Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

381

f0 2 109

F 1.778 109

Рис.5.33. Диаграмма откликов в плоскости «частота – дальность» для варианта 4 при дальности до цели 2.0м с учетом всех зеркальных отражений, F 1778МГц, r 0.084м.

5.2.6 Результаты лабораторных экспериментов на макете радиолокатора

со ступенчатой частотной модуляцией

Лабораторные эксперименты проводились с макетом прототипа проектируемого радиолокато-

ра, имевшим следующие характеристики, отвечающие варианту 1 в табл. 5.9:

1. Начальная частота излучения степ-ЧМ сигнала f0 1.528ГГц

2.Однозначная дальность rmax 10.7м.

3.Разрешающая способность по дальности r 0.714м .

4.Ширина спектра степ-ЧМ сигнала F 210МГц .

5.Количество частот и шаг по частоте степ-ЧМ сигнала M 1 16 , f 14МГц .

6. Длительности компонентных импульсов опорного и зондирующего степ-ЧМ сигналов:

T 250мкс.

7.Длительность и период повторения многочастотных пачек СЧМ сигнала: Tbrst Tr 4мс ,

8.Количество накапливаемых пачек и полное время наблюдения K 1 8192 и KTr 32.8 с,

что соответствует разрешению по частоте f 0.03Гц.

382

Внешний вид макета представлен на рис. 5.34. Для отображения информации радиолокатор со-

единяется через аппаратный модуль, содержащий аналого-цифровой преобразователь и контроллер с персональным компьютером типа ноутбук.

Рис. 5.34. Внешний вид макета прототипа проектируемого радиолокатора малой дальности.

Лабораторные эксперименты проводились в помещении размером 8.5×5.1м2, содержащем большое число местных отражающих предметов. Учет их расстояний и ориентации относительно ра-

диолокатора и подвижного обнаруживаемого объекта не производился ввиду сложной формы и про-

тяженности МП (шкафы, стеллажи, стойки с приборами и т.п.), которые все равно не позволили бы оценить доминирующие точки отражения. В качестве обнаруживаемых объектов выступали как ис-

кусственные цели в виде колеблющихся маятников, так и дышащий человек. Как правило, цель рас-

полагалась перед поглощающим покрытием специальной камеры, экранирующей в основном отра-

жения от задней стены помещения. При расстояниях, превосходящих 200см, проводились также экс-

перименты с расположением цели вне пределов специальной камеры, когда цель и локатор разделя-

лись открытым проемом между двумя смежными комнатами.

В качестве искусственной цели использовались колеблющийся маятник с грузом в виде круг-

лого металлического горизонтального стержня диаметром 1.2см и длиной 45см на подвесе из двух капроновых нитей длиной 90см. Другим видом груза являлась металлическая пластина размером

13×13см2. Амплитуды колебаний маятников составляли порядка 0.5-1.0см. Высота подвеса маятника и высота установки антенной системы биорадиолокатора над полом были равны 0.95м.

383

В процессе экспериментов при работе биорадиолокатора в реальном масштабе времени запи-

сывались 12 разрядные отсчеты двух выходных низкочастотных квадратурных реализаций по каждой из 16 частот СЧМ сигнала на интервале времени 32.8с, прошедших фильтрацию в идентичных анало-

говых режекторных фильтрах. Полученные в каждом опыте массивы данных обрабатывались по опи-

санным ранее алгоритмам на ПК IBM PC в среде MathCad 11 с задержкой по времени. Время вычис-

ления одной топографической диаграммы «частота-дальность» составляло единицы секунд.

Первая серия экспериментов проводилась по обнаружению колеблющегося маятника на раз-

личных расстояниях от радиолокатора. Полученные результаты при локации маятника с грузом виде горизонтального металлического стержня, расположенного на различных удалениях от радиолокато-

ра (1.5м, 2.0м, 2.5м, 3.0м и 5.0м) представлены соответственно на рис. 5.35 – 4.39. Случай маятника с металлической пластиной представлен на рис. 5.40.

На топографической диаграмме на рис. 5.35 наблюдается отметка от цели, соответствующая второй ячейке дальности, отвечающая расстоянию ≈1.43м. По частоте видны два максимума в 23-й и в 46-й ячейках для первой и второй гармоник колебаний маятника равных примерно 0.7 Гц и 1.4Гц.

f0 1.528 109

F 2.1 108

f 1.4 107

M 1 16

R 0.714

Rmax 10.714

nf 8.191 103

mS2

Рис. 5.35. Топографическая диаграмма «частота-дальность» при наблюдении маятника на расстоянии

1.5м от биорадиолокатора. По вертикали – номер ячейки дальности при размере ячейки

R 0.714м; по горизонтали - номер ячейки по частоте при размере ячейки 0.03 Гц.

384

f0 1.528 109

F 2.1 108

f 1.4 107

M 1 16

R 0.714

Rmax 10.714

nf 8.191 103

mS2

Рис. 5.36. Топографическая диаграмма «частота-дальность» при наблюдении маятника на расстоянии

2.0 м от биорадиолокатора. По вертикали – номер ячейки дальности при размере ячейки

R 0.714м; по горизонтали - номер ячейки по частоте при размере ячейки 0.03 Гц

Эти данные достаточно точно соответствуют действительным параметрам цели, а небольшая ошибка по дальности может быть связана как с влиянием переотражений, так и с общими аппаратур-

ными фазовыми ошибками приемного тракта. Наличие второй гармоники по частоте объяснимо за счет влияния физических свойств маятника и имевшей место упругости его подвески. На дальностях,

больших дальности до цели в данном случае наблюдаются слабые дополнительные максимумы. Они могут быть обязаны своим происхождением либо малому числу частотных шагов, либо наличию пе-

реотражений с малой интенсивностью.

Диаграммы на рис. 5.36 – 5.38 характерны появлением интерференционных отметок на дально-

стях, всегда больших дальности до цели. При этом положение по дальности ближайшей отметки вполне точно соответствует истинному положению цели, правда с учетом сделанных выше замеча-

ний. На второй гармонике колебаний маятника также присутствуют интерференционные отметки на дальностях, больших дальности до маятника, и интенсивность их сравнима с интенсивностью по пер-

вой гармонике. Рис. 5.40 демонстрирует случай маятника с грузом в виде пластины. Имеется неболь-

шое смещение максимума по дальности в пределах размера одного элемента разрешения. Характер-

но, что в случае пластины вторая гармоника по частоте практически отсутствует.

385

f0 1.528 109

F 2.1 108

f 1.4 107

M 1 16

R 0.714

Rmax 10.714

nf 8.191 103

mS2

Рис. 5.37. Топографическая диаграмма «частота-дальность» при наблюдении маятника на расстоянии

2.5 м от биорадиолокатора. По вертикали – номер ячейки дальности при размере ячейки

R 0.714м; по горизонтали - номер ячейки по частоте при размере ячейки 0.03 Гц

f0 1.528 109

F 2.1 108

f 1.4 107

M 1 16

R 0.714

Rmax 10.714

nf 8.191 103

mS2

386

Рис. 5.38. Топографическая диаграмма «частота-дальность» при наблюдении маятника на расстоянии

3.0 м от биорадиолокатора. По вертикали – номер ячейки дальности при размере ячейки

R 0.714м; по горизонтали - номер ячейки по частоте при размере ячейки 0.03 Гц

f0 1.528 109

F 2.1 108

f 1.4 107

M 1 16

R 0.714

Rmax 10.714

nf 8.191 103

mS2

Рис. 5.39. Топографическая диаграмма «частота-дальность» при наблюдении маятника на расстоянии

5.0 м от биорадиолокатора. По вертикали – номер ячейки дальности при размере ячейки

R 0.714м; по горизонтали - номер ячейки по частоте при размере ячейки 0.03 Гц

387

f0 1.528 109

F 2.1 108

f 1.4 107

M 1 16

R 0.714

Rmax 10.714

nf 8.191 103

mS2

Рис. 5.40. Топографическая диаграмма «частота-дальность» при наблюдении маятника с металличе-

Результаты экспериментов по обнаружению дышащего человека представлены на рис. 5.41 – 5.44 для дальностей до человека 1.5м, 2.0м, 3.0м и 4.0м. Наличие вертикальной области интенсивных отражений на рис. 5.41 может быть объяснено интерференцией за счет переотражений от местных предметов через дышащего человека. Начало интерференционного гребня примерно на второй ячей-

ке дальности соответствует истинной дальности до цели, максимум вблизи 6-7 ячеек можно объяс-

нить отражениями от задней стены и других плоскостей комнаты, а также от местных предметов в помещении. Особенность отражений от задней стены заключается в том, что человек переотражает их по принципу радиолокации на просвет, т.е. за счет образования на силуэте человека весьма интен-

сивной теневой компоненты рассеянного поля, которая и приводит к большой величине сигнального максимума на увеличенной дальности хода, превосходящего прямое отражение от грудной клетки.

Данные рассуждения более явно подтверждаются для дальности до цели 2.0м, где первый максимум сигнальной функции расположен на дальности 2.14м, мало отличающейся от истинной.

388

f0 1.528 109

F 2.1 108

f 1.4 107

M 1 16

R 0.714

Rmax 10.714

nf 8.191 103

mS2

Рис. 5.41. Топографическая диаграмма «частота-дальность» при наблюдении дышащего человека на расстоянии 1.5 м от биорадиолокатора. По вертикали – номер ячейки дальности при размере ячейки

R 0.714м; по горизонтали - номер ячейки по частоте при размере ячейки 0.03 Гц

Остальные максимумы на больших дальностях связаны с интерференционными переотражени-

ями и укладываются в рассматривавшуюся ранее картину интерференции и предположение о роли переотражений за счет задней стены помещения. Аналогичные объяснения могут быть сделаны и для рис. 5.43 – 5.44.

f0 1.528 109

F 2.1 108

f 1.4 107

M 1 16

R 0.714

Rmax 10.714

nf 8.191 103

mS2

389

Рис. 5.42 Топографическая диаграмма «частота-дальность» при наблюдении дышащего человека на расстоянии 2.0 м от биорадиолокатора. По вертикали – номер ячейки дальности при размере ячейки

R 0.714м; по горизонтали - номер ячейки по частоте при размере ячейки 0.03 Гц

f0 1.528 109

F 2.1 108

f 1.4 107

M 1 16

R 0.714

Rmax 10.714

nf 8.191 103

mS2

Рис. 5.43. Топографическая диаграмма «частота-дальность» при наблюдении дышащего человека на расстоянии 3.0 м от биорадиолокатора. По вертикали – номер ячейки дальности при размере ячейки

R 0.714м; по горизонтали - номер ячейки по частоте при размере ячейки 0.03 Гц

f0 1.528 109

F 2.1 108

f 1.4 107

M 1 16

R 0.714

Rmax 10.714

nf 8.191 103

mS2

390

Рис. 5.44. Топографическая диаграмма «частота-дальность» при наблюдении дышащего человека на расстоянии 4.0 м от биорадиолокатора. По вертикали – номер ячейки дальности при размере ячейки

R 0.714м; по горизонтали - номер ячейки по частоте при размере ячейки 0.03 Гц

Следует также отметить, что во всей серии экспериментов по обнаружению дыхания вторая гармоника дыхания выражена очень слабо, или вообще не заметна. Это сближает результаты экспе-

риментов по наблюдению человека и эксперименты с маятником в виде прямоугольной пластины.

Измеренные частоты дыхания несколько изменяются от эксперимента к эксперименту и лежат в ин-

тервале от 0.27Гц до 0.37Гц, что обусловлено возможной вариабельностью ритма дыхания человека.

На диаграммах рис. 5.41 – 5.44 в данных экспериментах практически не удалось обнаружить компо-

ненту сердцебиения.

В целом проведенные лабораторные эксперименты на созданном макете прототипа биорадио-

локатора подтвердили его работоспособность и правильность выбранных технических решений в ча-

сти режекции интенсивных отражений от неподвижных местных предметов. Качественно подтвер-

жден также установленный с помощью математического моделирования факт регистрации и влияния на сигнальную функцию в плоскости «частота-дальность» интерференционных переотражений от местных предметов и поверхностей в помещении через подвижные объекты (маятник, дышащий че-

ловек). Простейшей мерой борьбы с такими переотражениями является расширение полосы частот СЧМ зондирующего сигнала вплоть до появления разрешения интерференционных путей по дально-

сти и применение логического выделения ближайшей отметки по дальности на обнаруженной часто-

те дыхания.

5.2.7. Заключение.

Радиолокационные устройства малой дальности, предназначенные для обнаружения человека по дыханию и сердцебиению, могут использовать различные виды зондирующих радиолокационных сигналов. Их основным отличием является ширина полосы частот излучения. Возможно применение немодулированных монохроматических сигналов, СШП видеоимпульсных сигналов, а также ШП СЧМ сигналов. Основным отличием ШП и СШП сигналов от монохроматических сигналов является возможность селекции целей по дальности от сторонних помех – отражений от местных предметов и малоподвижных объектов, находящихся в других элементах дальности, нежели обнаруживаемый по дыханию и сердцебиению человек.