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地震废墟中人体心脏电场干扰信号分析

2010年第2期(总第135期)
鲁 霞,刘国芳,李 忠(成都理工大学信息工程学院,四川 成都 610059)
 
  【摘 要】 在地震灾害救助中,生命探测仪发挥了巨大作用。目前所知的生命探测仪有音频式、视频式、音视频结合、红外热成像、雷达式、电磁感应式等。基于人体心脏跳动所形成的非均匀电场的生命探测仪是世界最先进的生命探测仪,在国内却研究甚少。其中一大难点就在于地震废墟中信号非常复杂,对人体心脏电场信号的提取干扰很大,为此,文章将对可能存在的干扰信号和心脏电场特征进行分析,干扰主要为人文噪声和地质噪声。
  【关键词】 心脏电场;噪声干扰;苏曼谐振
 
1 引言
  随着城市化进程的加快,城市建筑物越来越现代化,建筑物的楼层越来越高,钢筋混凝土越来越多,各种管道、线路纵横交错密度越来越大,人口密度加大。地震灾害等突发事件的潜在危险与日俱增,一旦发生,将造成人民生命财产的巨大损失。如何最大限度地减轻各类灾害损失,抢救被压、埋人员,有效地减少人民的伤亡是首要任务,也是最能体现出减灾实效的关键环节。低频电磁人体生命探测仪属于非接触式生命探测仪器,是利用生物医学技术通过人体心跳产生的低频电磁波来探测人体存在与否,具有探测距离远、准确性高、适用性好、便携性强、无需发射信号等优点,可广泛用于地震、消防、军事等领域。目前,该技术是国际上非常先进的生命探测技术,但在我国研究甚少,因此尽快开展这方面的研究能够拓宽高新技术在灾害救中的应用,提升灾害现场应急救援能力,也能增强我国在生命探测领域的竞争力。
 
2 地震废墟中的电场干扰情况分析
  我们赖以生存的地球从空间到地下无不充满着不断变化的电磁场。在频域上,它们可能以单频形式存在,也可能以频段形式存在,还可能以全频带方式存在。在时域上,它们可是瞬间存在,也可能是按某种强弱变化规律存在一段时间,还可能是以恒定或不恒定能量持续存在。
  地震之后,地震电磁辐射会对电场信号产生干扰,使得各种通信设备被中断,人体心脏产生的超低频电场也淹没在各种复杂的信号中。下面仅就那些“信号频带”落在生命探测有效范围之内且有可能危害生命探测资料质量的电磁干扰进行分析和说明。干扰信号大致包括下面四个部分。
第一部分是工业化的电磁干扰(如高压输电线、广播电视塔,无线基站、雷达、手机、家电等)。 工业化干扰也分为几个频段,其中广播电视塔、大功率电台、通讯基站、微波设备、雷达、手机等属于微波辐射区,也即干扰信号的频带范围远在有效基于心脏电场的生命探测范围之外,对人体心脏电场有干扰的信号是50Hz或60Hz的工频信号。
  第二部分是地电场。地电场包括具有广域性的大地电场和具有局域性的自然电场。大地电场是由地球外部各种场源在地球表面感应产生分布于整个地球地表或较大区域的变化电场,如太阳活动、雷电、高空电离层辐射,空气放电等。太阳活动的粒子流和电磁辐射可产生低于1Hz的电场信号。另外,太阳活动与地球磁层和电离层的相互作用,产生磁流体力学波,向地表传播,导致地磁场变化,产生地磁脉动、磁湾和磁暴,进入大地与地球导电介质相互作用,感应出大地电场,大地环流。对于起因于雷电引起的大地电磁场信号,在低频段,其频谱显示了明显的谐振响应,称之为苏曼谐振,其展布频率范围为3-30Hz之间,已有观测记录表明其可能谐振频率在4,8,14,20和26Hz处。自然电场是源自地下带电物质的运动或某些剧烈的化学与物理变化在地表形成较为稳定的电场,对心脏电场的干扰较小。
  第三部分是地震灾害后的电磁辐射。根据地震部门进行电磁辐射观测研究,所涉及的频段有:超低频f<30Hz,极低频几十-3kHz,甚低频3-30 kHz,低频30-300 kHz,中频0.3-3 kHz(不同资料和书籍划分范围可能有所不同)[2],极低频的电磁辐射在生命探测的范围之内。
  最后是在灾害现场的人活动带来的干扰,灾害现场营救者会持有一些有电场信号产生的设备,以及人体本身的电磁场和废墟中动物的心跳产生电场对废墟中人体信号的检测也有很大影响。
通过分析,对人体心脏电场信号的干扰来源于地质噪声和人文噪声,其中,大地环流、电离层上方来的粒子哨声(太空干扰)、地磁脉冲等发生的机率相对较小且干扰能力较弱[1]。解决干扰问题重点放在解决雷电,全球化工频干扰,空气放电,地震电磁辐射,现场人为活动与动物心脏电场等干扰上。
 
3 人体心脏电场及传播特征
  所有生命现象都伴随有生物电,生物电来源于细胞的功能,在不受外界刺激的静息状态下,实验测得活细胞的细胞外部带正电,内部带负电,若取膜外电势为零,则膜内侧存在约为-90~-70mV的静息电势。生理学上称神经、肌肉和腺体等组织为可兴奋组织,当细胞作出主动反应时,细胞膜对离子的通透性发生突变,细胞内部电势突变为正电势,约为20~30mV,随后在不到1ms的时间内恢复,这样就产生了有一定规律的电势场。心脏电场就是由心脏跳动膜内外电位变化产生。由文献[4]可知,心脏跳动心肌细胞所产生的电场与人体其他部位相比是最强的,因此,利用心脏跳动产生电场来检测废墟中人的存在与否是有明显优势的。
  基于电场的生命探测仪是感应人体心脏跳动发出的30Hz以下超低频电场信号。众所周知,电场与磁场是分不开的,随时间变化的心脏电场信号与磁场信号相互转化,在地下扩散传播。根据趋肤效应,电磁波穿透深度(P)表示场的振幅衰减为地面值的1/e时电磁波所传播的距离,即 为地下介质的导电率,T为信号的周期,由公式可知,介质的导电性越好,信号频率越高,场衰减越快。实际中常用的穿透深度公式为,根据心脏电场的频率(30Hz以下),考虑在灾害现场废墟的复杂情况,介质的电阻率可取1-100Ω/m,经过计算,穿透深度大致为:几十米到几公里,理论上平均穿透深度为 左右,当然,在现场可能存在干扰或其他特殊情况,但电场信号也足以能够穿透钢筋混凝土墙、钢板、木板、水等介质传播到地面,振幅值也能达到仪器的探测要求。
 
4 结语
  论文通过对人体心脏电场特征以及灾害现场的可能存在的电场干扰信号的分析,明确了对于心脏电场是低于30Hz的超低频信号,解决干扰问题重点为:起因于雷电的苏曼谐振,其频率在3-30Hz之间;太阳活动的粒子流和电磁辐射,产生低于 的电场信号;全球化工业化干扰50Hz或60Hz;空气放电;地震电磁辐射的超低频段;营救者采用的设备,现场非掩埋人体的心脏电场,废墟中除人体外其他动物心脏电场干扰。
 
参考文献
[2]张德齐.地震电磁辐射前兆判据探讨[J].地震学刊,1992,92(4):1-7.
[3]姜永权,郑义,龚世生等.地震电磁辐射数字化观测方法及异常信号分析[J].华南地,1999,19(1):66-71.
[5]马乃祥,周佩白.电磁场仿真技术[J].华东电力,2000,28(1):45-48.
[6]孙洁,晋光文,白登海等.大地电磁测深资料的噪声干扰[J].物探与化探,2000,24(2):119-126.
 
作者简介:鲁霞(1984-),女,四川广安人,硕士,主要从事信号与信息处理研究。
   
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