他们采用的两种天线均为微带天线,采用双极化方式、极化方式不可改变,在国内外其他文献中也未见相关报道. 本文中我们主要采用呼吸信号的能量谱估计方法来研究天线极化方式对生命探测检测效果的影响.
1对象和方法
1.1对象
随机选取10名青年受试对象，男女不限，年龄在20～26岁.
1.2方法
1.2.1实验仪器及实验环境采用ST2000型伤员探测仪（背射天线）采集人体的呼吸信号，并进行进一步的分析. 根据极化的定义［4］，当天线振子短轴平行于地面时，为水平极化方式，此时电磁场的电场分量E平行于地平面；当天线振子短轴垂直于地面时，为垂直极化方式，此时电磁场的电场分量E垂直于地平面. 每次采集的环境为室内（实验室）环境，除受试对象外，其他人员均处于探测仪探测范围之外，并尽量减少操作者对检测效果的影响. 每次探测伤员探测仪天线均距墙0.8 m，受试对象均站立于12 cm墙后距墙2 m远处. 伤员探测仪每次探测的设置均相同，其参数设置如下：硬件增益为1，显示增益为1（硬件增益为硬件对信号的放大倍数，可提高信号的信噪比；显示增益为软件对信号的放大倍数，并不改变信号的信噪比）.
1.2.2呼吸信号采集对于每名受试对象，穿透厚度为12 cm墙，分别与天线水平极化方式和垂直极化方式下采集其静止站立状态下的一段呼吸信号（通过改变天线振子方向来改变天线的极化方式），每段信号长度均为1 min，采样频率为40 Hz，即采样点为2400点. 用ProcessData软件分别打开各段数据，在每段数据中截取一段900个点的数据，分别保存. 根据极化方式不同编为两组，分别命名为水平极化组和垂直极化组. 在截取信号时应遵循以下规则：①尽量选择波形性较强的部分进行截取;②选择杂波较少的部分进行截取;③截取的部分在幅值上要能代表该数据（2400点）的平均幅值水平.
1.2.3功率谱估计用MatLab分别读入水平极化组和垂直极化组的呼吸信号（900点），对每段信号进行时域显示，比较两组信号的幅值，并在频域中对每段信号进行能量谱估计. 分析界面如图1，2所示，其中上图为呼吸信号的时域波形显示，下图为呼吸信号的功率谱估计.
统计学处理：采用配对t检验对两组功率谱估计值（n=10,x±s）进行分析.
2结果
天线水平极化方式和垂直极化方式对呼吸信号波形形状影响不大，在不同极化方式下测得的每位受试者呼吸信号的频率相同. 即每位受试者呼吸信号的形状、频率等特点不受极化方式的影响.
在时域内，水平极化方式下测得的呼吸信号峰峰值范围多在［-500，1000 mV］，峰峰值差为1500 mV；而垂直极化方式下测得的呼吸信号峰峰值范围多在［-200，600 mV］，峰峰值差为800 mV，可见水平极化方式下测得的呼吸波信号幅值明显大于垂直极化方式下测得的呼吸波信号幅值. 在频域内，垂直极化组功率谱能量（n=10,x±s） E1=（0.0239±0.0118） V2，水平极化组功率谱能量（n=10,x±s） E2=（0.2420±0.1341） V2，水平极化方式下呼吸信号能量平均值大于垂直极化方式下呼吸信号能量平均值E2-E1=(0.2181±0.1277) V2，分析结果表明水平极化与垂直极化测得的呼吸信号能量差异有统计学意义（P<0.01），水平极化方式下呼吸信号能量大于垂直极化方式下呼吸信号能量.
3讨论
通过以上实验我们分别得到在相同实验环境和参数设置情况下水平极化组和垂直极化组两组数据，经软件分析我们可以看到：水平极化方式下测得的呼吸波功率谱能量值明显高于垂直极化方式下测得的呼吸波功率谱能量值. 说明当人体站立时，天线水平极化方式的检测效果好于垂直极化方式，理论预测结果与实验结果吻合.
在我们采用背射天线对人进行隔墙盲探时，如果水平极化探测到的人体信号明显大于垂直极化探测到的人体信号，我们可以确定人体为站立姿态；如果水平极化探测到的人体信号明显小于垂直极化探测到的人体信号，我们可以确定人体为平卧姿态. 这可以为进一步分析被探生命体状况提供.
【参考】
［1］ Mstthew M, Radmanesh. Radio frequency and microwave electronics illustrated［M］. Beijing: Publishing House of Electronics Industry，2002:59-62.
［2］ Jin Au Kong. Electromagnetic wave theory［M］. Beijing: Publishing House of Electronics Industry，2003:24-61.
［3］ Chen KM, Huang Y, Zhang JP, et al. Microwave lifedetection system for searching human subjects under earthquake rubble or behind barrier［J］. IEEE Trans Biomed Eng, 2000，27(1):105-114.
［4］ 周朝栋，王元坤，杨恩耀. 天线与电波［M］. 西安：西安科技大学出版社，1994:131-145.
