СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ЗАСЫПАННЫХ БИООБЪЕКТОВ ИЛИ ИХ ОСТАНКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК A62B99/00 

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 туризме и альпинизме при поиске биообъектов, засыпанных, например, снежными лавинами или горными обвалами.

Известны способы и устройства обнаружения местонахождения живых существ, попавших в завалы (патенты РФ №№2116099, 2248235, 2306159; ЕР заявка №0075199; Винокуров В.К. и др. Безопасность в альпинизме. - М.: 1983, с.136-137; Дикарев В.И. Безопасность, защита и спасение человека. - СПб.: 2007, с.61-78 и др.).

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 №2306159, А62В 37/00, 2005), которые и выбраны в качестве прототипов.

Известные способ и устройство обеспечивают повышение чувствительности и динамического диапазона приемника сканирующего блока, а также увеличение дальности считывания информации о биообъекте путем построения приемника сканирующего блока по супергетеродинной схеме.

Однако известные способ и устройство не позволяют автоматически определять расстояние между сканирующим блоком и приемопередатчиками, размещенными на засыпанных биообъектах или их останках, что снижает достоверность обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков путем автоматического определения дальности от сканирующего блока до приемопередатчиков, размещенных на засыпанных биообъектах или их останках.

Поставленная задача решается тем, что способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, заключающийся, в соответствии с ближайшим аналогом, в предварительном размещении на биообъекте, относящемуся 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, над поверхностью которого может находиться биообъект или его останки, направленным электромагнитным сигналом, приема 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, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, переизлучении его в эфир, приеме сканирующим блоком, усилении по амплитуде, преобразовании по частоте с использованием напряжения гетеродина, выделении напряжения промежуточной частоты, выделении электромагнитного сигнала с фазовой манипуляцией на частоте гетеродина, осуществлении его синхронного детектирования с использованием напряжения гетеродина в качестве опорного напряжения, регистрации выделенного аналога модулирующего кода, соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя, анализе его и определении принадлежности засыпанного биообъекта или его останков, отличается от ближайшего аналога тем, что направленный электромагнитный сигнал перед облучением модулируют по частоте по пилообразному закону, преобразуют отраженную акустическую волну в электромагнитный сложный сигнал с комбинированной линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией, усиленный по амплитуде электромагнитный сложный сигнал с комбинированной линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, перемножают напряжение промежуточной частоты с напряжением задающего генератора, промодулированного по частоте по пилообразному закону, перемножают усиленный по амплитуде электромагнитный сложный сигнал с комбинированной линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией с выделенным аналогом модулирующего кода, выделяют электромагнитный сигнал с линейной частотной модуляцией, перемножают его с напряжением задающего генератора, промодулированного по частоте по пилообразному закону, выделяют напряжение биений, измеряют частоту биений и определяют дальность от сканирующего блока до приемопередатчика, размещенного на засыпанном биообъекте или его останках.

Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, приемопередатчик, связанный с антенной и размещенный на биообъекте, относящемуся к группе риска, сканирующий блок, состоящий из задающего генератора и последовательно включенных усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, первого перемножителя, первого полосового фильтра, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, 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, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено генератором пилообразного напряжения, частотным модулятором, вторым и третьим перемножителями, вторым полосовым фильтром, узкополосным фильтром и частотомером, причем к выходу задающего генератора подключен частотный модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, а выход подключен к входу усилителя мощности, к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, второй полосовой фильтр, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом частотного модулятора, узкополосный фильтр и частотомер, второй вход первого перемножителя соединен с выходом частотного модулятора.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 2. Частотно-временные диаграммы, поясняющие принцип работы способа и устройства для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, изображены на фиг.3 и 4.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит сканирующий блок и приемопередающий блок.

Сканирующий блок содержит последовательно включенные задающий генератор 1, частотный модулятор 20, второй вход которого соединен с выходом генератора 19 пилообразного напряжения, 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, первый перемножитель 17, второй вход которого соединен с выходом частотного модулятора 20, первый полосовой фильтр 18, фазовый детектор 6, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 14, и компьютер 7, последовательно подключенные к выходу усилителя 5 высокой частоты второй перемножитель 21, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора 6, второй полосовой фильтр 22, третий перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом частотного модулятора 20, узкополосный фильтр 24 и частотомер 25.

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 11 и 12, в свою очередь, связаны с микрополосковой антенной 9.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Задающим генератором 1 формируется высокочастотное колебание

U_c(t)=ν_c·Cos(ω_c t+φ_c), 0≤t≤T_C,

где ν_c, ω_с, φ_c; Т_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на первый вход частотного модулятора 20, на второй вход которого подается модулирующее напряжение с выхода генератора 19 пилообразного напряжения. На выходе частотного модулятора 20 образуется сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ)

U₁(t)=ν_с·Cos(ω_ct+πγt²+φ_c), 0≤t≤Т_M,

где γ=Δω_д/Т_M - скорость изменения частоты сигнала;

Δω_д - девиация частоты;

Т_M - период модуляции (фиг.3),

который усиливается по мощности в усилителе 2 мощности

U₂(t)=ν₂·Cos(ω_сt+πγt²+φ_c), 0≤t≤Т_M,

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 U₂(t) с линейной частотной модуляцией 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 11 и 12, в свою очередь, связаны с микрополосковой антенной 9.

Принимаемый сигнал U₂(t) с линейной частотной модуляцией преобразуется встречно-штыревым преобразователем в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла 8, отражается от отражателей 13 и опять преобразуется в электромагнитный сложный сигнал с комбинированной линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией (ЛЧМ-ФМн)

U₃(t)=ν₃·Cos[ω_ct+πγt²+φ_к(t)+φ_c], 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.4,а), причем φ_к(t)=const при k·τ_э<t<(k+1)·τ_э и может изменяться скачком при t=k·τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2,…, N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью

Т_C(Т_C=N·τ_э).

При этом внутренняя структура сформированного ЛЧМ-ФМн-сигнала модулирующего кода M(t) определяется топологией встречно-штыревого преобразователя, имеет индивидуальный характер и содержит всю необходимую уникальную информацию о засыпанном биообъекте или его останках, например фамилию, имя, отчество, год рождения и т.п.

Сформированный ЛЧМ-ФМн-сигнал U₃(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

U₄(t)=ν₄·Cos[ω_c(t-τ₃)+πγ(t-τ₃)²+φ_к(t-τ₃/2)+φ_c], 0≤t≤T_C,

где τ₃=2R/С - время запаздывания переизлученного сигнала относительного зондирующего (фиг.3);

R - дальность от сканирующего блока до приемопередатчика, размещенного на засыпанном биообъекте или его останках;

ω_N - частота излучаемого зондирующего сигнала;

ω_п - частота переизлученного сигнала;

γ=Δω_д/Т_M - скорость изменения частоты сигнала;

Δω_д - девиация частоты;

Т_M - период модуляции.

На второй вход смесителя 15 подается напряжение гетеродина 14 (фиг.4, в)

U_Г(t)=ν_г·Cos(ω_гt+φ_г).

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

U_пр(t)=ν_пр·Cos[ω_пр(t-τ₃)+πγ(t-τ₃)²+φ_к(t-τ₃/2)+φ_пр], 0≤t≤Т_C,

где ν_пр=1/2·ν₄·ν_г;

ω_пр=ω_с- ω_г - промежуточная (разностная) частота;

φ_пр=φ_с- φ_г,

которое поступает на первый вход перемножителя 17, на второй вход которого подается сигнал U₁(t) с выхода частотного модулятора 20. На выходе перемножителя 17 образуется напряжение (фиг.4, б)

U₅(t)=ν₅·Cos[ω_гt+φ_к(t-τ₃/2)φ_г],

где ν₅=1/2·ν_c·ν_пр,

которое представляет собой ФМн-сигнал на частоте гетеродина 14 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 6. На второй (опорный) вход фазового детектора 6 в качестве опорного напряжения подается напряжение U_Г(t) гетеродина 14 (фиг.4, в). В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 6 образуется низкочастотное напряжение (фиг.4, г)

U_Н(t)=ν_н·Cos φ_к(t-τ₃/2), 0≤tТ_С,

где ν_н=1/2·ν₅·ν_г,

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.4, а). Это напряжение регистрируется и анализируется в компьютере 7.

Принимаемый ЛЧМ-ФМн-сигнал U₄(t) с выхода усилителя 5 высокой частоты одновременно поступает на первый вход перемножителя 21, на второй вход которого подается низкочастотное напряжение U_H(t) с выхода фазового детектора 6. На выходе перемножителя образуется ЛЧМ-сигнал

U₆(t)=ν₆·Cos[ω_с(t-τ₃)+πγ(t-τ₃)²+φ_с], 0≤t≤Т_С,

где ν₆=1/2·ν_н·ν₆,

который выделяется полосовым фильтром 22 и поступает на первый вход перемножителя 23, на второй вход которого подается ЛЧМ-сигнал U₁(t) с выхода частотного модулятора 20. На выходе перемножителя образуется низкочастотное гармоническое напряжение

U₇(t)=ν₇·Cos(ω_δt+φ_δ), 0≤t≤Т_С,

где ω_δ=2πγτ₃ - частота биений;

ν₇=1/2ν_c·ν₆,

которое выделяется узкополосным фильтром 24 и поступает на вход частотомера 25 (частотного анализатора). Частотомер 25 отградуирован непосредственно в единицах дальности.

Максимальная дальность, которая может быть измерена частотным методом, определяется из условия

Т_M/2≤2R/С,

откуда

R_max=С·Т_M/4,

где С - скорость распространения электромагнитной волны.

Минимальная частота спектра биений, которая может быть зафиксирована спектр-анализатором (частотомером 25), равна частоте модуляции

F_M=1/T_M.

Следовательно, минимальная дальность от сканирующего блока до приемопередающего блока, размещенного на засыпанном биообъекте или его останках, измеряемая частотным методом, определяется выражением

R_min=С/4Δω_д.

Разрешающая способность частотного дальномера определяется минимальной разностью частот биений, которая может быть зафиксирована спектром-анализатором. Она, как уже отмечалось, равна F_M. Этой разности соответствует разрешаемое расстояние

ΔR=С/4Δω_д.

Способ и устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков 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. Кроме того, синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала осуществляется на стабильной частоте ω_г гетеродина, что не требует дополнительной фазовой синхронизации. При этом приемопередатчик работает без источника питания и обеспечивает дальность обнаружения не менее 2000 м.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение достоверности обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков. Это достигается путем автоматического определения дальности от сканирующего блока до приемопередающего блока, размещенного на засыпанном биообъекте или его останках, частотным методом с использованием линейной частотной модуляции.

С точки зрения обнаружения сложные сигналы с комбинированной линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией (ЛЧМ-ФМн) обладают энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ЛЧМ-ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскирован шумами и помехами. Причем энергия сложного ЛЧМ-ФМн-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 сложных ЛЧМ-ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку ЛЧМ-ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника сканирующего блока.

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 туризме и альпинизме при поиске биообъектов, засыпанных, например, снежными лавинами или горными обвалами. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит сканирующий и приемопередающие блоки. Сканирующий блок содержит задающий генератор, усилитель мощности, циркулятор, рупорную приемопередающую антенну, усилитель высокой частоты, фазовый детектор, компьютер, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, первый, второй и третий перемножители, первый и второй полосовые фильтры, генератор пилообразного напряжения, частотный модулятор, узкополосный фильтр и частотомер. Приемопередающий блок содержит пьезокристалл, микрополосковую антенну, две гребенчатые системы электродов, шины и набор отражателей. Технической задачей изобретения является повышение достоверности обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков путем автоматического определения дальности от сканирующего блока до приемопередатчиков, размещенных на засыпанных биообъектах или их останках. 2 н.п. ф-лы, 4 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, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, переизлучении его в эфир, приеме сканирующим блоком, усилении по амплитуде, преобразовании по частоте с использованием напряжения гетеродина, выделении напряжения промежуточной частоты, выделении электромагнитного сигнала с фазовой манипуляцией на частоте гетеродина, осуществлении его синхронного детектирования с использованием напряжения гетеродина в качестве опорного напряжения, регистрации выделенного аналога модулирующего кода, соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя, анализе его и определении принадлежности засыпанного биообъекта или его останков, отличающийся тем, что направленный электромагнитный сигнал перед облучением модулируют по частоте по пилообразному закону, преобразуют отраженную акустическую волну в электромагнитный сложный сигнал с комбинированной линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией, усиленный по амплитуде электромагнитный сложный сигнал с комбинированной линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, перемножают напряжение промежуточной частоты с напряжением задающего генератора, промодулированного по частоте по пилообразному закону, перемножают усиленный по амплитуде электромагнитный сложный сигнал с комбинированной линейной частотной модуляцией и фазовой манипуляцией с выделенным аналогом модулирующего кода, выделяют электромагнитный сигнал с линейной частотной модуляцией, перемножают его с напряжением задающего генератора, промодулированного по частоте по пилообразному закону, выделяют напряжение биений, измеряют частоту биений и определяют дальность от сканирующего блока до приемопередатчика, размещенного на засыпанном биообъекте или его останках.

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 задающего генератора и последовательно включенных усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, первого перемножителя, первого полосового фильтра, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, 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 генератором пилообразного напряжения, частотным модулятором, вторым и третьим перемножителями, вторым полосовым фильтром, узкополосным фильтром и частотомером, причем к выходу задающего генератора подключен частотный модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, а выход подключен к входу усилителя мощности, к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, второй полосовой фильтр, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом частотного модулятора, узкополосный фильтр и частотомер, второй вход первого перемножителя соединен с выходом частотного модулятора.