Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

361

Рис. 5.18. Пример профилей дальности, определенных по (5.24) для шести объектов на одном перио-

де зондирования при отсутствии (а) и наличии (б) взвешивания частотных компонент.

362

mS2

а)

mS2

б)

Рис.5.19. Топографические диаграммы «частота-дальность» при наблюдении двух человек по дыха-

нию и сердцебиению и отсутствии (а) или наличии (б) режекции МП в частотной области.

В данном случае была использована простейшая режекция МП в частотной области, когда после выполнения БПФ нулевой и первый частотные отсчеты, на которых сосредоточены отклики от

363

МП, для всех ячеек дальности были просто приравнены к нулю. При этом в силу широкого спектра скачкообразного изменения фазы при переходе наиболее удаленного объекта с номером n 5 из од-

ной дальностной ячейки в другую его полной режекции не происходит. В то же время дальностная селекция этого объекта сохраняется, а его сигналы не подавляют спектральных компонент дыхания и сердцебиения живых объектов с номерами n 1 и n 3 на дальностях 3м и 5м. Подавление МП улучшает наблюдаемость компонент сердцебиения вблизи частотных отсчетов с номерами q 38 и

q 52. Максимумы вблизи частотных отсчетов с номерами n 5 и q 7-8 соответствуют частотам

дыхания тех же субъектов и после режекции МП имеют больший относительный уровень. На топо-

графической диаграмме рис. 5.19б видны вторые гармоники дыхания. Имеются также высшие и ком-

бинационные гармоники дыхания и сердцебиения, которые не наблюдаемы на диаграмме в виду их малой интенсивности.

Анализ данных на плоскости «частота – дальность» позволяет выделить ячейку дальности, в ко-

торой находится тот или иной живой объект. Фокусировка алгоритма (5.25) на выделенную ячейку позволяет воспроизвести временную реализацию дыхания и сердцебиения обнаруженного объекта в p -ой ячейке дальности в соответствии с выражением:

Для исключения возможных скачков фазы в последовательности (5.27) при переходе значений

следует применять процедуру развертывания фазы, описанную, например, в [242]. Такое воспроизве-

дение происходит с точностью до постоянной составляющей и постоянного множителя, определяе-

мых дальностью до объекта и пересчетом смещений bn и hn в фазу (5.27).

Пример восстановления реализаций сердцебиения и дыхания двух человек в выделенных на плоскости «частота – дальность» 6-й и 10-й ячейках дальности в условиях, для которых получены данные на рис. 5.19б, приведен на рис. 5.20 на интервале времени от 30-й секунды до 50-й секунды.

Данный интервал намеренно выбран симметричным относительно момента времени ts 40с, в кото-

рый происходит смоделированный внутри данного интервала скачкообразный переход объекта с но-

мером n 5, расположенного на дальности 7м, в следующую ячейку на дальности 7.5м.

366

Рис. 5.21. Топографические диаграммы «частота-дальность» при наблюдении двух человек на фоне местных предметов и динамической скачкообразной помехи: а) при режекции только во временной области и б) при режекции во временной и дополнительной режекции в частотной области.

При моделировании каждый аналоговый фильтр заменялся его дискретным эквивалентом.

Дальнейшая обработка выходных отсчетов фильтров осуществлялась с помощью БПФ аналогично

(5.25) и (5.26). Результаты моделирования при применении режекции во временной области пред-

ставлены на рис. 5.21 и 5.22 соответственно в форме топографических и объемной диаграмм. Посто-

янная времени фильтра была принята равной f 0.1с. Сопоставление выходных эффектов обра-

ботки при простейшей частотной режекции (рис.5.19 б) и временной режекции (рис. 5.21 а) свиде-

тельствует о заметном увеличении относительной интенсивности максимумов сердцебиения по срав-

нению с максимумами дыхания. Это является следствием выбранной величины постоянной времени режекторных фильтров и формы их частотных характеристик, при которых частично подавляется компонента дыхания, что обеспечивает относительный подъем частотных компонент сердцебиения.

Рис. 5.21б соответствует последовательному применению режекции во временной области и допол-

нительной режекции в частотной области путем исключения 0 - ого и 1 - ого частотных отсчетов.

Отметим, что применение более гладкой и тщательно подобранной формы частотного коэффициента передачи режекторного фильтра при режекции только в частотной области позволяет достичь резуль-

татов по воспроизведению дыхания и сердцебиения, аналогичных рассмотренному случаю времен-

ной режекции на парциальных частотных компонентах. Однако такой путь, как отмечалось, сопряжен с необходимостью обеспечения бóльшего динамического диапазона системы обработки до входа вы-

числителя БПФ.

367

mS3

Рис.5.22. Объемная диаграмма «частота-дальность», соответствующая рис.5.21б.

Близкие результаты по обнаружению живых объектов и выделению реализаций сердцебиения и дыхания были также получены нами методом математического моделирования радиолокатора при применении ЗС с непрерывной периодической линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Обработка отраженных от целей задержанных ЛЧМ сигналов осуществлялась с помощью выделения на квадра-

турных детекторах сигналов разностной частоты с последующим их преобразованием по Фурье для получения мгновенных (на данном периоде ЛЧМ) комплексных профилей дальности. Совокупность комплексных профилей дальности, относящихся к большому числу периодов ЛЧМ сигнала, затем обрабатывалась для каждой ячейки дальности, т.е. для каждого значения разностной частоты, на всем интервале наблюдения, измеряемом большим числом периодов повторения ЛЧМ, также с помощью БПФ для получения матрицы «дальность – частота», аналогичной той, которая использовалась в слу-

чае ЗС с СЧМ. Вместе с тем при обнаружении малоподвижных объектов на фоне интенсивных отра-

жений от МП имеется ряд существенных отличий при практическом применении ЛЧМ и СЧМ сигна-

лов. Первым отличием является сложность формирования ЛЧМ ЗС с требуемой высокой линейно-

стью закона изменения частоты, в то время как применение СЧМ сигнала на основе синтезатора ко-

герентных частот позволяет значительно уменьшить аппаратурные затраты. Другим и более важным преимуществом применения СЧМ сигналов является рассмотренная выше возможность аппаратной

368

реализации системы режекции интенсивных отражений от местных предметов на каждой из парци-

альных частот в отдельности, приводящая как следствие к существенному снижению требований к динамическому диапазону приемника и к разрядности аналого-цифрового преобразования. В случае ЛЧМ ЗС подобная возможность фактически отсутствует.

5.2.5. Математическое моделирование радиолокатора с СЧМ сигналом при работе внут-

ри помещения

Работа радиолокатора малой дальности, использующего зондирующий сигнал с СЧМ и распо-

ложенного внутри помещения, имеет определенные особенности, связанные с наличием переотраже-

ний от местных предметов, поверхности пола, потолка и стен. При этом основной вклад вносят пе-

реотражения от поверхностей большой площади (пол, потолок, стены). Прямые отражения, попада-

ющие в приемный тракт радиолокатора непосредственно, режектируются в системе обработки сигна-

лов, как отражения от неподвижных предметов. В то же время переотражения по пути «передающая антенна - местный предмет - подвижная цель - приемная антенна» интерферируют с прямым сигна-

лом цели, прошедшим по пути «передающая антенна - подвижная цель - приемная антенна». Эти пе-

реотражения модулируются по фазе подвижной целью и не могут быть отрежектированы в традици-

онной системе селекции движущихся целей (СДЦ), что может при определенных условиях приводить к появлению ложных отметок на выходе системы СДЦ. Ввиду заранее неизвестного положения цели подавление таких переотражений представляется сложной задачей и должно решаться на основе ме-

тодов пространственно-временной адаптации. В данном разделе решается только задача анализа, ко-

торая позволит нам в дальнейшем правильно трактовать результаты натурных экспериментов по ра-

диолокационному обнаружению человека, проводившихся в помещении лаборатории.

В интересах анализа влияния переотражений на систему СДЦ радиолокатора с одиночной при-

емо-передающей антенной была создана математическая модель. Она учитывает основные, наиболее интенсивные переотражения внутри помещения, обусловленные зеркальными отражениями от боль-

ших плоских поверхностей, а именно пола, потолка, и стен. Зеркальные отражения рассчитывались методом геометрической оптики с учетом эквивалентных коэффициентов отражения Френеля в зер-

кальных точках в плоскости пола, потолка и стен, число которых для прямоугольной комнаты равно шести. Координаты зеркальных точек рассчитывались с учетом положения приемопередающей ан-

тенны радиолокатора и положения цели. Выражение для m - ой частотной компоненты принимаемо-

точке, задаваемой вектором rT 0 , и имитирующей дыхание и сердцебиение по закону

причем x0 , y0 , z0 - длина, ширина и высота прямоугольной комнаты, параллелепипед которой рас-

полагается ребрами на осях прямоугольной системы координат с левой нижней вершиной в начале

координат. Вектора смещений b и h эквивалентной цели с амплитудами и частотами дыхания и сердцебиения b0 , h0 и b , h могут иметь одинаковое направление, которое для определен-

ности принималось совпадающим с направлением «антенна – цель», т.е.