Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

121

Сытник О.В., Вязьмитинов И.А., Мирошниченко Е.И., Копылов Ю.А., Амосова А.И., Пазынин

В.Л., Сиренко К.Ю.

3.2. Обнаружение и идентификация людей за оптически непрозрачными преграда-

ми с использованием квазинепрерывных, псевдослучайных, широкополосных сигна-

лов

3.2.1. Введение.

Проблема создания технических средств для оперативного поиска и обнаружения людей, по-

страдавших при техногенных и природных катастрофах, остается актуальной, несмотря на многочис-

ленные попытки ее решения.

Класс радиолокационных станций (РЛС), которые используются для решения задач поиска и обнаружения людей под завалами, относится к РЛС ближнего действия. Под термином «РЛС ближ-

него действия» будем понимать РЛС, которая обнаруживает цели на расстояниях от единиц до десят-

ков метров от фазового центра антенны при условии, что цель находится в зоне Фраунгофера.

Одним из наиболее характерных информационных признаков наличия цели в исследуемой об-

ласти пространства является фазовая модуляция эхо-сигнала, обусловленная доплеровским эффектом при перемещении отдельных частей тела (движение конечностей, туловища, грудной клетки при ды-

хании и сердцебиении). Основная задача таких РЛС состоит в выделении информационного сигнала на фоне помех, обусловленных отражениями зондирующего сигнала от местных предметов, преград,

на трассе распространения, и последующего принятия решения о наличии или отсутствии цели в ис-

следуемой области пространства. При этом к помехам, которые оказывают наибольшее влияние на вероятность правильного обнаружения относятся отражения зондирующих колебаний от подвижных объектов вне зоны ответственности локатора (отражения от человека, который управляет РЛС – опе-

ратора, окружающих локатор веток деревьев, посторонних людей, отражения от которых попадают на вход приемника РЛС по боковым лепесткам антенны, работающей техники и т.п.).

3.2.2. Концепции построения радиофизических систем для обнаружения биообъектов.

В настоящее время наметилось три основных концепции в построении радиолокационных си-

стем дистанционного зондирования человека за препятствием. Это системы с применением, так называемых, сверхширокополосных импульсных видеосигналов (СШП-сигналы) [40, 67, 39, 41, 126, 88, 79, 32, 195, 240, 162, 121], пространственно разнесенные двухпозиционные и мультипозиционные

122

активно-пассивные системы [121, 128] и РЛС с квазинепрерывными и непрерывными излучениями

[221, 238, 23, 220].

Первый класс систем строится по принципу импульсных РЛС, задающий генератор которых формирует короткие (как правило, длительностью единицы наносекунд) видеоимпульсы. Эти им-

пульсы затем дифференцируются антенной локатора и излучаются в пространство. Спектр таких сиг-

налов достаточно широк (может достигать единиц гигагерц), что обуславливает высокое разрешение РЛС по дальности. Малое расстояние до цели позволяет применять в РЛС, без потери однозначности,

высокую (до единиц мегагерц) частоту повторения зондирующих импульсов, что дает возможность организовать эффективное накопление сигнала при его обработке. Однако этому классу систем при-

сущи и принципиальные недостатки. В частности, при распространении СШП-сигналов в дисперги-

рующих средах наблюдается разрушение импульса, что в конечном итоге снижает соотношение сиг-

нал/шум и вероятность правильного обнаружения. Кроме того, для СШП-сигналов практически от-

сутствуют эффективные направленные антенны, что приводит к дополнительным потерям и возрас-

танию уровня когерентных помех от местных предметов, находящихся вне зоны ответственности РЛС. Это в значительной мере ограничивает круг решаемых задач и удобство использования таких РЛС. Антенна РЛС обычно должна находится непосредственно у препятствия и желательно, чтобы она была с ним согласована, что очевидно, трудно выполнить в реальных условиях.

Пространственно-разнесенные системы основаны, как правило, на известном принципе базово-

корреляционной системы локации. Они перспективны в плане потенциальной возможности локали-

зации местоположения цели по двум координатам одновременно и по возможности подавления по-

мех от местных предметов. Недостатком таких систем является их техническая сложность, невоз-

можность оперативного использования в реальных условиях и неоднозначность, возникающая при одновременной обработке сигналов принятых несколькими пространственно-разнесенными пункта-

ми.

РЛС с квазинепрерывным и непрерывным зондирующим сигналом, как показали наши иссле-

дования [221, 238, 23, 220], повидимому, являются наиболее перспективными именно для решения задач поиска и обнаружения людей под завалами зданий и сооружений, в снежных лавинах и песча-

ных осыпях. При относительно низкой мощности зондирующего сигнала (десятки или сотни милли-

ватт) за время наблюдения в единицы секунд удается добиться значительного потенциала локатора

123

(порядка 100-140 дБ) относительно простыми техническими средствами. Малогабаритность аппара-

туры, незначительные размеры антенн (в рабочем диапазоне частот 0,9-1,8 ГГц) и низкое энергопо-

требление позволяют использовать такие локаторы непосредственно каждым спасателем индивиду-

ально и в составе комплекса аппаратуры с дистанционным управлением. Возможность использования узконаправленных антенн позволяет осуществлять пространственную селекцию целей, повышая по-

мехоустойчивость РЛС. Применение сложных помехоустойчивых видов модуляции обеспечивает стробирование зоны ответственности РЛС по дальности с шагом от единиц до долей метров в режиме автоматического сканирования, что снижает вероятность пропуска цели. Кроме того, системы с не-

прерывным и квазинепрерывным зондирующим сигналом легко реализуют истинно когерентную об-

работку сигналов. Одним из существенных недостатков подобных РЛС является необходимость ис-

пользования двух близко расположенных друг от друга антенн приемника и передатчика РЛС, что порождает проблемы развязки между ними. Поэтому для систем с непрерывным или квазинепрерыв-

ным сигналом антенная система представляет важный основной элемент, определяющий тактико-

технические характеристики РЛС в целом. Интеллектуальная обработка сигналов, основанная на адаптивных методах стохастического анализа радиолокационной информации, сокращает время при-

нятия решения о наличии или отсутствии цели и повышает вероятность правильного обнаружения в сложной помеховой обстановке.

3.2.3. Методы идентификации биообъектов по сигналу когерентно-доплеровского радио-

локатора. Теория, математические модели и эксперимент.

Структурная схема РЛС и алгоритм ее функционирования.

Основным достоинством сигналов на основе кодов Мерсенна [98, 18, 30] (или псевдослучайных периодических М-последовательностей (ПСП)) является то, что период последовательности, опреде-

ляемый длительностью элементарного импульса и ее длиной, в данном случае, когда скорость цели мала, может быть очень большим, автокорреляционная функция такого сигнала, определяющая раз-

решение по дальности, имеет узкий пик, а уровень боковых лепестков обратно пропорционален длине последовательности. Способ формирования таких сигналов с точки зрения технической реали-

зации прост и состоит в использовании схем на сдвиговых регистрах с соответствующими обратными связями. Причем, число разрядов регистра растет с ростом длины последовательности пропорцио-

нально логарифму от ее длины. Эти особенности ПСП сигналов обуславливают предпочтительное их

124

применение в радиолокационной аппаратуре ближнего действия. Длительность элементарного импульса (символа кода ПСП) определяет разрешение целей по дальности и объём пространства, из которого селектируется полезный сигнал. Когерентное накопление сигналов в течение нескольких периодов ПСП позволяет снизить пиковую мощность передатчика до оптимального уровня с точки зрения максимизации соотношения сигнал/тепловой шум и минимизации перегрузки входных каскадов приемника, а периодичность и когерентная обработка обеспечивают хорошую селекцию за счет эффекта Доплера. При этом потенциал РЛС и к.п.д. системы в целом могут быть значительно выше, чем при импульсной модуляции.

Таким образом, можно сформулировать основные требования к техническим характеристиками, которым должна удовлетворять РЛС обнаружения людей под завалами. Основные показатели РЛС сведены в табл. 3.1.

Техническая реализация РЛС ближнего действия, используемой для обнаружения человека за преградой, с такими показателями достаточно сложна, поскольку на корреляционные свойства квазинепрерывного зондирующего сигнала на основе кодов Мерсенна влияет качество его формирования в трактах передачи и приема, а также среда распространения.

Таблица 3.1.

Кроме того, ограниченное время накопления отраженных сигналов, обусловленное временем корреляции информационного процесса, увеличивает вероятность ложной тревоги и уменьшает со-

отношение сигнал/помеха за счет повышения уровня боковых лепестков автокорреляционной функ-

ции зондирующего сигнала. Структурная схема одного из вариантов портативного радиолокатора

[238, 23] , удовлетворяющего требованиям, приведенным в таблице, показана на рис. 3.10.

126

Рис.3.10. Структурная схема РЛС для обнаружения людей за преградами Как показано в работе [238],особенностью структуры РЛС с ПСП сигналами является необ-

ходимость формирования когерентных модулирующих функций как для приемного так и для пе-

редающего трактов локатора. Поэтому основой схемы является общий высокостабильный задаю-

127

частоте примерно 2 ГГц. Выходной сигнал этого генератора одновременно подается на амплитуд-

ный модулятор 2 и два делителя 3 и 4 частоты с коэффициентами деления n 20 и m 10, соот-

ветственно. На другой вход амплитудного модулятора 2 поступают колебания с частотой 100 МГц с выхода делителя 3. Узкополосные фильтры 8,9, подключенные к выходу модулятора 2 выделяют колебания верхней (фильтр 8) и нижней (фильтр 9) боковых частот амплитудно-модулированного колебания. Разнос частот когерентных колебаний на выходах фильтров 8 и 9 при этом составляет

200 МГц. Колебания верхней боковой частоты используются в передатчике локатора для получе-

ния зондирующего сигнала, а колебания нижней боковой частоты для получения колебаний гете-

родина приемника. Зондирующий сигнал формируется на балансном модуляторе 7, усиливается усилителем мощности 6 до величины примерно минус 10дБВт и излучается передающей антенной

5 в пространство. На другой вход балансного модулятора 7 поступает модулирующая функция ПСП сигнала, формируемая генератором ПСП 10. Тактовая частота генератора ПСП образована из частоты задающего генератора 1 благодаря делителю частоты 3. В модуле генератора ПСП 10

цифровым методом формируется задержанный ПСП - модулирующий сигнал, используемый для получения поднесущего колебания с частотой около 1.3 кГц. Период поднесущего колебания при этом составляет ровно два периода ПСП сигнала. После их перемножения получается задержан-

ный на время з сигнал для формирования сигнала гетеродина. Схема 11 управляет величиной за-

держки ПСП гетеродина. Величина задержки определяет расстояние до цели. Сигнал гетеродина приемника образуется на выходе балансного модулятора 12, на входы которого поступают коге-

рентные с сигналом передатчика колебания, (с фильтра 9) и задержанная, промодулированная сигналом поднесущей, ПСП с выхода модуля 10. После усиления и фильтрации в модуле 13 сиг-

нал гетеродина поступает на балансный смеситель 16 (коррелятор). На другой вход смесителя 16

поступают принятые приемной антенной 14 колебания, отраженные от цели и усиленные мало-

шумящим усилителем 15 с коэффициентом шума до 2 дБ и коэффициентом усиления не более

10…15 дБ. На выходе смесителя 16 находится полосовой фильтр 17, с выхода которого информа-

ционный сигнал в полосе промежуточной частоты около 200 МГц поступает на два идентичных квадратурных канала 18, 19. На балансных смесителях 20 каждого канала производится перенос информационного сигнала на частоту поднесущего колебания 1.3 кГц с одновременным выделе-

нием соответствующей квадратурной компоненты сигнала за счет фазового сдвига сигнала гете-

128

родина на 900 в фазовращателе 27. Эти сигналы фильтруются с помощью полосовых фильтров 21,

усиливаются в узкополосных низкочастотных усилителях 22, после чего возводятся в квадраты в блоках 23 и суммируются в сумматоре 24. Решение о наличии или отсутствии цели принимается

(после выделения информационного сигнала в полосовых фильтрах 25) в решающем устройстве

26.

Эта схема показала удовлетворительную работоспособность и достаточно высокую чув-

ствительность к слабым сигналам от человека за преградой при высоком подавлении мешающих отражений от неподвижных местных предметов. Однако, при сравнительно простой ее структур-

ной схеме, техническая реализация отдельных блоков вызывает определенные трудности.

Требования к аппаратуре ужесточаются при стремлении получить идеальные сигналы при мо-

дуляции, излучении, распространении на сложной трассе, отражении, приеме и обработке сигналов.

На эффективность работы коррелятора оказывают влияние не только его собственные характеристи-

ки, которые без особого труда можно получить технически, а главное, степень идеальности подавае-

мых на него полезных сигналов. На уровень помех, при прочих равных условиях, влияет место и спо-

соб их возникновения при данной структурной схеме локатора. Основным недостатком структурной схемы РЛС рис.3.10 является паразитное просачивание сигнала передатчика на вход и коррелятор приемника. Поскольку подавить паразитную несущую в спектре ПСП сигнала на выходе модулятора больше, чем на 40…50 дБ, как правило, не удается, а узкополосная режекция приводит к неизбежным потерям в спектре ПСП, приходится применять различные методы подавления принятых на несущей сигналов и помех.

Методы идентификации биообъектов. Проблема идентификации живого объекта по совокуп-

ности косвенных признаков, связанных с параметрами наблюдаемого сигнала требует для своего ре-

шения набора адекватных моделей. Причем каждый элемент модели в процессе накопления инфор-

мации об исследуемом биообъекте должен допускать возможность оперативной (а в идеале и автома-

тической) модификации. В общем виде порядок представления сложной модели радиолокационного проявления биообъекта сводится к процедуре, показанной на рис.3.11. [102, 222]. Здесь выделено два класса подсистем: класс функциональных подсистем и класс обеспечивающих подсистем.

129

Под функциональными подсистемами будем понимать класс моделей, в основу которых поло-

жены соотношения, учитывающие физические процессы в исследуемом объекте, а также модели вза-

имодействия зондирующих сигналов с объектом. Обеспечивающие подсистемы – это класс моделей взаимодействия информационных потоков, возникающих при обмене данными в структуре функцио-

нальных подсистем, а также набор вспомогательных данных, как правило, числовых коэффициентов,

которые не являются принципиально необходимыми для построения функциональных подсистем, но,

в то же время, важны при расчете числовых характеристик.

При идентификации объекта с помощью объектно-ориентированной модели, представленной функциональной и обеспечивающей подсистемами, необходимо заранее установить соответствие между основными параметрами объекта и параметрами эталонов выбранного класса. Здесь возможны три ситуации:

1.взаимно однозначное соответствие, т.е. модель точно представляет структуру и процессы,

протекающие в объекте, и, следовательно, является полностью адекватной;

2.не все параметры исследуемого объекта представлены моделью, что означает неполную адекватность модели;

3.модель не полностью адекватна (или даже неадекватна), но допускается совершенствова-

ние модели по мере получения наблюдаемых данных – адаптивная модель.

Последняя ситуация реализуется на практике в тех случаях, когда эталоны из различных клас-

сов формируются на аналогичных уравнениях.

Основная трудность применения на практике объектно–ориентированных обобщенных моделей биообъектов заключается в установлении соответствия между уравнениями, описывающими процес-

сы внутри объекта, и внешними проявлениями объекта при его взаимодействии с зондирующими сигналами. Тем не менее, необходимость в разработке единого подхода к представлению и сравне-

нию моделей различных биообъектов и систем постоянно возрастает. Современные технические си-

стемы исследования биообъектов позволяют синхронно получать информацию, снимаемую с выхо-

дов различных датчиков. В частности, это может быть комплекс из нескольких РЛС например, таких как показано на рис.3.11, но работающих на различных частотах или комплекс ультразвуковых и ра-

диолокационных датчиков. При этом количество методов и алгоритмов обработки этой информации разрастается. Простая сумма локально оптимальных решений не дает в целом объективной картины,