Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

341

При радиолокации живых объектов в качестве ЗС могут использоваться непрерывные немо-

дулированные или модулированные СВЧ сигналы в диапазонах частот от сотен мегагерц до десятков гигагерц с различной занимаемой полосой частот – от узкополосных (УП) до широкополосных (ШП)

и сверхширокополосных (СШП), в том числе СШП видеоимпульсные сигналы (ВИС), не имеющие явно выраженной несущей частоты [191, 135, 215, 177, 67, 81, 231].

Сигналы, отраженные от человека, приобретают специфическую биометрическую модуля-

цию, которая отсутствует при отражении от неживых объектов и от местных предметов (МП). При-

чиной её наличия в отраженном радиосигнале являются сокращения сердца, сосудов, легких и, в осо-

бенности, колебания кожных покровов в области грудной клетки и гортани в такт дыханию и сердце-

биению [166, 215]. Эти процессы носят почти периодический характер с частотами в диапазоне 0.8 –

2.5Гц для сердца и 0.2 – 0.5Гц для легких. Таким образом, отраженный СВЧ сигнал имеет периодиче-

скую модуляцию по задержке или по фазе в такт с колебаниями кожных покровов и внутренних орга-

нов. Параметры этой модуляции определяются частотами и интенсивностями дыхания и сердцебие-

ния. Возможна и апериодическая модуляция сигнала, причиной которой могут являться малые пере-

мещения частей тела и артикуляция органов речи человека при произнесении слов [214, 67].

При режекции проникающего сигнала передатчика и сигналов, отражённых от МП, можно добиться высокой чувствительности при радиолокационном обнаружении объектов, границы кото-

рых подвержены механическим колебаниям. По имеющимся в литературе данным, чувствительность радиочастотного зондирования в гигагерцовых диапазонах волн потенциально может достигать 10-9 м

[210].

На практике наблюдение живых людей с помощью радиолокатора производится на фоне от-

ражений ЗС от МП. Как правило, интенсивность отражений от МП превосходит интенсивность отра-

жений от человека и частей его тела. В то же время отраженные от человека сигналы характеризуют-

ся апериодической или периодической модуляцией в такт с дыханием и сердцебиением. Сигналы,

отраженные от МП, не имеют указанной модуляции или характеризуются иным ее временным и спектральным составом. На этом и основываются методы обнаружения и регистрации отраженных от человека сигналов на фоне сигналов МП. Основным преимуществом ШП и СШП ЗС по сравнению с немодулированными сигналами при радиолокации живых объектов является разделение зоны наблю-

342

дения на ячейки дальности, позволяющее измерять дальность до цели, а также улучшить селекцию цели на фоне МП.

В зависимости от существа задачи тот или иной вид ЗС при создании радиолокатора для наблюдения живых объектов может быть предпочтительным. До настоящего времени исследования подобных радиолокационных систем не носили сравнительного характера и были посвящены от-

дельным устройствам с конкретными видами ЗС. Поэтому анализ и сопоставление методов выделе-

ния полезных сигналов в радиолокационных системах наблюдения живых объектов при разных видах ЗС актуальны и являются одной из задач данной главы. Она содержит теоретические результаты в части сравнения методов демодуляции биометрических сигналов и их характеристик при следующих видах ЗС: немодулированный монохроматический сигнал (МС), СШП ВИС и сигнал со ступенчатой частотной модуляцией (СЧМ). Для СЧМ сигнала приведены результаты моделирования алгоритмов обнаружения и регистрации компоненты дыхания и сердцебиения на фоне отражений от МП. Рас-

смотрено также влияние интерференции СЧМ сигналов прямого отражения от цели и сигналов цели,

переотраженных плоскостями пола потолка и стен помещения, в котором установлен радиолокатор.

Изложены также экспериментальные результаты, а именно приведены характеристики созданного макета радиолокатора со ступенчатой частотной модуляцией и данные натурных лабораторных экс-

периментов, проведенных с помощью этого макета.

5.2.2. Радиолокация живых объектов на основе монохроматического зондирующего сиг-

нала

Несмотря на известный недостаток немодулированного ЗС - отсутствие селекции по дально-

сти, радиолокаторы (РЛС) с таким сигналом могут широко применяться в простых устройствах обна-

ружения и регистрации дыхания и сердцебиения человека. При анализе и проектировании подобных РЛС представляют интерес следующие вопросы:

-анализ нелинейных искажений исходных периодических процессов дыхания и сердцебиения за счет фазовой модуляции исходного ЗС при отражении от границ человеческого тела, а также за счет преобразования сигнала в приемном устройстве РЛС;

-сравнение выходных эффектов во временной и спектральной областях для двух основных схем приема отраженных от человека сигналов – амплитудной и квадратурной, с учетом возможности оценивания меняющейся фазы принимаемого сигнала.

343

Монохроматический ЗС амплитуды U0 и частоты 0 запишем в комплексной форме:

u0 t U0 exp j 0t .

Предположим, что доминирующие отражения имеют место от границы «воздух - кожный по-

кров». Пусть область отражений и колебаний кожного покрова на теле человека расположена в пре-

делах одной зоны Френеля, находящейся от датчика на среднем расстоянии r0 . Текущее расстояние

С учетом (5.7) принимаемый сигнал u t помимо ослабления q получит характерные фазо-

вые изменения t 2kr t . При этом

u t qU0 exp j 0t j 0 j2k r t ,

где k 2 - волновое число, - длина волны излучения, 0 2kr0 .

Поскольку на входе приемника наряду с полезным сигналом действует так называемый про-

никающий сигнал передатчика, суммарный принимаемый сигнал имеет вид:

Здесь b 2 Fb , h 2 Fh , а Fb , Fh , b , h - частоты и амплитуды дыхания и сердцеби-

ения, h - некоторая постоянная фаза.

В составе РЛС с немодулированным ЗС возможно применение одного из двух типов прием-

ных устройств – когерентного квадратурного приемника и простого амплитудного приемника.

345

(5.12) следует, что при когерентном квадратурном приеме модуль спектра Фурье полезного сигнала

не зависит от 0 и, следовательно, от средней дальности r0 до объекта.

Пример расчета модуля спектра (5.12) при использовании простого окна Хэмминга (a = 0.54)

представлен на рис. 5.11 при следующих параметрах: частоты и амплитуды колебаний кожи за счет

рабочая частота f0 0 2 =2.0 ГГц. Разрешающая способность спектрального анализа равна

0.01 Гц в соответствии с выбранным временем анализа T 100 с. Рис.5.11 вполне соответствует форме спектра фазовой модуляции сигнала (5.11). Расчеты показали также, что спектральный состав принимаемого сигнала при когерентном квадратурном приеме не зависит не только от среднего рас-

стояния до объекта, но и практически не зависит от разности фаз дыхания и сердцебиения h .

347

Рис. 5.12. Временные реализации квадратурных компонент и аргумента при разных значениях даль-

ностной фазы 0 : a) 0 =0°; б) 0 45°; в) 0 =90°.

На рис. 5.12. представлены квадратурные компоненты сигнала (4.11) Uc t Re U t ,

Us t Im U t при отражении от человека, находящегося на различных дальностях при тех же

параметрах, что и ранее, а также при трех значениях дальностной фазы 0 0°, 45°, 90°. Видно, что

вторая гармоника дыхания, присутствующая в косинусной компоненте при дальностной фазе

0 0°, постепенно исчезает из этой компоненты при увеличении фазы до значения 0 90° и

переходит в синусную компоненту, а комплексный сигнал в целом сохраняет свой спектральный со-

став, показанный на рис. 5.11. На тех же графиках сплошной линией приведено изменение аргумента

t arg U t 0 комплексного сигнала (5.11) за вычетом постоянной дальностной фазы

0 , переменная составляющая которого не зависит от 0 и полностью соответствует модели

t 2k r t с учетом равенства (4.9).

Таким образом, для неискаженной демодуляции сигнала (5.11) и выделения реализации ды-

хания и сердцебиения в РЛС с МС необходима когерентная квадратурная обработка принимаемого сигнала и определение отсчетов его фазы. При больших отношениях сигнал/шум такая операция воз-

можна при обработке квадратур в цифровой форме с использованием вычисления отсчетов фазы как аргумента комплексной амплитуды (5.11). При наличии шумов данная задача решается на основе фа-

зовых демодуляторов с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАП) при оптимальном выборе частотной характеристики кольца ФАП [100].

Амплитудный приемник. Анализ такого, более простого варианта обработки принимаемого сигнала обусловлен применением амплитудного детектирования в РЛС типа «Раскан» [20], которые помимо обнаружения подповерхностных объектов использовались в опытах по радиолокации живых объектов [67]. Пусть характеристика детектора аппроксимирована квадратичной зависимостью и имеется проникающий сигнал передатчика. Тогда напряжение на выходе детектора может быть с

учетом (5.5), равенства 0 0 и малости 1 представлено в виде:

ud t u t 2 q02U02 1 U t 2 q02U02 1 2 Re U t ,

объекта. Это свойство амплитудной обработки может затруднить получение реализации дыхания и сердцебиения в отличие от когерентной квадратурной обработки, при которой данное явление ис-

ключено. Расчет модулей спектров с учетом формулы (5.15) при разных дальностных фазах 0 рав-

ных 0 , 60 , 90 показал, что при 0 0° полезные компоненты с частотами 0.23 Гц и 1.1 Гц про-

падают из спектра полезного сигнала, в котором имеются только некоторые комбинационные компо-

ненты. При 0 90° появляются полезные компоненты спектра и комбинационные компоненты,

которые отсутствовали при 0 0°. При промежуточных значениях 0 , например, при 0 45°

присутствуют и полезные и комбинационные компоненты спектра в полном составе. В этом случае спектр почти совпадает со спектром сигнала на выходе когерентного квадратурного приемника,

представленным на рис. 5.11.

Временная реализация на выходе амплитудного приемного устройства совпадает с одной из квадратурных компонент сигнала на выходе квадратурного приемного устройства, показанных на

рис. 5.12, и она при некоторых значениях 0 может не содержать первых гармоник дыхания и серд-

цебиения, как это и следовало из результатов расчета модулей спектров на выходе амплитудного де-

тектора.

5.2.3. Радиолокация живых объектов на основе ВИС

СШП ВИС благодаря своей высокой разрешающей способности по задержке также могут применяться в радиолокаторах малой дальности для выделения малых перемещений человека и сиг-

налов дыхания и сердцебиения. При этом видеоимпульсные (ВИ) РЛС3 имеют малую среднюю мощ-

3 Как указано в разделе 4.1.2, видеоимпульсными называются СШП РЛС, в которых передатчик формирует короткие видеоимпульсы, то есть импульсы без высокочастотного заполнения. Эти им-

349

ность излучения и обладают возможностью обнаружения людей за радиопрозрачными препятствия-

ми только на небольших дальностях. Как и в при МС, важной задачей для РЛС с ВИС является ис-

следование методов демодуляции полезных биометрических сигналов и анализа их спектрально-

временного состава при разных дальностях до объекта.

В качестве моделей излучаемых и опорных ВИС, используемых в системе обработки ВИ РЛС, рассмотрим следующие три модели, принятые из соображений простоты математического опи-

сания:

должны быть равны нулю. Данному условию удовлетворяют сигналы s1(t), s2 (t) и не удовлетво-

ряет сигнал s0 (t) . Для частного случая параметров сигналов:

ления на том же графике показан гармонический сигнал с частотой, равной средней частоте спектра видеоимпульса. Обычно зондирующие и опорные импульсы повторяются с некоторым, возможно случайным, периодом и достаточно высокой средней частотой повторения, достигающей единиц ме-

гагерц.

пульсы производят ударное возбуждение передающей антенны, которая излучает электромагнитное поле, имеющее форму радиоимпульса. Высокочастотное заполнение этого радиоимпульса определя-

ется параметрами антенны.

350

Рис.5.13. Модели видеоимпульсных ЗС в сравнении с монохроматическим ЗС.

Специфическая форма импульсов вида s1(t) напоминает характеристику временного дис-

криминатора [100]. Импульс такого вида может использоваться в качестве опорного, или стробиру-

ющего импульса в тех приложениях видеоимпульсных систем, которые требуют точного измерения временного положения отраженных от цели импульсов, или демодуляции присущей им биометриче-

ской времяимпульсной модуляции. Импульсы вида s0 (t) также могут играть роль опорных стробов

в системе селекции по дальности. Импульсы вида s2 (t) , как и импульсы вида s1(t), могут исполь-

зоваться в качестве моделей излучаемых импульсов.

Рассмотрим два варианта обработки принимаемых ВИС – взаимокорреляционную обработку

(ВКО) и как частный случай - стробоскопическое преобразование. При ВКО происходит перемноже-

ние принимаемого si и опорного s j сигналов и их накопление в интеграторе, а средний выходной

эффект коррелятора математически можно представить в виде корреляционного интеграла:

где R и M соответственно задержки принимаемого и опорного сигналов.

При стробоскопическом преобразовании выходной эффект получается из (5.18) при опорном

сигнале в виде дельта-функции s j t t :