ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЮДЕЙ НАХОДЯЩИХСЯ ЗА ПРЕГРАДОЙ

Аннотация. Рассмотрено применение распознавания людей и живых организмов при помощи сверхширокополосных сигналов. Рассмотрены актуальные алгоритмы расчета и использование для радиолокации сверхширокополосных (СШП) сигналов является актуальным применением в различных областях. Произведен обзор сверхширокополосных систем и их производителей.

Ключевые слова: сверхширокополосных сигнал (СШП), OFDM-сигнал, биорадиолокация, зондирование.

Введение

На сегодняшний день наиболее быстро прогрессирующим направлением является использование сверхширокополосных сигналов (СШП) и дальнейшее их применение в радиоэлектронике. Важно отметить, прогресс в данном направлении широко раскрывает возможности применения данной технологии в различных сферах деятельности человека. Создание систем, использующих СШП сигнал имеет одно из больших превосходств над другими системами, главными из которых являются стабильность сигнала к подавлению, невозможность обнаружения и дальнейшего декодирования сигнала в случае перехвата. Обычные радиосистемы распознают СШП сигнал как помехи.

Задачи и требования, возникающие при разработке систем, использующих СШП сигнал, требуют применения различных, новых алгоритмов и методов расчета формирования подобного рода сигналов.

Формирование СШП сигналов.

Сверхширокополосный сигнал (СШП) – радиосигнал, имеющий сверх большую полосу пропускания частот. Формирование данного типа сигнала можно представить как: OFDM-сигналами, сигналами с ЛЧМ-модуляцией, сверхкороткими (ультракороткими) импульсами, хаотическими радиоимпульсами. Рассмотрим пример формирования СШП сигнала OFDM – сигналом.

Сигналы с ортогонально-частотным мультиплексированием (OFDM) формируются некоторым количеством гармоник , разделенные на равные промежутки по частоте . Между собой несущие ортогональны на равном отрезке импульса  который рассчитывается по формуле:

                                                              (1)

Основная часть OFDM-сигналов имеет характерную большую изменчивость по амплитуде и большой пик-фактор.

Рисунок 1. а) огибающая спектра OFDM сигнала; б) спектральные составляющие спектра OFDM сигнала

При большом количестве несущих формируется спектр группового сигнала, форма которого очень близка к прямоугольной. Данный факт позволяет получить высокую эффективность использования частотного спектра. [1].

СШП радиолокация человека.

В процессе радиолокации живых организмов уместно использовать радары с достаточно малой дальностью с использованием зондирующего СШП сигнала. Таким  сигналом  может  быть сигнал имеющий такие показатели минимальной и максимальной частоты ГГц,  ГГц. Разрешающая способность дальности используемого радара:

                                                  (2)

Радиосигналы, отраженные от человека, приобретают определенную   биометрическую модуляцию, причиной которого служат квазипериодические процессы в биообъекте (сокращение  сердца, сосудов, легких, колебания желудка, гортании  т.  д.). Такие процессы  имеют соответственные частоты  Гц. Также  соответствует следующая амплитуда доплеровского смещения частоты на частоте     :

                                                        (3)

где  – амплитуда колебаний органа человека. Основными преимуществами применения такого рода зондирующих СШП сигналов являются возможность измерения дальности до биообъекта с приемлемым разрешением. К одному из недостатков СШП радаров, следует отнести наличие так называемых “пораженных” дальностей. [2]

Производители СШП устройств

1. Научно-исследовательский Центр сверхширокополосных технологий Московского авиационного института (НИЦ СШП МАИ).

Данный центр занимается разработкой систем охраны территории, системами точного определения работников и персонала и оборудования, разработка радаров для обнаружения людей находящихся за неоптическими преградами, дистанционного мониторинга психофизических показателей человека, а также мониторинг органов дыхания и пульса.

2. ООО Смоленский научно-инновационный центр радиоэлектронных систем "ЗАВАНТ”.

Данный центр занимается разработкой сверхширокополосной радиолинии для высококачественной передачи данных, измерительных комплексов для исследования отражений СШП сигналов, разработка СШП радиолокационных измерителей дальности, разработкой СШП антенн.

3. ООО “НаноХаос”.

Данная организация занимается разработкой малогабаритных сверхширокополосных приемопередатчиков для беспроводных систем связи, приемопередатчиков для беспроводных сенсорных систем, разработкой активных радиометок, беспроводных сенсорных сетей на основе СШП сигналов.

4. НПП "ТРИМ".

Данное предприятие занимается разработкой цифровых стробоскопических регистраторов на основе СШП сигнала, осциллографов и измерителей на основе СШП, разработкой генераторов сверхкоротких видео и радиоимпульсов, СШП антенн, разработкой автоматизированных комплексов для измерения параметров антенн.

5. ОАО "Конструкторское бюро опытных работ".

Данная организация занимается разработкой измерителей толщины льда на основе СШП, приборов мониторинга дорожного покрытия, приборов для обнаружения движения за неоптическими преградами, разработкой поисковых георадаров, СШП антенн, разработкой СШП модулей.

6.  ООО "НаноПульс".

Данная организация ведет разработку мониторов для детских инкубаторов на основе СШП, детекторов пневмоторакса, измерителей скорости пульсовой волны.

Основные сведения и особенности СШП сигналов и его применение

Беспроводной сверхширокополосный сигнал радиоприем. Основной особенностью, которые имеют системы связи на основе СШП сигналов, является высокая электромагнитная совместимость с существующими системами связи. Малые уровни сигналов, использование кодирования и шумоподобная структура СШП систем практически не создает помех для других устройств.

На сегодняшний день в системах радиосвязи переход на СШП сигналы, в соответствии с известной формулой Шеннона,  даёт  возможность  значительно  увеличить  скорость  передачи информации. При передаче дискретной информации максимальная скорость

                                                 (4)

где      W – частотная полоса канала связи;

P – мощность сигнала на входе приёмника;

 – спектральная плотность нормальных аддитивных шумов, равномерная во всей полосе канала. [3]

Телекоммуникация. Созданы устройства как для произведения работ внутри помещений, так и для связи на достаточно большие расстояния. СШП устройства могут служить для соединения самых различных устройств (телефон, телевизор, компьютер и др.) и без труда способны обеспечить передачу видео, аудио и данных. [3]

Радиолокация. Одна из самых необычных сфер применения: от авиационных радаров коммерческого и военного применения для получения радиоизображений, портативных промышленных радаров для мониторинга и контроля процессов, до охранных систем и средств борьбы с терроризмом и преступностью, обеспечивающих получение изображений скрытых объектов и позволяющих решить задачи видения сквозь стены на расстояниях от единиц до сотен метров. Очень неплохо СШП вписываются и в медицинские приложения.

Задачи позиционирования. Благодаря СШП сигналам можно измерить расстояние с точностью до сантиметров, позволяет широко использовать системы СШП для определения местоположения различных объектов, дистанционного управления транспортными средствами и промышленными работами. [4]

В системах геолокации. Используется для подповерхностного зондирования почвы, дна водоемов, поиска предметов под землей, зондирования строительных построек и конструкций, определения состояния материалов кабелей и труднодоступных изделий. [4]

В датчиках уровня, дальномерах и высотомерах. Устанавливается в оборудования для определения уровня жидкостей в цистернах, сыпучих тел, для определения расстояния до объектов при различных технологических операциях, для определения глубины снежного покрова, ледового покрова и т.д. [4]

В медицинских приложениях и аппаратуре.

Используется для дистанционной диагностики сердечной деятельности и дыхания людей. Также используется для мониторинга систем жизнеобеспечения в медицине, в том числе состояния грудных детей. [5]

Вывод

Создание и практическое использование сверхширокополосных систем создало новый скачок в развитии современных систем связи.  Системы с СШП сигналов могут более успешно решать следующие задачи такие как: обнаружение и распознавание объектов (радиолокация), повышение объёма и скрытности передачи данных в радиосвязи. Также позволяет увеличить точность морских судов   в навигации, обнаружение людей, находящихся под завалами в результате землетрясений, техногенных катастроф, схода лавин. Позволяет вести обнаружение и слежение за людьми, находящимися за непрозрачными препятствиями или в условиях плохой видимости при проведении антитеррористических операций, а также ведения боя в условиях города. Дистанционное определение эмоционального состояния человека для выявления потенциально опасных лиц, например при предпосадочном досмотре в аэропортах. Активное использование в медицинских аппаратах, отвечающих за мониторинг пульса и дыхания пациента в случае, когда применение контактных сенсоров невозможно или затруднено и слежение за состоянием и диагностика внутренних органов человека.

Список литературы:

1. Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Шлома А.М., Шумов А.П. “Технология OFDM” Учебное пособие для вузов 2017 г. - 360 стр.
2. Лазоренко О.Ф., Черногор Л.Ф. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. – Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т.13, с.166−194.
3. Дубровин В.С., Колесникова И.В. “Сверхширокополосные системы связи особенности и возможности применения”. – г. Саранск,
4. Bestimmung der Exposition durch Ultra-Wideband Technologien: Abschlussbericht / G.Schmid, G.Neubauer // Austrian Research Centers GmbH – ARC. - 2008.
5. Биорадиолокация / под ред. А.С. Бугаева, С.И. Ивашова, И.Я. Иммореева. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 396 с.