автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Эффективные методы обработки миллиметровых сигналов, отраженных от объекта со сложным характером движения

На правах рукописи

ТИМАШЕВА Татьяна Геннадьевна

ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МИЛЛИМЕТРОВЫХ СИГНАЛОВ, ОТРАЖЕННЫХ ОТ ОБЪЕКТА СО СЛОЖНЫМ ХАРАКТЕРОМ ДВИЖЕНИЯ

Специальность 05.12.04 -Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2014

1 5 ПДП 2014

005549076

Работа выполнена на кафедре Радиоприемных устройств ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор ГРЕБЕНКО Юрий Александрович ХРИСТОФОРОВ Владислав Николаевич, д.т.н., доцент, начальник производственно-технологической лаборатории 132 «ОКБ МЭИ»

ФИН Виктор Александрович, к.т.н., старший научный сотрудник, старший научный сотрудник "НИИ Точных Приборов" Филиал ОАО "Объединенная Ракетно-Космическая Корпорация" -"НИИ Космического Приборостроения" (г. Москва)

Защита состоится 19 июня 2014г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» www.mpei.ru.

Автореферат разослан « /2? » апреля 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05 кандидат технических наук, доцент

Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В реальной жизни объекты, движение которых обусловлено большим количеством факторов, встречаются довольно часто. Наиболее сложный характер имеют перемещения отдельных участков поверхности живых организмов, на которые влияют многочисленные физиологические процессы, такие как ритм сердца, дыхание, колебание центра тяжести и др.

Эффективно измерять сверхмалые перемещения участков поверхности живых объектов можно радиолокационными методами. Разработкой таких методов занимались И Я. Иммореев, A.C. Бугаев, В.В. Чапурский, В.И. Калинин и др. При этом использовались широкополосные радиолокационные сигналы, что усложняет технические решения и не позволяет реализовать устройства с низкими массогабаритными характеристиками.

Под руководством профессора Усанова Д.А. из Саратовского университета разработан лазерный метод измерения малых и сверхмалых перемещений, который предполагает использование монохроматического сигнала оптического диапазона.

В радиочастотном диапазоне монохроматические сигналы используются в разработках, которые уже более 10 лет под руководством В.А. Федорова ведутся на кафедре радиоприёмных устройств (РПУ) НИУ «МЭИ». Группой сотрудников был разработан радиолокационный микроволновый датчик для измерения микроперемещений облучаемой поверхности. На основе этого датчика был создан аппаратно-программный комплекс для измерений и анализа сигналов, отраженных от человека. Успешность разработки подтверждается дипломами, медалями и патентами РФ.

Эффективность проделанной на кафедре работы подтверждается внедрением опытных образцов радиолокационного измерителя в таких организациях как: гражданские клиники и госпитали Министерства Обороны, спецподразделения ФСБ РФ, подразделения МЧС РФ, институты Российской Академии наук - Институт Высшей Нервной Деятельности и Нейрофизиологи АН РФ, Научный Центр Здоровья Детей (НЦЗД) РАМН. Несмотря на достигнутые успехи, проблема повышения

точности измерения малых перемещений дистанционными средствами остается актуальной.

В диссертации предлагаются и изучаются новые методы повышения точности за счет совершенствования алгоритмов обработки сигналов, отраженных от объектов со сложным характером движения. Выбор человека в качестве объекта исследования в диссертации оправдан теми многочисленными задачами, которые связаны с дистанционной оценкой здоровья и функционального состояния человека.

В процессе проведения исследований сигналов, отраженных от человека, была выявлена квазихаотическая природа изменения фазы этих сигналов во времени.

Использованием свойств квазихаогаческих сигналов и методами их формирования и анализа занимались многие зарубежные и отечественные ученые, например, Ф.Мун, Л.Гласс, М.Мэки, Р. Кроновер, Е.Федер. Большой вклад в исследование и применение квазихаотических сигналов внесли ученые НИУ «МЭИ»: М.В. Капранов, В.Н. Кулешов и их ученики А.И. Томашевский, В.Г. Чернобаев, А.В. Хандурин и др.

Определение фрактальных параметров квазихаотических сигналов и использование их для оценки функционального состояния человека является актуальным научным направлением, как для теоретических, так и для прикладных исследований.

Целью диссертационной работы является разработка новых эффективных методов обработки радиолокационных сигналов, отраженных от объектов со сложным характером движения, с целью повышения точности измерений малых перемещений фазовым методом, а также разработка методов определения параметров квазихаотических сигналов и методик их использования для оценки функционального состояния человека.

Основные задачи, решаемые в работе:

• Разработка новых эффективных методов обработки отраженного от объекта сигнала с целью повышения точности измерения малых перемещений;

• Использование методов нелинейной динамики для определения фрактальных параметров информативных составляющих фазы отраженного сигнала;

• Исследование возможности применения фрактальных параметров для интегральной оценки функционального состояния человека;

• Разработка математической модели сигнала, отраженного от объекта со сложным характером движения, с учетом его хаотических свойств;

• Проверка адекватности разработанной математической модели реальным характеристикам сигнала, отраженного от объекта со сложным характером движения.

Методы исследования. В настоящей работе для решения поставленных задач использовались методы спектрального анализа, методы теории нелинейной динамики, методы интегральной оценки функционального состояния объекта. Теоретические методы сочетались с исследованиями на основе компьютерного моделирования, а также с экспериментальными методами.

Положения, выносимые на защиту:

• Фазовые методы радиолокационных измерений отраженного сигнала, обеспечивают высокую точность измерения малых перемещений поверхности объектов со сложным характером движения;

• Метод динамической калибровки сигнала, позволяет устранить собственные низкочастотные шумы и тренды постоянной составляющей аналогового тракта измерителя;

• Адаптивный алгоритм скользящего временного окна усреднения, позволяют повысить точность измерения частоты пульсового компонента;

• Метод обработки модуля спектра фазы отраженного сигнала с помощью адаптивной спектральной маски, позволяет повысить точность определения мгновенной частоты ритма сердца при наличии помехи в виде составляющей сигнала, обусловленной дыханием;

• По значениям фрактальных параметров информативных компонент фазы отраженного сигнала можно провести интегральную оценку функционального состояния человека;

• Работоспособность представленной математической модели сигнала, отраженного от объекта со сложным характером движения подтверждена экспериментально.

Научная новизна определяется следующими новыми научными результатами, полученными автором лично:

• Разработан метод повышения точности определения мгновенной частоты по амплитудному спектру ритма сердца с помощью спектральной маски;

• Разработан и экспериментально проверен метод подавления низкочастотных компонент и постоянной составляющей аналогового тракта измерителя с помощью динамической калибровки сигнала;

• Разработан адаптивный алгоритм фильтрации сигнала пульсового компонента;

• Установлен квазихаотический характер фазы сигнала, отраженного от человека;

• Предложен и запатентован способ интегральной оценки функционального состояния человека по фрактальным параметрам фазы отраженного сигнала;

• Предложен и запатентован способ бесконтактной регистрации траектории перемещения центра тяжести человека, находящегося в вертикальной позе;

• Предложен алгоритм математического моделирования сигналов, отраженных от объекта со сложным характером движения, имеющих заданные параметры хаотического компонента.

Практическая значимость. Предложенные алгоритмы повышения точности измерений реализованы в последней версии радиолокационного измерительного комплекса «Пульсар». Этот комплекс, использующий разработанные в диссертации методы и алгоритмы, может применяться для решения многих практически важных задач: диагностика различных заболеваний, оценка работоспособности операторов сложных установок, мониторинг функционального состояния пшютов самолетов в режиме перегрузки, машинистов метро и поездов дальнего следования, разработка аппаратуры антитеррористического применения, измерение и анализ вибраций машин и механизмов, а также в бесконтактных полиграфах.

Результаты использования комплекса «Пульсар» показали его высокую эффективность для экспресс-диагностики функционального состояния при мониторинге больших групп населения. Результаты диссертационной работы

используются для оценки состояния организма детей под влиянием учебных и физических нагрузок в НЦЗД РАМН.

Использование результатов работы. Научные результаты, полученные в диссертационной работе в виде алгоритмов и методов, использовались в госбюджетной НИР №1030093 кафедры РПУ МЭИ «Развитие теоретических основ построения информационно-телекоммуникационных средств обеспечения безопасности энергетических объектов и установок» (раздел 7) в 2010-2011 гг.

Автором выполнен договор с ООО «Коэнергая» по НИОКР «Разработка радиолокационного метода оценки в одном луче функциональных состояний опорно-двигательной системы и сердечно-сосудистой системы человека» (грант УМНИК-2009).

Результаты диссертационной работы использованы НЦЗД РАМН и в учебном процессе НИУ «МЭИ», что подтверждено актами о внедрении.

Апробация работы. Научные доклады, отражающие содержание данной работы, были представлены на следующих научно-технических конференциях: XV, XVI и XVH Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ; 2009, 2010, 2011 гг.); LXTV научная сессия Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова, посвященная Дню Радио, 2009г. По результатам научных исследований был выигран конкурс на получение гранта РФ по программе «УМНИК-2009».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ. Материалы диссертации опубликованы в научных журналах «Вестник МЭИ» и «Медицинская техника», входящих в список ВАК, в двух статьях в журнале «Радиотехнические тетради», в журнале «Наука и технологии в промышленности», в четырех тезисах докладов международных конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92 наименований. Общий объем диссертации составляет 147 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обоснованы актуальность темы диссертации и выбор объекта исследования, сформулированы цель работы, а также задачи, которые необходимо решить для повышения эффективности использования радиолокационного измерителя малых перемещений при неконтактном определении физиологических параметров человека.

В первой главе проведен анализ литературных источников, посвященных устройствам и методам измерения малых и сверхмалых перемещений. Обсуждаются основные свойства и особенности этих методов, а также различные области их применения. Показано, что основным преимуществом радиолокационного зондирования является способность электромагнитных волн распространяться в разнообразных диэлектрических средах и, кроме того, возможно зондирование, когда приёмник и передатчик расположены с одной стороны исследуемого объекта.

Сформулированы цель и основные задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защипу.

Во второй главе проведен анализ изменения фазы отраженного сигнала, соответствующего сложному характеру движения облучаемой площадки на теле человека. Известно, что фаза отраженного сигнала изменяется пропорционально изменению расстояния до антенны радиолокатора. Следовательно, измеряя изменение фазы отраженного сигнала во времени, мы фактически измеряем характер микроперемещений облучаемой площадки.

Для определения изменения фазы предлагается использовать приемник с квадратурными каналами. Обработку сигнала в канале преобразования необходимо проводить, предварительно устранив низкочастотный шум и постоянную составляющую, которые по амплитуде сравнимы с низким уровнем полезного сигнала пульсового компонента. В главе описан метод устранения НЧ-шумов и постоянной составляющей аналогового тракта измерителя с помощью алгоритма обработки парных выборок.

Входной сигнал подается на схему обработки сигнала на промежуточной частоте (рис.1) через электронные ключи.

Д01Ш

Рис. 1. Структурная схема обработки сигнала в канале преобразования (на промежуточной частоте)

Подавление НЧ-шума и постоянной составляющей производится по

следующему алгоритму: при замкнутых ключах осуществляется преобразование в

цифровую форму сигнала, приходящего на вход АЦП (1-ая выборка), затем с

помощью электронных ключей отключается ВЧ-канал. После переходного процесса

длительностью 20мкс, определяемого полосой пропускания сигнального канала,

производится преобразование постоянной составляющей и НЧ-шумов аналогового

тракта (2-ая выборка). Данные 1-ой и 2-ой выборок запоминаются в ОЗУ

контроллера, затем производится вычитание 2-ой выборки из 1-ой, после чего цикл

выборок повторяется с интервалом 500 мкс. На рисунке 2 приведена осциллограмма

переходного процесса в работающей схеме после размыкания электронных ключей.

Рис.2. Осциллограмма

временных соотношений при работе электронного ключа

Поскольку в процедуре парных выборок возможно просачивание входного сигнала в канал преобразования, необходимо уровень этого сигнала максимально возможно уменьшить. Это требование реализуется путем применения двух последовательно включенных электронных ключей (уровень подавления входного сигнала одним ключом составляет около минус 60 дБ на частоте 150 МГц).

Таким образом, реализованный алгоритм парных выборок позволяет устранить в реальном времени в процессе измерения постоянную составляющую и шумовой компонент в квадратурных сигналах, что существенно уменьшает ошибку измерения.

Следует отметить, что регистрация физиологических параметров осложняется тем, что измерения проводятся на фоне мешающих сигналов, параметры которых изменяются во времени. Кроме того, мгновенная частота сигнала пульсового компонента изменяется во времени по физиологическим причинам. Причем, эти изменения имеют важный диагностический смысл. Поэтому в системе измерения и обработки отраженного от человека сигнала необходимо предусматривать адаптивные алгоритмы подавления мешающих сигналов и выделения мгновенной частоты полезного сигнала. В диссертации предложен адаптивный алгоритм измерения мгновенной частоты пульса. В адаптивном алгоритме размер окна усреднения определяется управляющим сигналом, подаваемым на вход 2 блока сглаживания, как показано на рисунке 3.

СД(0+Е/цг(0+Щ0

Рис.3. Адаптивный модуль выделения пульсового компонента

Далее пульсовой компонент подвергается процедуре быстрого преобразования Фурье, в результате которой получается модуль спектра пульсового компонента с глобальным максимумом на частоте основной гармоники пульса. По частоте основной гармоники, вычисляется значение длительности текущего периода пульса Ты, которое определяет текущую длительность окна сглаживания.

Рис. 4. Вид спектра пульсового сигнала, полученного контактным (а) и радиолокационным (б) методами.

Для более точного определения мгновенной частоты пульса предлагается использовать алгоритм спектральной маски (рис.З). Форма маски обусловлена формой модуля спектра реального сигнала пульсового компонента, полученного контактным методом (рис.4-а). Спектр такого сигнала представляет собой набор спектральных составляющих, которые можно описать кривой Гаусса с параметрами, значения которых определяется по результатам эксперимента с контактным датчиком.

При измерении радиолокационным методом спектр пульсового компонента существенно отличается от спектра сигнала, полученного контактным методом, так как основной максимум спектра пульсового компонента, полученного радиолокационным методом, смещен по частотной оси из-за наложения на него четвертой гармоники спектра сигнала дыхания (рис.4-б). Вторая и третья гармоники спектра пульсового компонента не подвержены влиянию гармоник сигнала дыхания. Суть метода заключается в учёте верхних гармоник в спектре пульса.

Для коррекции положения основного максимума спектра на частотной оси используется спектральная маска, которая генерируется в компьютерной программе по алгоритму, использующему нормальный закон распределения для гармоник маски:

-fr-M? -jn-lm]2 -Ап-ЪтГ \

2а} 2ai 2<J2 (1)

М(п, т) = а^-е 1 + а^ ■ е z +aj'e

где п - номер отсчета в маске на частотной шкале; т - номер отсчета частотной шкалы, на котором в данный момент находится максиму первой гармоники маски, а,-и <тг - амплитудный коэффициент и СКО г'-ой гармоники маски, определенные

|

экспериментальным путем.

Данный алгоритм формирует маску, в которой по мере удаления от основной гармоники диапазон исследования расширяется, а его амплитуда уменьшается. Это позволяет учитывать смещённые верхние гармоники.

Алгоритм поиска основной гармоники пульса для каждой маски с максимумом на те-ом отсчете частотной шкалы делает предположение, что именно на этой частоте (соответствующей номеру т) находится основная гармоника пульса и строит для этого случая маску (с текущим номером т). Затем умножает спектр пульсового компонента на сформированную маску:

Nr п

Р(т)= 2]jS(n)-M(n,m)\ (2)

где S(n) - гс-ый отсчет модуля амплитудного спектра пульсового компонента; М(п,т) -п-ый отсчет спектральной маски, максимум первой гармоники которой находится на т-ои отсчете частотной шкалы; N - общее количество отсчетов амплитудного спектра.

Так как номер отсчетов на частотной шкале связан с конкретной частотой в диапазоне поиска основной гармоники пульса, то каждый результат перемножения ; Р(т) также связан с этой определенной частотой. Проанализировав изменение произведения маски на обрабатываемый спектр, в качестве основной гармоники

пульса выбирается та частота, на которой произведение маски и спектра максимально (рис.5).

Рис. 5. Изменение скалярного

2 произведения маски на

обрабатываемый спектр, в зависимости от частоты 1-ой гармоники маски

Обращение частоты, на которой определен максимум, дает нам текущее значение длительности кардиоцикла.

В результате работы алгоритмов, описанных во второй главе, удается выделить из фазы отраженного от человека сигнала информативные составляющие, связанные с ритмом сердца, дыхания, а также с функцией удержания равновесия.

В третьей главе по выделенным из основного сигнала информационным составляющим (траектория движения и ритмограмма сердца) проводится вычисление ряда статистических характеристик, предназначенных для оценки состояния сердечно-сосудистой и опорно-двигательной систем человека, а также некоторых других физиологических параметров. Оценка функционального состояния позволяет прогнозировать возможность расстройств этих жизненной важных функций и способствует совершенствованию ранней диагностики.

Изучение экспериментально полученных ритмограмм сердца и траекторий перемещения центра тяжести (ЦТ) разных людей показало, что в этих процессах присутствует хаотическая составляющая. Спектральный анализ указанных процессов показал, что их частотный спектр имеет спадающий характер и содержит некратные частотные интервалы, в которых мощность спектральных компонентов наиболее ярко выражена. Это говорит о фрактальном характере процессов.

Подходы теории нелинейной динамики дают возможность получить количественные оценки, описывающие исследуемую систему. Такой оценкой служит корреляционная размерность (Ос) ритма сердца или траектории перемещения ЦТ тела человека. Она количественно характеризует систему динамического

13

удерживания ритма сердца и положения ЦТ в необходимых пределах. Как отмечено в работах И. Пригожина, М. Мэки и др., чем выше значение параметра £>с, тем сложная нелинейная система более динамична, пластична и устойчива в целом. Найти корреляционную размерность позволяет процедура Грассбергера-Прокаччиа, в соответствии с которой расстояние рк(п,п') между любой парой точек исследуемого процесса есть величина, равная:

-к, х у1'2

где к - размерность вложения, определяемая как наименьшее число независимых переменных, однозначно определяющее установившееся движение динамической системы; п, п' — элементы выборки.

Алгоритм расчета Вс основан на вычислении корреляционного интеграла С(1), для каждого / равная нормированному количеству пар точек рассматриваемого объекта, расстояние между которыми не превосходит I:

Рк(п,п') =

(3)

о N

С, (/) = lim N Y Н к п£=\

l-pk(n,ri)

(4)

где Н(х) - ступенчатая функция Хевисайда, такая, что Н(х) = 0 для х < 0 и Н(х) = 1 для х > 0; N- общее число элементов в измеряемой последовательности.

Видно, что корреляционный интеграл это нормированное на N2 количество пар точек, расстояние между которыми не превышает /.

Теоретически корреляционная размерность определяется формулой:

D = lim lim fs4)

c /—>07V—»go In/

Аналитически или численно этот двойной предел оценить очень сложно, но геометрически Dc определяется как тангенс угла наклона к графику In C(l) от In I.

Результаты расчетов корреляционного интеграла и корреляционной размерности по результатам измерений группы испытуемых, а также их анализ приведены в тексте диссертации.

Об изменении устойчивости работы функциональной системы сигнализирует изменение еще одного количественного параметра - фрактального параметра /?. В теории самоорганизации сложных систем фраютальный параметр обладает прогностическим смыслом, который отражает степень организованности и динамической устойчивости регуляторных процессов. Оптимальным значением этого параметра для монофрактальных систем, как показано в монографии «Самоорганизованная критичность» (П.Бак и К.Чен), является близость его к единице. Параметр ¡5 вычисляется по начальному участку спектров ритмограммы сердца и траектории ЦТ, который аппроксимируется степенной функцией 5 = / , как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Спектры огибающей ритмограммы сердца и траектории движения ЦТ

Исследование характеристик двух разных систем организма (сердечнососудистой и опорно-двигательной), управляемых из одного центра (центральной нервной системы), позволило автору разработать способ интегральной оценки функционального состояния человека по фрактальному параметру /?. Для нахождения параметра /5 необходимо найти функцию 5 наилучшим образом

аппроксимирующую дискретный спектр мощности фазы отраженного сигнала.

Используя полученные значения фрактальных параметров /? для траекторий ЦТ и ритмограмм сердца, можно построить фазовую плоскость функциональных состояний испытуемых (рис. 7).

Рис. 7.

Фазовая плоскость функциональных состояний человека

На основании полученных экспериментальных данных на фазовой плоскости выделяются три области: нормальных, пограничных и патологических состояний. Откладывая на графике точки с координатами значений фрактального параметра Д делается вывод, в какую функциональную группу входит испытуемый.

Предложенный интегральный метод оценки позволяет отслеживать изменения в функциональном состоянии двух важнейших систем организма: опорно-двигательной и сердечно-сосудистой, и по полученным графическим результатам сделать предварительные заключения о наличии возможных отклонений в здоровье испытуемых.

В четвертой главе описывается возможность математического моделирования сигналов, отраженных от человека, содержащих информацию о ритме сердца и траектории перемещения центра тяжести человека.

Фаза отраженного от человека сигнала содержит информацию о доплеровских составляющих, порожденных движением облучаемой площадки под действием физиологических процессов ритма сердца и движения ЦТ. Ритмограмма сердца и траектория перемещения ЦТ человека являются сложными процессами с колебательными и хаотическими составляющими.

В спектре сигнала выделяют основные частотные диапазоны, которые связаны с регулирующими ритм сердца и функцию равновесия системами.

За основу математической модели сигнала, описывающего ритм сердца и траекторию перемещения ЦТ человека, взято разностное уравнение отображения окружности:

х , = х +г-(К/2л)-Р(2л-х ),шо<1(1)

(6)

где тос1(1) означает, что х е [0,1], К, г - управляющие параметры модели; Р(хГ1) -нелинейная функция, в которую входят основные частоты спектра отраженного сигнала

где / - основные частоты в спектрах ритмограммы сердца или траектории перемещения ЦТ человека, хп- текущий отсчет разностного уравнения (6).

Для исследования устойчивости модели достаточно определить значение старшего показателя Ляпунова, который рассчитывается по формуле:

где N-количество отсчетов в реализации исследуемого процесса, х„-текущий отсчет разностного уравнения (6).

В случае, если значение старшего показателя Ляпунова меньше нуля, процесс будет устойчивым. Показатель Ляпунова является удобной характеристикой, позволяющей однозначно определить тип режима нелинейной системы.

Для оценки адекватности разработанной математической модели, степени её близости к параметрам реальных сигналов проведен ряд экспериментов, с помощью специально созданной установки на базе компьютера и измерительного радиолокационного комплекса «Пульсар». С помощью компьютерной программы проводилось возбуждение вибростенда по заданной математической модели.

При облучении вибростенда радиолокационным сигналом с применением программы измерения и анализа были рассчитаны статистические и спектральные характеристики модельного сигнала.

Таким образом, была получена возможность сравнения параметров модельных и реальных сигналов.

В Заключении перечислены основные новые результаты работы.

п

^(2/7 ■ х„) =.I' зш(2гг • /. • х„)

1=о

(7)

(8)

Публикации по теме работы

1. Тимашева Т.Г., Мизирин A.B., Федоров В.А., Храмцов ПЛ. Радиолокационный комплекс «Пульсар» и возможности его использования в интегральной оценке состояния организма человека // Медицинская техника №2 (260) 2010. с. 13-20

2. Тимашева Т.Г., Анишкин С.А., Борисов A.B., Федоров В.А., Савков H.H. Исследование радиолокационных сигналов, отраженных от биологических объектов // Вестник МЭИ №5 2011г. с. 102-107

3. Тимашева Т.Г., Федоров В.А., Мизирин AB., Храмцов П.И. Устройство для бесконтактной регистрации траектории центра тяжести человека// Патент РФ №2433786 20.11.2011

4. Тимашева Т.Г., Федоров В.А., Мизирин A3., Храмцов ПЛ. Способ интегральной оценки состояния организма человека //Патент РФ №2429786 27.09.2011

5. Тимашева ТТ., Федоров В.А., Мизирин A.B., Храмцов ПЛ. Способ бесконтактной регистрации траектории проекции центра тяжести человека на горизонтальную плоскость, находящегося в вертикальной позе II Патент РФ №24355910.01.2012

6. Тимашева Т.Г. Описание метода выделения частоты ритма сердца при помощи спектральной маски. Часть 1 // Радиотехнические тетради №43 2010г. с. 33-35.

7. Тимашева ТР., Борисов A.B., Федоров В.А. «Радиолокационный измерительный комплекс для дистанционной оценки функционального состояния человека» // Радиотехнические тетради №43,2010г. с. 27-32

8. Тимашева Т.Г., Борисов A.B., Федоров В. А. Радиолокационный измерительный комплекс для дистанционной оценки функционального состояния человека» // Наука и Технологии в промышленности № 4 2010г. стр. 54-62

9. Тимашева Т.Г., Мизирин A.B., Федоров В.А. Применение доплеровского радиолокатора миллиметрового диапазона для точных измерений в медицине // Тезисы докладов 64-ой научной сессии Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова, посвященной ДНЮ РАДИО. РНТОРЭС с. 229-231

10. Тимашева Т.Г. Анализ флуктуаций центра тяжести тела человека с позиции нелинейной динамики // Тезисы докладов ХШ междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательский дом МЭИ, 2007, том 1 с. 316-317

11. Тимашева Т.Г. Интегральная оценка устойчивости функционального состояния по анализу параметров ригмограммы сердца и пространственных параметров положения центра тяжести тела человека // Тезисы докладов XIV междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» М.: Издательский дом МЭИ, 2008, том 1 с.262-264.

12. Тимашева Т.Г. Применение радиолокационного метода регистрации параметров ритма сердца и положения центра тяжести тела человека для оценки его функционального состояния // Тезисы докладов XV междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» М.: Издательский дом МЭИ, 2009, том 1 с. 245-246

13. Тимашева Т.Г. Анализ состояния функции равновесия с использованием методов нелинейной динамики // Тезисы докладов XVI междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» М.: Издательский дом МЭИ, 2010, том 1 с.313-314

14. Тимашева Т.Г., Борисов A.B. Адаптивная обработка сигналов при измерении физиологических параметров человека с помощью доплеровского радиолокатора // Тезисы докладов XVII междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» М.: Издательский дом МЭИ, 2011, том 1с. 314-315

Подписано в печать tf.cjtMlL Зак. Тир. № Щ Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул., д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

04201458095

ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МИЛЛИМЕТРОВЫХ СИГНАЛОВ, ОТРАЖЕННЫХ ОТ ОБЪЕКТА СО СЛОЖНЫМ ХАРАКТЕРОМ ДВИЖЕНИЯ

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

ТИМАШЕВА Татьяна Геннадьевна

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук ГРЕБЕНКО Юрий Александрович

Москва 2014 год

Оглавление

Введение. Выбор объекта исследования.......................................................................4

ГЛАВА I. Обзор литературы по дистанционным датчикам и постановка задач диссертационной работы................................................................................................7

1.1 Аналитический обзор литературы.......................................................................7

1.2 Постановка задачи исследования методов обработки миллиметровых сигналов, отраженных от объекта со сложным характером движения...............38

ГЛАВА II. Разработка структур и алгоритмов обработки сигнала для повышения точности измерения параметров объекта...................................................................40

2.1 Принцип работы доплеровского радиолокационного комплекса..................40

2.2 Обработка отраженного сигнала.......................................................................44

2.3 Основные задачи и принципы построения формирователя квадратур.........50

2.4 Разрешающая способность радиолокационного датчика с фазовой обработкой сигналов.................................................................................................58

2.5 Спектральная обработка отраженного сигнала...............................................63

2.6 Метод спектральной маски................................................................................74

Выводы........................................................................................................................80

ГЛАВА III. Фрактальные методы в обработке радиосигналов, отраженных от биологических объектов...............................................................................................81

3.1 Хаос и фракталы в динамике радиосигнала, отраженного от биологического объекта........................................................................................................................81

3.2 Экспериментальное исследование сигналов, отраженных от биообъектов. 84

3.3 Корреляционный интеграл и корреляционная размерность...........................87

3.4 Спектральный показатель и интегральная оценка функционального состояния....................................................................................................................97

3.5 Анализ показателя стабильности функции равновесия................................103

3.6 Статистический и спектральный анализ ритма сердца.................................110

Выводы.....................................................................................................................113

ГЛАВА IV. Математическое моделирование сигналов, отраженных от биообъекта .......................................................................................................................................114

4.1 Предпосылки разработки математической модели сигнала, отраженного от

биообъекта...............................................................................................................114

4.2 Математическое моделирование ритмограммы сердца................................117

4.3 Математическое моделирование сигнала движения центра тяжести.........125

4.4 Анализ устойчивости модели отраженного сигнала по Ляпунову..............128

4.5 Проверка соответствия разработанных математических моделей результатам эксперимента......................................................................................131

4.5.1 Проверка модели пульсограммы..................................................................132

4.5.2 Проверка модели траектории ЦТ.................................................................134

Выводы.....................................................................................................................137

Заключение..................................................................................................................138

Список сокращений и обозначений..........................................................................140

Список литературы.....................................................................................................141

Введение. Выбор объекта исследования

Современные радиолокаторы ближнего действия, как правило, не используются для исследования объектов, характеризующихся хаотической динамикой. Однако, в реальной жизни к таким объектам можно отнести огромное количество явлений и процессов. Это могут быть сложные вибрационные процессы, возникающие при определенных условиях эксплуатации высотных зданий и длинных мостов (например, недавний случай «танцующего» моста через Волгу); при обработке отраженных радиосигналов в условиях сложных помех; в случаях постановки хаотической помехи на работающий ближний радиолокатор; при радиолокационном изучении живых организмов и др.

Актуальность задачи исследования таких объектов в усложненных случаях определяется не только сложным характером движения исследуемых объектов, но в значительной степени недостаточной проработанностью (а иногда и невозможностью использования) контактных измерительных средств, и, тем более, дистанционных методов и средств получения информации о состоянии объекта.

Применяемые для этих целей методы, работающие в сложных помеховых условиях, должны привлекать в большинстве случаев теорию динамического хаоса, развиваемую в самое последнее время. В этой связи, особый интерес может быть проявлен к радиотехническим приложениям нетрадиционной хаотической динамики [1].

В современных публикациях, посвященных системам ближней радиолокации, практически отсутствуют те, в которых объектом исследования является человек.

Дистанционная оценка функционального состояния человека особенно важна во многих прикладных задачах, например, при контроле работоспособности операторов атомных электростанций, диспетчеров авиалиний и во многих других областях деятельности человека.

Поставленная задача актуальна также и для медицинской практики, независимо от специфики той или иной области ее интересов, так как диагностика

состояния организма человека является определяющим шагом в списке последующих действий.

Учитывая возрастающую угрозу терроризма в современном мире, обнаружение и распознавание малозаметных объектов, процессов и явлений становится исключительно актуальной проблемой. Злоумышленника обнаружить и распознать трудно - он имеет естественную и искусственную маскировки, кроме того, он замаскирован своим особым психологическим состоянием. Но это напряженное состояние одновременно может являться и демаскирующим фактором, если в качестве индикаторной системы применяется радиолокационный комплекс с заложенной в нем функцией оценки стресс-фактора человека (такими функциями наделен измерительный комплекс «Пульсар», разработанный на кафедре РПУ НИУ МЭИ).

Таким образом, дистанционные радиолокационные средства и методы измерения физиологических параметров человека могут найти широкое применение как в клинической практике, так и в других областях жизни современного общества, особенно радиолокационные средства, способные обнаружить и осуществить диагностику состояния человека за препятствиями и в условиях плохой видимости. При этом радиолокаторы миллиметрового диапазона, применяемые для регистрации микроперемещений облучаемой поверхности объекта должны обладать высокоточными эксплуатационными характеристиками. Их потенциальными потребителями являются: службы спасения, антитеррористические подразделения и правоохранительные органы. Наиболее перспективно применение их в медицинских и биологических исследованиях, не оказывающих негативного воздействия при лечении и контроле состояния пациентов.

В связи с этим, цель настоящей диссертации заключается в исследовании радиолокационных средств и методов обработки отраженных от человека сигналов для повышения точности измерения малых перемещений в площадке облучения, использование этих методов для изучения функциональных состояний

объекта и дальнейшее улучшение эффективности применения указанных средств в конкретных приложениях.

Технические приемы, разработанные автором в процессе научных исследований доплеровских радиолокаторов с целью повышения точности и надежности измерений, приведены в диссертации и публикациях автора.

Автор выражает глубокую благодарность постоянному научному консультанту в студенческие и аспирантские годы старшему научному сотруднику кафедры Радиоприемных устройств НИУ МЭИ Виктору Александровичу Федорову, главному разработчику комплекса «Пульсар», за фактическое руководство научными исследованиями и реальную помощь, а также коллегам с кафедры Радиоприемных устройств НИУ МЭИ и из Научного Центра Здоровья Детей.

ГЛАВА I. Обзор литературы по дистанционным датчикам и постановка задач диссертационной работы

1.1 Аналитический обзор литературы

Потребность в преобразователях неэлектрических величин в электрический сигнал или просто датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости.

Для зондирования непрозрачных твердых сред - грунтов, строительных материалов и конструкций зданий используются ультразвуковые и рентгеновские аппараты. Они уже нашли широкий ряд применений: от систем безопасности до медицинских диагностических приборов. Однако, область применения ультразвуковых приборов ограничена зондированием сплошных сред с минимальным количеством включений и разрывов. Недостатком же рентгеновских аппаратов является необходимость двухстороннего подхода к зондируемому объекту, что не всегда возможно. Кроме того, применение их опасно для персонала. Рентгеновские приборы широко применяются в медицине, в системах безопасности аэропортов для обследования багажа и неразрушающем контроле в промышленности в случаях, когда двухсторонний доступ к обследуемым деталям технологически возможен.

Для бесконтактного измерения расстояния между объектами используются различные дальномеры, в том числе лазерные. Они позволяют производить бесконтактное измерение расстояний внутри помещений и на местности при дальностях от 0,05 до 300 м с достаточно высокой точностью (до 1,5 мм). Большинство моделей лазерных дальномеров небольшие по своим размерам и легко умещаются на руке. Лазерный дальномер не только позволяет измерить

расстояние, но и вычислить длину периметра, рассчитать площадь, а некоторые модели позволяют определить высоту объекта. Основным недостатком лазерных дальномеров является то, что их излучение опасно для глаз. Также лазерные дальномеры не позволяют измерить расстояния до водной поверхности.

Лазерные локаторы используются также как средства топографического картографирования. Использование лазерно-локационных методов съемки предполагает получение геопространственных данных двух основных видов: данных лазерно-локационной съемки и цифровых аэрофотоснимков. Лазерно-локационный метод при создании и обновлении топографических карт и планов существенно превосходит традиционные, он обеспечивает определение геодезических плановых координат наземных контурных и точечных объектов, а также координат по высоте на уровне 10 - 20 см [2,3].

Цикл работ научного коллектива под руководством профессора УсановаД.А. [4] посвящен лазерным методам измерения малых и сверхмалых перемещений. Суть метода состоит в расширении диапазона измеряемых значений и увеличения точности измерений. Для этого лазерное излучение направляют в зону колебаний объекта и на опорное зеркало через делитель, из отраженных от них лучей формируют интерференционную картину, преобразуют ее в электрический сигнал и снимают его спектр, по выбранным значениям амплитуд гармоник которого судят о величине колебаний. В спектре сигнала регистрируют гармонику с максимальной амплитудой, определяют ее частоту, по которой судят об амплитуде колебаний объекта. Идея когерентной обработки сигналов в оптическом диапазоне и фазовой обработки в радиодиапазоне одна и та же, но конечно, в оптическом диапазоне можно получить существенно большие точности при измерении. Однако в радиодиапазоне измерения можно проводить через одежду, чего не позволяет лазерная локация, и при хорошо спроектированном радиолокационном измерителе в миллиметровом диапазоне можно получить разрешение по пространству в единицы микрометра.

Основным преимуществом радиолокационного зондирования является способность электромагнитных волн распространяться в разнообразных диэлектрических средах с высокой степенью неоднородности и, кроме того,

возможно зондирование «на отражение», т.е. когда приёмник и передатчик расположены с одной стороны исследуемого объекта.

В течение длительного времени радиолокаторы этого типа разрабатывались с целью обнаружения только неподвижных объектов, как правило, в грунтах. Основными областями применения этих радиолокаторов являются:

- зондирование грунтов для обнаружения подземных коммуникаций (труб, кабелей и т.д.);

- обследование участков местности с целью обнаружения взрывоопасных предметов;

- зондирование строительных конструкций для обнаружения закладных деталей, дефектов и скрытых объектов (например, подслушивающих устройств).

В дальнейшем датчики измерительных радиолокационных систем нашли свое применение для непрерывного бесконтактного измерения уровня заполнения крупногабаритных емкостей, причем, как в автономном режиме, так и в составе автоматизированной системы управления. В этом направлении известны разработки, проведенные сотрудниками кафедры Радиоприемных устройств НИУМЭИ (A.B. Хрюнов, А.Е. Ханамиров, Е.Е. Осипов и др.) -радиолокационный датчик уровня золы в бункере тепловой электростанции. С помощью таких датчиков могут контролироваться заполнение емкостей следующими средами:

- вода, кислоты, щелочные растворы, бетонные смеси;

- порошки гипса, фосфатов, цемента, асбеста, извести;

- песок, галька, щебень, крупные фракции конгломератов руд;

- расплавленный и застывший металл, шлак и металлолом;

- хлебопродукты, зерно, комбикорм.

Допускается применение датчиков при наличии в емкостях пыли и тумана (испарений), запыленности поверхности, при наличии в емкостях перемешивающих агрегатов (мешалок).

Такие датчики уровней, выполненные с высоким уровнем взрывозащиты, предназначены для установки во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок.

Также на основе радиолокационных датчиков в рамках европейского проекта APROSYS (Advanced Protection Systems) [5] специалисты из института Фраунгофера (Германия) совместно с коллегами из других университетов изобрели интеллектуальную систему защиты водителя и пассажиров легковых автомобилей. В основе работы данной программы лежит непрерывный анализ данных с фотокамер и радиолокационных датчиков. Программное обеспечение может прогнозировать боковое столкновение ранее, чем за 200 мс до аварии. В случае опасности столкновения подается сигнал, который приводит к укреплению корпуса автомобиля и корректировки его технических свойств, способной «поглотить» энергию удара.

Радиолокационные датчики входят в состав автоматизированной радиолокационной системы контроля интенсивности дорожного движения (АСКТ-1), предназначенного для контроля и учета интенсивности движения автотранспорта по дорогам федерального и подобного значения с классификацией по видам транспорта, с запоминанием и усреднением результатов [6]. Это изделие разработано по заказу Красноярского Управления дорог (КрУДор) и основано на радиолокационном доплеровском принципе. Другие, применяемые в мировой практике, системы контроля интенсивности движения транспорта по автомагистралям в климатических условиях Сибири и Дальнего Востока с учетом специфики эксплуатации дорог и их ремонта не обладают необходимой надежностью и качеством. В частности, системы, использующие укладку под дорожным полотном индукционных петель, часто выходят из строя по причине механического повреждения проводов петли при ремонтных работах. Поскольку радиолокационные датчики системы АСКТ-1 располагаются над дорожным полотном, то их разрушение при ремонте исключается, а использование электромагнитного СВЧ излучения дает возможность более качественной классификации транспорта по типам.

Одним из важных направлений применения гражданских радиолокаторов, основанных на доплеровском принципе, можно считать мониторинг вибрационных нагрузок на различные объекты, например, высотные здания, длинные мосты, энергетические установки. Он позволяет в реальном времени отслеживать изменение состояния исследуемого объекта и своевременно реагировать на различные аварийные ситуации.

З�