Инженеры РТУ МИРЭА создали новый способ генерации сверхширокополосных радиосигналов, намеренно заставляя обычный усилитель работать в режиме перегрузки. Специально вызванные искажения сигнала позволяют расширить его спектр более чем в 20 раз и с беспрецедентной точностью «видеть» движения человеческой руки. Это открывает путь к созданию невероятно надежных бесконтактных интерфейсов для «умной» медицины, промышленной автоматизации и виртуальной реальности, где традиционные камеры бессильны из-за дыма, пыли или плохого освещения.
Представьте: вы управляете дроном или используете устройства виртуальной реальности легким движением кисти, но никакие камеры за вами не следят, и никакие перчатки не сковывают пальцы. Вместо этого пространство вокруг сканирует невидимый радиолуч. Именно над такими системами будущего работают ученые кафедры радиоволновых процессов и технологий РТУ МИРЭА. И они нашли изящный способ сделать «радар для жестов» одновременно более точным, простым и дешевым.
«Мы доказали, что режим переходных искажений в СШП-усилителе — это не дефект, а новый метод синтеза радиовизионного сигнала, — комментирует Михаил Костин, доктор технических наук, заведующий кафедрой радиоволновых процессов и технологий РТУ МИРЭА. — При этом каждый экземпляр усилителя ведет себя уникально, как отпечаток пальца, что позволяет создавать каскады с неповторимыми спектральными характеристиками. Мы уже добились повторяемости распознавания жестов не менее 94%, что подтверждает пригодность метода для реальных систем управления, где цена ошибки высока».
Обычно для получения сверхширокополосного сигнала используют сложные и дорогие высоковольтные генераторы. Команда РТУ МИРЭА поступила иначе, применив эффект, которого инженеры обычно стараются избегать, — нелинейные искажения. Если подать на вход стандартного интегрального усилителя SBB5089Z мощный сигнал на определенной частоте, он начинает «задыхаться» — срезать вершины синусоид и превращать их в импульсы с резкими фронтами. А чем резче фронт, тем шире спектр сигнала.
«В нашей работе мы сознательно перегружаем сверхширокополосный усилитель, переводя его в режим насыщения. В этот момент обычный гармонический сигнал трансформируется в последовательность крутых импульсов. Мы не боремся с искажениями, а используем их как инструмент для синтеза сверхширокого спектра, — поясняет Кирилл Латышев, старший преподаватель кафедры радиоволновых процессов и технологий Института радиоэлектроники и информатики РТУ МИРЭА. — Это как если бы вы специально перегрузили гитарный усилитель, чтобы получить то самое "грязное" роковое звучание. Только в нашем случае эта "грязь" несет в себе полезный сверхширокополосный сигнал для точнейшего определения положения руки».
Проверив идею на киберфизическом стенде, ученые смогли расширить эффективную ширину спектра с 47 МГц до впечатляющих 900 МГц. Такой сигнал, излученный специальной антенной Вивальди, отражается от руки человека, и по форме «отклика» система безошибочно отличает вращение кисти от сжатия кулака или пролистывания страницы. В тестах точность распознавания четырех разных жестов достигла более 96% — почти идеальный показатель. Константин Бойков, доктор технических наук, профессор кафедры радиоволновых процессов и технологий РТУ МИРЭА, добавляет, что открывающиеся перспективы выходят далеко за рамки управления дронами или VR-гарнитурами. «Реабилитация пациентов с нарушениями моторики, бесконтактные интерфейсы в "чистых комнатах" при сборке микроэлектроники или системы "умный дом", которые понимают нас с полуслова — вернее, с полужеста, — вот где действительно потребуются такие надежные и дешевые радиовизорные датчики. Предложенный нами метод низковольтной нелинейной спектральной сатурации — это шаг к тому, чтобы сделать радиовидение столь же привычным для повседневных гаджетов, как сегодняшняя камера смартфона».
Уникальность разработки в том, что она превращает стандартную микросхему в компактный, энергоэффективный источник сложного сигнала без усложнения схемотехники. Это значит, что технология готова к массовому внедрению в носимую электронику, интерактивные панели или бытовую робототехнику. Особенно важно, что радиоволны не боятся преград. В отличие от видеокамер или лидаров, такая система работает в темноте, сквозь задымление и даже через тонкие перегородки. Жест сжатия кулака, например, продемонстрировал стабильность распознавания выше 0,9 даже при потере трети входящих данных. Исследование было опубликовано в журнале «Russian Technological Journal»(https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/1465).
Информация и фото предоставлены пресс-службой РТУ МИРЭА
Автор фото: Кирилл Латышев, старший преподаватель Института радиоэлектроники и информатики РТУ МИРЭА
