СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ЗАСЫПАННЫХ БИООБЪЕКТОВ ИЛИ ИХ ОСТАНКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК 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 туризме, альпинизме при поиске биообъектов, засыпанных, например, снежными лавинами или горными обвалами.

Известны способы и устройства определения местонахождения живых существ, попавших в завалы (патенты РФ №№2.116.099, 2.248.235, 2.306.159; ЕР заявка №0.075.199; 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 другие).

Из известных способов и устройств наиболее близким к предлагаемым являются «Способ и обнаружение местонахождения засыпанных биообъектов или их останков и устройство для его осуществления» (патент РФ №2.306.159, A62B 37/00), 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 в приемнике сканирующего блока, построенном по супергетеродинной схеме, одно и то же значение промежуточной частоты может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω_с и ω_з, т.е.:

ω_пр=ω_с-ω_г и ω_пр=ω_с-ω_з.

Следовательно, если частоту настройки ω_с принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ω_з которого отличается от частоты ω_с на 2ω_пр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω_г гетеродина (фиг.4). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К_пр, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость приемника.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:

,

где ω_ki - частота i-го комбинационного канала приема;

m, n, i - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третьей и т.д.), т.к. чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:

ω_к1=2ω_г-ω_пр и ω_к2=2ω_г+ω_пр.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению избирательности и помехоустойчивости приемника.

Технической задачей изобретения является повышение избирательности и помехоустойчивости приемника сканирующего блока путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.

Поставленная задача решается тем, что способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, заключающийся в соответствии с ближайшим аналогом в предварительном размещении на биообъекте, который относится 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, преобразовании по частоте с использованием напряжения гетеродина, выделении первого напряжения промежуточной частоты, выделении электромагнитного сигнала с фазовой манипуляцией на частоте гетеродина и его синхронном детектировании с использованием напряжения гетеродина в качестве опорного напряжения, регистрации выделенного модулирующего кода, соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя, анализе его и определении принадлежности засыпанного биообъекта или его останков, отличается от ближайшего аналога тем, что сдвигают по фазе на 90° напряжение гетеродина, используют его для преобразования по частоте усиленного по амплитуде принимаемого сигнала, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на 90°, суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, перемножают с усиленным по амплитуде принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение по частоте гетеродина, детектирует его, и используют для разрешения перемножения суммарного напряжения промежуточной частоты с напряжением задающего генератора.

Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее в соответствии с ближайшим аналогом 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, усилителя высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и первого усилителя промежуточной частоты, из последовательно подключенных к выходу задающего генератора первого перемножителя, полосового фильтра фазового детектора, второй вход которого соединен с первым 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 двумя фазовращателями на 90°, вторым смесителем, вторым усилителем промежуточной частоты, сумматором, вторым перемножителем, узкополосным фильтром, амплитудным детектором и ключом, причем к второму выходу гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на 90°, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к второму входу первого перемножителя.

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. Частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных каналов приема, показана на фиг.4.

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, первый смеситель 15, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 14, первый усилитель 16 промежуточной частоты, сумматор 23, второй перемножитель 24, второй вход которого соединен с выходом усилителя 5 высокой частоты, узкополосный фильтр 25, амплитудный детектор 26, ключ 27, второй вход которого соединен с выходом сумматора 23, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, полосовой фильтр 18, фазовый детектор 6, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 14, и компьютер 7, последовательно подключенные к второму выходу гетеродина 14 первый фазовращатель 19 на 90°, второй смеситель 20, второй вход которого соединен с выходом усилителя 5 высокой частоты, второй усилитель 21 промежуточной частоты и второй фазовращатель 22 на 90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора 23.

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):

U_c(t)=V_c·cos(ω_c·t+φ_с), 0≤t≤T _c,

где U_c, ω_c, φ_с, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания;

которое усиливается по мощности в усилителе 2 мощности:

U₁(t)=V₁·cos(ω_c·t+φ_c), 0≤t≤T_c

и через циркулятор 3 поступает в рупорную приемопередающую антенну 4 и излучается в эфир. С помощью рупорной антенны 4 последовательно облучают засыпанный участок, где предположительно находится объект или его останки.

Электромагнитный сигнал U₁(t) принимается микрополосковой антенной 9 приемопередатчика, 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[ω_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 измениться 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 Т_с(Т_с=N·τ_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, 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 первые входы смесителей 15 и 20, на вторые входы которых подается напряжение гетеродина 14 (фиг.3, д):

U_г1(t)=V_г·cos(ω_г·t+φ_г),

U_г2(t)=V_г·cos(ω_г·t+φ_г+90°).

На выходах смесителей 15 и 20 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 16 и 21 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:

U_пр1(t)=V_пр1·cos[ω_пр·t+φ_к(t)+φ_пр1],

U_пр2(t)=V_пр1·cos[ω_пр·t+φ_к(t)+φ_пр1-90°], 0≤t≤Т_с,

где V_пр1=ЅV₂·V_г;

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

φ_пр1=φ_с-φ_г.

Напряжение U_пр2(t) с выхода усилителя 21 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 22 на 90°, на выходе которого образуется напряжение:

U_пр3(t)=V_пр1·cos[ω_пр·t+φ_к(t)+φ_пр1-90°+90°]=

=V_пр1·cos[ω_пр·t+φ_к(t)+φ_пр1].

Напряжения U_пр1(t) и U_пр3(t) поступают на два входа сумматора 23, на выходе которого образуется суммарное напряжение:

U_Σ1(t)=V_Σ1·cos[ω_пр·t+φ_к(t)+φ_пр1], 0≤t≤T_c,

где V_Σ1=2V_пр1,

которое поступает на второй вход перемножителя 24, на первый вход которого подается принимаемый ФМн-сигнал U_пр2(t). На выходе перемножителя 24 образуется гармоническое напряжение:

U₃(t)=V₃·cos(ω_г·t+φ_г), 0≤t≤T _c,

где V₃=1/2 V₂·V_Σ1;

Так как частота настройки ω_н узкополосного фильтра 25 выбирается равной частоте ω_г гетеродина (ω_н=ω_г), то гармоническое напряжение U₃(t) выделяется узкополосным фильтром 25, детектируется амплитудным детектором 26 и поступает на управляющий вход ключа 27, открывая его. В исходном состоянии ключ 27 всегда закрыт.

При этом суммарное напряжение U_Σ1(t) с выхода сумматора 23 через открытый ключ 27 поступает на первый вход перемножителя 17, на второй вход которого подается высокочастотное колебание U_c(t) с выхода задающего генератора 1.

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

U₄(t)=V₄·cos[ω_г·t+φ_к(t)+φ_г], 0≤t≤Т_с,

где V₄=1/2 V₂·V_Σ1;

которое представляет собой ФМн-сигнал на частоте ω_г 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_г1(t) гетеродина 14. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 6 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, е):

U_н(t)=V_н·cosφ_к(t),

где V_н=1/2 V₄·V_г;

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

Синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала осуществляется на стабильной частоте ω_г гетеродина 14, что не требует дополнительной фазовой синхронизации. Последняя была необходима при использовании для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала частоты ω_с задающего генератора, так как на зондирующий и переотраженный сигналы воздействуют различные дестабилизирующие факторы. При этом приемопередатчик работает без источника питания.

Описанная выше работа устройства, реализующего предлагаемый способ, соответствует случаю приема ФМн-сигналов сканирующим блоком по основному каналу на частоте ω_с (фиг.4,).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте ω₃:

U_з(t)=V_з·cos(ω_з·t+φ_з), 0≤t≤Т_з,

то усилителями 16 и 21 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

U_пр4(t)=V_пр4·cos(ω_пр4·t+φ_пр4),

U_пр5(t)=V_пр4·cos(ω_пр·t+φ_пр4+90°), 0≤t≤Т_з,

где V_пр4=1/2 V_з·V_г;

ω_пр=ω_г-ω_з - промежуточная частота;

φ_пр4=φ_г-φ_з.

Напряжение U_пр5(t) с выхода усилителя 21 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 22 на 90°, на выходе которого образуется следующее напряжение:

U_пр6=V_пр4·cos(ω_пр·t+φ_пр4+90°+90°)=

=-V_пр4·cos(ω_пр·t+φ_пр4).

Напряжения U_пр4(t) и U_пр6(t), поступающие на два входа сумматора 23, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте ω_з, подавляется.

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω_к, (фиг.4).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2:

U_к2(t)=V_к2·cos(ω_к2·t+φ_к2), 0≤t≤Т_к2,

то усилителями 16 и 21 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

U_пр7(t)=V_пр7·cos(ω_пр·t+φ_пр7),

U_пр8(t)=V_пр7·cos(ω_пр·t+φ_пр7-90°), 0≤t≤Т_к2.

Напряжение U_пр8(t) с выхода усилителя 21 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 22 на 90°, на выходе которого образуется следующее напряжение:

U_пр9(t)=V_пр7·cos(ω_пр·t+ω_пр7-90°+90°)=

=V_пр7·cos(ω_пр·t+φ_пр7), 0≤t≤Т_к2.

Напряжения U_пр7(t) и U_пр9(t) поступают на два входа сумматора 23, на выходе которого образуется суммарное напряжение:

U_Σ2(t)=V_Σ2·cos(ω_пр·t+φ_пр7), 0≤t≤Т_к2,

где V_Σ2=2V_пр7,

которое поступает на второй вход перемножителя 24, на первый вход которого подается принимаемый сигнал U_к2(t). На выходе перемножителя 24 образуется гармоническое напряжение:

U₅(t)=V₅·cos(2ω_г·t+φ_г), 0≤t≤Т_к2,

где V₅=1/2V_к2·V_Σ2;

которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 25, ключ 27 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2, подавляется.

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 избирательности и помехоустойчивости приемника сканирующего блока. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам. Причем для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и первому комбинационному каналам, используется «внешнее кольцо», состоящее из гетеродина 14, смесителей 15 и 20, фазовращателей 19 и 22, усилителей 16 и 21 промежуточной частоты, сумматора 23 и реализующее фазокомпенсационный метод. Для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по второму комбинационному каналу, используется «внутреннее кольцо», состоящее из перемножителя 24, узкополосного фильтра 25, амплитудного детектора 26, ключа 27 и реализующее метод узкополосной фильтрации.

Изобретение относится к области поисково-спасательных работ. Устройство, реализующее предлагаемый способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержит сканирующий блок и приемопередатчик. 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, смесители 15 и 20, усилители 16 и 21 промежуточной частоты, перемножители 17 и 24, полосовый фильтр 18, фазовращатели 19 и 22 на 90°, сумматор 23, узкополостный фильтр 25, амплитудный детектор 26 и ключ 27. Приемопередатчик содержит пьезокристалл 8, микрополосковую антенну 9, гребенчатую систему 10 электродов, шины 11 и 12, набор отражателей 13. Изобретение позволяет повысить избирательность и помехоустойчивость приемника сканирующего блока путем подавления помех, принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам. 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 с фазовой манипуляцией, 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 первого напряжения промежуточной частоты, выделении электромагнитного сигнала с фазовой манипуляцией на частоте гетеродина и его синхронном детектировании с использованием напряжения гетеродина в качестве опорного напряжения, регистрации выделенного модулирующего кода, соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя, анализе его и определении принадлежности засыпанного биообъекта или его останков, отличающийся тем, что сдвигают по фазе на 90° напряжение гетеродина, используют его для преобразования по частоте усиленного по амплитуде принимаемого сигнала, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на 90°, суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, перемножают с усиленным по амплитуде принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте гетеродина, детектируют его и используют для разрешения перемножения суммарного напряжения промежуточной частоты с напряжением задающего генератора.

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, усилителя высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и первого усилителя промежуточной частоты, из последовательно подключенных к выходу задающего генератора первого перемножителя, полосового фильтра, фазового детектора, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и компьютера, при этом приемопередающий блок выполнен в виде пъезокристалла 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 двумя фазовращателями на 90°, вторым смесителем, вторым усилителем промежуточной частоты, сумматором, вторым перемножителем, узкополосным фильтром, амплитудным детектором и ключом, причем к второму выходу гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на 90°, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй усилитель промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90°, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к второму входу первого перемножителя.