Селекция целей, совершающих возвратно-поступательное движение

Актуальность работы.

Развитие современной элементной базы создало благоприятные условия для появления такого направления 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. Эту проблематику активно развивают за рубежом, примером такого радара может служить радиолокатор Данник 5 м (Россия), предназначенный для обзора на открытой местности и обнаружения передвигающихся на ней людей, для целей антитеррористической борьбы, включая обнаружения людей внутри закрытых помещений. Данный СШП радиолокатор представляет собой допплеровский обнаружитель. Результат измерения отображается на светодиодном табло. Для аналогичных целей служат Радиолокатор Xave израильской фирмы Camero, радиолокатор, предназначенный для поиска живых людей под обломками Японской компании Tau Giken Corp и другие.

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, примером таких устройств является разработка американского института штата Джорджия (Georgia Tech Research Institute) Flashlight. Радар регистрирует сигналы, обусловленные сердцебиением и дыханием человека, находящегося на расстоянии 3 метров от радиолокатора в непосредственной видимости. Бесконтактное слежение за частотой пульса и дыхания человека находит большое применение в медицине, а построение траектории движения грудной клетки, вызванное г сердечной и дыхательной деятельностью, может дать новые материалы для исследований в кардиологии.

Методы радионаблюдения.

Для решения поставленных задач наиболее широко применяются методы частотной модуляции и фазового детектирования. Использование широкополосных (ШП) и сверхширокополосных (СШП)1 импульсов 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. Рассмотрение процессов распространения электромагнитной волны дает возможность построения математических моделей радиоустройств. Создание таких моделей позволит разрабатывать, оптимальные алгоритмы обработки, даст возможность извлечения большей информации из сигналов, классифицировать и анализировать состояния целей, поможет сформулировать требования к аппаратным средствам радиолокаторов и определить наиболее перспективные направления развития рассматриваемой технологии.

Модели.

Для лучшего понимания процессов обработки информации и более гибкого построения моделей были изучены и проанализированы параметры и характеристики принимаемого сигнала, были рассмотрены различные радиотехнические схемы принимающего аппарата, результаты этого анализа представлены в диссертации. Разработка моделей и методов обработки данных при радиолокационном наблюдении за живыми объектами необходима для решения важных прикладных задач биорадиолокации [1]. На первом этапе разумно использовать компьютерное моделирование. Такое моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели радиосистем проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить вычислительные эксперименты, так как реальные эксперименты затруднены из-за финансовых и временных факторов. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого сигнала и системы в целом, в частности, исследовать отклик моделируемой радиолокационной системы на изменения ее параметров и начальных условий.

Построение компьютерной модели базируется на абстрагировании от конкретной природы явления радиоволны и состоит из двух этапов — сначала создание качественной, а затем и количественной модели. Создание качественной модели состоит в определении математического аппарата, на базе которого возможно построение количественных моделей и проведение вычислительных экспериментов на компьютере, целью которых является анализ, интерпретация и сопоставление результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта и, при необходимости, последующее уточнение модели и т. д. В качестве методов исследования в диссертации применялось и имитационное моделирование. Кроме того, были разработаны и изготовлены натурные макеты, при помощи которых были набраны необходимые данные для исследования. Проведение экспериментов позволило подтвердить правильность моделей и выполнить отработку предложенных методов обработки данных, что свидетельствует о достоверности и применимости разработанного аппарата. Полученные результаты экспериментов доказывают возможность обнаружения и детектирования биометрических параметров живых организмов с помощью радиолокационных средств с требуемыми характеристиками.

Цель работы.

Разработка метода селекции цели, совершающей возвратно-поступающее 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 было необходимо решить 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.

2. Построение математических моделей наблюдения радиосигнала, отраженного от объекта, совершающего возвратно-поступающие движения, с целью анализа и выявления особенностей при наблюдении такой цели.

3. Синтез алгоритма селекции цели, движущейся возвратно-поступательно, а также метода построения траектории подвижного объекта по двум квадратурам фазового приемника.

4. 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.

5. Проведение экспериментов с использованием сверхширокополосных радиолокационных устройств для апробации предложенных алгоритмов в реальных условиях.

Предмет исследования.

Предметом исследования является метод обработка 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, экспериментальными исследованиями.

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, 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 проверка 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:

1. СЧ ОКР «Создание аппаратно-программного комплекса, реализующего импульсное электромагнитное, воздействие на технические средства и измерение характеристик отраженных от них сигналов», шифр «Воланд-М», контракт № 40 460−14 440/018/Ю-2010 от «10» июня 2010 годазаказчик ЗАО «Группа Защиты-ЮТТА».

2. СЧ НИР «Исследование возможности определения местоположения персонала,. работающего на объекте с повышенной опасностью» Государственный контракт от 01 февраля 2008 года № 1649−03/35 580−14 440 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 «09−02−13 581-офиц».

4. Грант Российского фонда фундаментальных исследований «Исследование особенностей работы и методов построения сверхширокополосных радиосистем с большими антеннами с учетом деформации структуры сигналов и диаграмм направленности, возникающей в процессе излучения и приема». Шифр «11−07−732-а».

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 3-я международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации». Россия, Суздаль, 22−24 сентября, 2009.

2. III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь». Россия, Москва, 26−30 октября 2009.

3. 3-я Всероссийская научная конференция «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». Россия, Муром 29 июня 2010.

4. Международная конференция «Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals». Ukraine, Sevastopol, 6−10 September, 2010.

5. 4-я Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь». Россия, Москва, 23 ноября — 3 декабря 2010.

6. 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.

1. 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. Реализована возможность полного восстановления траектории движения объекта при устранении энергетических потерь предложенным методом.

2. Разработанные математическая иимитационная модели систем обработки сигналов, принятых от квадратурного приемника, позволяют провести сравнительный анализ предложенных и известных алгоритмов при различных параметрах сигнала.

3. 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.

Заключение

.

Известно, что существующие схемы СДЦ обладают энергетическими потерями, если спектр сигналов от движущейся цели и спектр сигнала, отраженного от МП, частично перекрываются. Для устранения этого недостатка при наблюдении одиночной точечной цели предложен алгоритм обработки без частотной фильтрации составляющих полезного сигнала и сигнала от МП. В предложенной схеме для выделения сигнала движущейся цели на фоне сигналов, отраженных от неподвижных местных предметов, используется информация одновременно из обоих квадратурных каналов. Показано, что предложенный метод обеспечивает более эффективную селекцию одной точечной цели по сравнению с известными методами.

Как было показано во введении, задача обработки сигналов полученных при радиолокационном наблюдении за живыми объектами, исследована недостаточно подробно и на сегодняшний момент, в виду повышенного интереса к СШП технологиям, является достаточно актуальной.

К основным научным и практическим результатам, полученным в ходе теоретических и экспериментальных исследований, относятся:

1. Проведен анализ существующих методов СДЦ применительно к селекции целей, совершающих возвратно-поступательное движение, выявлены параметры движения цели, при которых существующие методы малоэффективны.

2. Разработан метод селекции цели, совершающей возвратно-поступающее движение, с совместным использованием обеих квадратур фазового приемника для подавления сигналов, отраженных от местных предметов, что позволит снизить энергетические потери, возникающие в схеме с частотным подавлением, а также даст возможность восстановления траектории движения такой цели.

3. Созданная программа математического моделирования позволила провести сравнительное исследование эффективности различных алгоритмов восстановления истинной траектории объекта, движущегося возвратно-поступательно.

4. Проведен ряд экспериментов, подтверждающих эффективность предложенных методов по снижению энергетических потерь при селекции цели совершающих возвратно-поступательное движение, в том числе при наблюдении грудной клетки человека.