СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ЗАСЫПАННЫХ БИООБЪЕКТОВ ИЛИ ИХ ОСТАНКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК A63B29/02 G01S13/75 

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 способ и устройства обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков (патенты РФ №№2076336, 2085997, 2105432, 2116099, 2141119, 2206902, 2248235; патенты США №№4129868, 4673936, 4958638, 5479120; ЕР №0075199; Винокуров В.К. и др. Безопасность в альпинизме. М.: 1983, с.136-137 и другие).

Из известных способов и устройств 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.

При обнаружении местонахождения засыпанных биообъектов очень важным является факт установления у них признаков жизнедеятельности, чтобы можно было оперативно организовать спасение живых биообъектов.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа и устройства путем выявления признаков жизнедеятельности у обнаруженных биообъектов.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, заключающемуся 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, осуществлении синхронного детектирования, регистрации выделенного модулирующего кода, соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя, анализе его и определении принадлежности засыпанного биообъекта или его останков, принимают сканирующим блоком отраженный сигнал с комбинированной амплитудной и частотной модуляцией, осуществляют его синхронное детектирование, регистрируют выделенное низкочастотное напряжение в качестве признака жизнедеятельности обнаруженного биообъекта, перемножают отраженный сигнал с комбинированной амплитудной и частотной модуляцией с высокочастотным колебанием, формируемым задающим генератором сканирующего блока, выделяют посредством трехканальной фильтрации низкочастотные напряжения с частотой, соответствующей интервалам дыхания по каналу с полосой пропускания 0,1÷0,7 Гц, с частотой биения пульса по каналу с полосой пропускания 1,0÷3,0 Гц и с частотой, соответствующей случайным перемещениям обнаруженного биообъекта по каналу с полосой пропускания 4,0÷10,0 Гц, регистрируют выделенные низкочастотные напряжения в качестве признаков жизнедеятельности обнаруженного биообъекта.

Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее приемопередатчик, связанный с антенной, размещенный на биообъекте, относящемся к группе риска, и выполненный в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, при этом встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, связанными с микрополосковой антенной, и сканирующий блок, состоящий 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, снабжено перемножителем и тремя узкополосными фильтрами, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены перемножитель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и три узкополосных фильтра, выходы которых подключены к соответствующим входам компьютера.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемых способа и устройства, 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, последовательно подключенные к выходу усилителя 5 высокой частоты, перемножитель 14, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, и три узкополосных фильтра 15-17, выходы которых подключены к соответствующим входам компьютера 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 реализуется следующим образом.

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

U_c(t)=V_c·Cos(W_c·t+ϕ_с), 0≤t≤T_c,

где V_c, W_c, ϕ_с, Т_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания;

которое усиливается по мощности в усилителе 2 мощности:

U₁(t)=V₁·Cos(W_c·t+ϕ_с), 0≤t≤T_c

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.

Отраженный сигнал, который является сигналом с изменяющейся во времени доплеровской частотой, модулированный по амплитуде процессами биения пульса, дыхания и перемещения самого обнаруженного биообъекта (фиг.3, д)

U₀(t)=V₀·[1+m(t)]·Cos[W₀·(t)·t+ϕ₀], 0≤t≤T_c,

где V₀, ϕ₀ - амплитуда и начальная фаза отраженного сигнала;

m(t) - модулирующая функция амплитудной модуляции, отражающая процессы биения пульса, дыхания и перемещения самого обнаруженного биообъекта;

W₀·(t)·=W_c±W_g(t) - изменяющаяся во времени частота отраженного сигнала;

±W_g(t) - изменяющаяся во времени доплеровская частота;

принимается антенной 4 сканирующего блока и через циркулятор 3 и усилитель 5 высокой частоты поступает на информационный вход фазового детектора 6 и на первый вход перемножителя 14. На опорный вход фазового детектора 6 и на второй вход перемножителя 14 подается высокочастотное колебание U_c(t) с выхода задающего генератора 1 (фиг.3, а). Фазовый детектор 6 представляет собой последовательно включенные перемножитель и фильтр нижних частот.

На выходе фазового детектора 6 образуется низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующей функции m(t) (фиг.3, е), которое поступает на первый вход компьютера 7.

На выходе перемножителя 14 образуется низкочастотное напряжение

где

K₁ - коэффициент передачи множителя;

ϕ_g=ϕ₀-ϕ_c,

которое поступает на выходы узкополосных фильтров 15, 16 и 17. Причем каждый узкополосный фильтр пропускает на выход часть спектра частот низкочастотного сигнала . При этом узкополосный фильтр 15 с полосой пропускания 0,1÷0,7 Гц обеспечивает регистрацию интервалов дыхания, узкополосный фильтр 16 с полосой пропускания 1,0÷3,0 Гц обеспечивает регистрацию частоты биения пульса, а узкополосный фильтр 17 с полосой пропускания 4,0÷10,0 Гц - регистрацию перемещений обнаруженного биообъекта.

Компьютер 7 воспринимает указанную информацию раздельно по каналам дыхания, пульса и перемещения, как признаки жизнедеятельности обнаруженного биообъекта.

Гармоническое колебание U₁(t) улавливается микрополосковой антенной 9 приемопередатчика, размещенного на биообъекте, и поступает на вход встречно-штыревого преобразователя, где преобразуется в акустическую волну.

Последняя 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[W_c·t+ϕ_к(t)+ϕ_с], 0≤t≤T_c,

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_к(t)=const при К·τ_э<t<(К+1)τ_э и может изменяться скачком при t=К·τ_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 T_с(T_с=N·τ_э).

При этом внутренняя структура сформированного ФМн-сигнала определяется модулирующим кодом M(t), который, в свою очередь, 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 и на первый вход перемножителя 14. На опорный вход фазового детектора 6 и на второй вход перемножителя 14 подается высокочастотное колебание U_c(t) с выхода задающего генератора 1 (фиг.3, а). На выходе фазового детектора 6 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, г):

где

К₂ - коэффициент передачи фазового детектора;

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

Так как скорость распространения ПАВ в пьезокристалле 8 примерно на пять порядков меньше скорости распространения электромагнитных колебаний, то переизлученный ФМн сигнал по отношению к отраженному сигналу с комбинированной амплитудной и частотной модуляцией поступает на антенну 4 сканирующего блока с определенной задержкой.

Если обнаруженный биообъект не проявляет признаков жизнедеятельности, то амплитудная и частотная модуляции, связанные с процессами биения пульса, дыхания и перемещения самого обнаруженного биообъекта в отраженном сигнале отсутствуют.

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 - 10-100 ГГц;

- дальность обнаружения - не менее 200 м;

- количество кодовых комбинаций - 2³²-2¹²⁸;

- тип излучаемого сигнала - гармоническое колебание;

- тип переизлученного сигнала - широкополосный сигнал с фазовой манипуляцией (база сигнала В=Δf_с·Т_c=200÷1000, Δf_с - ширина спектра);

- тип отраженного сигнала - гармоническое колебание - при отсутствии признаков жизнедеятельности биообъекта, - сигнал с комбинированной амплитудной и частотной модуляцией - при наличии признаков жизнедеятельности биообъекта;

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

- срок службы приемопередатчика - не менее 20 лет;

- потребляемая приемопередатчиком мощность - 0 Вт.

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 им информации неограниченное число раз, без какого бы то ни было участия владельца и через продолжительное время, например, после засыпания.

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 при длительной эксплуатации (отсутствие батарей и большое время наработки на отказ).

Большим преимуществом применения приемопередатчика на ПАВ является также использование в нем 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 замаскированным 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.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами обеспечивают не только обнаружение биообъектов или их останков, но и выявление признаков жизнедеятельности у обнаруженных биообъектов.

Сердечная деятельность и дыхание биообъекта оказывают комбинированное воздействие на кожный покров, проявляющееся в виде колебательных микроперемещений кожи. Для получения информации о пульсации кровотока и интервалах дыхания по предлагаемому способу определяют микроперемещения кожного покрова путем его облучения с использованием доплеровского радиолокатора электромагнитной волной сверхвысокой частоты.

При этом из отраженного сигнала сигнал доплеровской частоты выделяют посредством трехканальной фильтрации частоты модулирующих процессов:

- частоту, соответствующую интервалам дыхания, по каналу с полосой пропускания 0,1÷0,7 Гц;

- частоту биения пульса по каналу с полосой пропускания 1,0÷3,0 Гц;

- частоту, соответствующую случайным перемещениям обнаруженного биообъекта, по каналу с полосой пропускания 4,0÷10,0 Гц.

Тем самым функциональные возможности способа и устройства расширены.

Изобретение относятся к области поисково-спасательных работ и может быть использовано для поиска засыпанных биообъектов или их останков в районах землетрясений, а также в альпинизме при поиске биообъектов, засыпанных, например, снежными лавинами или горными обвалами. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей путем выявления признаков жизнедеятельности у обнаруженных биообъектов. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит сканирующий блок и приемопередатчик. Сканирующий блок содержит задающий генератор 1, усилитель 2 мощности, циркулятор 3, приемопередающую антенну 4, усилитель 5 высокой частоты, фазовый детектор 6, компьютер 7, перемножитель 14, узкополосные фильтры 15, 16 и 17. Приемопередающий блок выполнен в виде пьезокристалла 8 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной 9, и наобором отражателей 13. Встречно-штыревой преобразователь 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. 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, осуществлении синхронного детектирования, регистрации выделенного модулирующего кода, соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя, анализе его и определении принадлежности засыпанного биообъекта или его останков, отличающийся тем, что принимают сканирующим блоком отраженный сигнал с комбинированной амплитудной и частотной модуляцией, осуществляют его синхронное детектирование, регистрируют выделенное низкочастотное напряжение в качестве признака жизнедеятельности обнаруженного биообъекта, перемножают отраженный сигнал с комбинированной амплитудной и частотной модуляцией с высокочастотным колебанием, формируемым задающим генератором сканирующего блока, выделяют посредством трехканальной фильтрации низкочастотные напряжения с частотой, соответствующей интервалам дыхания, по каналу с полосой пропускания 0,1÷0,7 Гц, с частотой биения пульса по каналу с полосой пропускания 1,0÷3,0 Гц и с частотой, соответствующей случайным перемещениям обнаруженного биообъекта, по каналу с полосой пропускания 4,0÷10,0 Гц, регистрируют выделенные низкочастотные напряжения в качестве признаков жизнедеятельности обнаруженного биообъекта.2. Устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее приемопередатчик, связанный с антенной, размещенный на биообъекте, относящемся к группе риска, и выполненный в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, при этом встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, связанными с микрополосковой антенной, и сканирующий блок, состоящий из последовательно включенных задающего генератора, усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемо-передающей антенной, усилителя высокой частоты, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и компьютера, отличающееся тем, что оно снабжено премножителем и тремя узкополосными фильтрами, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены перемножитель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и три узкополосных фильтра, выходы которых подключены к соответствующим входам компьютера.