СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ЗАСЫПАННЫХ БИООБЪЕКТОВ ИЛИ ИХ ОСТАНКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01V3/12 

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 обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков (патенты РФ №2085997, 2105432, 2116099, 2206902, 2248235, 2288486; патенты США №4129868, 4673936; патент 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 №2288486, G01V 3/12, 2005), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Указанные способ и устройство обеспечивают повышение чувствительности и увеличение дальности действия.

Для этого предварительно размещают на биообъекте, относящемся к группе риска, маломощный приемопередатчик, в качестве которого используют преобразователь на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Облучают участок, под поверхностью которого может находиться биообъект или его останки, направленным электромагнитным сигналом. Принимают переизлученный сигнал, выделяют модулирующий код. Перед излучением преобразуют сигнал по частоте с использованием частоты гетеродина и выделяют напряжение первой промежуточной частоты, равной сумме несущей частоты и частоты гетеродина. Принимаемый сигнал с фазовой манипуляцией повторно преобразуют по частоте. Выделяют напряжение второй промежуточной частоты и осуществляют синхронное детектирование на частоте ω_г гетеродина.

Устройство содержит сканирующий блок и приемопередатчик. Сканирующий блок содержит задающий генератор, циркулятор, приемопередающую антенну, фазовый детектор, компьютер, гетеродин, первый и второй смесители, усилители первой и второй промежуточных частот и пъезокристалл, микроволновую антенну, электроды, набор отражателей.

Однако известные технические решения не обеспечивают возможности для определения расстояния до засыпанных биообъектов или их останков.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа и устройства путем определения расстояния до засыпанных биообъектов или их останков.

Поставленная задача решается тем, что способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на том, что предварительно размещают на биообъекте, относящемся к группе риска, маломощный приемопередатчик, в качестве которого используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, формируют высокочастотное колебание с несущей частотой ω_с, преобразуют его по частоте с использованием частоты ω_г гетеродина, выделяют напряжение первой промежуточной частоты ω_пр1, равный сумме частоты ω_пр1=ω_г+ω_с, усиливают его по мощности, облучают с помощью сканирующего блока засыпанный участок, под поверхностью которого может находиться биообъект или его останки, направленным электромагнитным сигналом, принимают его на засыпанном биообъекте или его останках, преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пъезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну опять в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, сформированный сигнал с фазовой манипуляцией переизлучают микрополосковой антенной в эфир, принимают его антенной сканирующего блока, усиливают по амплитуде, принятый сигнал с фазовой манипуляцией на первой промежуточной частоте ω_пр1 повторно преобразуют по частоте с использованием несущей частоты ω_с, выделяют напряжение второй промежуточной частоты ω_пр2=ω_пр1-ω_с=ω_г, регистрируют выделенный модулирующий код, соответствующий структуре встречно-штыревого преобразователя, анализируют его и определяют принадлежность засыпанного биообъекта или его останков, отличается от ближайшего аналога тем, что задерживают напряжение гетеродина на время τ, перемножают его с напряжением второй промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), изменяют время задержки τ до наступления равенства τ=τ_З, где τ_З=2R/c, R - расстояние до засыпанного биообъекта или его останков, поддерживают указанное равенство, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ), определяют расстояние R до засыпанного биообъекта или его останков и используют задержанное напряжение гетеродина для синхронного детектирования принятого сигнала с фазовой манипуляцией на второй промежуточной частоте ω_пр2=ω_г.

Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее в соответствии с ближайшим аналогом приемопередатчик, 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, первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, усилителя второй промежуточной частоты, фазового детектора и компьютера, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено перемножителем, фильтром нижних частот, экстремальным регулятором, блоком регулируемой задержки и индикатором дальности, причем к второму выходу гетеродина последовательно подключены блок регулируемой задержки, перемножитель, второй вход которого соединен с вторым выходом усилителя второй промежуточной частоты, фильтр нижних частот, экстремальный регулятор, блок регулируемой задержки и индикатор дальности, второй вход фазового детектора соединен с первым выходом блока регулируемой задержки, второй вход компьютера соединен с вторым выходом блока регулируемой задержки.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая процесс преобразования сигналов по частоте, изображена на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, представлены на фиг.4.

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

Сканирующий блок содержит последовательно включенные задающий генератор 1, первый смеситель 9, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 8, усилитель 10 первой промежуточной частоты, усилитель 2 мощности, циркулятор 3, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной 4, усилитель 5 высокой частоты, второй смеситель 11, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, усилитель 12 второй промежуточной частоты, фазовый детектор 6, второй вход которого через блок 23 регулируемой задержки соединен со вторым выходом гетеродина 8, и компьютер 7, последовательно подключенные к второму выходу гетеродина 8, блок 23 регулируемой задержки, перемножитель 20, второй вход которого соединен с вторым выходом усилителя 12 второй промежуточной частоты, фильтр 21 нижних частот, экстремальный регулятор 22 и индикатор 24 дальности, перемножитель 20, фильтр 21 нижних частот 21, экстремальный регулятор 22 и блок 23 регулируемой задержки образуют коррелятор 19.

Приемопередающий блок выполнен в виде пьезокристалла 13 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной 14, и набором отражателей 18.

Встречно-штыревой преобразователь поверхностных акустических волн (ПАВ) содержит две гребенчатые системы электродов 15, шины 16 и 17, которые соединят электроды каждой из гребенок между собой. Шины 16 и 17 в свою очередь связаны с микрополосковой антенной 14.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Задающим генератором 1 формируется высокочастотное колебание (фиг.4, а)

0≤t≤T_c,

где U_с, ω_с, φ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на первый вход первого смесителя 9, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 8 (фиг.4, б)

На выходе смесителя 9 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 10 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты (фиг.4, в)

0≤t≤T_c,

где

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр1=ω_с+ω_Г - первая промежуточная (суммарная) частота;

φ_пр1=φ_с+φ_Г,

которое после усиления в усилителе 2 мощности 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 U_пр1(t) принимается микрополосковой антенной 14 приемопередатчика, размещенного на биообъекте или его останках. Последний представляет собой пьезокристалл 13 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем ПАВ, который состоит из двух гребенчатых систем электродов 15, нанесенных на поверхность пьезокристалла 13. Электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 16 и 17. Шины в свою очередь связаны с микроволновой антенной 14.

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

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

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

В основе работы приборов на ПАВ лежат три физических процесса:

- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;

- распространение акустической волны вдоль поверхности звукопровода;

- обратное преобразование ПАВ в электрический сигнал.

Для прямого и обратного преобразования ПАВ используются преобразователи поверхностных акустических волн. Наиболее распространенные среди которых получили встречно-штыревые преобразователи.

Принимаемое гармоническое колебание U_пр1(t) преобразуется встречно-штыревым преобразователем в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла 13, отражается от набора 18 отражателей и опять преобразуется в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.4, д)

0≤t≤T_c,

где φ=_к{0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.4, г), причем φ_к(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 (k=1, 2, …, N-1);

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

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

Сформированный ФМн-сигнал u₂(t) излучается микрополосковой антенной 14 в эфир, принимается антенной 4 сканирующего блока и через циркулятор 3 и усилитель 5 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 11, на второй вход которого подается высокочастотное колебание u_c(t) (фиг.4, а) с выхода задающего генератора 1 в качестве напряжения второго гетеродина. На выходе смесителя 11 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 12 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты (фиг.4, е)

0≤t≤T_c,

где

ω_пр2=ω_пр1-ω_с=ω_г промежуточная (разностная) частота;

φ_пр2=φ_пр1-φ_с=φ_Г;

τ₃=2R/c - время запаздывания переизлученного сигнала;

R - расстояние до засыпанного биообъекта или его останков;

с - скорость распространения радиоволн,

которое поступает на первый вход фазового детектора 6. На второй вход фазового детектора 6 подается напряжение u_г(t) со второго выхода гетеродина 8 через блок 23 регулируемой задержки. На выходе последнего образуется следующее напряжение

где τ - время задержки блока 23 регулируемой задержки.

Напряжение u_ПР2(t-τ) с второго выхода усилителя 12 второй промежуточной частоты одновременно поступает на второй вход перемножителя 20, на первый вход которого подается напряжение u_г1(t) с выхода блока 23 регулируемой задержки. Полученное на выходе перемножителя 20 напряжение пропускается через фильтр 21 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R(τ).

Экстремальный регулятор 22, подключенный к выходу фильтра 21 нижних частот, воздействует на блок 23 регулируемой задержки и поддерживает равенство τ=τ_З, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ).

Индикатор 24 дальности, связанный с блоком 23 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение дальности R до засыпанного биообъекта или его останков. При этом на второй вход фазового детектора 6 подается следующее напряжение

которое используется в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на второй промежуточной частоте ω_пр2 u_пр2(t-τ_З).

На выходе фазового детектора 6 образуется низкочастотное напряжение (фиг.4, ж)

0≤t≤T_c,

где

K₂ - коэффициент передачи фазового детектора,

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.4, г). Это напряжение вместе с измеренным значением дальности R регистрируется и анализируется в компьютере 7.

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

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

- частотный диапазон - 900…920 МГц;

- дальность обнаружения - не менее 2000 м;

- количество кодовых комбинаций - 2³²…2¹²⁸;

- тип излучаемого сигнала - гармоническое колебание;

- тип отраженного (переизлученного) сигнала - широкополосный сигнал с фазовой манипуляцией (база сигнала В=Δf_сT_с=200…1000, Δf_c - ширина спектра);

- габариты приемопередатчика, размещаемого 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 несущей им информации неограниченное число раз, без какого бы то ни было участия владельца и через продолжительное время, например после землетрясения. Этим требованиям удовлетворяют предлагаемые способ и устройство.

С точки зрения обнаружения, сложные ФМн-сигналы обладают энергетической и структурной скрытностью.

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

Структурная скрытность широкополосных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку широкополосных ФМн-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 и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают определение расстояния R до засыпанных биообъектов или их останков. А используя направленные свойства рупорной антенны сканирующего блока и измеренное расстояние R, можно определить местоположение засыпанных биообъектов или их останков. Тем самым функциональные возможности известных способа и устройства расширены.

Группа изобретений относится к области поисково-спасательных работ и может быть использована для поиска засыпанных биообъектов или их останков в районах землетрясений, а также при поиске биообъектов, засыпанных снежными лавинами или горными обвалами. Технический результат: расширение функциональных возможностей путем определения расстояния до засыпанных биообъектов или их останков. Сущность: устройство, реализующее способ, содержит задающий генератор 1, усилитель 2 мощности, циркулятор 3, приемопередающую антенну 4, усилитель 5 высокой частоты, фазовый детектор 6, компьютер 7, гетеродин 8, первый смеситель 9, усилитель 10 первой промежуточной частоты, второй смеситель 11, усилитель 12 второй промежуточной частоты, коррелятор 19, перемножитель 20, фильтр 21 нижних частот, экстремальный регулятор 22, блок 23 регулируемой задержки и индикатор 24 дальности. Приемопередающий блок выполнен в виде пьезокристалла 13 с нанесенным на его поверхность встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной 14, и набором отражателей 18. Задерживают напряжение гетеродина на время τ, перемножают его с напряжением второй промежуточной частоты. Выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), изменяют время задержки τ до наступления равенства τ=τ_З, где τ_З=2R/с, R - расстояние до засыпанного биообъекта или его останков. Поддерживают указанное равенство, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ). Определяют расстояние R до засыпанного биообъекта или его останков. Используют задержанное напряжение гетеродина для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на второй промежуточной частоте ω_пр2=ω_г. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, основанный на том, что предварительно размещают на биообъекте, относящемся к группе риска, маломощный приемопередатчик, в качестве которого используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, формируют высокочастотное колебание с несущей частотой ω_с, преобразуют его по частоте с использованием частоты ω_г гетеродина, выделяют напряжение первой промежуточной частоты ω_пр1, равной ω_пр1=ω_г+ω_с сумме частот, усиливают его по мощности, облучают с помощью сканирующего блока засыпанного участка, под поверхностью которого может находиться биообъект или его останки, направленным электромагнитным сигналом, принимают его на засыпанном биооъекте или его останках, преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространения по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну опять в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, сформированный сигнал с фазовой манипуляцией переизлучают микрополосковой антенной в эфир, принимают его антенной сканирующего блока, усиливают по амплитуде, принятый сигнал с фазовой манипуляцией на первой промежуточной частоте ω_пр1 повторно преобразуют по частоте с использованием несущей частоты ω_с, выделяют напряжение второй промежуточной частоты ω_пр2=ω_пр1-ω_c=ω_г, регистрируют выделенный модулирующий код, соответствующий структуре встречно-штыревого преобразователя, анализируют его и определяют принадлежность засыпанного биообъекта или его останков, отличающийся тем, что задерживают напряжение гетеродина на время τ, перемножают его с напряжением второй промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), изменяют время задержки τ до наступления равенства τ=τ_З, где τ_З=2R/с, R - расстояние до засыпанного биообъекта или его останков, поддерживают указанное равенство, что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ), определяют расстояние R до засыпанного биообъекта или его останков и используют задержанное напряжение гетеродина для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на второй промежуточной частоте ω_пр2=ω_г.

2. Устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее приемопередатчик, 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, первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, усилителя второй промежуточной частоты, фазового детектора и компьютера, отличающееся тем, что оно снабжено перемножителем, фильтром нижних частот, экстремальным регулятором, блоком регулируемой задержки и индикатором дальности, причем к второму выходу гетеродина последовательно подключены блок регулируемой задержки, перемножитель, второй вход которого соединен со вторым выходом усилителя второй промежуточной частоты, фильтр нижних частот, экстремальный регулятор, блок регулируемой задержки и индикатор дальности, второй вход фазового детектора соединен с первым выходом блока регулируемой задержки, второй вход компьютера соединен со вторым выходом блока регулируемой задержки.