В связи с вышеизложенным, актуальной биоинженерной проблемой является исследование и разработка радиолокационных методов дистанционного зондирования малых перемещений биологических структур, в частности, двигательной активности, дыхания, сокращений сердца и артериальных сосудов. Такую СБРЛ упрощенно можно представить как датчик малых перемещений, реагирующий на смещения отражающей мишени относительно приемной антенны [9].
Потенциальными областями применения такого датчика, определяемые ограничениями на подвижность объекта исследования, являются:
- дистанционное измерение частоты дыхания и сердцебиения людей, для которых неприемлемо использование контактных датчиков (ожоговые больные, младенцы) в реаниматологии и функциональной диагностике;
- дистанционная регистрация движений, дыхания и пульса при профилактических обследованиях для выявления дыхательных расстройств и нарушений сна в сомнологии;
- бесконтактная оценка и мониторинг физиологического и психоэмоционального состояния человека-оператора, выполняющего ответственную, требующую постоянного внимания работу.
Рис. 9. Интерфейс ПО для дистанционного измерения пульса и дыхания.
Были проведены лабораторные испытания, во время которых с помощью разработанного прикладного программного обеспечения (рис. 9) измерялись показатели пульса и дыхания человека на расстоянии 0,5 м. Верификация (точность измерений) проверялась сравнением данных СБРЛ с данными пульсометра Polar RS300X. Расхождения результатов составили не более 5%.
Портативный радар для обнаружения людей за преградами, под завалами строительных конструкций, под снежными лавинами
Для обнаружения людей, скрывающихся за неметаллическими, оптически непрозрачными преградами (стенами различной толщины, внутри объектов транспорта), для быстрого поиска пострадавших под снежными лавинами, развалинами зданий и сооружений после землетрясений и техногенных катастроф наиболее пригодны СБРЛ на основе СКИ сигналов. Малая длительность сигнала обеспечивает высокую точность определения местоположения человека за преградой и устойчивую работу радара в условиях многократных переотражений от окружающих предметов.
Были проведены испытания, во время которых проводилось обнаружение движения человека за кирпичными стенами толщиной 20 см. В результате испытаний было обнаружено перемещение человека за двумя кирпичными стенами, между которыми было другое помещение, на расстоянии 6 м. На рис. 10 показано обнаружение движения человека при разностной обработке отраженного сигнала при превышении установленного порога срабатывания.
Рис. 10. Обнаружение человека за стенами на расстоянии 6 м.
В интересах МЧС России была проведена серия полевых испытаний на полигонах в г. Новогорске и г. Ногинске с целью выявления наиболее перспективных разработок в области построения систем обнаружения людей под завалами строительных конструкций.
Рис. 11. Макет портативного радара.
В данных испытаниях успешно проявил себя макет портативного радара на основе СКИ сигналов (рис. 11), который позволял устойчиво обнаруживать человека по его дыханию и небольшим движениям под несколькими железобетонными плитами на (рис. 12). При этом погрешность обнаружения места нахождения человека под завалами не превышала 1 метра, а дальность обнаружения вглубь завала составила около 3 метров.
В результате испытаний под двумя-тремя железобетонными плитами человек обнаруживался по небольшим движениям (шевелениям рукой-ногой) с вероятностью практически 100%, по дыханию с вероятностью 50%. Конструктивные особенности макета позволяют поместить и зафиксировать его на любой поверхности, избегая колебаний от ветра и внешних воздействий. Макет радара обладает помехозащищённостью - работающие рядом радиолокационные приборы влияния на работу макета не оказывали.
Рис. 12 - Полевые испытания по обнаружению людей под завалами в интересах МЧС.
Результаты испытаний позволяют сделать вывод о перспективности СБРЛ на основе СКИ сигналов для обнаружения людей под завалами. Также данная технология может использоваться на аналогичных принципах для обнаружения людей под слоем снега при сходе снежных лавин.
Датчик препятствий в системе технического зрения
Весьма перспективным является использование СБРЛ на основе СКИ сигналов в качестве датчика препятствий в системе технического зрения для тех областей применения, где затруднительно использование оптического и других типов датчиков. Одной из таких областей является, например, управление современной сельскохозяйственной техникой (комбайны, тракторы и т.д.) без участия человека-оператора при движении по полю. Использование оптических датчиков для решения данной задачи значительно затруднено из-за пыли, сильной вибрации и тряски, а главное, из-за возможности нахождения препятствий, скрытых за растениями полевых культур.
Датчик на основе СКИ сигналов, использующий направленные антенны, получает «радиопортрет» отраженных сигналов, в котором с помощью специального программного обеспечения способен выделить такие типовые препятствия, как дерево, столб бетонный или деревянный, опору ЛЭП, человека, животное, автомобиль и т.д.
Учебный научно-исследовательский комплекс изучения СКИ сигналов
СБРЛ на основе СКИ сигналов может использоваться в качестве учебного лабораторного оборудования для практического изучения студентами, аспирантами и научными работниками систем ближней радиолокации, в частности на основе импульсных сверхширокополосных сигналов без несущей частоты. С помощью данного комплекса могут быть исследованы следующие вопросы в области СШП сигналов и рассмотрены следующие практические задачи:
- распространение сигналов в различных средах;
- прохождение сигналов сквозь препятствия;
- рассеяние сигналов различными объектами;
- обнаружение статичного объекта на фоне пассивных помех;
- обнаружение движущегося объекта;
- распознавание объекта с помощью различных информативных признаков;
- дистанционное измерение параметров дыхания и сердцебиения человека;
- дистанционное зондирование непрозрачных сред и т.д.
Рис. 13. Учебный научно-исследовательский комплекс изучения СКИ сигналов.
В настоящее время, первые образцы учебного научно-исследовательского комплекса изучения СКИ сигналов используются на кафедре СМ5 «Автономные информационные управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана (рис. 13). Были разработаны учебно-методические материалы и руководства по выполнению лабораторных работ по курсу «Сверхширокополосные сигналы в системах ближней локации».
Используя возможности данного комплекса, может быть исследована новая перспективная область радиоэлектроники и получены практические знания на основе экспериментальных данных.
Литература
1. Иммореев И.Я. Сверхширокополосная локация: основные особенности и отличия от традиционной радиолокации. - Электромагнитные волны и электронные системы, № 1, том 2, 1997 г., с. 81-88.
2. Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. - Москва: Радиотехника, 2009 г., с. 7-28.
3. Зеркаль А.Д. Рациональное построение приемопередающего модуля с импульсным сверхширокополосным сигналом. - Системы и средства радиосвязи, телевидения и радиовещания, № 1,2, 2011 г., с. 137.
4. Симаков В.В., Зеркаль А.Д. «Принципы построения приемо-передающего модуля на основе сверхкоротких импульсов с малым энергопотреблением». - Сборник докладов V Всероссийской научно-технической конференция «Радиолокация и радиосвязь», с. 340
5. Техническое описание приемо-передающего модуля Пикор-1 // [Электронный ресурс]: интернет-сайт производителя ОАО "КБОР". Режим доступа: http://uwbs.ru/ru/shop?page=shop.product_details&flypage=flypage.tpl&product_id=2&category_id=1 (дата обращения: 10.01.2012).
6. Техническое описание приемо-передающего модуля PulsON 400 MRM // [Электронный ресурс]: интернет-сайт производителя Time Domain Corp. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. Режим доступа: http://www.timedomain.com/datasheets/320-0299A%20P400%20MRM%20Data%20Sheet.pdf (дата обращения: 10.01.2012).
7. Серегин Г.М. Проектирование компактных сверхширокополосных антенн для радиоэлектронных систем на основе импульсных сверхширокополосных сигналов. - "Системы и средства радиосвязи, телевидения и радиовещания", № 1,2 2011 г., с.139.
8. Техническое описание сверхширокополосной антенны Антрад-4 // [Электронный ресурс]: интернет-сайт производителя ОАО "КБОР". Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. URL: http://uwbs.ru/images/files/antrad4_DS_1.pdf (дата обращения: 10.01.2012).
9. Анищенко Л.Н. Разработка технологии и программно-аппаратного комплекса биорадиолокационного мониторинга двигательной активности, дыхания и пульса: Автореферат канд. тех.