Биорадиолокация

Биорадиолокация

Под редакцией А.С. Бугаева, С.И. Ивашова 

2-е издание

УДК 621.396.969 
ББК 28.071  
Б63 
 
Авторы: 
А.В. Абрамов, А.И. Амосова, Л.Н. Анищенко, А. С. Боголюбов, 
А. С. Бугаев, И.А. Васильев, И.А. Вязъмитинов, А.В. Дудник, 
А.И. Дьяченко, А.В. Журавлев, А.В. Зайцев, Э.Г. Зиганшин, 
С.И. Ивашов, И.Я. Иммореев, С.А. Исайчев, Ю.А. Копылов, 
В.И. Миняев, А.В. Миняева, Е.И. Мирошниченко, Г.И. Морозов, 
К.К. Осадчий, С.Н. Павлов, В.Л. Пазынин, В.Б. Парашин, 
М.Н. Петушков, В.В. Помозов, А.Э. Постелъга, В.В. Разевиг, 
С.В. Самков, К.Ю. Сиренко, Ал.В. Скрипалъ, Ан.В. Скрипалъ, 
Е.В. Солодов, О.В. Сытник, Д.А. Усанов, М.В. Фесенко, 
А.В. Чапурский, А.И. Черненко, В.С. Черняк, А.П. Шейко 

 

Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. Балтийского государственного технического 
университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова Л.Ю. Астанин; 
заведующий кафедрой «Медико-технические информационные 
технологии» д-р техн. наук, проф. С.И. Щукин 
 
Б63  
Биорадиолокация / [А. В. Абрамов и др.] ; под ред. А. С. Бугаева,  
С. И. Ивашова. — 2-е изд. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2018. — 396, [4] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4815-9 
Освещены вопросы радиолокации биологических объектов (биорадиолокации) — метода, который может быть использован для обнаружения живых людей, находящихся за преградами, и дистанционного определения параметров их дыхания и сердцебиения. Биорадиолокация 
может найти применение в различных областях: спасательных опера- 
циях, анти-террористической борьбе, медицине и др. Описаны физические основы процесса биорадиолокации, особенности биорадиолокаторов с непрерывным и импульсным зондирующими сигналами, 
а также методы расчета и моделирования процессов в биорадиолокации. 
Для научных работников, аспирантов и студентов старших курсов. 

УДК 621.396.969 
ББК 28.071 
 
 

ISBN 978-5-7038-4815-9 
 Оформление. Издательство 
    МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Радиолокация биологических объектов является интенсивно
развивающимся направлением радиотехники. В отличие от классических областей применения радиолокации, в которых, как правило, объектами зондирования являются неживая природа (поверхность Земли и планет Солнечной системы) или искусственно созданные предметы (космические аппараты, самолеты,
другие объекты военной техники), локация биообъектов имеет
целый ряд особенностей, что позволяет выделить ее в отдельную область знаний.
Это обстоятельство и обусловило выбор названия книги, в качестве которого стал термин «биорадиолокация». К особенностям
биорадиолокации относится использование аппаратуры, как правило, незначительной дальности действия (от нескольких сантиметров до десятков метров) с пониженным уровнем излучения,
не оказывающим вредного воздействия на организм человека. Кроме этого характеристики самих объектов зондирования в части их
электрофизических свойств, а также частот и амплитуд колебаний
органов человека и животных носят достаточно специфический
характер и для правильной интерпретации результатов измерений
требуют привлечения исследователей биоинженерных специальностей.
Следует отметить также, что в отечественной и зарубежной научно-технической литературе термин, близкий по смыслу к термину «биорадиолокация», отсутствует, в силу чего введение его в
научный оборот с учетом возросшего объема исследований и публикаций в этой области представляется вполне обоснованным.
Использование радиолокаторов для обнаружения живых людей, находящихся за преградами, и дистанционное определение
параметров их дыхания и сердцебиения может найти применение в спасательных операциях, антитеррористической борьбе, медицине и других областях. Для решения этих задач в настоящее
время наиболее широко используются импульсные радиолокаторы со сверхширокополосным сигналом, а также локаторы с непрерывным излучением, в частности со ступенчатым изменени

ем частоты. Исследования в этой области в нашей стране и за
рубежом направлены не только на создание новых типов аппаратуры, но и на решение ряда теоретических задач. Для достижения оптимальных характеристик радиолокационных комплексов
требуется разработка адекватных моделей радиолокационных сигналов, которые должны быть построены на физических моделях
взаимодействия радиоволн с объектами, формирующими зондируемую сцену. Построение 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 можно будет сформулировать требования 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 биорадиолокационных средств следующего поколения с улучшенными потребительскими характеристиками и более совершенным математическим обеспечением
можно ожидать уже в ближайшие несколько лет.
Уровень отечественных работ в области биорадиолокации сопоставим с уровнем зарубежных исследований, а в некоторых случаях и превосходит его. В частности, можно отметить работы, выполняемые в МГТУ им. Н.Э. Баумана и Московском авиационном институте, которые позволили обосновать новые приложения
биорадиолокационных технологий как в медицине, так и в сфере
обеспечения безопасности.
Авторами представляемой читателю книги являются: А.С. Бугаев (предисловие, введение, разд. 3.1, заключение), С.И. Ивашов
(предисловие, введение, гл. 1, разд. 2.4, 3.1, заключение), И.Я. Иммореев (предисловие, введение, разд. 4.1—4.6, заключение), А.В. Журавлев (гл. 1), Л.Н. Анищенко (разд. 2.1, 2.4, 2.5), В.Б. Парашин
(разд. 2.1, 2.4, 2.5), А.И. Дьяченко (разд. 2.2), В.И. Миняев (разд. 2.3),
А.В. Миняева (разд. 2.3), Г.И. Морозов (разд. 2.3), М.Н. Петушков
(разд. 2.3), И.А. Васильев (разд. 3.1), В.В. Разевиг (разд. 3.1),
А.П. Шейко (разд. 3.1), О.В. Сытник (разд. 3.2), И.А. Вязьмитинов
(разд. 3.2), Е.И. Мирошниченко (разд. 3.2), Ю.А. Копылов (разд. 3.2),
А.И. Амосова (разд. 3.2), В.Л. Пазынин (разд. 3.2), К.Ю. Сиренко
(разд. 3.2), Д.А. Усанов (разд. 3.3), Ал.В. Скрипаль (разд. 3.3),
Ан.В. Скрипаль (разд. 3.3), А.В. Абрамов (разд. 3.3), А.С. Боголюбов  (разд. 3.3), А.Э. Постельга (разд. 3.3), С.В. Самков (разд. 4.1—
4.3), С.А. Исайчев (разд. 4.2), С.Н. Павлов (разд. 4.2, 4.3), К.К. Осадчий (разд. 4.3), Е.В. Солодов (разд. 4.3), А.В. Зайцев (разд. 4.4, 4.6),

Э.Г. Зиганшин (разд. 4.4, 4.5), М.В. Фесенко (разд. 4.4, 4.5), А.И. Черненко (разд. 4.5), В.В. Помозов (разд. 4.7), А.В. Дудник (разд. 4.7),
В.В. Чапурский (гл. 5), В.С. Черняк (гл. 6). Разделы объединены в
главы, содержащие близкий по смыслу материал.
В настоящее время авторы активно работают в области радиолокации биологических объектов.
Книга адресована научным работникам, аспирантам и студентам старших курсов, работающим в данной области или интересующимся возможностью использования описываемых в ней
эффектов.

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

ВВЕДЕНИЕ

При радиолокационном зондировании в слабопоглощающих
и прозрачных средах традиционными 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
параметров 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, корабли).
Другим направлением радиолокации, бурно развивающимся в
последние десятилетия, является подповерхностная радиолокация
(георадиолокация), предназначенная для зондирования конденсированных сред, характеризующихся высоким поглощением и
дисперсией электромагнитных волн [1–3]. Подповерхностная
радиолокация наиболее широко применяется для следующих
целей:
зондирования грунтов для выявления их глубинной структуры и неоднородностей (уровня грунтовых вод, различного рода
природных включений, расположения и состояния технических
конструкций и коммуникаций);
обследования местности для обнаружения взрывоопасных
предметов, например мин;
зондирования строительных конструкций для выявления их
внутренней структуры, например мест залегания деталей арматуры, строительных дефектов;
неразрушающего контроля промышленных изделий.
В настоящее время существует большое количество серийно
выпускаемых радиолокаторов, предназначенных для решения перечисленных задач.
Снижение стоимости вычислительных ресурсов, необходимых
для обработки сигнала, а также миниатюризация СВЧ-устройств

способствуют развитию интереса к использованию радиолокаторов, когда отражающим объектом является все тело человека
или отдельные его части и внутренние органы. Обнаружение
людей за непрозрачными препятствиями (стенами домов, лиственным покровом) актуально как для военных, так и для гражданских целей [4, 5].
Современные методы позволяют обнаруживать неподвижных
людей по колебаниям их внутренних органов. Этот эффект применяют для поиска живых людей под завалами строительных конструкций, образовавшихся в результате природных или техногенных катастроф, он может быть использован в медицинских целях, когда необходим дистанционный контроль за состоянием
пациента.
Модуляция радиосигнала, отраженного от человека, обусловлена сокращениями сердца, сосудов, легких и других внутренних
органов человека, а также артикуляцией (одновременная работа
активных произносительных органов: голосовых связок, языка, губ,
небной занавески). Можно выделить четыре группы биомеханических движений, которые отличаются как по частотному диапазону, так и по амплитуде:
сокращения сердечной мышцы (частоты в диапазоне 0,8...
...2,5  Гц, амплитуды колебаний грудной клетки 0,1 мм [6]);
колебания грудной клетки человека при дыхании (частоты
в диапазоне 0,2...0,5 Гц, амплитуды колебаний грудной клетки в
зависимости от типа дыхания 0,5...1,5 см);
движения органов речи человека (частота основного тона колебаний голосовых связок — приблизительно 100 Гц);
движения других частей тела человека (рук, ног и т. д.).
Конкретные значения этих частот и амплитуд перемещений
определяются физической активностью и состоянием испытуемого. Наиболее сложными представляются процессы артикуляции, так как в них участвуют сразу несколько органов человека, обладающих своими собственными характеристиками. Изучение процессов артикуляции при произнесении звуков может
быть использовано при дистанционном распознавании речи без
применения акустических устройств даже при расположении
объекта локации за препятствиями, например за стенами зданий [7].
Метод дистанционного обнаружения и диагностирования людей (в том числе за оптически непрозрачными препятствиями),
основанный на модуляции радиолокационного сигнала колебательными движениями и перемещениями частей тела и органов
человека, будем называть биорадиолокацией.

Осуществляя селекцию проникающего сигнала передатчика и
сигналов, отраженных от неподвижных объектов, можно добиться высокой чувствительности при обнаружении объектов, границы которых подвержены механическим колебаниям. По имеющимся в литературе данным, чувствительность радиочастотного
зондирования к перемещению обнаруживаемого объекта в гигагерцовом диапазоне волн может достигать 10–9 м [8]. При обнаружении человека как живого объекта задача наиболее просто
решается с помощью радиолокаторов малой дальности, работающих с непрерывными немодулированными сигналами в частотном диапазоне 1...10 ГГц [9].
Перечислим некоторые перспективные области применения
биорадиолокации:
обнаружение людей, находящихся под завалами в результате землетрясений, техногенных катастроф, схода лавин, когда
скорейшее определение мест нахождения живых людей очень
важно;
обнаружение и слежение за людьми, находящимися за непрозрачными препятствиями или в условиях плохой видимости
при проведении антитеррористических операций, а также ведении боя в условиях города;
дистанционное обнаружение раненных при боевых действиях
по их дыханию для снижения риска медицинского персонала при
эвакуации под огнем противника;
дистанционное обнаружение скрытого под одеждой человека огнестрельного или холодного оружия;
контроль охраняемых территорий от вторжения посторонних лиц;
досмотр транспортных контейнеров в целях выявления лиц,
нелегально пересекающих границу;
дистанционное определение эмоционального состояния человека для выявления потенциально опасных лиц, например при
предпосадочном досмотре в аэропортах;
разработка дистанционного детектора лжи, позволяющего
незаметно для человека измерять параметры его кардиореспираторной системы и на их основе оценивать его психоэмоциональное состояние [11];
контроль состояния оператора сложных машинных комплексов;
регистрация речевых сигналов человека за препятствиями без
использования традиционных 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 мониторов, использующих ультразвук с контактными датчиками);
определение эластичности кровеносных сосудов путем измерения скорости распространения импульса кровяного давления при сердечном сокращении, что поможет выявить предрасположенность пациента к сердечно-сосудистым заболеваниям.
Перечисленные выше направления являются только потенциальными областями применения биорадиолокации, и потребуются дальнейшие исследования для определения их практической
реализуемости.
Уже сейчас можно сказать, что наиболее перспективной областью применения биорадиолокации в медицине является сомнология.
Исследование расстройств дыхания во время сна – наиболее изученный раздел в медицине сна [9, 12]. Многочисленные
работы в области сомнологии относятся к исследованию патологических ночных остановок дыхания. Такие нарушения очень
распространены (ими страдают от 3 до 8 % населения) и оказывают существенное влияние на здоровье и качество жизни
пациентов. Мужчины страдают этим расстройством чаще женщин в 3–8 раз.
Диагностика нарушений дыхания во время сна обычно проводится чрезвычайно трудоемким и дорогостоящим методом в лабораториях сна, располагающих соответствующим диагностическим оборудованием. Этот метод требует длительной регистрации
различных функций человеческого организма в период ночного
сна. Как правило, регистрируются следующие сигналы: дыхание, шум
дыхания (храп), дыхательные движения грудной клетки и брюшной стенки, поток выдыхаемого воздуха изо рта и ноздрей, положение тела, движения нижних конечностей, насыщение артериальной крови кислородом, электроэнцефалограмма и др.
Бесконтактный дистанционный мониторинг движений, дыхания и частоты сердечных сокращений (ЧСС) биорадиолокационным методом будет являться важным дополнением к полисомнологическим исследованиям, позволяя повысить комфортность
проводимых ночных исследований для пациента, стабильность регистрируемых данных. Дистанционная регистрация движений, дыхания и ЧСС даст возможность проводить профилактические обследования населения для выявления дыхательных расстройств
и нарушений сна, бесконтактный мониторинг нарушений дыха

ния и сна у детей, в том числе для предотвращения синдрома
внезапной смерти у младенцев.

Литература

1. Подповерхностная радиолокация / Отв. ред. М.И. Финкельштейн.
М.: Радио и связь, 1994. 216 с.

2. Daniels D.J. Surface-Penetrating Radar. Piscataway, NJ: IEEE Press, 1996.

3. Вопросы подповерхностной радиолокации / Отв. ред. А.Ю. Гринёв.
М.: Радиотехника, 2005. 416 с.

4. Through-Wall Sensing (TWS) Technologies for Dismounted Infantry,
DARPA SBIR 2004.1 Topic SB041-022.

5. TNO offers through-the-wall radar for special operations, Jane’s
international defense review. 2004. No. 8. Р. 19.

6. Singh M., Ramachandran G. Reconstruction of sequential cardiac in-plane
displacement patterns on the chest wall by laser speckle interferometry.
Biomedical Engineering. IEEE Transactions on Volume 38.  Issue 5.  May 1991.
P. 483–489.

7. Speech articulator measurements using low power EM-wave sensors /
J.F. Holzrichter, G.C. Burnett, L.C. Ng, W.A. Lea // Journal Acoustical Society
of America. Vol. 103. No. 1. January 1998. Р. 622–625.

8. Scott W.R., Schroeder C., Martin J.S. An Acousto-electromagnetic Sensor
for Locating Land Mines, Part of the SPIE Conference on Detection and
Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets III. Orlando, Florida.
April 1998. SPIE Vol. 3392, 0277-786X, 98. Р. 176–186.

9. Обнаружение и дистанционная диагностика людей за препятствиями с помощью РЛС / А.С. Бугаев, И.А. Васильев, С.И. Ивашов и др. //
Радиотехника. 2003. № 7. C. 42–47.

10. Иммореев И.Я., Самков С.В. Ultra-wideband (UWB) radar for remote
measuring of main parameters of patient’s vital activity // Радиофизика и
радиоастрономия. Издание Национальной академии наук Украины. 2002.
Т. 7. № 4. С. 16–22.

11. Staderini E.M. An UWB Radar Based Stealthy «Lie Detector».
www.hrvcongress.org/second/first/placed_3/Staderini_Art_Eng.pdf

12. Diminished cerebral circulatory autoregulation in obstructive sleep apnea
investigated by near-infrared spectroscopy / L.P. Safonova, A. Michalos, U. Wolf
et al. // Sleep Research On-line. 2003. Vol. 5. No. 4. P. 123–132.