Введение к работе
Актуальность работы
Развитие современной элементной базы создало благоприятные условия для появления такого направление радиотехники, как радиолокация биологических объектов. Это направление интенсивно развивается в настоящее время и находит применение в различных отраслях жизнедеятельности человека. Задача обнаружения движения человека за непрозрачными преградами стоит перед спецслужбами и армией. Обнаружение людей под обломками разрушенных зданий является одной из основных задач спасательных операций после терактов и разрушений, вызванных землетрясениями.
К подобным вопросам относится определение биометрических параметров человека на предприятиях, связанных с повышенной опасностью, в частности, контроль над психофизиологическим состоянием машиниста электропоезда или пилота самолета. Бесконтактное слежение за частотой пульса и дыхания человека находит большое применение в медицине, а построение траектории движения грудной клетки, вызванное сердечной и дыхательной деятельностью, может дать новые материалы для исследований в кардиологии. В последние годы это направление получило название «Биорадиолокация».
Для решения поставленных задач в биорадиолокации наиболее широко применяются методы частотной модуляции и фазового детектирования. Использование широкополосных (ШП) и сверхширокополосных (СШП) сигналов позволяет осуществлять пространственную селекцию, что увеличивает точность и чувствительность используемых методов. Исследования в этой области ведутся и в России и за рубежом и направлены на создание новой аппаратуры и новых теоретических моделей.
Основным отличием биорадиолокации от традиционной радиолокации является особенность движения «цели» - грудной клетки и сердца человека или животного -возвратно-поступательное движение. Однако практически все авторы отмечают, что использование классических методов СДЦ в случаях селекции цели, совершающей возвратно-поступательное движение на фоне неподвижных местных предметов, приводит к энергетическим потерям, величина которых зависит от амплитуды движения объекта. При энергетических потерях сигнала невозможным становится и
|Z|
восстановление траектории движения наблюдаемых объектов, особенно
необходимого в медицинских приложениях. Причиной этих потерь является удаление
выходными ФВЧ постоянных составляющих сигнала, появляющихся в квадратурных
каналах приемника при наблюдении объекта, совершающего движение, спектр
которого частично совпадает со спектром сигнала (рис. 1), отраженного от
неподвижных местных предметов. Эта же проблема приводит к искажению
траектории при восстановлении ее по неполным данным.
Спектр сигнала, отраженного от цели Разработка методов подавления сигналов
от местных предметов (МП) при возвратно-
поступательном движении цели, свободных от
энергетических потерь, позволит
траектории
Спектр сигнала, отраженного от МП
синтезировать более эффективные схемы селекции движущейся цели, а также алгоритмы восстановления движения.
разработки
Рис. 1. Пересечение спектров сигнала,
отраженного от цели, совершающей
возвратно-поступательное движение и
сигнала отраженного от МП
восстановления траектории движения таких целей, свободных от энергетических
Таким образом, задача
алгоритмов селекции целей, движущихся
возвратно-поступательно, а также
потерь, является актуальной.
Цель работы
Разработка метода селекции цели, совершающей возвратно-поступательное движение, с совместным использованием обеих квадратур фазового приемника для подавления сигналов, отраженных от МП, что позволит снизить энергетические потери, возникающие в схеме с частотным подавлением, а также даст возможность восстановления траектории движения такой цели.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи
1. Анализ существующих алгоритмов селекции целей применительно к целям, совершающим возвратно-поступательные движения, и алгоритмов восстановления траектории движения, применительно к траектории движения грудной клетки человека.
Построение математических моделей наблюдения радиосигнала, отраженного от объекта, совершающего возвратно-поступательное движения, с целью анализа и выявления особенностей при наблюдении такой цели.
Синтез алгоритма селекции цели, движущейся возвратно-поступательно, а также метода построения траектории подвижного объекта по двум квадратурам фазового приемника.
Создание программной модели и математическое моделирование разработанных методов в условиях наличия шумов и сигналов, отраженных от МП, с целью проверки их работоспособности и сравнения с существующими методами.
Проведение экспериментов с использованием сверхширокополосных радиолокационных устройств для апробации предложенных алгоритмов в реальных условиях.
Предмет исследования
Предметом исследования является метод обработки сигналов радиолокаторов с фазовым приемником, обеспечивающий селекцию цели, движущейся возвратно-поступательно на фоне неподвижных местных предметов, и восстановление траектории движения грудной клетки и сердца человека.
Объект исследования
Объектом исследования являются алгоритмы селекции движущейся цели и восстановления траектории движения грудной клетки и сердца человека, по двум квадратурам фазового приемника.
Методы исследования
Решение поставленных задач осуществляется с использованием методов статистической радиотехники и математического анализа, аналитического и имитационного стохастического моделирования, экспериментальных исследований.
Научная новизна
Радиолокационные методы наблюдения за живыми объектами являются дистанционными и бесконтактными, что обуславливает их неоспоримые преимущества перед традиционными методами (электрокардиограмма, эхокардиограмма). Дистанционный бесконтактный контроль сердечной и
дыхательной деятельности человека открывает новые возможности и ставит новые задачи. К ним относятся задачи обработки сигналов, где из-за возвратно-поступательного движения цели неприменимы методы обычной обработки.
Разработаны новые алгоритмы селекции цели, движущейся возвратно-поступательно, и алгоритмы построения траектории подвижного объекта по двум квадратурам фазового приемника.
Создана программа, реализующая предложенные алгоритмы, сочетающая в себе возможности обработки данных, полученных как от реального радиолокатора, так и сгенерированных при помощи программы.
Получены качественные и количественные результаты, подтверждающие работоспособность предложенных алгоритмов и эффективность их использования.
Приведены новые экспериментальные результаты, полученные с использованием предложенных алгоритмов.
Практическая ценность и значимость
Предложены алгоритмы, позволяющие эффективно решить задачу обнаружения живых объектов, бесконтактной фиксации частоты дыхания и сердцебиения, а также восстановления траектории движения грудной клетки.
Исследование предложенных алгоритмов с помощью математического и имитационного моделирования позволяет сравнить их эффективность в различных ситуациях. Получены оценки эффективности применения предложенного алгоритма и алгоритма с частотным подавлением сигналов от МП применительно к селекции цели, совершающей возвратно-поступательные движения, для различных значений параметров сигнала и цели (длины волны сигнала, амплитуды движения цели и др.).
Реализованные в программе моделирования алгоритмы обработки сигнала позволяют оценить вычислительные затраты на обработку сигнала. Это имеет большое значение при выборе алгоритма с учетом вычислительных ресурсов системы и при реализации потокового (в реальном времени) процесса обработки сигнала.
Достоверность
Обоснованность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается использованием апробированных методов статистического анализа и высокой степенью совпадения результатов
математического и имитационного моделирования, а также проверкой предложенных алгоритмов на реальных данных в ходе проведенных экспериментов.
Использование результатов работы
Предложенные методы и результаты математического и имитационного моделирования использовались в следующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, выполненных в Московском авиационном институте:
СЧ ОКР «Создание аппаратно-программного комплекса, реализующего импульсное электромагнитное воздействие на технические средства и измерение характеристик отраженных от них сигналов», шифр «Воланд-М», контракт № 40460-14440/018/Ю-2010 от «10» июня 2010 года - заказчик ЗАО «Группа Защиты-ЮТТА».
СЧ НИР «Исследование возможности определения местоположения персонала, работающего на объекте с повышенной опасностью» Государственный контракт от 01 февраля 2008 года № 1649-03/35580-14440 СЧ НИР «Мокасин», шифр «Мокасин-МАИ», заказчик - Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт «Квант».
3. Грант Российского фонда фундаментальных исследований «Обнаружение и
измерение параметров живых малоподвижных и неподвижных объектов с
использованием сверхширокополосных радиолокационных систем малой дальности».
Шифр «09-02-13581-офи_ц».
4. Грант Российского фонда фундаментальных исследований «Исследование
особенностей работы и методов построения сверхширокополосных радиосистем с
большими антеннами с учетом деформации структуры сигналов и диаграмм направ
ленности, возникающей в процессе излучения и приема». Шифр «11-07-00732-а».
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
3-я международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации». Россия, Суздаль, 22-24 сентября, 2009.
III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь». Россия, Москва, 26-30 октября 2009.
3-я Всероссийская научная конференция «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». Россия, Муром 29 июня 2010.
Международная конференция «Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals». Ukraine, Sevastopol, 6-10 September, 2010.
4-я Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь». Россия, Москва, 23 ноября - 3 декабря 2010.
Конкурс научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики-2010» 2010.
Публикации
По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано девять печатных работ, из них три научные статьи в журналах находящихся в перечне ВАК и шесть тезисов докладов.
Положения, выносимые на защиту
Синтезированный метод селекции позволяет полностью устранить или снизить энергетические потери, возникающие в результате использования частотных методов подавления сигналов, отраженных от МП, при селекции целей, совершающих возвратно-поступательное движение. Реализуется возможность полного восстановления траектории движения объекта при устранении энергетических потерь предложенным методом.
Разработанные математическая и имитационная модели систем обработки сигналов, принятых от квадратурного приемника, позволяют провести сравнительный анализ предложенных и известных алгоритмов при различных параметрах сигнала.
Экспериментально показана эффективность использования сверхширокополосных систем для решения задач селекции цели, движущейся возвратно-поступательно, точного измерения частоты и восстановления траектории движения грудной клетки и сердца живых объектов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, включающего 70 источников. Основная часть работы изложена на 172 страницах машинописного текста. Работа содержит 144 рисунка, 9 таблиц и 125 формул.
