Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

191

Однако в этом случае СШП РЛС переходит в разряд сложных и дорогих систем, технология которых в настоящее время разработана недостаточно.

Поэтому в настоящее время наиболее реальным путем использования СШП технологии в ра-

диолокации является создание относительно маломощных доплеровских РЛС, работающих на ди-

станциях в единицы и десятки метров. Такие РЛС находят самое широкое применение в различных областях человеческой деятельности, где требуется высокая точность дистанционного наблюдения за движущимися объектами на небольших расстояниях. Одной из таких областей является медицина,

где применение СШП РЛС для дистанционного измерения параметров сердечной и дыхательной дея-

тельности человека позволяет в клиниках или ожоговых центрах вести круглосуточный бесконтакт-

ный контроль состояния пациентов, а в домашних условиях - осуществлять самостоятельную перио-

дическую проверку параметров организма с последующей передачей полученных данных по теле-

фонным сетям в центры контроля жизнедеятельности для диагностики и принятия необходимых мер.

Ниже рассмотрены особенности построения РЛС такого типа, их применение для медицинских целей и возможность выполнения ими необходимых для этого функций.

4.1.2. Особенности построения СШП РЛС

Функционирование доплеровской СШП РЛС, также как и традиционных, узкополосных допле-

ровских РЛС, основано на отражении электромагнитных волн от объекта, образующего раздел двух сред, имеющих разные параметры, и на изменении параметров сигнала, отраженного от движущегося объекта. Однако при этом построение СШП РЛС имеет свои особенности, которые связаны, в основ-

ном, с существенным уменьшением длительности сигнала по сравнению с традиционными, узкопо-

лосными РЛС. Рассмотрим эти особенности, используя упрощенную функциональную схему допле-

ровской СШП РЛС (рис. 4.1).

192

Рис. 4.1. Упрощенная функциональная схема СШП РЛС.

Выбор вида СШП сигнала.

Возможно построение двух типов СШП РЛС, отличающихся методами формирования излучае-

мых сигналов и, соответственно, методами их приема.

В первом типе РЛС задающий генератор формирует высокостабильные видеоимпульсы отно-

сительно большой длительности (порядка микросекунды), частота следования которых определяет период повторения сигналов, излучаемых РЛС. По переднему фронту этих импульсов первый фор-

мирователь вырабатывает короткие видеоимпульсы, длительностью τформ от одной до нескольких наносекунд, которые производят ударное возбуждение передающей антенны. Форма электромагнит-

ного поля, излучаемого при этом антенной, является производной формы тока, возбуждающего ан-

тенну. Поскольку форма этого тока всегда имеет нарастающий и ниспадающий участки, то есть участки с положительной и отрицательной производной, форма электромагнитного поля всегда имеет положительную и отрицательную составляющую. На рис. 4.2 приведен пример импульса тока, воз-

буждающего антенну, и сформированного им импульса поля в дальней зоне антенны в виде его про-

изводной. СШП РЛС, использующие этот метод формирования сигналов, в литературе часто назы-

вают видеоимпульсными.

193

Рис. 4.2. Пример видеоимпульсного возбуждения антенны.

В приемной части РЛС сигнал задающего генератора через управляемую линию задержки с временем задержки τзад подается во второй формирователь, короткий импульс которого (строб) от-

крывает окно временного дискриминатора для приема сигнала. Время задержки τзад определяет даль-

ность до рабочей зоны РЛС, а длительность строба τстр - ширину рабочей зоны РЛС по дальности.

Принятый сигнал усиливается и, при необходимости, накапливается в интегрирующем усилителе,

после чего поступает в АЦП, преобразуется в цифровой код и передается для первичной обработки в микроконтроллер и для окончательной обработки в компьютер.

Во втором типе РЛС задающий генератор формирует высокостабильное непрерывное колеба-

ние на рабочей частоте РЛС. Первый формирователь, который является быстродействующим клю-

чом, вырезает из этого колебания короткие радиоимпульсы, длительностью также от одной до не-

скольких наносекунд, которые поступают в передающую антенну РЛС и излучаются ею.

В приемном тракте РЛС вместо временного дискриминатора стоит фазовый детектор. Колеба-

ние задающего генератора через управляемую линию задержки с временем задержки τзад подается во второй формирователь (ключ), который вырезает из этого колебания короткие радиоимпульсы, дли-

тельностью также от одной до нескольких наносекунд, являющиеся опорным сигналом фазового де-

тектора. Время задержки τзад и длительность опорного импульса τоп также определяют дальность и ширину рабочей зоны РЛС. Дальнейшая обработка производится так же, как в первом типе РЛС.

Рассмотрим особенности работы СШП РЛС этих двух типов.

СШП РЛС первого типа имеет наиболее простое и недорогое схемное решение. Как было ука-

зано выше, излучение в этой РЛС происходит при возбуждении антенны короткими видеоимпульса-

194

ми. Однако следует отметить, что некоторые типы антенн, используемые для излучения СШП сигна-

лов, являются «потомками» традиционных, узкополосных антенн и не всегда обладают достаточной широкополосностью. Поэтому при ударном возбуждении коротким видеоимпульсом такие антенны излучают радиоимпульс, длительность которого τизл превышает, и иногда значительно, длительность импульса формирователя τформ, возбуждающего антенну (пример такого импульса показан на рис.

4.3). Длительность и частота заполнения этого радиоимпульса определяется конструкцией антенны и параметрами возбуждающего ее видеоимпульса. Очевидно, что разрешающая способность РЛС по дальности в этом случае будет определяться длительностью излученного радиоимпульса τизл (или шириной его амплитудно-частотного спектра), а не длительностью видеоимпульса, возбуждающего антенну.

Рис. 4.3. Пример излученного радиоимпульса.

Определим оптимальную длительность строба τстр, открывающего окно временного дискрими-

натора, и его оптимальное положение относительно принятого сигнала (оптимальное τзад) для РЛС первого типа.

С одной стороны, уменьшение длительности строба τстр снижает уровень отражений от непо-

движных объектов и повышает устойчивость РЛС к их воздействию. Это очень важно для РЛС, при-

меняемых в медицинских целях, поскольку их работа происходит в условиях больничного помеще-

ния (рис. 4.4), как правило, при высоком уровне пассивных помех – сигналов, отраженных от стен помещения и неподвижных объектов, – маскирующих полезный сигнал. На рис. 4.5 показан типич-

ный вид такого сигнала на входе РЛС.

195

Рис. 4.4. Схема работы РЛС в помещении С другой стороны уменьшение длительности строба τстр приводит к исключению из обработки

части сигнала, отраженного от объекта (подобного показанному на рис. 4.3), что эквивалентно до-

полнительным потерям при обработке, и снижению дальности действия РЛС.

Рис. 4.5. Типичный сигнал на входе РЛС, при работе в помещении.

Для выбора формы и длительности строба рассмотрим типичный случай.

На вход приемника РЛС поступает короткий радиоимпульс с Гауссовой огибающей (рис. 4.6):

– длительность импульса по уровню 0.606 от Eм, Tс – период высокочастотного заполнения.

197

ния, при любой длительности строба имеет симметричную форму относительно оси времени и, в ре-

зультате интегрирования, полностью компенсируется.

Рис. 4.8 Расположение входного сигнала и строба при совпадении максимума строба с нулем сигнала.

Данный случай наиболее благоприятен для обнаружения движущихся целей на фоне пассивных помех, поскольку сигналы, отраженные от неподвижных предметов, на выходе интегратора будут равны нулю и не требуют последующей фильтрации.

При изменении взаимного расположения строба и принятого импульса энергия, выделяющаяся в нагрузке интегратора, будет изменяться по гармоническому закону и станет максимальной, когда максимум принятого импульса и максимум строба совпадут. Рассмотрим этот случай и оценим для него потери, возникающие при стробировании. Для этого сместим фазу принятого импульса на 90 ,

заменив в формуле (4.1) Sin на Cos. На рис. 4.9 показано расположение принятого импульса и строба в этом случае.

199

Рис. 4.10. Зависимость энергии, выделяемой в нагрузке, от длительности строба (Eм = 1; Eстр = 1;

= 5.38; Tс = 2,5; R = 50)

Определим значение длительности строба, соответствующее этому максимуму. Для этого про-

дифференцируем (4.2) по стр и приравняем полученное выражение нулю:

Решая полученное уравнение относительно τстр, получим корни этого уравнения:

Полученная длительность строба зависит от двух параметров принятого импульса: его длитель-

ности τ и периода высокочастотного заполнения Тс. Используем положительный корень уравнения

(4.3) и построим зависимости длительности строба от каждого из этих параметров при фиксирован-

ном другом (рис. 4.11а и 4.11б).

Из рис. 4.11а видно, что при увеличении длительности принятого импульса длительность стро-

ба практически не влияет на величину энергии, выделяемой в нагрузке. Вместе с тем, увеличение длительности принимаемого сигнала (при неизменной частоте заполнения) приводит к пропорцио-

нальному увеличению энергетических потерь на обработку. Из рисунка 4.11б видно, что длитель-

ность строба, позволяющая получить максимальную энергию в нагрузке, практически линейно зави-

сит от периода высокочастотного заполнения.