СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЖИВЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01S13/52 

Предлагаемые способ и устройство относятся к радиолокации и могут использоваться для обнаружения живых людей и их останков в завалах, укрытиях, под снегом, а также для дистанционного бесконтактного определения частоты дыхания и частоты сердечных сокращений в медицинских учреждениях.

Известны способы и устройства дистанционного обнаружения людей, находящихся за радиопрозрачными преградами, а также дистанционного измерения частоты дыхания и частоты сердечных сокращений, использующие монохроматический радиочастотный зондирующий сигнал [1]. Однако они не осуществляют селекцию сигналов по дальности, что не позволяет исключить помехи от объектов, находящихся на иных, чем искомый, дальностях, например, влияние оператора, влияние удаленных подвижных объектов и т.п. В способе и устройстве, описанных в [2], применяется линейная частотная модуляция зондирующего сигнала, что позволяет осуществить пространственное разрешение и повысить помехоустойчивость. Однако данный способ не позволяет устранить сигналы, вызванные отражениями зондирующего излучения от неподвижных объектов. Эти сигналы могут многократно превосходить сигналы, вызванные дыханием и сердцебиением, и затрудняют обнаружение. Известен способ обработки широкополосных сигналов [3], основанный на стробировании сигнала в последовательные моменты времени, запоминании значений сигнала на электрической емкости, аналого-цифрового преобразования и последующей параллельной цифровой обработке с помощью сравнительно низкочастотных цифровых устройств. Однако этот способ не обеспечивает должного динамического диапазона при обработке сигналов в реальном масштабе времени.

Известны способ и устройство [4], в которых для осуществления пространственного разрешения применяется импульсная модуляция зондирующего сигнала, а для снижения уровня сигналов, вызванных отражениями от неподвижных объектов, формируются сигналы биений относительно нескольких опорных сигналов, различающихся по фазе, и выбирается сигнал биений с наименьшей постоянной составляющей. Однако полной компенсации постоянной составляющей, вызванной отражениями от неподвижных объектов, не происходит, чувствительность к малым перемещениям объекта как функция расстояния имеет осциллирующий характер. Кроме того, способ требует отдельного цикла измерений для каждой заданной дальности, что снижает его быстродействие.

Известен также способ поиска засыпанных людей с помощью специально обученных собак [5], который носит субъективный характер и обладает зависимостью качества поиска от состояния собак, их обученности, погодных и климатических условий, что ухудшает точность и эксплуатационные возможности способа.

Наиболее близким к предлагаемым способу и устройству являются «Способ обнаружения живых объектов и устройство для его осуществления» [6], которые и выбраны в качестве прототипов.

Согласно данному способу широкополосный зондирующий сигнал излучают в зону поиска, принимают отраженный сигнал, подавляют сигналы от неподвижных объектов мультиплексированием и фильтрацией квадратурных составляющих принимаемого сигнала на промежуточной частоте, осуществляют пространственное разрешение, регистрируют изменения амплитуды и фазы отраженного сигнала, вызванные перемещениями поверхности тела.

Устройство содержит СВЧ-генератор, направленный ответвитель, импульсный модулятор, антенный блок, квадратурный демодулятор, предварительные усилители, полосовые фильтры, мультиплексоры, многоканальные дифференцирующие-интегрирующие фильтры, демультиплексоры, короткозамыкающие электронные ключи, НЧ-усилители, формирователь стробирующих импульсов, блок управления демультиплексорами, генератор модулирующих импульсов, АЦП, блоки обработки и индикации.

К недостаткам известных способа и устройства относятся низкие функциональные возможности и эксплуатационные характеристики по причине невозможности применения для поиска живых объектов и их останков, засыпанных различными видами грунта, в том числе повышенной неоднородности, например развалинами зданий, землей, снегом и т.п.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и улучшение эксплуатационных характеристик за счет осуществления возможности поиска и обнаружения биообъектов и их останков, засыпанных различными видами грунта, в том числе повышенной неоднородности, например развалинами зданий, землей, снегом и т.п.

Поставленная задача решается тем, что по способу обнаружения живых объектов, заключающемуся в том, что излучают модулированный зондирующий сигнал в зону поиска, принимают отраженный сигнал, изменения амплитуды и фазы которого несут информацию о перемещениях, дыхании и сердцебиении искомого объекта, перемножают его с двумя квадратурными опорными сигналами, образующиеся квадратурные сигналы разностной частоты в последовательные моменты времени направляют на входы двух наборов фильтров, подавляющих постоянную составляющую, вызванную отражениями от неподвижных объектов, производят опрос выходов фильтров, производят обработку образующихся сигналов, соответствующую виду модуляции зондирующего сигнала и реализующую пространственное разрешение, формируют первый и второй сигналы, несущие информацию об изменениях амплитуды и фазы отраженного сигнала, соответствующего определенной дальности, выделяют информацию о перемещениях, дыхании и сердцебиении путем анализа этих сигналов, осуществляют электромагнитное зондирование грунта в зоне поиска засыпанных биообъектов плоскопараллельным модулированным сигналом и прием сигналов с правой и левой круговой поляризацией, отраженных от биообъектов, при этом отраженный сигнал с правой круговой поляризацией стробируют по времени, пропорциональном глубине залегания биообъекта, а отраженный сигнал с левой круговой поляризацией преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, в качестве которого используют высокочастотный сигнал, сдвинутый по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с отраженным сигналом правой круговой поляризации, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина, ограничивают его по амплитуде, измеряют сдвиг фаз между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте гетеродина, сравнивают измеренное значение сдвига фаз с эталонным значением и по результатам сравнения принимают решение о наличии биообъекта в зоне поиска и детального анализа отраженного от него сигнала.

Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения живых объектов, включающее последовательно соединенные высокочастотный генератор, направленный ответвитель и импульсный модулятор, второй вход которого соединен с первым выходом генератора модулирующих импульсов, антенный блок, квадратурный детектор, гетеродинный вход которого соединен с вторым выходом направленного ответвителя, первый и второй предварительные усилители, вход одного из которых соединен с первым выходом квадратурного демодулятора, первый и второй полосовые фильтры, входы которых соединены с выходами предварительных усилителей, первый и второй мультиплексоры, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров, а входы управления через блок управления мультиплексором - с вторым выходом генератора модулирующих импульсов, первый и второй многоканальные полосовые фильтры, входы которых соединены с выходами мультиплексоров, первый и второй демультиплексоры, входы которых соединены с выходами многоканальных полосовых фильтров, а входы управления через блок управления демультиплексорами - с третьим выходом генератора модулирующих импульсов, первый и второй короткозамыкающие электронные ключи, входы которых соединены с выходами демультиплексоров, а входы управления - с первым выходом блока цифровой обработки, первый и второй низкочастотные усилители, входы которых соединены с выходами электронных короткозамыкающих ключей, а выходы - с входами аналого-цифрового преобразователя, блок индикации, соединенный через блок цифровой обработки с выходом аналого-цифрового преобразователя, снабжено поляризатором, двумя усилителями высокой частоты, тремя ключами, устройством сдвига частоты, перемножителем, смесителем, усилителем промежуточной частоты, узкополосным фильтром, амплитудным ограничителем, фазовым детектором и блоком сравнения, причем антенный блок выполнен в виде одной передающей антенны и двух приемных антенн, к выходу импульсного модулятора последовательно подключены поляризатор и передающая антенна, выход первой приемной антенны через первый усилитель высокой частоты подключен к радиочастотному входу квадратурного демодулятора, к выходу второй приемной антенны последовательно подключены второй усилитель высокой частоты, первый ключ, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления мультиплексорами, перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом устройства сдвига частоты, блок сравнения и третий ключ, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, а выход подключен к второму входу блока индикации, вход второго предварительного усилителя через второй ключ соединен с вторым выходом квадратурного демодулятора и выходом блока сравнения, к второму выходу направленного ответвителя последовательно подключены устройство сдвига частоты, смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя высокой частоты, и усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен со вторым входом перемножителя, передающая антенна излучает модулированный зондирующий сигнал с линейной поляризацией, первая приемная антенна восприимчива к отраженному сигналу с правой круговой поляризацией, вторая приемная антенна восприимчива к отраженному сигналу с левой круговой поляризацией.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ обнаружения живых объектов. На фиг.2 изображены временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства.

Устройство содержит последовательно включенные высокочастотый генератор 1, направленный ответвитель 2, импульсный модулятор 3, второй вход которого соединен с первым выходом генератора 16 модулирующих импульсов, поляризатор 19 и передающую антенну 20, последовательно включенные первую приемную антенну 21, первый усилитель 23 высокой частоты и квадратурный демодулятор 5, гетеродинный вход которого соединен с вторым выходом направленного ответвителя 2, а к двум выходам которого последовательно подключены первый 6.1 и второй 6.2 предварительные усилители непосредственно и через второй ключ 28, второй вход которого соединен с выходом блока 34 сравнения, первый 7.1 и второй 7.2 полосовые фильтры, первый 8.1 и второй 8.2 мультиплексоры, входы управления которых соединены с блоком управления 14, первый 9.1 и второй 9.2 многоканальные полосовые фильтры, первый 10.1 и второй 10.2 демультиплексоры, входы управления которых соединены с блоком 15 управления, первый 11.1 и второй 11.2 короткозамыкающие электронные ключи, входы управления которых соединены с блоком 17 цифровой обработки, первый 12.1 и второй 12.2 низкочастотные усилители, аналого-цифровой преобразователь 13, блок 17 цифровой обработки и блок 18 индикации, последовательно включенные вторую приемную антенну 22, второй усилитель 24 высокой частоты, первый ключ 25, второй вход которого соединен с первым выходом блока 14 управления мультиплексорами, перемножитель 26, узкополосный фильтр 27, амплитудный ограничитель 32, фазовый детектор 33, второй вход которого соединен с выходом устройства 29 сдвига частоты, блок 34 сравнения, третий ключ 35, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора 33, и блок 18 индикации, последовательно подключенные к второму выходу направленного ответвителя 2 устройства 29 сдвига частоты, смеситель 30, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 23 высокой частоты, и усилитель 31 промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом перемножителя 26. Передающая антенна 20, первая 21 и вторая 22 приемные антенны образуют антенный блок 4. Передающая антенна 20 излучает зондирующий сигнал с линейной поляризацией.

Первая приемная антенна 21 восприимчива к отраженным сигналам с правой круговой поляризацией, а вторая приемная антенна 22 восприимчива к отраженным сигналам с левой круговой поляризацией.

Устройство работает следующим образом.

Высокочастотный генератор 1 формирует зондирующий сигнал (фиг.2,а)

u_с(t)=U_ccos(ω_Ct+ϕ_С), 0≤t≤Т_C,

где U_С, ω_C, ϕ_С, T_С - амплитуда, несущая частота и длительность зондирующего сигнала; который через направленный ответвитель 2 поступает на первый вход импульсного модулятора 3, на второй вход которого с первого выхода генератора 16 модулирующих импульсов подается модулирующий код M(t) (фиг.2,б).

На выходе импульсного модулятора 3 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал (фиг.2,в)

u₁(t)=U_Ccos[ω_Ct+ϕ_K(t)+ϕ_C], 0≤t≤T_C,

где ϕ_K(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_K(t)=const при kτ_Э<t<(k+1)τ_Э и может изменяться скачком при t=kτ_Э, т.е. на границах между элементарными посылками (к=1, 2,..., N-1);

τ_Э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_C(Т_C=Nτ_Э);

который поступает на вход поляризатора 19, где он приобретает плоскую поляризацию. Указанный сигнал через передающую антенну 20 излучается в направлении поверхности земли, под которой могут находиться засыпанные биообъекты или их останки.

Обнаружение засыпанных биообъектов или их останков осуществляется оператором путем перемещения перед собой вправо-влево антенного блока 4, укрепленного на штанге, и движением вперед в заданном направлении. При этом необходимо следить за тем, чтобы антенный блок 4 перемещался параллельно обследуемой поверхности на фиксированном расстоянии Н (Н=5...10 см). Скорость перемещения антенного блока 4 выбирается в зависимости от условий поиска и должна быть в пределах 0,1...1,0 м/с. В процессе поиска необходимо чередовать поперечные и продольные перемещения антенного блока 4 таким образом, чтобы после каждого взмаха справа налево или слева направо антенный блок 4 перемещался вперед на расстояние 20 см (на величину своего линейного размера). При этом необходимо следить за тем, чтобы был обследован весь проверяемый участок местности, под поверхностью которой возможно нахождение биообъектов или их останков. При этом в грунте создается электромагнитное поле путем его электромагнитного зондирования. При достижении зондирующим сигналом биообъекта или его останков происходит его частичное отражение в сторону поверхности земли. Отраженный сигнал улавливается приемными антеннами 21 и 22. При этом приемная антенна 21 восприимчива только к отраженному сигналу с правой круговой поляризацией, а приемная антенна 22 - только к отраженному сигналу с левой круговой поляризацией (вращение вектора электромагнитного поля против часовой стрелки). На выходах усилителей 23 и 24 высокой частоты образуются следующие сигналы:

u_Л(t)=U_Лcos[ω_С±Δω)t+ϕ_К(t)+ϕ₁],

u_П(t)=U_Пcos[ω_С±Δω)t+ϕ_К(t)+ϕ₂], 0≤t≤Т_С,

где индексы «П» и «Л» относятся соответственно к сигналам с правой и левой круговой поляризацией;

U_Л(t), U_П(t) - огибающие сигналов с правой и левой круговой поляризацией;

±Δω - нестабильность несущей частоты, обусловленная некогерентным отражением и другими дестабилизирующими факторами.

Сигнал u_п(t) с выхода усилителя 24 высокой частоты через ключ 25 поступает на первый вход перемножителя 26. Чтобы измеряемая разность фаз соответствовала глубине h залегания биообъекта, перемножитель 26 стробируется по времени с помощью ключа 25, на управляющий вход которого поступают стробирующие импульсы, формируемые блоком 14 управления мультиплексорами. Временная задержка импульсов определяется глубиной h залегания биообъектов в грунте. При изменении глубины меняется и время задержки. Отраженный сигнал u_л(t) с выхода усилителя 23 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 30, на второй вход которого подается напряжение с выхода устройства 29 сдвига частоты, используемое в качестве гетеродинного напряжения (фиг.2,г)

u_Г(t)=U_Гcos(ω_Гt+ϕ_Г),

где ω_Г=ω_С-ω_пр

На выходе смесителя 30 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 31 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты (фиг.2,д)

u_пр(t)=U_пр(t)cos[(ω_пр±Δω)t+ϕ_K(t)+ϕ_пр], 0≤t≤T_C

где

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр=ω_С-ω_Г - промежуточная частота;

ω_пр=ϕ_С-ϕ_Г,

которое поступает на второй вход перемножителя 26. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение (фиг.2,е)

u₂(t)=U₂(t)cos(ω_Гt+ϕ_Г+Δϕ), 0≤t≤T_C,

где

K₂ - коэффициент передачи перемножителя;

Δϕ=ϕ₂-ϕ₁ - разность фаз между отраженными сигналами с правой

и левой круговой поляризацией;

которое выделяется узкополосным фильтром 27 и поступает на вход амплитудного ограничителя 32. На выходе последнего образуется напряжение

u₃(t)=U_Ocos(ω_Гt+ϕ_Г+Δϕ), 0≤t≤T_C,

где U_О - порог ограничения;

которое поступает на первый вход фазового детектора 33, на второй вход которого подается напряжение гетеродина u_г(t). На выходе последнего образуется постоянное напряжение

u_H(t)=U_HcosΔϕ,

где

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора;

пропорциональное измеряемому сдвигу фаз Δϕ. Это напряжение сравнивается в блоке 34 сравнения с эталонным напряжением

u_Э(Δϕ)=U_ЭcosΔϕ

где Δϕ_Э - неизменяемый фазовый сдвиг, получаемый при зондировании грунта при отсутствии биообъектов.

Сдвиг фаз Δϕ определяется частотой зондирующего сигнала и электрическими параметрами грунта. Этот сдвиг фаз остается неизменным при зондировании грунта в отсутствии биообъектов, поскольку все определяющие его величины остаются постоянными. Поэтому в блоке 34 сравнения хранится эталонное напряжение, соответствующее сдвигу фаз Δϕ_Э при зондировании грунта в отсутствие биообъектов.

Если u_H(Δϕ)≈u_Э(Δϕ), то в блоке 34 сравнения не формируется постоянное напряжение.

При зондировании засыпанных биообъектов сигналы с правой и левой круговой поляризацией частично проходят через биообъекты, имеющие отличные от грунта электрические параметры (большую проводимость и диэлектрическую проницаемость). При прохождении электрической волны через биообъект изменяется фазовая скорость распространения волны. Когда плоскополяризованная электромагнитная волна отражается от биообъектов, на которые воздействует внешнее магнитное поле земли, то оно разделяется на две независимые составляющие, которые в общем случае имеют эллиптическую поляризацию с противоположными направлениями вращения вектора электромагнитного поля. На частотах дециметрового диапазона обе составляющие имеют круговую поляризацию. Обе волны распространяются и отражаются от биообъектов с различными скоростями, вследствие чего фазовые соотношения между этими волнами изменяются. Это явление обычно называется эффектом Фарадея, из-за которого отраженный сигнал испытывает вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации, который определяется разной скоростью распространения и отражения сигналов с правой и левой круговой поляризацией от биообъектов, находится из соотношения:

где ϕ₁, ϕ₂ - фазовые запаздывания отраженных сигналов с правой

(вращение плоскости поляризации по часовой стрелке) и левой

(вращение плоскости поляризации против часовой стрелки)

круговой поляризации соответственно.

Все это приводит к изменению сдвига фаз и значения выходного напряжения u_н(Δϕ) фазового детектора 33. При u_H(Δϕ)>u_Э(Δϕ) в блоке 34 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 35, открывая его. В исходном состоянии ключи 25, 28 и 35 всегда закрыты. При этом выходное напряжение u_н(Δϕ) фазового детектора 33 через открытый ключ 35 поступает на второй вход блока 18 индикации. Причем факт регистрации выходного напряжения u_н(Δϕ) фазового замера свидетельствует о наличии биообъекта на данном участке грунта.

На этом заканчивается процесс обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков.

На втором этапе обеспечивается обнаружение живых объектов с использованием для этого частоты дыхания и частоты сердечных сокращений, значения которых находятся от единиц до десятков герц. С этой целью постоянное напряжение с выхода блока 34 сравнения поступает на управляющий вход ключа 28, открывая его.

Принцип обнаружения живых объектов заключается в том, что излучают модулированный зондирующий сигнал, принимают отраженный от биообъекта сигнал, перемножают принимаемый и опорный сигналы, выделяют сигнал разностной частоты, осуществляют селекцию по дальности, выделяют спектральные составляющие сигнала разностной частоты, вызванные дыханием и сердечной деятельностью, принимаемый сигнал умножают на два квадратурных опорных сигнала для извлечения информации о его амплитуде и фазе, два образующихся квадратурных сигнала разностной частоты в последовательные моменты времени направляют с помощью мультиплексоров на входы двух многоканальных полосовых фильтров для устранения постоянного сигнала, вызванного отражениями от неподвижных объектов, и накопления полезного сигнала, производят опрос выходов многоканальных полосовых фильтров с помощью демультиплексоров с частотой, обеспечивающей обработку образующихся сигналов в реальном масштабе времени, производят обработку сигналов, действующих на выходах демультиплексоров, соответствующую виду модуляции зондирующего сигнала и реализующую пространственное разрешение (в случае линейно-частотно-модулированных зондирующих сигналов это может быть быстрое преобразование Фурье), формируют первый и второй сигналы, несущие информацию об изменениях амплитуды и фазы отраженного сигнала, соответствующего определенной дальности, выделяют информацию о перемещениях, дыхании и сердцебиении путем анализа этих сигналов.

Принцип обнаружения живых объектов допускает применение различных видов модуляции зондирующего сигнала, в том числе импульсную частотную фазово-кодовую.

В качестве примера описан зондирующий сигнал с фазово-кодовой модуляцией (манипуляцией).

Кроме того, для выделения характерных спектральных составляющих принимаемого сигнала и исключения потери информации суммируют амплитудные спектры первого и второго сигналов для каждой конкретной дальности.

Для улучшения пространственной селекции производят взаимное вычитание амплитудных спектров низкочастотных сигналов, соответствующих разным дальностям, для чего спектры умножаются на весовые коэффициенты, зависящие от дальности, выбирается спектр с максимальным значением, данный спектр умножается на нормирующий коэффициент и вычитается из остальных, нормирующий коэффициент определяется для каждой операции вычитания из условия равенства нулю спектральной составляющей результирующего спектра, соответствующей максимальной составляющей в вычитаемом спектре.

Отраженный сигнал u_л(t) с выхода приемной антенны 21 через усилитель 23 высокой частоты поступает на квадратурный демодулятор 5. В качестве гетеродинного сигнала на этот демодулятор через направленный ответвитель 2 подается часть мощности высокочастотного генератора 1. Квадратурные сигналы разностной частоты, действующие на выходах демодулятора 5, поступают непосредственно и через открытый ключ 28 на входы предварительных усилителей 6.1 и 6.2 соответственно, где они усиливаются, а затем поступают на входы полосовых фильтров 7.1 и 7.2. Нижняя частота полосы пропускания полосовых фильтров определяется частотой следования зондирующих импульсов, а верхняя частота определяется шириной спектра зондирующего сигнала. Сигналы с выходов полосовых фильтров 7.1 и 7.2 поступают на входы мультиплексоров 8.1 и 8.2. Мультиплексоры 8.1 и 8.2 осуществляют последовательную во времени подачу квадратурных сигналов разностной частоты на входы многоканальных полосовых фильтров 9.1 и 9.2. Блок 14 управления мультиплексорами формирует стробирующий импульс, задержанный относительно зондирующего на время, определяющее начало отсчета дальности, длительность стробирующего импульса равна либо меньше длительности зондирующего импульса.

Многоканальные полосовые фильтры 9.1 и 9.2 подавляют составляющую квадратурных сигналов разностной частоты, вызванную отражениями от неподвижных объектов и останков биообъектов, и выделяют переменную составляющую, вызванную перемещениями, дыханием и сердцебиением. Нижняя частота полосы пропускания каждой ячейки многоканального фильтра, которая определяется параметрами элементов фильтра и входным сопротивлением низкочастотного усилителя, выбирается порядка 0,1 Гц для пропускания спектральных составляющих, вызванных дыханием.

Сигналы с выходов многоканальных фильтров 9.1 и 9.2 поступают на входы демультиплексоров 10.1 и 10.2, выполненные на стандартных аналоговых микросхемах, с помощью которых производится опрос выходов ячеек многоканальных полосовых фильтров 9.1 и 9.2 с частотой, задаваемой блоком 15 управления демультиплексорами. Частота опроса каналов многоканальных полосовых фильтров 9.1 и 9.2 выбирается такой, чтобы обеспечить возможность проведения цифровой обработки сигналов, действующих на выходах демультиплексоров 10.1 и 10.2 в реальном масштабе времени. Действующие на выходах демультиплексоров 10.1 и 10.2 сигналы представляют собой растянутые во времени копии переменных составляющих квадратурных сигналов, поступающих на входы мультиплексоров 8.1 и 8.2. Выходы демультиплексоров 10.1 и 10.2 соединены с входами короткозамыкающих элементарных ключей 11.1 и 11.2, осуществляющих программно-управляемый разряд ячеек многоканальных полосовых фильтров 9.1 и 9.2 для устранения переходных процессов, связанных с воздействием сильных кратковременных сигналов, возникающих при перемещении объектов в облучаемой зоне. Сигналы с выходов короткозамыкающих электронных ключей 11.1 и 11.2 поступают на низкочастотные усилители 12.1 и 12.2 и далее на входы аналого-цифрового преобразователя 13, работа которого синхронизирована с работой демультиплексоров 10.1 и 10.2.

Сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 13 поступает на блок 17 цифровой обработки. В блоке 17 цифровой обработки проводится спектральный анализ квадратурных сигналов, соответствующих заданной дальности на временном интервале порядка 10...100 с. Суммируются амплитудные спектры квадратурных сигналов, соответствующих каждой конкретной дальности, и выделяются спектральные составляющие, соответствующих дыханию и сердечным сокращениям, амплитуда выбранных спектральных составляющих сравнивается с пороговыми значениями и принимается решение о том, что обнаруженный в облучаемой зоне биообъект является живым объектом, подлежащим быстрому извлечению из грунта или обломков разрушенного здания. С выхода блока 17 цифровой обработки сигналы поступают в блок 18 индикации.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают поиск и обнаружение биообъектов и их останков, засыпанных различными видами грунта, в том числе повышенной неоднородностью, например развалинами зданий, землей, снегом и т.п., а также выявление среди них живых объектов, подлежащих быстрому спасению.

При этом предлагаемый способ и устройство обеспечивают повышение достоверности поиска и обнаружения и разрешающей способности по глубине при определении местоположения биообъектов и их останков, находящихся под слоем грунта. Это достигается за счет использования поляризационной селекции и устранения неоднозначности фазовых измерений, что обеспечивается тем, что фазовые измерения осуществляются между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией, а не между зондирующим и отраженным сигналами. При этом фазовый сдвиг между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией измеряется на стабильной частоте ω_г гетеродина, в качестве которого используется высокочастотный генератор после соответствующего сдвига по частоте. Поэтому процесс измерения фазового сдвига инвариантен к виду модуляции (манипуляции) зондирующего сигнала. К нестабильности амплитуды и несущей частоты отраженного сигнала, возникающих при некогерентном отражении сигнала от биообъектов и их останков и других дестабилизирующих факторах, что позволяет повысить точность измерения фазового сдвига Δϕ и, следовательно, и точность определения местоположения биообъектов и их останков. Тем самым расширены функциональные возможности и улучшены эксплуатационные характеристики известного способа обнаружения живых объектов и устройства для его осуществления.

Источники информации

1. Kun-Mu Chen, Mirsa D., Chuang H. - R. An.X band microwave Life-Detection System. IEEE Transachions on BME, v.33, 7, July, 1986.

2. Патент США №4958638, А 61 В 5/02.

3. Патент США №5479120, H 03 К 5/06.

4. Патент РФ №2076336, G 01 S 13/52.

5. Винокуров В.К. и др. Безопасность в альпинизме. - М., 1983, с.136-137.

6. Патент РФ №2141119, G 01 S 13/02.

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться для обнаружения живых людей в завалах, укрытиях, под снегом, а также для дистанционного бесконтактного определения частоты дыхания и сердечных сокращений в медицинских учреждениях. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и улучшении эксплуатационных характеристик. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит высокочастотный генератор, направленный ответвитель, импульсный модулятор, антенный блок, квадратурный демодулятор, два предварительных усилителя, два полосовых фильтра, два мультиплексора, два демодулятора, два короткозамыкающих электронных ключа, два низкочастотных усилителя, аналого-цифровой преобразователь, блок управления мультиплексором, блок управления демультиплексором, генератор модулирующих импульсов, блок цифровой обработки, блок индикации, поляризатор, передающую антенну, две приемные антенны, два усилителя высокой частоты, три ключа, перемножитель, узкополосный фильтр, устройство сдвига частоты, смеситель, усилитель промежуточной частоты, амплитудный ограничитель, фазовый детектор и блок сравнения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обнаружения живых объектов, заключающийся в том, что излучают модулированный зондирующий сигнал в зону поиска, принимают отраженный сигнал, изменения амплитуды и фазы которого несут информацию о перемещении, дыхании и сердцебиении искомого объекта, перемножают его с двумя квадратурными опорными сигналами, образующиеся квадратурные сигналы разностной частоты в последовательные моменты времени направляют на входы двух наборов фильтров, подавляющих постоянную составляющую, вызванную отражениями от неподвижных объектов, производят опрос выходов фильтров, производят обработку образующихся сигналов, соответствующих виду модуляции зондирующего сигнала, и реализующую пространственное разрешение, формируют первый и второй сигналы, несущие информацию об изменениях амплитуды и фазы отраженного сигнала, соответствующего определенной дальности, выделяют информацию о перемещениях, дыхании и сердцебиении путем анализа этих сигналов, отличающийся тем, что осуществляют электромагнитное зондирование грунта в зоне поиска засыпанных биообъектов плоскополяризованным модулированным сигналом и прием сигналов с правой и левой круговой поляризацией, отраженных от биообъекта, при этом отраженный сигнал с правой круговой поляризацией стробируют по времени, пропорциональном глубине залегания биообъекта, а отраженный сигнал с левой круговой поляризацией преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, в качестве которого используют высокочастотный сигнал, сдвинутый по частоте на значение, равное промежуточной частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с отраженным сигналом правой круговой поляризации, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина, ограничивают его по амплитуде, измеряют сдвиг фаз между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте гетеродина, сравнивают измеренное значение сдвига фаз с эталонным значением и по результатам сравнения принимают решение о наличии биообъекта в зоне поиска и детальном анализе отраженного от него сигнала.2. Устройство для обнаружения живых объектов, включающее последовательно соединенные высокочастотный генератор, направленный ответвитель и импульсный модулятор, второй вход которого соединен с первым выходом генератора модулирующих импульсов, антенный блок, квадаратурный демодулятор, гетеродинный вход которого соединен с вторым выходом направленного ответвителя, первый и второй предварительные усилители, вход одного из которых соединен с первым выходом квадратурного демодулятора, первый и второй полосовые фильтры, входы которых соединены с выходами предварительных усилителей, первый и второй мультиплексоры, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров, а входы управления через блок управления мультиплексорами - с вторым выходом генератора модулирующих импульсов, первый и второй многоканальные полосовые фильтры, входы которых соединены с выходами мультиплексоров, первый и второй демультиплексоры, входы которых соединены с выходами многоканальных полосовых фильтров, а входы управления через блок управления демультиплексорами - с третьим выходом генератора модулирующих импульсов, первый и второй короткозамыкающие электронные ключи, входы которых соединены с выходами демультиплексоров, а входы управления - с первым выходом блока цифровой обработки, первый и второй низкочастотные усилители, входы которых соединены с выходами короткозамыкающих электронных ключей, а выходы - с входами аналого-цифрового преобразователя, блок индикации, соединенный через блок цифровой обработки с выходом аналого-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что оно снабжено поляризатором, двумя усилителями высокой частоты, тремя ключами, устройством сдвига частоты, перемножителем, смесителем, усилителем промежуточной частоты, узкополосным фильтром, амплитудным ограничителем, фазовым детектором и блоком сравнения, причем антенный блок выполнен в виде одной передающей антенны и двух приемных антенн, к выходу импульсного модулятора последовательно подключены поляризатор и передающая антенна, выход первой приемной антенны через первый усилитель высокой частоты подключен к радиочастотному входу квадратурного демодулятора, к выходу второй приемной антенны последовательно подключены второй усилитель высокой частоты, первый ключ, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления мультиплексорами, перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом устройства сдвига частоты, блок сравнения и третий ключ, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, а выход подключен к второму входу блока индикации, вход второго предварительного усилителя через второй ключ соединен с вторым выходом квадратурного демодулятора и выходом блока сравнения, к второму выходу направленного ответвителя последовательно подключены устройство сдвига частоты, смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя высокой частоты, и усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом перемножителя, передающая антенна излучает модулированный зондирующий сигнал с линейной поляризацией.