СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ЗАСЫПАННЫХ БИООБЪЕКТОВ ИЛИ ИХ ОСТАНКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК A62B37/00 A63B29/02 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.

Известны способы и устройства определения живых существ, попавших в завал (патенты РФ №№2116099, 2248235; ЕР заявка №0075199; Винокуров В.К. и др. Безопасность в альпинизме. - М.: 1983, с.136-137 и другие).

Наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков и устройство для его осуществления» (патент РФ №2248235, А63В 29/02, 2003), которые и выбраны в качестве прототипов.

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.

Известные технические решения обладают низкой чувствительностью и малым динамическим диапазоном приемника сканирующего блока в связи с использованием схемы прямого усиления. Это приводит к уменьшению дальности считывания информации о биообъекте, что и является недостатком известных технических решений.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности и динамического диапазона приемника сканирующего блока, а также увеличение дальности считывания информации о биообъекте путем построения приемника сканирующего блока по супергетеродинной схеме.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способа обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, заключающегося в предварительном размещении на биообъекте, относящемся к группе риска, маломощного приемопередатчика, в качестве которого используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, облучении с помощью сканирующего блока засыпанного участка, под поверхностью которого может находиться биообъект или его останки, направленным электромагнитным сигналом, приеме его на засыпанном биообъекте или его останках, преобразовании в акустическую волну, обеспечении ее распространения по поверхности пьезокристалла и обратного отражения, преобразовании отраженной акустической волны опять в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, переизлучении его в эфир, приеме сканирующим блоком, усилении по амплитуде, регистрации выделенного модулирующего кода, соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя, анализе его и определении принадлежности засыпанного биообъекта или его останков, усиленный по амплитуде электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с напряжением задающего генератора, выделяют электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте гетеродина и осуществляют его синхронное детектирование с использованием напряжения гетеродина в качестве опорного напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее приемопередатчик, связанный с антенной и размещенный на биообъекте, относящийся к группе риска, сканирующий блок, состоящий из последовательно включенных задающего генератора, усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной и усилителя высокой частоты, последовательно включенных фазового детектора и компьютера, при этом 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, снабжено гетеродином, смесителем, усилителем промежуточной частоты, перемножителем и полосовым фильтром, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, премножитель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и полосовой фильтр, выход которого подключен к первому входу фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом гетеродина.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы способа и устройства для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, 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, смеситель 15, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 14, усилитель 16 промежуточной частоты, перемножитель 17, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, полосовой фильтр 18, фазовый детектор 6, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 14, 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.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Задающим генератором 1 формируется высокочастотное колебание (фиг.3, а):

Uc(t)=Vc·Cos(ωс·t+ϕс), 0≤t≤Тс,

где Vc, ωс, ϕс, Tc - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания;

которое усиливается по мощности в усилителе 2 мощности:

U₁(t)=V₁Cos(ωс·t+ϕс), 0≤t≤Тс,

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.

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[ωc·t+ϕк(t)+ϕс], 0≤t≤Tc,

где ϕк(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.3, б), причем ϕк(t)=const при К·τэ<t<(К+1)τэ и может изменяться скачком при t=Кτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, ..., N-1);

τэ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс (Тс=N·τэ).

При этом внутренняя структура сформированного ФМн-сигнала определяется топологией встречно-штыревого преобразователя, имеет индивидуальный характер и содержит всю необходимую уникальную информацию о владельце, например фамилию, 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 первый вход смесителя 15, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 14 (фиг.3, д):

Uг(t)=Vг·Cos(ωг·t+ϕг).

На выходе смесителя 15 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 16 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты:

Uпр(t)=Vпр·Cos[ωпр·t+ϕк(t)+ϕпр], 0≤t≤Tc,

где Vпр=¹/₂K₁·V₂·Vг;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

ωпр=ωс-ωг - промежуточная (разностная) частота;

ϕпр=ϕс-ϕг,

которое поступает на первый вход перемножителя 17, на второй вход которого подается высокочастотное колебание Uc(t) с выхода задающего генератора 1.

На выходе перемножителя 17 образуется напряжение (фиг.3, г):

U₃(t)=V₃·Cos[ωг·t-ϕг(t)+ϕг], 0≤t≤Tc,

где V₃=¹/₂K₂·Vпр·Vc;

K₂ - коэффициент передачи перемножителя;

которое представляет собой ФМн-сигнал на частоте гетеродина и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 6. На второй (опорный) вход фазового детектора 6 в качестве опорного напряжения подается напряжение Uг(t) гетеродина 14. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 6 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, е)

Uн(t)=Vн·Cosϕк(t),

где Vн=¹/₂К₃·V₃·Vг;

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора;

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

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков по сравнению с прототипами обеспечивают повышение чувствительности и динамического диапазона приемника сканирующего блока, а также увеличение дальности считывания информации о биообъекте. Это достигается путем построения приемника сканирующего блока по супергетеродинной схеме.

Следует отметить, что чувствительность приемника прямого усиления составляет 10^-2-10^-3 Вт, в то время как чувствительность супергетеродинного приемника составляет 10^-6-10^-8 Вт.

Кроме того, синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала осуществляется на стабильной частоте ωг гетеродина, что не требует дополнительной фазовой синхронизации. Последняя была необходима при использовании для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала частоты ωс задающего генератора, так как на зондирующий и переотраженный сигналы воздействуют различные дестабилизирующие факторы.

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. Технической задачей изобретения является повышение чувствительности и динамического диапазона приемника сканирующего блока, а также увеличение дальности считывания информации о биообъекте путем построения приемника сканирующего блока по супергетеродинной схеме. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит сканирующий и приемопередающий блоки. Сканирующий блок содержит задающий генератор 1, усилитель 2 мощности, циркулятор 3, рупорную приемопередающую антенну 4, усилитель 5 высокой частоты, фазовый детектор 6, компьютер 7, гетеродин 14, смеситель 15, усилитель 16 промежуточной частоты, перемножитель 17 и полосовой фильтр 18. Приемопередающий блок выполнен в виде пьезокристалла с нанесенными на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей. Встречно-штыревой преобразователь поверхностных акустических волн (ПАВ) содержит две гребенчатые системы электродов и шины, которые соединяют электроды каждой из гребенок между собой. Шины, в свою очередь, связаны с микрополосковой антенной. 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, в качестве которого используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, облучении с помощью сканирующего блока засыпанного участка, под поверхностью которого может находиться биообъект или его останки, направленным электромагнитным сигналом, приеме его на засыпанном биообъекте или его останках, преобразовании в акустическую волну, обеспечении ее распространения по поверхности пьезокристалла и обратного отражения, преобразовании отраженной акустической волны опять в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, переизлучении его в эфир, приеме сканирующим блоком, усилении по амплитуде, регистрации выделенного модулирующего кода, соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя, анализе его и определении принадлежности засыпанного биообъекта или его останков, отличающийся тем, что усиленный по амплитуде электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с напряжением задающего генератора, выделяют электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте гетеродина и осуществляют его синхронное детектирование с использованием напряжения гетеродина в качестве опорного напряжения.2. Устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее приемопередатчик, связанный с антенной и размещенный на биообъекте, относящемся к группе риска, сканирующий блок, состоящий из последовательно включенных задающего генератора, усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной, и усилителя высокой частоты, последовательно включенных фазового детектора и компьютера, при этом 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, отличающееся тем, что оно снабжено гетеродином, смесителем, усилителем промежуточной частоты, перемножителем и полосовым фильтром, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и полосовой фильтр, выход которого подключен к первому входу фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом гетеродина.