Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

1

Предисловие

Радиолокация биологических объектов является интенсивно развивающимся направлением ра-

диотехники. Использование радиолокаторов для обнаружения живых людей, находящихся за прегра-

дами, и дистанционное определение параметров их дыхания и сердцебиения может найти примене-

ние в различных областях: спасательных операциях, антитеррористической борьбе, медицине и дру-

гих. Наиболее широко для решения этих задач в настоящее время используются импульсные радио-

локаторы со сверхширокополосным сигналом, а также локаторы с непрерывным излучением, в част-

ности со ступенчатым изменением частоты. Исследования в этой области в нашей стране и за рубе-

жом направлены не только на создание новых типов аппаратуры, но и на решение ряда теоретических задач. Для достижения наилучших характеристик радиолокационных комплексов, требуется разра-

ботка адекватных моделей радиолокационных сигналов, которые должны быть построены на физиче-

ских моделях взаимодействия радиоволн с объектами, формирующими зондируемую сцену. Постро-

ение этих моделей позволит разработать алгоритмы оптимальной обработки сигнала, которые дадут возможность извлекать больше информации о зондируемом объекте (классификация целей), а также о характеристиках его движения. С помощью этих моделей будет возможным формулировка требо-

ваний к аппаратным средствам радиолокаторов. Важно также определить наиболее перспективные направления приложения рассматриваемой технологии, так как не все из описываемых в настоящей книге задач могут по тем или иным причинам иметь адекватное решение. Появление биорадиолока-

ционных средств следующего поколения, с улучшенными потребительскими характеристиками и бо-

лее совершенным математическим обеспечением, можно ожидать уже в ближайшие несколько лет.

Книга состоит из разделов написанных различными авторами, активно работающими в настоя-

щее время в рассматриваемой области. Разделы объединены в главы, включающие близкий по со-

держанию материал. Общий список литературы приведен в конце книги.

Книга «Биорадиолокация» адресована научным работникам, аспирантам и студентам старших курсов, работающих в данной области или интересующихся возможностью использования описыва-

емых в ней эффектов.

А.С. Бугаев, С.И. Ивашов, И.Я. Иммореев

2

1. Введение

Бугаев А.С., Ивашов С.И.

1.1. Общие сведения о биорадиолокации

При радиолокационном зондировании в слабопоглощающих и прозрачных средах традицион-

ными объектами локации до недавнего времени являлись в основном неживые объекты (цели), что определялось спецификой использования радиолокационных устройств. К областям применения традиционной радиолокации можно отнести обнаружение и определение координат, а также пара-

метров перемещения:

аэродинамических целей (самолеты, крылатые ракеты и т.д.);

баллистических и космических объектов (боеголовки и спутники);

наземных и надводных объектов (наземные транспортные средства и боевые машины, ко-

рабли).

Другим направлением радиолокации, бурно развивающимся в последние десятилетия, является подповерхностная радиолокация. Ее назначением является зондирование конденсированных сред,

характеризующихся высоким поглощением и дисперсией электромагнитных волн [78, 150, 23]. Под-

поверхностная радиолокация характеризуется разнообразными применениями, перечислим некото-

рые их них:

зондирование грунтов с целью выявления их глубинной структуры и неоднородностей

(уровня грунтовых вод, различного рода природных включений, расположения и состояния техни-

ческих конструкций и коммуникаций);

обследование местности с целью обнаружения взрывоопасных предметов, например,

мин;

зондирование строительных конструкций для выявления их внутренней структуры,

например, мест залегания деталей арматуры, строительных дефектов;

неразрушающий контроль промышленных изделий.

В настоящее время существует большое количество серийно выпускаемых радиолокаторов,

предназначенных для решения перечисленных задач.

3

В последнее время в связи с удешевлением вычислительных ресурсов, необходимых для обра-

ботки сигнала, а также миниатюризацией СВЧ устройств наблюдается интерес к использованию ра-

диолокаторов в задачах, когда отражающим объектом является тело человека в целом или отдельные его части и внутренние органы. Обнаружение людей за непрозрачными препятствиями (стенами до-

мов, лиственным покровом) стало актуальным в последнее время в связи с возрастанием террори-

стической угрозы и некоторыми другими специальными приложениями в военной области [228, 229]. В других случаях рассматривается возможность обнаружения и дистанционной диагностики неподвижных людей, в том числе за препятствием, по колебаниям их внутренних органов. Возмож-

ным использованием этого эффекта является обнаружение живых людей под завалами строительных конструкций, образовавшихся в результате природных или техногенных катастроф, и различные ме-

дицинские приложения в тех случаях, когда необходим дистанционный контроль за состоянием па-

циента.

Первопричиной наличия биометрической информации в отраженном радиосигнале являются сокращения сердца, сосудов, легких и других внутренних органов человека, а также артикуляция

(одновременная работа активных произносительных органов: голосовых связок, языка, губ, небной занавески). Эти процессы носят квазипериодический характер и вызывают модуляцию отраженного радиолокационного сигнала. Можно выделить четыре группы биомеханических движений, которые отличаются как по частотному диапазону, так и по амплитуде. К ним относятся:

сокращения сердечной мышцы (частоты в диапазоне 0.8 - 2.5 Гц, амплитуды колебаний на грудной клетке 0.1 мм [212]);

колебания грудной клетки человека при дыхании (частоты в диапазоне 0.2 - 0.5 Гц, ам-

плитуды колебаний грудной клетки в зависимости от типа дыхания 0.5-1.5 см);

движение органов речи человека (частота основного тона колебаний голосовых связок около 100 Гц);

движение других частей тела человека (рук, ног и т.д.).

Конкретные значения этих частот и амплитуд перемещений определяются физической актив-

ностью и состоянием испытуемого. Наиболее сложным представляются процессы артикуляции, т.к.

в них участвуют сразу несколько различных органов тела человека, обладающих своими собствен-

ными характеристиками. Изучение процессов артикуляции при произнесении звуков может быть

4

использовано при дистанционном распознавании речи без использования акустических устройств, в

том числе при расположении объекта измерения за препятствиями, например за стенами зданий

[214].

Будем называть метод дистанционного обнаружения и диагностики людей, в том числе за оп-

тически непрозрачными препятствиями, основанный на модуляции радиолокационного сигнала ко-

лебательными движениями и перемещениями органов человека биорадиолокацией.

При селекции проникающего сигнала передатчика и сигналов, отражённых от неподвижных объектов, можно добиться высокой чувствительности при обнаружении объектов, границы которых подвержены механическим колебаниям. По имеющимся в литературе данным, чувствительность ра-

диочастотного зондирования к величине перемещения обнаруживаемого объекта в гигагерцовом диапазоне волн потенциально может достигать 10-9 м [210]. При обнаружении человека как живого объекта задача наиболее просто решается с помощью радиолокаторов малой дальности, работающих

снепрерывными немодулированными сигналами в частотном диапазоне 1 - 10 ГГц [67].

Вкачестве задач, где применение биорадиолокации может быть перспективным, укажем сле-

дующие:

обнаружение людей, находящихся под завалами в результате землетрясений, техноген-

ных катастроф, схода лавин, когда скорейшее определение мест погребения живых людей очень

важно;

антитеррористические операции, а также при ведении боя в условиях города для обна-

ружения и слежения за людьми, находящимися за непрозрачными препятствиями, такими как стены или междуэтажные перекрытия, и в условиях плохой видимости;

дистанционное обнаружение раненых при боевых действиях по их дыханию (у погибших дыхание отсутствует) для снижения риска медицинского персонала при эвакуации под огнем про-

тивника;

дистанционное обнаружение скрытого под одеждой человека огнестрельного или холодно-

го оружия;

контроль охраняемых территорий от вторжения посторонних лиц;

при досмотре транспортных контейнеров с целью выявления лиц, нелегально пересекаю-

щих границу;

5

дистанционное определение эмоционального состояния человека с целью выявления по-

тенциально опасных лиц, например, при предпосадочном досмотре в аэропортах;

разработка дистанционного детектора лжи;

контроль состояния оператора сложных машинных комплексов;

регистрация речевых сигналов человека за препятствиями без использования традицион-

ных акустических микрофонов;

мониторинг пульса и дыхания пациента, в случае, когда применение контактных сенсоров невозможно или затруднено;

слежение за состоянием и диагностика внутренних органов человека;

дистанционное слежение за состоянием плода в период беременности вместо существую-

щих мониторов, использующих ультразвук с контактными датчиками;

измерение эластичности кровеносных сосудов путем измерения скорости распространения импульса кровяного давления при сердечном сокращении, что поможет определить предрасполо-

женность пациента к сердечно-сосудистым заболеваниям.

Вышеперечисленные направления являются только потенциальными областями применения биорадиолокации и потребуются дальнейшие исследования для определения их практической реали-

зуемости.

6

Ивашов С.И., Журавлев А.В.

1.2. Обзор разработок в области биорадиолокации

1.2.1. Введение.

Большое количество возможных применений, широкий круг задач, требующих решения, при-

водят к спросу на технологии, основанные на радиолокации биообъектов. В настоящее время наблюдается интерес правительственных и частных организаций к биорадиолокации, что приводит к финансовой поддержке работ данного направления в нашей стране и за рубежом. Особенно интерес к подобным системам возрос за последние годы в связи с возрастающей угрозой терроризма и необ-

ходимостью принять превентивные меры для защиты гражданских и военных объектов. В данном разделе приведены сведения, появившиеся в открытых источниках и касающиеся различных прило-

жений биорадиолокации. Остановимся в основном на зарубежных исследованиях, т.к. отечествен-

ным разработкам и исследованиям в странах СНГ посвящены последующие разделы книги, напи-

санные непосредственными участниками работ. Исключение составляет материал, помещенный в конце раздела и описывающий радиолокатор РАДАР-01 разработки НПП «ПЛИС-ЛТД», Россия.

В описываемых зарубежных радиолокационных системах применяются различные методы мо-

дуляции радиолокационного сигнала: линейная частотная модуляция, ступенчатая модуляция, когда частота излучаемого сигнала изменяется по ступенчатому закону, импульсные системы, при кото-

рых длительность импульса может достигать 10-9 с или, может быть, даже короче. В простейшем случае биорадиолокатор может излучать непрерывный монохроматический сигнал. В следующей главе будет описано такое устройство и показано, что оно может быть достаточно информативно.

Определенный интерес представляют и пассивные радиолокационные системы (радиометры),

которые работают, как правило, в миллиметровом диапазоне длин волн. К их преимуществам отно-

сится отсутствие собственного излучения. С другой стороны, миллиметровые волны относительно легко поглощаются даже во влажной одежде, что в значительной степени сдерживает применение этого метода.

1.2.2. Разработка фирмы Wylam Defence Systems, Великобритания.

Одно из первых сообщений, появившихся в открытой печати [178], касалось попыток исполь-

зования радиолокатора Portaguard, Великобритания, предназначенного для обзора на открытой мест-

7

ности и обнаружения передвигающихся на ней людей, для целей антитеррористической борьбы,

включая обнаружения людей внутри закрытых помещений, рис. 1.1.

Рис. 1.1. Обследование помещения радиолокатором Portaguard в ходе антитеррористи-

ческого мероприятия.

Параметры обнаружения для радиолокатора Portaguard приведены в табл. 1.1. Из приведенных в данной Таблице сведений следует, что данный радиолокатор обладает весьма низкой чувствитель-

ностью, позволяющей обнаруживать людей за препятствиями с толщиной не превышающей 5 см, а в растительности возможно обнаружение людей только в безветренную погоду.

Таблица 1.1

	Материал	Толщина	Дальность
Цель
	препятствия	препятствия, мм	обнаружения, м
Человек			100-200
	Открытая местность
Транспортное
			600
средство

8

	Дерево	50		10-30
	Гипсокартон	15		15-50
	Стекло	5		15-75
	Кирпич	50		0-5
Человек
	Редкая растительность в
				10-50
	безветренную погоду
	Густая растительность в
				0-15
	безветренную погоду
Также приводятся следующие параметры локатора Portaguard:
рабочая частота			10 ГГц
излучаемая мощность			10 мВт
габариты			275 110 60 мм
вес			0,9 кг
напряжение источника питания			12 В
потребляемый ток			120 мА

Данный локатор представлял собой простейший допплеровский монохроматический детектор.

Результат измерения представлялся в виде звукового сигнала, определение дальности до объекта обнаружения и его угловых координат не производилось. Очевидно, что прибор с такими парамет-

рами вряд ли мог удовлетворить требованиям, возникающим при проведении антитеррористических операций. Приборы следующего поколения должны быть более сложными как в части их устрой-

ства, так и по параметрам обработки сигналов и методам их отображения.

1.2.3. Совместный проект лаборатории ВМС США и Национального института юстиции.

Одно из первых сообщений 1999 года касалось Исследовательской лаборатории ВМС США

(US Air Force Research Laboratory), которая совместно с Национальным институтом юстиции

(National Institute of Justice) начали совместную программу, направленную на поиск и развитие тех-

нологий, позволяющих обнаруживать скрываемое под одеждой оружие и вести наблюдение за людьми через стену [194]. Оба учреждения предполагали потратить на программу 15 млн. долларов.

По их мнению, интерес будут представлять не только краткосрочные проекты длительностью до 2

9

лет, но и продолжительные - до 5-6 лет. Предполагалось, что выполнение всех контрактов приведет к разработке действующих прототипов.

Основные требования, предъявляемые к технологии - невысокая стоимость изделия, портатив-

ность (один человек должен быть способен переносить устройство), способность обнаруживать жи-

вых людей на расстоянии до 30 м за стеной. Дистанция, с которой должно быть возможным обнару-

жение скрываемого под одеждой оружия, должна быть не менее 10 м.

Для разработки технологии, позволяющей вести зондирование сквозь стены зданий и сооруже-

ний, требовалось исследовать влияние на параметры обнаружения таких факторов, как отражение от поверхности и поглощение электромагнитных волн в материалах строительных конструкций раз-

личного типа. Особое влияние должно было уделяться этим эффектам в железобетонных строитель-

ных конструкциях. Такие характеристики как движение, сердцебиение, дыхание, способность изда-

вать звуки, присущие живым организмам, представляли особенный интерес для исследования.

К потенциальным технологиям, которые должны были быть исследованы, были отнесены ра-

диолокаторы, в том числе способные строить изображение обследуемой сцены, акустические прибо-

ры, миллиметровые радиометры и рентгеновские системы, основанные на обратном рассеянии с не-

большой дозой облучения. Предлагается рассмотреть возможность использования носимых персо-

налом маркеров для опознавания их датчиком при зондировании сквозь стену.

1.2.4. Программа Лаборатории защиты персонала в бою ВВС США.

Лаборатория защиты персонала в бою ВВС США обратилась к правительству, промышленно-

сти, академическим учреждениям за поддержкой своей программы создания радара военного назна-

чения TRASR для оценки боевой обстановки и наблюдения [179]. Лаборатория пытается разработать технологии, которые позволят обнаруживать людей сквозь стены и при низком освещении или пло-

хих погодных условиях. Устройство должно быть достаточно компактным, чтобы его можно было держать в руке, способным проникать своим излучением в строительные материалы, например в усиленную кирпичную кладку или железобетон, на глубину не менее 20 см и обнаруживать движе-

ние и физиологические признаки жизни на расстоянии 15 м в городской обстановке и 60 м на откры-

той местности.

1.2.5. Конкурс Американского агентства перспективных оборонных исследований

DARPA.

10

Американским агентством перспективных оборонных исследований (DARPA) МО США с 1

декабря 2003 года по 15 января 2004 года проводился конкурс на финансирование технологий, спо-

собных осуществлять зондировать через стены зданий (Through-Wall Sensing, в дальнейшем TWS),

для применения в сухопутных войсках [228]. Целью данного конкурса являлась разработка и изго-

товление недорогого, компактного, переносимого одним человеком прибора, способного обнаружи-

вать людей и следить за их перемещением, находясь при этом вне занимаемого ими здания или по-

мещения. Сенсор должен удовлетворять требованиям применения спешившейся пехотой и быть спо-

собен обнаруживать признаки жизнедеятельности человека через материалы, обычно используемые в строительные, а также иметь низкую вероятность ложной тревоги.

Описание, приведенное в объявлении конкурса, поясняет необходимость появления TWS -

сенсоров. В нем сообщается, что в последнее время все чаще городская среда становится территори-

ей вооруженных конфликтов. Министерство обороны США особенно обеспокоено обеспечением безопасности пешей пехоты при проведении военных операций в таком окружении. В результате министерство заинтересовано в предоставлении технологических решений, призванных значительно улучшить боеспособность пехоты при проведении боевых операций в условиях города. Одно из та-

ких потенциальных технологических решений - технология радиолокационного зондирования сквозь стены зданий. Сенсор TWS - система, позволяющая пользователю обнаруживать наличие людей че-

рез дверь или стену с использованием радиолокационных средств. Несколько вариантов такой си-

стемы уже разработаны для определения положения человека, находящегося внутри помещения, при зондировании, которое проводилось извне данного помещения.

Способность TWS - системы обнаруживать дыхание, дает возможность использовать систему для поиска раненых, остающихся без сознания на поле боя. Система TWS может быть также исполь-

зована для обнаружения людей, скрывающихся в тайниках внутри зданий. По меньшей мере, первое поколение приборов, предназначенных для этих целей, уже доступно на рынке. Существует некото-

рое количество экспериментальных образцов, которые уже были протестированы с разными резуль-

татами. Все из имеющихся в настоящее время систем способны функционировать только при фикси-

рованном расположении на промежуточной стене или располагаться на штативе. В условиях ведения боя, необходимость непосредственного расположения датчика на стене может подвергнуть операто-

ра радиолокатора опасности.