Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

При равномерном распределении [см. (5.105)]

так как именно этот коэффициент отражает влияние рандомизации периода повторения импульсов на энергетический спектр сигнала.

Подставив правую часть (5.110) в (5.109), получим

нутся только одна-две спектральные линии. Кроме того, пределы случайных изменений периода по-

вторения импульсов Тп могут быть очень малыми, порядка нескольких периодов несущего колеба-

но, случайные изменения момента появления импульса в пределах нескольких периодов несущего колебания разрушают когерентность последовательности импульсов, что приводит к резкому снижению мощности дискретных спектральных линий. На рис. 5.70 показан «множитель рандомиза-

ции» в децибелах в предположении, что mFп = f0 при изменении аргумента mFп Тп = f0 Тп от 5 до 5.

Видно, что уже при mFп Тп = f0 Тп > 3 (т.е. Тп > 3/ f0) множитель рандомизации в (5.110) меньше

443

20 дБ1), т.е. мощностью дискретной части спектра можно пренебречь

Рис. 5.70. Коэффициент рандомизации.

Рассмотрим энергетический спектр (5.111) при условии, что С 0 и что в сумме остается только

одно-два слагаемых. Ясно, что при этом можно пренебречь в (5.111) обоими слагаемыми, содержа-

щими коэффициент рандомизации С, по сравнению с единицей. Это значит, что в результате рандо-

мизации периода повторения импульсов на выходе фильтра с полосой 1 МГц останется только не-

прерывный (сплошной) спектр. Средняя мощность сигнала на выходе фильтра

Отсюда можно найти наибольшую допустимую по нормам ФКС США мощность в максимуме

излучаемого импульса длительностью и:

где и выражается в секундах, а Fп =1/Tп в герцах.

1) Поскольку коэффициент рандомизации С представляет собой квадрат модуля характеристической функции величины ν [см. (5.110)], то при другом распределении вероятностей ν он будет выражаться другой формулой. Однако из физических соображений ясно, что при любых «естественных» распределениях ν результат будет аналогичным, т.е. С 0 при случайных отклонениях от среднего периода повторения импульсов Тп порядка нескольких периодов несущего колебания Т0 = 1/f0.

444

Например, для сигнала рис. 1 при и = 2 нс и средней частоте повторения импульсов Fп = 15

МГц получаем Ри макс =1.15 мВт. Сравнивая это значение Ри макс с полученным в (5.102) при отсут-

ствии рандомизации (82.2 мкВт) замечаем, что выигрыш составил 11.5 дБ.

Максимально допустимая ЭИМ

на те же 11.5 дБ больше, чем без рандомизации при Fп = 15 МГц [см. (5.102)] и на 1.5 дБ больше, чем без рандомизации при Fп = 1.5 МГц [см. (5.104)].

Существенно, что, как видно из (5.115), при рандомизации периода повторения максимальная эквивалентная импульсная мощность (ЭИМ) (определяющая при прочих равных условиях суммарную энергию когерентно накапливаемых в приемнике импульсов, а значит, и отношение сигнал/шум после когерентного накопления) не зависят от средней частоты (периода) повторения импульсов. Произ-

ведение наибольшей допустимой мощности в максимуме излучаемого СШП импульса на среднюю частоту повторения определяется выражением ( и в секундах)

Отсюда следует, что при выбранной длительности СШП импульса и эта величина должна

оставаться постоянной. Увеличение средней частоты повторения, т.е. увеличение коэффициента ко-

герентного накопления, приводит к необходимости пропорционального снижения импульсной мощ-

ности, что сохраняет постоянной накапливаемую в приемнике энергию сигнала. Поэтому появляется определенная свобода выбора частоты повторения и импульсной мощности исходя из соображений технической реализации СШП радиолокатора. Заметим, что при рандомизации периода повторения возможно снижение средней частоты повторения ниже 1.5 МГц и пропорциональное увеличение Ри

макс до тех пор, пока не наступит ограничение по пиковой мощности в полосе 50 МГц (5.89).

Как следует из (5.113), увеличение допустимого времени когерентного накопления t пропор-

ционально увеличивает максимально возможную ЭИМ. Однако, как показано в подразделах 5.3.5 и

5.3.6, здесь надо учитывать ограничения, связанные со сглаживанием полезного сигнала и возмож-

ным снижением эффективности подавления пассивных помех.

445

Важно подчеркнуть, что при рандомизации периода повторения импульсов необходимо одина-

ковое (полностью коррелированное) случайное изменение момента запуска каждого импульса пере-

датчика и опорного импульса коррелятора приемника для того, чтобы при излучении некогерентной последовательности импульсов обеспечить когерентную обработку последовательности принимае-

мых эхосигналов.

446

С.И. Ивашов, И.Я. Иммореев

Заключение

Биорадиолокационные системы, представленные в этой монографии, появились на стыке ра-

диофизики и биологии, разделов науки, достаточно далеких друг от друга. Тем не менее, эти системы сразу привлекли внимание исследователей, а затем и потенциальных потребителей, во многих стра-

нах мира. Главной причиной этого внимания явилась основная особенность, присущая радиолокаци-

онным системам, как источникам информации – возможность дистанционно и бесконтактно контро-

лировать положение и состояние наблюдаемой цели. А прогресс радиолокационной техники и техно-

логии, позволивший существенно увеличить количество и повысить качество информации, получае-

мой о цели, «повернул» радиолокацию к наблюдению за такими нетрадиционными для нее объекта-

ми, как живые организмы.

Несмотря на то, что разделы монографии достаточно разнородны по своему содержанию и по полноте описания биорадиолокационных систем различного типа, книга в целом дает читателю до-

статочно законченную картину сегодняшнего состояния этого интенсивно развивающегося направ-

ления техники. Широкий спектр представленных в монографии систем – от радиолокаторов, излуча-

ющих непрерывные колебания (раздел 3), до радиолокаторов, работающих импульсами нано- и пико-

секундной длительности (раздел 4) – позволяет получить представление о возможностях этих систем и оценить их достоинства и недостатки. Специалисты, создающие биорадиолокационные системы,

обычно не имеют биологического образования. Поэтому разделы монографии, посвященные биоло-

гическим особенностям человеческого организма (разделы 2.1 – 2.4), позволят им более точно пред-

ставлять «предмет» наблюдения и помогут в дальнейшем более грамотному и целенаправленному проектированию таких систем.

Нетрудно видеть, что биорадиолокационные системы по своему назначению достаточно чет-

ко разделяются на две группы. К первой группе относятся радиолокаторы, обеспечивающие наблю-

дение за живыми объектами в условиях особых и чрезвычайных ситуаций – от спасения людей, по-

гребенных под развалинами зданий или под снежными лавинами, до скрытного наблюдения за кри-

минальными группами, находящимися в здании или скрывающимися в растительности (разделы 3.1,

3.2, 4.5, 4.7, 5.3). Во вторую группу входят радиолокаторы, имеющие чисто медицинское применение

– от длительного дистанционного контроля за больными в реанимационных и ожоговых отделениях

447

больниц, до быстрого профилактического осмотра (скрининга) больших групп людей (разделы 4.2,

4.3, 4.4).

К биорадиолокаторам, каждой из этих групп предъявляются заметно отличающиеся требова-

ния. Так, радиолокаторы первой группы должны выполнять обнаружение и наблюдение людей,

находящихся за преградами различного типа на фоне мощных отражений от местных предметов и подстилающей поверхности. Однако преграды вносят в излученный сигнал большое затухание, ино-

гда исчисляемое десятками децибел. Чтобы обеспечить отношение сигнал-шум, которое позволит обеспечить обнаружение объекта, требуется относительно большой уровень мощности излучаемого сигнала. Кроме того, в большинстве случаев на радиолокаторы этой группы обычно возлагается зада-

ча определения угловых координат живого объекта. Для решения этой задачи необходимо примене-

ние сканирующих антенн (антенных решеток) либо антенн достаточно большого размера. Эти обсто-

ятельства приводят к усложнению аппаратной части биорадиолокаторов первой группы. В тоже вре-

мя «полевые» условия эксплуатации таких систем, как правило, требуют малого веса и габаритов,

автономного питания в течение длительного периода времени, простоты управления.

Эти же «полевые» условия обычно требуют быстрого, оперативного обнаружения живого объ-

екта. Однако такой объект в спокойном состоянии совершает очень медленное и малое по амплитуде движение. Так, у неподвижного человека самый «информативный» движущийся орган – грудная клетка – совершает примерно 6 движений (вдохов) в минуту с амплитудой 1,5-2 см. Для обнаружения сигнала, отраженного от такого медленного объекта, могут потребоваться единицы минут. Таким об-

разом, важный оперативный параметр – время обнаружения объекта – является критическим для би-

орадиолокатора.

Дополнительной трудностью, стоящей на пути проектирования биорадиолокаторов первой группы, является выбор средней частоты спектра сигнала. Для уменьшения затухания сигнала в пре-

градах, позволяющего снизить мощность передатчика, целесообразно выбрать по-возможности более низкое значение средней частоты спектра. Однако с понижением частоты растут размеры антенных систем (при равных требованиях к их параметрам), что сказывается на эксплуатационных характери-

стиках радиолокатора. Одновременно уменьшается величина доплеровского приращения частоты,

вызванная движением объекта, что снижает фазовую чувствительность системы обработки сигнала,

448

особенно важную в биорадиолокации, где наблюдаемые объекты перемещаются с очень малыми ско-

ростями.

На выбор средней частоты спектра сигнала влияют также законодательные ограничения. Ши-

рокополосные и сверхширокополосные биорадиолокаторы занимают в эфире весьма широкую поло-

су частот, которая может перекрывать диапазоны рабочих частот других радиотехнических систем.

Для исключения взаимных помех для биорадиолокационных систем во многих странах в законода-

тельном порядке вводятся, так называемые, «маски» [158,159,169,248], устанавливающие допусти-

мый уровень излучаемой радиолокатором мощности в зависимости от диапазона частот. Особенно жесткие ограничения излучаемой мощности касаются широкополосных и сверхширокополосных ра-

диосистем, работающих на частотах ниже 3 ГГц, поскольку в этом диапазоне работают космические системы навигации и связи, которыми пользуются транспортные средства практически всех стран мира. Безусловно, при работе биорадиолокаторов первой группы в зоне катастрофы, возможны опре-

деленные кратковременные отступления от норм, установленных законодательством. Однако сегодня такие отступления пока нигде не регламентированы.

Учитывая большую востребованность этой группы биорадиолокаторов, вызванную ухудшени-

ем криминогенной обстановки в мире и появлением многочисленных антитеррористических про-

грамм, разработчикам таких биорадиолокаторов необходимо искать технические и технологические пути преодоления указанных выше трудностей и противоречий.

Биорадиолокаторы второй группы, используемые в медицинских целях, работают в значитель-

но более благоприятных условиях. Дальность действия таких радиолокаторов не превышает единиц метров, отсутствуют потери энергии в среде распространения сигнала, местоположение объектов наблюдения, как правило, известно и фиксировано. Но к радиолокаторам этой группы предъявляются значительно более высокие требования по точности измерения параметров живого объекта и по точ-

ности воспроизведения траектории его движения.

В наиболее распространенном случае биорадиолокаторы второй группы выполняют длитель-

ный мониторинг частоты дыхания и частоты сердечного ритма человека. В условиях реанимацион-

ных отделений больниц к этим функциям добавляется контроль за превышением верхней и нижней границ частот дыхания и пульса, устанавливаемых врачом.

449

Основное преимущество биорадиолокаторов перед традиционными методами длительного кон-

троля состояния человеческого организма заключается в бесконтактном и не беспокоящем больного мониторинге физиологических параметров человека. Биорадиолокатор не требует регулярной очист-

ки инструментария, не потребляет одноразового инвентаря и в сочетании с невысокой стоимостью является перспективным прибором для широкой медицины. Биорадиолокаторы этого типа с успехом могут заменить известные методы измерения механического перемещения абдоминального и тора-

кального участков грудной клетки человека (раздел 2.2), перемещение поверхности грудной клетки при пульсациях сердца и сосудов (раздел 2.1): кинетокардиографию, динамокардиографию, балли-

стокардиографию.

Более информативными являются биорадиолокаторы второй группы, воспроизводящие траек-

торию движения грудной клетки или сердца человека. Полученные биорадиолокатором данные обычно верифицируются с помощью электрокардиограммы, снятой с пациента одновременно с рада-

рограммой. Однако необходимо отметить, что электрокардиограф и радиолокатор выдают разную информацию о работе сердца. Электрокардиограф регистрирует электрические потенциалы, управ-

ляющие работой сердечных мышц, а радиолокатор фиксирует механическое движение сердца и его отдельных элементов. Эти данные не дублируют, а существенно дополняют друг друга. По мнению известного отечественного терапевта, члена-корреспондента РАМН, доктора медицинских наук,

профессора Маколкина В. И. из Московской медицинской академии им. И.М.Сеченова, совместная обработка электрокардиограммы и радарограммы позволит существенно расширить диагностические возможности лечащего врача.

Для реализации этой возможности биорадиолокатор должен обеспечить высокую точность вос-

произведения истинного движения живого объекта. Трудность воспроизведения заключается в том,

что грудная клетка и сердце человека совершают необычное для традиционной радиолокации посту-

пательно-возвратное движение. Когда амплитуда этого движения становится сравнимой с длиной волны излучаемого сигнала или превосходит ее, форма принятого сигнала начинает существенно от-

личаться от формы излученного и для восстановления истинной траектории живого объекта приме-

няются нетрадиционные методы обработки сигнала.

450

В дальнейшем на основе таких биорадиолокаторов возможно построение биорадиолокационно-

го томографа, позволяющего получить объемную динамическую картину механического движения грудной клетки и сердца человека.

Биорадиолокация является новой технологией, делающей первые попытки выйти на широкий технологический рынок. У нее есть для этого все возможности. Авторы надеются, что настоящая мо-

нография станет инструментом, ускоряющим этот процесс.