СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ (СШП) РАДАР ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА И.Я. Иммореев, доктор тех. наук, профессор, С.В. Самков, аспирант Московский авиационный институт, immoreev@aha.ru, ru3dkw@mail.ru 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