Способ дистанционного контроля движения поверхности объекта

Способ дистанционного контроля движения поверхности объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для дистанционного контроля параметров жизнедеятельности организма.

Известен способ определения формы пульсовой волны по сигналу полупроводникового лазерного автодина (см. Письма в ЖТФ, 2013, том 39, вып.5, с. 82-87). В способе облучают объект (артерию) излучением полупроводникового лазерного автодина. Принимают интерференционный сигнал, являющийся суммой падающего и отраженного излучения, и определяют форму пульсовых волн.

Однако данный способ имеет недостаток, связанный с необходимостью очень точного наведения излучения на объект, обусловленный высокой чувствительностью лазерного автодина. Для его использования необходима точная фиксация положения объекта. При превышении амплитуды колебания значения ~ 500 мкм возникает проблема динамического диапазона для лазерного автодинного генератора из-за существенных изменений величины уровня обратной связи, в результате чего наблюдаются специфические искажения автодинных сигналов.

Известен способ дистанционного определения параметров дыхания и сердцебиения (см. патент РФ на изобретение №2392853, МПК A61B5/02), включающий формирование периодической последовательности сверхвысокочастотных (СВЧ) радиоимпульсов определенной длительности, одни из которых сдвинуты по фазе на 90° относительно других.

Однако данный способ требует очень точной подстройки из-за последовательного испускания и приема радиоимпульсов, получаемый СВЧ-сигнал имеет высокочастотную составляющую, применяется стандартная методика СВЧ демодуляции сигнала, необходимо применять фильтр низких частот (ФНЧ). Также согласно данному патенту необходимо проводить работу с сигналом в аналоговом виде, в результате чего имеются амплитудные ограничения по определению сигнала.

Наиболее близким к заявляемому является способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма (см. патент РФ на изобретение №2559940, МПК A61B5/02). В способе облучают объект (артерию) излучением полупроводникового СВЧ-автодина, принимают интерференционный сигнал, являющийся суммой падающего и отраженного электромагнитного излучения. Определяют искомые параметры жизнедеятельности организма. Излучаемый электромагнитный СВЧ-сигнал направляют на область расположения плечевой артерии. Используют функцию, такую, что ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствует спектру функции движения плечевой артерии. Функцию подвергают вейвлет-преобразованию, по найденным коэффициентам разложения вейвлет-преобразования восстанавливают форму движения плечевой артерии.

Однако данный способ имеет неоднозначности при восстановлении формы движения отражателя с амплитудой, большей четверти длины волны сигнала. В случае если начальная фаза не кратна π/2, этот предел ещё меньше.

Вышеуказанные способы не позволяют однозначным образом определить функцию движения при её произвольных параметрах, например, при непериодическом движении, периодическом движении с произвольными амплитудами, при различных начальных положениях.

Техническая проблема заключается в бесконтактном определении параметров движения выбранного участка организма.

Технический результат заключается в последовательном излучении и приеме отраженного от объекта электромагнитного СВЧ-сигнала по двум каналам, отличающимся электрической длиной, обеспечивающей сдвиг фаз интерференционных сигналов на π/2.

Указанная техническая проблема решается тем, что в способе дистанционного контроля движения поверхности объекта, включающем генерирование электромагнитного СВЧ сигнала, излучение сгенерированного СВЧ-сигнала, прием интерференционного сигнала, являющегося суммой падающего и отраженного электромагнитного излучения, определение формы движения поверхности исследуемого объекта, согласно решению сгенерированный СВЧ-сигнал разделяют на два канала, в одном из каналов изменяют фазу относительно другого канала на π/2, излучают сгенерированный СВЧ–сигнал поочередно из каждого канала, для каждого канала записывают принятый интерференционный сигнал и представляют в виде и , где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) – функция, описывающая движение поверхности исследуемого объекта, полученные сигналы интерполируют, очищают от шумов, составляют дифференциальное уравнениегде и производные по времени от сигналов в первом и втором каналах, решают составленное дифференциальное уравнение относительно , где - полная фаза, и определяют форму движения объекта

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена блок-схема радиоволнового автодина на диоде Ганна, позволяющего реализовать заявляемый способ.

На фиг. 2 представлена блок-схема математической обработки записанных сигналов и выделения закона движения отражателя.

На фиг 3 представлен модельный СВЧ–сигнал A(t) с нормированной амплитудой.

На фиг. 4 представлен модельный СВЧ–сигнал B(t) с нормированной амплитудой.

На фиг. 5 представлена модельно восстановленная форма движения отражателя.

На фиг. 6 представлена экспериментально восстановленная форма движения отражателя.

На фиг. 7 представлена экспериментально восстановленная форма движения грудной клетки человека при частом дыхании.

Позициями на чертежах обозначены:

1 – блок управления и обработки сигналов;

2 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

3 – автодинный генератор;

4 – делитель;

5 – pin-аттенюатор;

6 – регулируемый фазовращатель;

7 – рупорная антенна.

Способ реализуется следующим образом.

Автодинный генератор 3 генерирует СВЧ-сигнал. С помощью направленного делителя 4 сгенерированный СВЧ-сигнал разделяют на два канала. В одном из каналов изменяют фазу относительно другого канала на π/2 фазовращателем 6. Pin- аттенюаторы 5 обеспечивают поочередное открытие и закрытие каналов с частотой как минимум на порядок меньше частоты дискретизации АЦП и как минимум на порядок больше частоты движения объекта. Сгенерированный СВЧ–сигнал с каждого канала через делитель 4 подводят к рупорной антенне 7, распространяют в пространстве. Отраженное излучение принимают через ту же рупорную антенну 7 и когерентно складывают с излученным электромагнитным сигналом. Суммарный сигнал выбирают в качестве информативного сигнала. Результат сложения – информативный сигнал – детектируют с помощью автодинного генератора 3 и подают на АЦП 2. Отраженное излучение имеет малый уровень мощности (ослабление более 16 дБ для данного генератора). Информативный сигнал становится аналогичен интерференционному. В тот момент, когда открывается один канал, осуществляют запись информативного сигнала в один файл, когда он закрывается и открывается другой, то – в другой файл, тем самым с помощью одного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2 регистрируют два информативных сигнала.

Информативный сигнал в первом и втором каналах представляют в виде и , где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) – функция, описывающая движение поверхности исследуемого объекта. Полученные сигналы интерполируют, очищают от шумов.

Составляют дифференциальное уравнение

где и производные по времени от сигналов в первом и втором каналах. Решают составленное дифференциальное уравнение относительно , где - полная фаза, и определяют форму движения объекта

Теоретическое обоснование способа.

Способ заключается в последовательном облучении объекта и приеме отраженного от него электромагнитного СВЧ-сигнала по двум каналам, отличающимся только электрической длиной, обеспечивающей сдвиг фаз интерференционных сигналов на π/2. Конструктивно измерительный прибор, реализующий способ, состоит из автодинного генератора 3, подключенного к источнику питания, генерирующего СВЧ-сигнал, который с помощью 3х дБ направленного делителя (ответвителя) 4 распараллеливают на 2 канала, в одном из которых фаза сдвигалась относительно другого на π/2 c помощью фазовращателя 6. Сгенерированный СВЧ-сигнал с каждого канала через 3х дБ делитель 4 подводят к рупорной антенне 7, распространяют в пространстве и после отражения от объекта возвращают в установку и детектируют автодинным генератором 3. Блок управления и обработки сигналов (Elvis Traditional) 1 выполняет роль цифроаналогового преобразователя (ЦАП) при подаче управляющего напряжения на pin- аттенюаторы 5, что обеспечивает равные уровни мощности в обоих каналах и поочередное открытие и закрытие каналов с частотой 500 Гц. При выделении формы колебания отражателя с низкими частотами обеспечивает необходимое разрешение для одновременной записи сигнала с обоих каналов, которую также осуществляют с помощью блока Elvis Traditional 1, выступающего в роли АЦП 2. В тот момент, когда открывается один канал, запись сигнала производят в один файл, когда он закрывается и открывается другой, то – в другой файл, тем самым с помощью одного АЦП регистрируют два сигнала. Блок-схема представлена на фиг. 1.

Блок-схема математической обработки записанных сигналов и выделения закона движения отражателя представлена на фиг. 2.

Интерференционный сигнал в первом и втором каналах представляют в виде и , соответственно, где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) – функция, описывающая движение поверхности объекта. Полученные сигналы интерполируют, очищают от шумов.

По измеренным значениям интерференционных сигналов определяют полную фазу сигнала

.

В силу того, что функцию arctg вычисляют в пределах (-π/2, π/2), значения фазы не могут быть определены однозначно за этими пределами и будут испытывать скачки, поэтому продифференцировав полную фазу Ф(t), получают мгновенную частоту

где и производные по времени от сигналов в первом и втором каналах, соответственно, рассчитанные численным методом вычисления конечных разностей.

Полная фаза Ф(t) может быть определена через решение дифференциального уравнения численными методами, например, методом Эйлера.

Таким образом, функция, описывающая закон движения поверхности объекта, определяется как

При использовании данного способа в результате последовательного дифференцирования и решения дифференциального уравнения нет необходимости учитывать начальную фазу сигнала

Спектральный анализ полученной функции и исследование ее частотных составляющих позволяют сделать выводы о различных параметрах жизнедеятельности организма, например об амплитуде и частоте дыхательных движений и сердцебиении.

По вышеизложенному способу проводят модельное восстановление формы движения отражателя, который совершал колебания по закону , где t - время. Вид модельных интерференционных сигналов с нормированной амплитудой A(t) и B(t) представлен на фиг. 3, 4, соответственно. Результаты представлены на фиг. 5, где сплошной линией обозначена реальная форма движения отражателя, пунктиром - восстановленная форма движения отражателя. Также проводилось экспериментальное восстановление формы движения отражателя, совершающего гармонические колебания с частотой 1,66 Гц и амплитудой 3 см, при этом амплитуда заведомо больше длины волны сигнала, которая для данного автодинного генератора составляет 26 мм. Восстановленная форма движения представлена на фиг. 6. Частота и амплитуда соответствуют заданным значениям. Также проводилось восстановление формы движения грудной клетки человека при частом дыхании. Восстановленная форма представлена на фиг. 7.

Способ дистанционного контроля движения поверхности объекта, включающий генерирование электромагнитного СВЧ-сигнала, излучение сгенерированного СВЧ-сигнала, прием интерференционного сигнала, являющегося суммой падающего и отраженного электромагнитного излучения, определение формы движения поверхности исследуемого объекта, отличающийся тем, что сгенерированный СВЧ-сигнал разделяют на два канала, в одном из каналов изменяют фазу относительно другого канала на π/2, излучают сгенерированный СВЧ–сигнал поочередно из каждого канала, для каждого канала записывают принятый интерференционный сигнал и представляют в виде и , где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) – функция, описывающая движение поверхности исследуемого объекта, полученные сигналы интерполируют, очищают от шумов, составляют дифференциальное уравнение где и производные по времени от сигналов в первом и втором каналах, решают составленное дифференциальное уравнение относительно , где - полная фаза, и определяют форму движения поверхности объекта