статью (209 кб)

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ (СШП) РАДАР ДЛЯ
ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
И.Я. Иммореев, доктор тех. наук, профессор, С.В. Самков, аспирант
Московский авиационный институт, [email protected], [email protected]
Аннотация
В докладе рассматривается возможность применения СШП радара в медицинских целях
для дистанционного измерения сердечной деятельности и дыхания человека. Описан
метод измерения, приведены практические результаты испытаний. Показана возможность
использования радара в других областях.
Введение
Представленный в докладе СШП радар служит для бесконтактного измерения
параметров дыхания и сердечной деятельности человека. Он предназначен для работы в
клиниках или в домашних условиях. С его помощью осуществляется постоянный
мониторинг кардиобольных и собирается статистика основных параметров
жизнедеятельности человека.
СШП радар позволяет также выполнять радиолокационное обнаружение людей,
находящихся за различными препятствиями (стенами, растительностью и т.п.), по их
движению, а в случае неподвижного положения – по движению сердца и грудной клетки.
Поэтому он может быть использован службами спасения для поиска людей под
обломками строительных конструкций и снежными лавинами. В правоохранительных
органах этот радар может использоваться для поиска криминальных элементов,
скрывающихся в различных укрытиях.
Метод измерения и его преимущества
Бесконтактный метод измерения частоты дыхания и сердечных сокращений человека
основан на измерении ускорения движения сердца и грудной клетки человека.
Измерение производится радиолокационным методом. В основе метода лежит
способность электромагнитных волн частично отражаться от раздела двух сред и
проникать сквозь среду.
Для передачи электромагнитной энергии выбран сверхширокополосный сигнал
длительностью примерно 0,2-1 нс. Такой сигнал позволяет:
1. Увеличить разрешающую способность радара, раздельно измерять параметры
движения грудной клетки и сердца.
2. Уменьшить минимальное расстояние, на котором производятся измерения.
3. Уменьшить спектральную плотность мощности излучаемого сигнала и уровень
электромагнитного излучения, действующего на врача, пациента, оборудование
больницы.
4. Уменьшить габариты прибора.
5. Увеличить защиту прибора от внешних помех и повысить достоверность
измерений.
Описание метода бесконтактного измерения
Существо метода заключается в следующем.
Передатчик радара генерирует последовательность коротких импульсов с
длительностью переднего фронта порядка 250 пс (Рис. 1), которые возбуждают антенну и
излучаются в пространство (излучаемый импульс и его спектр показаны на рис. 2, 3).
U, V
1
0.5
t, ns
S(t)
0
0.5
1
0.5
1
Рис. 1 – Видео импульс передатчика
Рис. 2 – Импульс, излучаемый антенной
1.5
|S(f)|
1
0.5
f, GHz
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Рис. 3 – Амплитудно-частотный спектр излучаемого импульса
Период следования импульсов равен Т = d/с, где d - пространственное расстояние
между импульсами, с – скорость света (м/с). Частота следования импульсов f = 1/Т = с/d,
Эта последовательность отражается от объекта. Если объект неподвижен, то период
следования импульсов остается неизменным.
При движении объекта по гармоническому закону скорость его движения изменяется
как: V = Vс Sin ωct. В результате пространственное расстояние между импульсами dс= d –
ТVсSin ωct, период следования импульсов:
d − TVcSinωc t
,
Tс =
c
а частота следования импульсов:
1
c
f
.
=
=
fс =
Tс d − TVcSinωc t 1 − VcSin ωc t / c
Таким образом, мы получаем частотно-модулированный сигнал с нелинейной
зависимостью частоты сигнала от скорости движения объекта. На Рис. 4 показано
относительное изменение частоты следования импульсов, отраженных от сердца, в
зависимости от времени.
1.00000000002
1.00000000001
f c( t)
f
Fd
1
0.99999999999
t, s
0.99999999998
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Рис. 4 – Относительное изменение частоты следования импульсов, отраженных от сердца, при Vc = 0,005 м/с
Модулированная последовательность импульсов, несущих информацию о параметрах
и характере движения исследуемых органов, подвергается первичной обработке в
приемнике радара, оцифровывается и поступает на вычислительное устройство для
дальнейшей обработки и выделения нужной информации.
Структурная схема СШП радара.
Упрощенная структурная схема радара представлена на Рис. 5
Oscillator
Transmitting Antenna
Sharper
Delay
Line
Automatic Control
Sharper
8
Receiving Antenna
microcont
roller
ADC
Computer
Integrating
Amplifier
Time
Discriminator
Рис. 5 – Упрощенная структурная схема СШП радара
Генератор с управляемой частотой следования импульсов "Oscillator" вырабатывает
прямоугольные импульсы (меандр) с частотой 0,05 - 30 МГц. Эти импульсы поступают в
формирователь короткого импульса "Sharper" передатчика и в линию задержки "Delay
Line" устройства стробирования приемника.
Передатчик состоит из формирователя короткого импульса "Sharper". Импульсы с
выхода "Sharper" передаются в "Transmitting Antenna" и ударно возбуждают ее.
"Transmitting Antenna" излучает короткие радиоимпульсы (Рис. 2).
Излученные импульсы электромагнитного поля отражаются от подвижных
поверхностей грудной клетки и сердца исследуемого или обнаруживаемого человека. При
этом возникает модуляция частоты следования импульсов (Рис. 4). Глубина этой
модуляции зависит от скорости и амплитуды движения грудной клетки и сердца человека.
Радар работает в условиях высокого уровня пассивных помех – сигналов, отраженных
от стен и неподвижных объектов, которые будут иметь большую амплитуду и будут
маскировать полезный сигнал (Рис. 6).
U, V
Radiated pulse
Echo
pulse
Interference
1
Interference
0.5
t, ns
S(t)
0
0.5
1
1.5
2
0.5
1
Рис. 6 – Временная картина принимаемого электромагнитного поля
Для устранения мешающих сигналов в приемном тракте формируются временные
окна, открывающие приемник в момент прихода сигнала, отраженного от объекта на
определенной дистанции. Эту задачу в составе радара выполняет стробируемый
временной дискриминатор "Time Discriminator". Он состоит из быстродействующих
электронных ключей. Время переключения составляет порядка 200–300 пс. Ключи
подключают приемную антенну к сверхширокополосному усилителю в моменты прихода
импульсов. Эти моменты определяются величиной задержки управляющего сигнала в
программно управляемой линии задержки "Delay Line". Все остальное время приемник
закрыт. Принятые в окнах сигналы детектируются и усиливаются в интегрирующем
усилителе, на выходе которого выделяется сигнал, несущий информацию о движении
грудной клетки и сердца человека.
Устройство стробирования состоит из программно управляемой линии задержки
"Delay Line" и формирователя короткого импульса "Sharper". Время задержки,
устанавливаемое микропроцессорным контролером "microcontroller", определяет
расстояние до пациента. Постоянная времени интегрирования "Integrating Amplifier"
выбирается в зависимости от полосы частот полезного сигнала (от динамических
характеристик движения исследуемого объекта). При обнаружении человека и измерении
его параметров жизнедеятельности полоса полезного сигнала составляет около 400-500
Гц, что соответствует накоплению примерно 10 ~ 30 тыс. импульсов. Накопление
позволяет уменьшить среднюю излучаемую мощность передатчика и повысить отношение
сигнал/шум на входе усилителя.
Выделенный и усиленный низкочастотный сигнал, пропорциональный частоте
дыхания и сокращению сердца поступает в аналогово-цифровой преобразователь "ADC".
Микропроцессорный контролер "microcontroller" управляет работой радара по заданным
алгоритмам, контролирует состояние основных блоков и узлов и обеспечивает вывод
данных для последующей цифровой обработки в компьютере. В компьютере программно
реализованы: селекция движущихся целей, быстрое преобразование Фурье и цифровая
фильтрация.
Конструктивно РЛС выполняется по блочной схеме. Все блоки выполняются в
экранах, исключающих взаимное влияние друг на друга. Подключение антенн
производится непосредственно к выходным разъемам приемника и передатчика радара.
Практическая реализация
По указанным принципам создан и испытан макет радара. Основные характеристики
макета приведены в таблице.
Параметр
Величина
Диаграмма направленности
180° в горизонтальной пл-ти
Средняя частота излучаемого
спектра
5 ГГц
Средняя мощность излучения
∼ 0.04 мкВт
Длительность окна
∼ 250 пс
Стабильность задержки
Определяется RC компонентами
Дальность действия
∼ 0.06 – 5 м
Диапазон измеряемых частот
0.16 – 3.3 Гц
Коэффициент усиления
приемника
95 дБ
Внешний вид передатчика и приемника, расположенных на платах антенн, показан на Рис.
7
Рис. 7 – Внешний вид предварительного макета
С использованием макета радара выполнены измерения сердечной деятельности и
дыхания человека. На рисунках представлены результаты двух циклов измерений. На
левых рисунках показаны временная картина процессов дыхания и сердечной
деятельности, на правых рисунках показаны амплитудно-частотные спектры этих
процессов.
Второй человек
Первый человек
Временная область
Дыхание
Сердечная
деятельност
ь
Дыхание
Сердечная
деятельност
ь
Частотная область
Полученные осциллограммы и спектрограммы позволяют производить объективную
оценку параметров жизнедеятельности человека. Дальнейший медицинский анализ
полученных результатов может производится в автоматическом режиме.
Заключение
Разработанный макет радара и результаты его испытаний подтвердили возможность и
перспективность использования СШП сигналов для медицинских исследований, при
чрезвычайных ситуациях, в правоохранительных органах и других приложениях.
Литература
[1] Igor Y. Immoreev, “Ultra-Wideband Radar: new opportunities, unusual problems, system
features,” Proceeding of Moscow State Technical University, pp 25-26, December 1998.
[2] U.S. Patent No 5573012, 1996.
[3] Enrico M. Staderini, "UWB Radars in Medicine", IEEE Aerospace and Electronic Systems
Magazine, January 2002