Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

181

Отношение S1heart S1breath для спектра, приведенного на рис. 3.38, равно 9. Из решения уравне-

ния (3.26) определяем амплитуду движений грудной клетки вследствие сердечных сокращений heart ,

величина которой составила 0.35 мм.

Исключение дыхательных движений в результате задержки дыхания позволяет зафиксировать форму движения грудной клетки вследствие сердечных сокращений (рис. 3.39) и отфильтровать спектральное представление сигнала вблизи частоты сердечных сокращений (рис. 3.40).

Рис. 3.39. Форма движения грудной клетки вследствие сердечных сокращений

182

Рис. 2.40. Спектральное представление сигнала вблизи частоты сердечных сокращений

При глубоком дыхании у пациента фиксируется зависимость продетектированного сигнала от времени ID~ t в радиоинтерференционной схеме измерений, характерная для продольного пе-

риодического движения измеряемого объекта с амплитудами, сравнимыми и превышающими длину волны зондирующего радиоизлучения (рис. 3.41).

Рис. 3.41. Зависимость продетектированного сигнала от времени вследствие движения грудной

клетки у пациента при глубоком дыхании

При глубоком дыхании спектр продетектированного сигнала становится обогащенным высшими гармоническими составляющими. При этом оказывается возможным определение амплитуды движений грудной клетки по номеру гармоники m с максимальной амплитудой в спектре продетектированного сигнала с использованием соотношения [111, 187]:

183

(1.2 1.05 m )

(3.27).

Расчеты показали, что при глубоком дыхании у пациента (рис. 3.41) максимальной по амплитуде в спектре продетектированного сигнала становится 11-я гармоника основной частоты, соответствующей частоте дыханий пациента. В этом случае, согласно соотношению (3.27), амплитуда движения грудной клетки составляет 1.02 или 3.3 см.

Измерения с помощью автодина на диоде Ганна. В основу метода контроля периодических движений грудной клетки, вследствие дыхательных движений и сердечных сокращений, с помощью автодина на диоде Ганна положена зависимость изменения режима его работы под действием СВЧ-

сигнала, отраженного от грудной клетки пациента [111, 90]. Для направленного зондирования вибри-

рующего объекта СВЧ-датчик снабжался рупорной антенной. Конструктивно измерительный прибор состоит из выносного датчика с рупором и цифрового блока индикации, соединенных между собой кабелем. Измерительный датчик представляет собой волноводную секцию (сечение канала 23 10

мм2). В качестве активного элемента использовался диод типа 3А723, помещенный в зазор стержне-

вого держателя. Частота и мощность СВЧ-генеpатоpа могла перестраиваться в результате перемеще-

ния поршня и изменения питающего напряжения на диоде Ганна. Сигнал с активного элемента СВЧ-

датчика в режиме «калибровка» подается непосредственно на прямой вход усилителя—вычитателя и через ячейку памяти, собранную на полевом транзисторе, на инверсный вход усилителя— вычитателя. Выходной сигнал с усилителя—вычитателя поступает на затворы истоковых повторите-

лей, между истоками которых через дополнительные сопротивления включен индикаторный прибор.

В режиме «измерение» сигнал с активного элемента СВЧ-датчика подается только на прямой вход усилителя—вычитателя и сравнивается в нем с сигналом, поступающим с ячейки памяти. Разностный усиленный сигнал через истоковый повторитель поступает на индикаторный прибор. В блоке инди-

кации измерительного прибора проводится обработка сигнала СВЧ-генератора и отображение ин-

формации в аналоговой или цифровой форме. Предусмотрена возможность подключения к блоку ин-

дикации осциллографического индикатора, анализатора спектра сигнала механических колебаний и имеется возможность сопряжения прибора с микро-ЭВМ. Блок схема радиоволнового автодина на диоде Ганна представлена на рис. 3.42.

184

Рис. 3.42. Блок-схема радиоволнового автодина на диоде Ганна: 1 – СВЧ-датчик; 2 – усилитель;

3 – блок питания; 4 – система корректировки нуля; 5 – блок индикации

3.3.3. Многочастотная радиоволновая интерферометрия движений тела че-

ловека, связанных с дыханием и сердцебиением

Теоретическое обоснование методики измерений. Использование в радиоинтерферометре на базе двойного волноводного тройника в качестве источника СВЧ-сигнала генератора качающей ча-

стоты позволяет реализовать методику определения мгновенных положений тела человека, связан-

ных с дыханием и сердцебиением.

Для определения величины абсолютных смещений грудной клетки у пациента при глубоком дыхании использовался радиоинтерферометр на базе двойного волноводного тройника, в H плечо

которого подавался СВЧ-сигнал с линейным законом изменения частоты от времени t :

185

Если L – это расстояние от плоскости, проходящей через измерительное плечо на расстоянии

от оси симметрии тройника, равном длине опорного плеча до измеряемого объекта, находящегося в

свободном пространстве, то 0 0 0 – фазовая постоянная волны в свободном про-

странстве. Вычитая почленно (2.29) из (2.30), получим выражение, позволяющее проводить абсолют-

ные измерения расстояния L до объекта, путем определения положения минимумов на частотной

зависимости продетектированного в E плече волноводного тройника СВЧ-сигнала:

СВЧ-сигнала возможно использование разложения в ряд Фурье временной зависимости продетекти-

рованного сигнала вида ID~ t с последующим выделением спектральной составляющей, соответ-

ствующей разностной частоте 2 1 . При этом погрешность определения разностной частоты

2 1 уменьшается с увеличением диапазона изменения частоты зондирующего СВЧ-сигнала, что

приводит к повышению точности определения расстояния.

Экспериментальные результаты. В качестве источника СВЧ-сигнала использовался СВЧгенератор 3 качающей частоты измерителя КСВН и ослабления типа Р2-61, работающий в диапазоне частот 8–12 ГГц и включенный через вентиль 2 в H-плечо двойного волноводного тройника 1 (рис. 3.36).

Временной интервал T изменения частоты СВЧ-сигнала от min до max выбирался суще-

ственно меньше характерных времен смещений грудной клетки вследствие дыхательных движений.

В эксперименте временной интервал T изменения частоты СВЧ-сигнала составлял менее 0.1 с.

Зависимости переменной составляющей продетектированного сигнала с линейным законом изменения частоты СВЧ-сигнала от времени ID~ t для двух мгновенных положений грудной клетки пациента при глубоком дыхании представлена на рис. 3.43.

186

Вычисленная с помощью соотношений (3.31) и (3.32) амплитуда движения грудной клетки при глубоком дыхании у пациента составила 3.5 см, что соответствует результатам измерений, выполненных с использованием приведенной выше методики одночастотной радиоволновой интерферометрии.

187

Рис. 3.44. Спектры продетектированного сигнала ID~ t для двух мгновенных положений груд-

ной клетки пациента – L1 ; – L2 .

3.3.4. Программное обеспечение радиоволнового интерферометра

физиологических параметров жизнедеятельности организма

Для автоматизации контроля физиологических параметров жизнедеятельности организма с ис-

пользованием методов радиоволновой интерферометрии разработана специализированная програм-

ма, обеспечивающая ввод измерительного сигнала, посредством аналого-цифрового преобразователя,

его математическую обработку и вывод на экран монитора результатов расчетов физиологических параметров жизнедеятельности организма.

Программа функционирует в среде Microsoft .NET 1.1 и 2.0, обладает русским и англоязычным пользовательскими интерфейсами.

Программа обеспечивает:

Регистрацию и анализ сигнала, поступающего с СВЧ-измерителя

Выбор режимов работы АЦП и управление работой АЦП, используемого для сопряжения узлов измерителя с компьютером.

Измерение параметров движений тела человека, связанных с дыханием и сердцебиением,

сиспользованием СВЧ-автодина или СВЧ-интерферометра.

188

Калибровку измерителя в различных режимах работы.

Измерительная панель программы, обеспечивающей обработку сигнала и выбор режимов изме-

рений, представлена на рис. 3.45.

После фиксации сигнала, поступающего с СВЧ-измерителя, на спектрограмме курсором выде-

ляют характерные частоты, которые заносятся в соответствующие поля группы «Параметры, снимае-

мые со спектрограммы».

В группе «Параметры зондирующего излучения» задаётся его частота или длина волны.

Нажатием кнопки «Рассчитать параметры» запускается расчет, результаты которого отобража-

ются в группе «Результаты расчета».

В программе обеспечен выбор следующих методов расчета:

Определение параметров движений грудной клетки, связанных с дыханием, по первой и третьей гармоникам.

Определение параметров движений грудной клетки, связанных с сердцебиением, по пер-

вой и третьей гармоникам.

 Определение параметров движений грудной клетки, связанных с дыханием, по номеру

гармоники с максимальной амплитудой.

189

Рис. 3.45. Измерение параметров движений грудной клетки, связанных с дыханием, по первой и

третьей гармоникам

Таким образом, в настоящей главе описано применение одночастотной и многочастотной интерферометрии с использованием двойного волноводного тройника и автодина на диоде Ганна для целей контроля движений тела человека, связанных с дыханием и сердцебиением. Изложены методики, обеспечивающие дистанционный контроль формы движений грудной клетки пациента вследствие дыхательных движений и сердечных сокращений, и позволяющие определять амплитуды и частоты этих движений.

190

4. Биорадиолокаторы с импульсным сигналом

Иммореев И.Я., Самков С.В.

4.1.Особенности построения сверхширокополосных РЛС ближнего радиуса дей-

ствия для регистрации физиологических параметров человека

4.1.1. Введение

Сверхширокополосные (СШП) радиосистемы сегодня являются одним из перспективных направлений техники в интенсивно развивающемся информационном мире. Главное свойство этих систем, обеспечивающее их преимущество перед традиционными узкополосными системами, − су-

щественное увеличение количества передаваемой и принимаемой информации, что, в большинстве случаев, позволяет повысить и ее качество. Указанное преимущество СШП РЛС проявляется в тех случаях, когда пространственная протяженность излученного сигнала становится сравнима или менее пространственной протяженности наблюдаемого объекта. Это условие, как правило, выполняется при уменьшении длительности излучаемого сигнала до 1 нс и менее. При этом существенно повышается разрешающая способность, позволяющая выявлять отдельные элементы объекта наблюдения,

уменьшается "мертвая зона" РЛС, увеличивается ее устойчивость к воздействию всех видов пассив-

ных помех, что упрощает наблюдение за движущейся целью на фоне мощных отражений от непо-

движных объектов. Схемные решения, используемые при построении СШП РЛС, как правило, значи-

тельно проще схемных решений, применяемых в узкополосных РЛС. Это позволяет уменьшить габа-

риты РЛС и снизить ее стоимость. В результате расширяется круг задач, которые можно решать с помощью РЛС.

Однако применение СШП РЛС для работы на больших дальностях (десятки и сотни километ-

ров) на данном этапе развития техники вызывает большие трудности. Для формирования наносе-

кундных импульсов, обеспечивающих высокие характеристики таких РЛС, необходимы генераторы с пиковым напряжением в десятки и сотни киловольт. Это затрудняет конструирование и эксплуата-

цию РЛС, снижает ресурс их работы, вызывает негативное экологическое воздействие, как за счет рентгеновского излучения, так и за счет прямого электромагнитного излучения. Можно снизить пи-

ковое напряжение генератора, переходя к распределенному передатчику в виде активной антенной решетки или формируя сложный кодированный сигнал с его последующим сжатием при обработке.