СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ЗАСЫПАННЫХ БИООБЪЕКТОВ ИЛИ ИХ ОСТАНКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК A63B29/02 G01V3/12 G01S13/00 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области поисково-спасательных работ и могут быть использованы для поиска засыпанных биообъектов или их останков в районах землетрясений, а также в альпинизме при поиске биообъектов, засыпанных, например, снежными лавинами или горными обвалами.

Известен способ определения местоположения живых существ, попавших в завал, заключающийся в том, что перемещают зонд параллельно поверхности засыпанного участка в направлении поиска, в качестве зонда используют антенну, ориентируют ее поверхность параллельно поверхности засыпанного участка, принимают в процессе перемещения антенны полезный сигнал и осуществляют его фазочастотный анализ. Кроме того, в процессе перемещения зонда постоянно излучают в землю, по меньшей мере, два луча высокочастотной электромагнитной энергии, значительно отличающейся по частоте, а полезный сигнал принимают как отражение на границе между землей и живым существом (ЕР, заявка №0075199, G 01 S 13/02, 1983).

Недостатками известного способа являются низкие эксплуатационные характеристики и высокая сложность по причине активности способа ввиду применения радиолокационного метода, предполагающего “просвечивание” засыпанного участка высокочастотными пучками электромагнитной энергии большой мощности. Известный способ обладает также пониженными функциональными возможностями, так как удовлетворительно работает лишь в случае относительно однородной среды завала. Это объясняется тем, что при завалах повышенной неоднородности, имеющих место, например, в районах землетрясений при разрушении зданий, образуются многократные хаотические отражения лучей от множества границ неоднородностей среды, что обуславливает высокий уровень помех и ложных срабатываний.

Известен способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, основанный на способности биологических объектов, в том числе их останков, независимо от времени их образования интенсивно искажать фазовые характеристики фонового электромагнитного поля Земли, имеющего характер шума с распределенным непрерывным спектром в диапазоне сверхдлинных радиоволн на определенных фиксированных частотах (патент РФ №2116099, А 63 В 29/02, 1995).

Недостатком данного способа является необходимость тщательной настройки аппаратуры и невозможность обнаружения биообъектов и их останков на значительных расстояниях (антенну перемещают параллельно поверхности засыпанного участка на высоте 1,5-2 м).

Известен способ поиска засыпанных людей с помощью специально обученных собак (Винокуров В.К. и др. Безопасность в альпинизме. - М.: 1983, с.136-137).

Недостатками данного способа являются низкие функциональные возможности по причине невозможности применения для поиска останков сроком более года после их засыпания, поскольку способ основан на обнаружении местонахождения собаками по запаху, что связано с его ослаблением и исчезновением со временем. Также к недостаткам относится субъективный характер способа, неоднозначная реакция собак, зависимость качества поиска от состояния собак, их обученности, погодных и климатических условий, что ухудшает точность и эксплуатационные возможности способа.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ радиопеленга местонахождения засыпанных снежной лавиной альпинистов, заключающийся в предварительном размещении в одежде альпиниста малогабаритного маломощного приемоответчика, включение его на постоянную работу в режиме передачи сигналов радиомаяка во время рабочего движения альпиниста и последующий радиопеленг сигналов маяка с помощью нескольких приемопередатчиков в случае попадания альпиниста в снежную лавину с расстояния не более 60 м (Винокуров В.К. и др. Безопасность в альпинизме. - М.: 1983, с.136-137).

Известно устройство для определения местонахождения живых существ, попавших в завал, первый вход которого соединен с выходом антенны, а второй вход с выходом блока питания (ЕР, заявка №0075199, G 01 S 13/02, 1983).

Недостатками известного устройства являются высокая сложность и низкие эксплуатационные характеристики по причине наличия многочастотного передатчика большой мощности и направленной сфазированной антенны, а также по причине связанного с этим высокого энергопотребления, что требует использования громоздких автономных источников питания большой емкости и частоты их подзаряда.

Известно также устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъетов или их останков, содержащее антенну и приемный блок, первый вход которого соединен с выходом антенны, а второй вход - с выходом блока питания (патент РФ №2116099, А 63 В 29/02, 1995).

Недостатком устройства является необходимость тщательной его настройки и невозможность обнаружения биообъектов и их останков на значительных расстояниях.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство (приемопередатчик) для обнаружения альпинистов, засыпанных снежной лавиной, содержащее антенну, приемный блок, первый вход которого соединен с выходом антенны, а второй вход - с входом блока питания. Кроме того, устройство содержит передающий блок, вход которого соединен с выходом блока питания, а вход передающего блока соединен через коммутатор с антенной (Винокуров В.К. и др. Безопасность в альпинизме. - М.: 1983, с.136-137).

Недостатками известного способа являются низкие функциональные возможности и ограниченная сфера применения, поскольку известный способ может реально использоваться лишь в случаях ожидаемого засыпания, например, лавиной, и лишь непродолжительное время (не более нескольких часов). Известный способ не может быть применен при неожиданных сходах лавин или внезапных горных обвалах, а также на больших территориях при масштабных стихийных бедствиях, например при землетрясениях по причине невозможности работы передатчиков продолжительное время. При этом относительно большой расход энергии автономных источников питания при передаче радиосигналов в значительной мере ограничивает время поиска практически несколькими часами сразу после засыпания. Следовательно, известный способ обладает низкими функциональными возможностями также по причине того, что не позволяет обнаруживать останки биообъектов, засыпанных грунтом, снегом и так далее через продолжительное время после засыпания.

Технической задачей изобретения является повышение функциональных возможностей и расширение сферы применения способа и устройства для его осуществления.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, заключающегося в предварительном размещении на биообъекте, относящемся к группе риска, маломощного приемопередатчика, в качестве приемопередатчика используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, облучают с помощью сканирующего блока засыпанный участок направленным электромагнитным сигналом, принимают его на засыпанном биообъекте или его останках, преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну опять в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, переизлучают его в эфир, принимают сканирующим блоком, усиливают по амплитуде, осуществляют синхронное детектирование, регистрируют выделенный модулирующий код, соответствующий структуре встречно-штыревого преобразователя, анализируют его и определяют принадлежность засыпанного биообъекта или его останков.

Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее приемопередающий блок, связанный с антенной, снабжено сканирующим блоком, состоящим из последовательно включенных задающего генератора, усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и компьютера, причем приемопередающий блок выполнен в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей. Встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, связанными с микрополосковой антенной.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 2. Временные диаграммы, помнящие принцип работы способа обнаружения терпящих бедствие, изображены на фиг.3.

Сканирующий блок содержит последовательно включенные задающий генератор 1, усилитель 2 мощности, циркулятор 3, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной 4, усилитель 5 высокой частоты, фазовый детектор 6, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, и компьютер 7.

Приемопередающий блок выполнен в виде пьезокристалла 8 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной 9, и набором отражателей 13.

Встречно-штыревой преобразователь поверхностных акустических волн (ПАВ) содержит две гребенчатые системы электродов 10, шины 11 и 12, которые соединяют электроды каждой из гребенок между собой. Шины в свою очередь связаны с микрополосковой антенной 9.

Устройство работает следующим образом.

Задающим генератором формируется высокочастотное колебание (фиг.3, а)

Uc(t)=Vc· Cos· (Wct+ϕ c), 0≤ t≤ Tc,

где Vc, Wc, ϕ c, Tc - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания;

которое усиливает по мощности в усилителе 2 мощности

U₁(t)=V₁·_{Cos· (Wct+ϕ c), 0≤ t≤ Tc,}

и через циркулятор 3 поступает в рупорную приемопередающую антенну 4 и излучается в эфир. С помощью рупорной антенны 4 последовательно облучается засыпанный участок, где предположительно находится биообъект или его останки.

Электромагнитный сигнал U₁(t) принимается микрополосковой антенной 9 приемопередатчика, размещенного на биообъекте или его останках. Последний представляет собой пьезокристалл 8 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем ПАВ, который состоит из двух гребенчатых систем электродов 10, нанесенных на поверхность пьезокристалла 8. Электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 11 и 12. Шины в свою очередь связаны с микрополосковой антенной 9.

Принцип работы встречно-штыревого преобразователя ПАВ основан на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ.

Поверхностные акустические волны - это волны, распространяющиеся вдоль поверхности твердых тел в относительно тонком поверхностном слое. Скорость распространения ПАВ в кристаллах примерно на пять порядков меньше скорости распространения электромагнитных колебаний. Это значит, что на сантиметре кристалла можно разместить информацию, которая заполнит кабель длиной в километр.

Высокая информационная емкость приборов на поверхностных акустических волнах впервые была использована в линиях задержки, которые позволяют хранить, преобразовывать, канализировать, отводить и отражать распространяющиеся в них сигналы.

В основе работы приборов на ПАЗ лежат три физические процесса:

- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;

- распространение акустической волны вдоль поверхности звукопровода;

- обратное преобразование ПАВ в электрический сигнал.

Для прямого и обратного преобразования ПАВ используются преобразователи поверхностных акустических волн, наибольшее распространение среди которых получили встречно-штыревые преобразователи. Принимаемое гармоническое колебание U₁(t) преобразуется встречно-штыревым преобразователем в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла 8, отражается от отражателей 13 и опять преобразуется в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.3, в)

U₂(t)=V₂·_{Cos· [Wct+ϕ к(t)+ϕ c], 0≤ t≤ Tc,}

где ϕ к(t)={0, π } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), (фиг.3, б),

причем ϕ к₁(t)=const при Кτ э<t<(K+1) τ э и может изменяться скачком при t=Кτ э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1,... ,N-1);

τ э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс(Тс=Nτ э).

При этом внутренняя структура сформированного ФМн-сигнала определяется топологией встречно-штыревого преобразователя, имеет индивидуальный характер и содержит всю необходимую уникальную информацию о владельце, например фамилия, имя, отчество, год рождения и т.п.

Сформированный ФМн-сигнал U₂(t) излучается микрополосковой антенной 9 в эфир, принимается антенной 4 сканирующего блока и через циркулятор 3 и усилитель 5 высокой частоты поступает на информационный вход фазового детектора 6, на опорный вход которого подается в качестве опорного напряжения высокочастотное колебание Uc(t). На выходе фазового детектора 6 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, г)

Uн(t)=Vн· Cos· ϕ к(t), 0≤ t≤ Tc,

где

K₁ - коэффициент передачи фазового детектора;

пропорциональное модулирующему коду M(t), (фиг.3, б). Это напряжение регистрируется и анализируется в компьютере 7.

К основным характеристикам устройства для обнаружения местонахождения биообъектов или их останков можно отнести следующее:

- мощность передатчика сканирующего блока средняя - не более 100 Мвт;

- частотный диапазон - 400-420 Мгц (900-920 Мгл);

- дальность обнаружения - не менее 200 м;

- количество кодовых комбинаций - 2³²-2¹²⁸;

- тип излучаемого сигнала - гармоническое колебание;

тип отраженного (переизлученного) сигнала - широкополосный сигнал с фазовой манипуляцией (база сигнала В=Δ fс· Тc=200-1000, Δ fс - ширина спектра);

- габариты приемопередатчика, размещенного на биообъекте или его останках - 8× 15× 5 мм;

- срок службы приемопередатчика - не менее 20 лет;

- потребляемая приемопередатчиком мощность - 0 Вт.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение функциональных возможностей и расширение сферы применения способа обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков и устройства для его осуществления.

Каждый предполагаемый участник мероприятий, которые могут сделать этого участника потенциально пострадавшим, относится к группе риска и должен быть снабжен достаточно простым, надежным и миниатюрным устройством (типа брелка, кольца или небольшого медальона), которое не должно затруднять обычную жизнедеятельность владельца, но должно нести на себе необходимую уникальную информацию об этом владельце.

Второе важное требование к этому устройству - предоставляемая возможность дистанционного считывания несущей им информации неограниченное число раз, без какого бы то ни было участия владельца, и через продолжительное время, например после засыпания.

Этим требованиям удовлетворяют предлагаемые способ и устройство.

Основным преимуществом применения приемопередатчика на ПАВ является возможность изготовить пассивный, т.е. не требующий источников питания, приемопередатчик с малыми габаритами. Другое преимущество заключается в возможности совмещения функций переизлучения энергии, кодирования постоянной информации о биообъекте или его останках и функций датчика какой-либо физической величины в одном устройстве с простой конструкцией.

Положительным свойством приемопередатчика на ПАВ являются также малые затраты на длительную эксплуатацию (отсутствие батарей и большое время наработки на отказ).

Большим преимуществом предлагаемых способа и устройства является также использование в них биологически безопасных, специальным образом синтезированных сигналов с фазовой манипуляцией.

С точки зрения обнаружения указанные сигналы обладают энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность широкополосных ФМН-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого широкополосный ФМН-сигнал в точке приема может оказаться замаскирован шумами и помехами. Причем энергия широкополосного сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность широкополосных ФМН-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку широкополосных сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемного устройства.

Широкополосные ФМН-сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять эти сигналы среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени.

Предлагаемые способ и устройство относятся к области поисково-спасательных работ и могут быть использованы для поиска засыпанных биообъектов или их останков в районах землетрясений, а также в альпинизме при поиске биообъектов, засыпанных, например, снежными лавинами или горными обвалами. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит сканирующий блок и приемопередающий блок, размещаемый на объектах, относящихся к группе риска. Сканирующий блок содержит задающий генератор, усилитель мощности, циркулятор, приемопередающую антенну, усилитель высокой частоты, фазовый детектор и компьютер. Приемопередающий блок выполнен в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей. Встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, нанесенных на поверхность звукопровода. Электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами. Шины в свою очередь связаны с микрополосковой антенной. Техническим результатом является повышение функциональных возможностей и расширение сферы применения способа и устройства для его осуществления. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, заключающийся в предварительном размещении на биообъекте, относящемся к группе риска, маломощного приемопередатчика, отличающийся тем, что в качестве приемопередатчика используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым встречно-штыревым преобразователем, связанным микрополосковой антенной, и набором отражателей, облучают с помощью сканирующего блока засыпанный участок, под поверхностью которого может находиться биообъект или его останки, направленным электромагнитным сигналом, принимают его на засыпанном биообъекте или его останках, преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну опять в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, переизлучают его в эфир, принимают сканирующим блоком, усиливают по амплитуде, осуществляют синхронное детектирование, регистрируют выделенный модулирующий код, соответствующий структуре встречно-штыревого преобразователя, анализируют его и определяют принадлежность засыпанного биообъекта или его останков.2. Устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее приемопередатчик, связанный с антенной и размещенный на биообъекте, относящемся к группе риска, отличающееся тем, что оно снабжено сканирующим блоком, состоящим из последовательно включенных задающего генератора, усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и компьютера, причем приемопередающий блок выполнен в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосовой антенной, и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, связанными с микрополосковой антенной.