ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ МАЯТНИКА ДЛЯ ОБЪЯСНЕНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ РАДИОВОЛН СВЧ И КВЧ ДИАПАЗОНОВ ОТ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

January 22, 2013 by admin Комментировать »

Луценко В.И., Луценко И.В., Хлопов Г.И. Институт радиофизики и электроники НАН Украины,Харьков – 61085, Украина Тел.: (857) 7448340; e-mail:lutsenko(^ire.kharkov.ua

Аннотация – Предложена модель, рассматривающая движение биологического объекта, как много маятниковой связанной системы, позволяющая объяснить наблюдаемые в эксперименте особенности спектров рассеянных сигналов, обусловленные их частотной модуляцией. Предлагаемый подход позволяет сформулировать информативные признаки для различения отражений от человека и животных.

I.                                       Введение

Распознаванию различных классов объектов по радиолокационной информации посвящено достаточно большое количество работ. В них рассматриваются особенности пространственно временного распределения отражающих точек, частотные зависимости индикатрис обратного рассеяния объектов и ИХ спектральные портреты. В настоящей работе приведены результаты экспериментального изучения спектральных особенностей обратного рассеяния от человека, птиц и животных, которые могли бы использоваться для ИХ распознавания, а также рассмотрена модель, позволяющая их объяснить. Объектами исследования выступали биологические объекты (человек, группа людей), животные (собака, лошадь), ПТИЦЫ. Исследования проведены с использованием когерентных систем как импульсного, так и непрерывного режимов излучения миллиметрового и сантиметрового диапазонов длин волн (10 см , 3 см, 8 мм, 4 мм И 2 мм).

II.                              Основная часть

Для доплеровских спектров отражений от всех типов объектов (человека, животных, птиц) характерно наличие доминирующей на 10-20 дБ линии. Она обусловлена корпусом объекта и имеет доплеровское смещение частоты соответствующее проекции скорости его движения на направление облучения.

Птицы. Для спектральной линии корпуса характерно изменение доплеровского смещения частоты в процессе свободного парения, которое обогащается высокочастотными и низкочастотными компонентами при взмахах крыльев.

Человек. Для отражений от человека и животных вокруг ЛИНИИ корпуса выше и ниже ее по частоте на уровнях -(10…15) дБ относительно линии корпуса наблюдаются вспышки спектральной плотности с темпом шагов и махов рук. Они объясняются тем, что диапазон скоростей движения отдельных элементов толчковой ноги распределен от нуля до скорости перемещения корпуса, а маховой ноги при ее переносе вперед от скорости движения корпуса до удвоенной скорости-рис.1. На рис.1 представлены спектрограммы обратного рассеяния от человека на волнах 8мм – верхний рисунок и 4мм – нижний. Горизонтальная ось- время, вертикальная – доплеровская частота, интенсивность компоненты спектра кодируется яркостью отметки. Наиболее интенсивны отражения от корпуса, доплеровское смещение частоты которого все-таки изменяется в небольших пределах относительно среднего значения. В отра

В качестве упрощенной модели для описания спектра рассеянного человеком сигнала, можно рассматривать четыре колеблющихся маятника. В системе координат связанной с туловищем человека движения рук И ног могут рассматриваться в первом приближении как колебания гармонических маятников. Отражения от корпуса, движущегося примерно с постоянной скоростью, дают в спектре узкую линию на частоте соответствующей скорости движения. Движения ног И рук при ходьбе создают частотную модуляцию, которую в первом приближении можно полагать гармонической, с темпом равным периоду ходьбы. Т. Девиация частоты рассеивающего элемента ноги меняется от максимального значения, равного доплеровскому смещению частоты линии корпуса для участка стопы, соприкасающегося в процессе ходьбы с землей до нуля – для участка ноги прикрепленной к туловищу непосредственно. При движении строевым шагом темпы махов рук и ног одинаковы. Мах вперед левой ногой идет под мах вперед правой рукой. Максимальные девиации частоты, вызванные движением рук ^COj^ и ног

соотносятся как отношение длины руки к длине ноги . Аналитический сигнал человека

ά{ί), в предположении об одинаковости девиации

Рис. 1. Спектрограммы отражений от человека.

Fig. 1. Spectra of human echo

жениях прослеживаются спектральные компоненты со скоростями от нуля до удвоенной скорости перемещения корпуса

частоты, вызванной движением левой и правой ног, а также левой и правой рук можно записать в виде:

где–      несущая   частота  и   частота

Доплера соответственно; а = Стд,!σ^,,β =  отношение ЭПР ноги СГд, и соответственно руки СГд^ к ЭПР туловища с головой ; Vq – скорость движения человека; φ(ί) = ωcos(27rt / Т) – фаза рассеянного ногами сигнала; ={1^ И^)- отношение девиаций частот сигналов рассеянных от рук и ног. Подобная модель в виде четырех колеблющихся маятников может использоваться и для описания движения животных. Рассмотрение динамики изменение текущих спектров, обусловленные маховыми движениями ног и рук и вызванной этим частотной модуляцией рассеянного сигнала, может быть полезно для формирования признаков распознавания человека и животных. Так существует связь между скоростью

движения Vq , темпом ходьбы Т и длиной шага

В свою очередь, длина шага определяется длиной конечностей и, в конечном счете, ростом человека. При спокойном темпе ходьбы /г/Хд = (2,8-2,9), уменьшаясь /г= (1,6-1,7)

при беге. Аналогично для каждого из типов живых существ существуют свои данные, связывающие их рост и длину шага. Таким образом, измеряя для рассеянного объектом сигнала доплеровское смещение частоты, а значит скорость движения, а также темп шагов, например по величине девиации частоты можно оценить длину шага и рост объекта.

Следует отметить, что для животных, в отличие от человека характерно одинаковое значение девиации частоты рассеянного сигнала, вызванное движением конечностей, что может использоваться для распознавания человека от животных. Предлагаемая модель позволяет объяснить наблюдаемые в эксперименте особенности спектральной структуры рассеянного сигнала. Так при движении ноги вперед (махе) в спектре будет присутствовать линия корпуса и пьедестал от нулевой частоты до удвоенной частоты Доплера. Ширина этого пьедестала по оси частот уменьшается в процессе движения туловища от опорной ноги к маховой. Когда обе стопы обеих ног – толчковой и маховой соприкасаются с поверхностью пьедестал вырождается в линию корпуса. Когда же ноги в процессе движения составляют с туловищем прямую линию локальная скорость перемещения рассеивающих элементов на их поверхности максимальна и пьедестал в спектре имеет наибольшую ширину.

III.                                  Заключение

Предложена методика, позволяющая по измерению доплеровского смещения частоты и девиации рассеянного объектами сигнала осуществить их распознавание

APPLICATION OF PENDULUM SWING MODEL FOR EXPLANATION OF RADIOWAVES BACKSCATTERING FROM BIOLOGICAL OBJECTS IN SHF AND HF WAVEBANDS

V.             I. Lutsenko, \. V. Lutsenko, G. \. Khlopov Usikov Institute of Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine

12, Akademika Proskury, Kharkov, 61085, Ukraine Tel.: (0572) 448593, e-mail: lutsenko@ire.kharkov.ua

Abstract – Proposed in this paper is the model considering biological object motion, which allows explaining the peculiarities of scattered signals spectra, which are caused by their frequency modulation. The approach proposed allows formulating information features in order to distinguish reflection from human and animals.

I.                                         Introduction

Presented in this paper are the results of experimental study of backscattering from people, birds and animals, the model provided is considered. The investigations have been carried out using coherent systems of pulse and continuous radiation modes of millimeter and centimeter wavebands (10 cm , 3 cm, 8 mm, 4 mm and 2 mm).

II.                                        Main part

For Doppler spectra of scattering from all objects (people, animals, birds) the presence of dominant 10-20dB line is typical. It is caused by object body and its Doppler frequency translation corresponds to speed projection onto radiation direction.

Birds. For the body spectral line the change of Doppler frequency translation during free soaring is typical, that is enriched by high-frequency and low-frequency components during flapping.

People. For scattering from men and animals around body line higher and lower it by frequency at levels – (10… 15) dB relative to the body line the flashes ofthe spectral density at the rate of steps and hands movement are observed. It explained that the speed range of single elements of jogging leg is distributed from zero to body movement speed, and the fly leg during its carrying forward from body movement speed to double speed. In the coordinate system concerned with the men body the hands and legs movement we could consider as the swing ofthe harmonic pendulum as a first approximation. Scattering from the body moving approximately with steady speed gives in the spectrum the narrow line at the frequency corresponding to the movement speed. The movement of legs and hands during walking result in frequency modulation. The modulating signal as a first approximation we can consider as harmonic at the frequency equal to the walking rate. Such model as four oscillating pendulums we can use for the animal movement description as well. Measure the Doppler frequency translation for the signal scattered from the object and the step rate as well e.g. by frequency deviation we can estimate step length and the object height.

III.                                       Conclusion

Proposed is the method allowing by Doppler frequency translation measurement and deviation of the signal scattered from the object to recognize the biological objects is proposed.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты