Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

321

4.7.4. Определением угла местоположения человека.

Определение расстояния до объекта в воздухе георадаром обычно не представляет проблем, а

вот определение угла местоположения при одноканальном сканировании затруднено из-за широкой диаграммы направленности антенных блоков серийных георадаров.

Задачу определения угла местоположения объекта можно решить, применяя многоканальные георадары. Измеряя задержку по каждому каналу и решая тригонометрическую задачу, можно доста-

точно точно определить расстояние до объекта и его угловые координаты.

Ниже описан эксперимент, проведенный с использованием георадара «ОКО-2» с многоканаль-

ным блоком управления. Для упрощения эксперимента использовалось два канала. С целью обеспе-

чения высокой разрешающей способности применялись антенные блоки АБ-1700 с центральной ча-

стотой 1700 МГц.

Антенные блоки АБ-1700 устанавливались неподвижно с фиксацией на поверхности стены на уровне 1.5 м от пола на расстоянии 1 м друг от друга в помещении, отделенном кирпичной стеной толщиной 40см от коридора, по которому передвигается человек. Схема проведения эксперимента приведена на рис. 4.157.

Человек передвигался вдоль стены, находящейся на расстоянии 2 м от стены, за которой уста-

новлены антенные блоки. Движение начиналось с расстояния 2 м от оси антенного блока АБ-2, пере-

мещаясь шагом n = 0.5 м через каждые 5 с. Такое передвижение необходимо было для того, чтобы получить радарограмму, состоящую из дискретных ступеней, где каждая ступень соответствует но-

вому местоположению человека относительно антенного блока. Протяженность дистанции передви-

жения человека - 5 м. Сканирование проводилось в непрерывном режиме.

322

L – ширина коридора, равна 2 м.

Рис. 4.157 Схема эксперимента по определению угла местоположения движущегося человека Исходя из схемы эксперимента, очевидно, что расстояние до объекта является гипотенузой

прямоугольного треугольника, у которого известны размеры катетов, т.е. расстояние до объекта определяется из формулы:

Bn L2 (x n )2 ,

где xn – расстояние от оси антенны АБ-2 до объекта в моменты времени tn.

Угол местоположения объекта определяется из тригонометрической функции угла g треуголь-

ника с известными размерами сторон.

Расстояния до движущегося объекта при сканировании двухканальным георадаром определя-

лись по радарограммам, полученным по каждому каналу.

На рис.4.158 приведены обработанные радарограммы с нанесенными условными обозначения-

ми:

аn – дистанция от антенны АБ-1 до объекта в момент времени tn;

вn – дистанция от антенны АБ-2 до объекта в момент времени tn.

323

Рис. 4.158 Расчет положения объекта по радарограммам

Схема для расчета угла местоположения объекта приведена на рис. 4.159. Зная расстояние меж-

ду антеннами с и расстояния до объекта от каждой антенны an, вn, определенные по радарограммам,

можно определить угол f треугольника АВС:

cos f b2 c2 a2

2bc

Тогда угол g местоположения движущегося человека относительно антенны АБ-2:

g 900 f .

324

Рис.4.159 Схема для расчета угла местоположения объекта.

При проведении расчетов учитывалось влияние стены толщиной 40 см, диэлектрическая про-

ницаемость материала, из которого изготовлена стена, была принята равной 4,5.

Полученные расчетные значения углов при двухканальном сканировании были сопоставлены со значениями, полученными при анализе радарограмм, исходя из знаний величины шага перемеще-

ния человека, местоположения антенного блока и ширины коридора, где проводились эксперимен-

тальные работы. При этом среднее значение относительной погрешности определения расстояния до объекта составило 3…7%, а среднее значение относительной погрешности определения угла место-

положения - 4…10%.

4.7.5. Дистанционное выявления опасных предметов на теле человека.

Для обнаружения опасных предметов, размещенных под одеждой на теле человека, использо-

вался экспериментальный антенный блок с центральной частотой 2,5 ГГц.

Объекты поиска – сотовый телефон и два куска мыла по 100 г на матерчатом поясе – были раз-

мещены на человеке, как показано на рис. 4.160а. Объем каждого предмета составляет примерно 0.1

л.

Для получения максимально полной информации об исследуемом объекте проводилась пло-

щадное ручное сканирование с использованием разметочного коврика размером 1м х 1м, с шагом

326

Поэтапно сдвигая горизонтальную секущую плоскость сверху вниз, получаем сечения объекта на разном расстоянии от антенного блока (рис. 4.162).

Телефон

Куски

мыла

Рис. 4.162 Сечение объекта на различном удалении от антенного блока (а - сечение на удалении

7 см, б - сечение на удалении 12 см).

Так же можно получить сечение объекта в горизонтальной и вертикальной плоскостях (рис.

4.163).

Рис. 4.163 Сечение объекта в горизонтальной и вертикальной плоскостях

Таким образом, георадары «Око-2» позволяют успешно решать различные задачи, связанные с деятельностью силовых структур – обнаружение движущихся людей за непрозрачными преградами,

неподвижных людей по их дыханию, а также обнаружение опасных предметов, размещенных под одеждой на теле человека.

327

5. Методы расчета и моделирование процессов в биорадиолокации

Анищенко Л.Н., Парашин В.Б.

5.1. Физические основы биорадиолокации.

5.1.1. Введение

Взаимодействие высокочастотных волн с биологическими структурами лежит в основе ряда распространенных медико-биологических технологий. Сильное поглощение электромагнитных волн биологическими тканями обусловлено высоким содержанием в них воды, находящейся в связанном состоянии в белковом матриксе. На макроскопическом уровне процессы поглощения и отражения электромагнитных волн характеризуются значениями удельной активной и емкостной проводимо-

стей, зависящими от типа ткани, условий измерения (in vivo или in vitro) и частоты волны.

В работах [138, 153, 226, 31, 67] была экспериментально продемонстрирована возможность об-

наружения и регистрации радиолокационными методами движений структур тела человека, связан-

ных с дыханием и сердцебиением, а также достоверной оценки временных интервалов этих процес-

сов.

Развитие методов и технических средств радиолокации привело к появлению нового научного направления биорадиолокации, то есть радиолокационного зондирования и исследования биологиче-

ских объектов. В задачах биорадиолокации получение сколько-нибудь значимых рекомендаций для технических характеристик разрабатываемой системы или оценки ее возможностей затруднительно без знания электрических свойств биологических тканей. Для этих целей предложена математическая модель, описывающая процесс отражения волны от поверхности биоткани для случаев одно- и мно-

гослойной структуры. Получены зависимости коэффициента отражения зондирующего излучения для одно- и многослойной модели биообъекта (БО) для различных типов поляризации излучения, ча-

стот, углов падения волны, толщин различных слоев модели, их диэлектрических свойств (действи-

тельной и мнимой составляющих относительной диэлектрической проницаемости). Также получены выражения и построены зависимости для чувствительности коэффициента отражения электромаг-

нитной волны к изменениям данных параметров.

5.1.2. Отражение ЭМВ от границы раздела двух сред

Рассмотрим поведение плоской монохроматической электромагнитной волны (ЭМВ), падаю-

щей на границу раздела двух сред. Возможны две ситуации: а) вектор напряженности электрического

328

поля Е лежит в плоскости падения электромагнитной волны (такая поляризация волны по отношению к плоскости падения света называется p - поляризацией) и б) электрическое поле Е направлено пер-

пендикулярно к плоскости падения света (s - поляризация).

Для вычисления коэффициента отражения от границы раздела в этом случае можно воспользо-

ваться формулами Френеля:

тельная составляющая коэффициента преломления для первой среды, - угол падения ЭМВ. Для случаев p- и s- поляризаций ЭМВ выражения (5.1, 5.2) определяют комплексные коэффициенты от-

ражения для амплитуды электрического поля. Коэффициенты отражения для интенсивности ЭМВ определяются как квадраты модулей rp и rs :

Rp = | rp |2 , Rs = | rs |2

Соответственно, для интенсивности ЭМВ, прошедшей через границу раздела двух сред, приме-

нив закон сохранения энергии, можно определить коэффициенты прохождения:

Tp = 1 − Rp , Ts = 1 − Rs.

В качестве примера рассмотрим отражение ЭМВ от поверхности кожи. Линейно-

поляризованная волна падает из воздушной среды на поверхность кожи. Диэлектрические проницае-

мости: воздуха 1 ' = 1, 1 '' = 0; кожи 2 ' = 43.5, 2 '' = 16.5 (для длины волны 10см). Рассчитаем и

построим графики угловой зависимости коэффициента отражения ЭМВ (рис. 5.1), используя форму-

лы (5.1), (5.2).

329

Рис. 5.1 Зависимость коэффициента отражения сигнала от угла падения волны (кривая а соот-

ветствует p-поляризации ЭМВ, б – s - поляризации).

Рис. 5.2 Зависимость фазы отраженного сигнала от угла падения при р - поляризации.

Рис. 5.3 Зависимость фазы отраженного сигнала от угла падения при s - поляризации.

Как видно из рис. 5.2, 5.3 фаза отраженной ЭМВ практически нечувствительна к углу падения волны.

5.1.3. Отражение ЭМВ от слоистой структуры

В случае падения плоской монохроматической электромагнитной волны, имеющей либо s-, ли-

бо р-поляризацию, сверху на многослойную структуру, содержащую N границ раздела (рис. 5.4) ко-

эффициент отражения ЭМВ описывается следующим выражением:

330

На рис 5.4 представлено соответствие между слоями и физическими величинами: диэлектриче-

скими проницаемостями, углами падения, волновыми векторами.

Рис. 5.4. Отражение плоской монохроматической электромагнитной волны от многослойного покры-

тия.

Рекуррентная формула (5.3) позволяет последовательно рассчитать коэффициенты отражения r1, ... , rl, ... , rN . На самом первом шаге следует считать, что r0 = 0, поскольку в самой нижней (полу-

бесконечной) среде нет отраженного луча, как нет и нижней границы раздела. Интенсивность ЭМВ,

отраженного многослойной структурой, может быть рассчитана как:

R rN 2 .

В качестве примера рассмотрим отражение ЭМВ от слоистой биоструктуры, параметры кото-

рой приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1.