УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЮДЕЙ ПОД ЗАВАЛАМИ И ПОИСКА ВЗРЫВЧАТЫХ И НАРКОТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2011 года по МПК G01S1/02 

Предлагаемое устройство относится к контрольно-поисковым средствам, а именно к устройствам обнаружения местоположения людей, оказавшихся под завалами, образовавшимися в результате стихийного (землетрясения, торнадо, цунами и др.) или иного бедствия, и поиска взрывчатых и наркотических веществ, и может быть использовано при техногенных авариях, природных катастрофах, террористических актах и при предотвращении опасных для населения акций.

Широко известны механизмы обнаружения и поиска людей, попавших в завалы, взрывчатых и наркотических веществ с помощью обученного животного, например служебной собаки розыскной службы с высокочувствительным обонянием (Чистяков К. Воспитание и дрессировка служебной собаки. - СПб: Издательство «Северо-Запад»; Ростов-на-Дону: Издательство «Феникс», 2005, - 336 с., стр.152-153).

Нервная система животных, тем более обученной служебной собаки поисковой службы, как и человека, при появлении в их поле зрения раздражителя (объекта), например хищного зверя, мгновенно вызывает у них реакцию в виде стресса. Этот стресс характеризуется учащением сердцебиения, которое можно зарегистрировать по амплитуде и количеству ударов пульса. Более того, собака обладает острым обонянием, в сотни раз большим, чем у человека, поэтому у собак розыскной службы наиболее важными навыками являются навыки, связанные с чутьем, т.е следовая работа, выборка предметов, обыск местности. Следовательно, обоняние - более целесообразный орган, чем зрение, его необходимо развивать, обучать собаку реагировать на запахи человека, взрывчатых и наркотических веществ, вызывающих с приобретением навыков усиленное сердцебиение.

Однако такой механизм обнаружения аномального явления функционально ограничен тем, что он длителен по времени (от начала обнаружения до принятия решения), а также не позволяет процесс обнаружения и поиска автоматизировать. Кроме того, если запахи незначительные, то собака может не подать голоса (лая), а в ночное время ее трудно заметить, если кинолог выпустил из рук поводок собаки.

Известны устройства для обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ (патенты РФ №№2.079.100, 2.186.411, 2.206.107, 2.248.235, 2.248.593, 2.288.488; патент США №4.641.566; Дикарев В.И. Безопасность, защита и спасение человека. СПб, 2007, с.460-467 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ» (патент РФ №2.288.488, G01V 11|00, 2005), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство содержит мобильный первичный преобразователь, размещенный на служебной собаке, и вторичный преобразователь, размещенный на пункте управления. Мобильный первичный преобразователь содержит тактильные сенсоры, выполненные в виде пьезоэлементов, закрепленных контактно на коже тела собаки в местах максимального ощущения биения пульса.

При обнаружении субъекта (человек, наркотик, взрывчатое вещество) у собаки учащается сердцебиение, срабатывают световой и звуковой маячки первичного преобразователя, по которым визуально и на слух кинолог определяет местоположение собаки у обнаруженного субъекта, что важно в ночное время суток.

Однако в условиях крупного мегаполиса на значительных расстояниях между служебной собакой и кинологом достоверное определение местоположения собаки у обнаруженного субъекта вызывает определенные затруднения.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности определения местоположения собаки у обнаруженного субъекта в условиях крупного мегаполиса на значительных расстояниях между служебной собакой и кинологом путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и приемных антенн с круговой и кардиоидной диаграммами направленности.

Поставленная задача решается тем, что устройство обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, ошейник для размещения на обученном животном, например собаке розыскной службы, мобильный первичный преобразователь, содержащий световой и звуковой маячки и тактильные сенсоры, выполненные в виде пьезоэлементов, закрепленных контактно на коже тела обученного животного в местах максимального ощущения биения пульса, выходами связанные через последовательно соединенные коммутатор, усилитель и модулятор с входом радиопередатчика, при этом коммутатор, усилитель, модулятор, радиопередатчик, световой и звуковой маячки и источник питания блоков первичного мобильного преобразователя установлены на ошейнике, и вторичный преобразователь, размещенный на пункте управления и содержащий последовательно соединенные приемник радиосигналов и демодулятор, а также регистратор, отличается от ближайшего аналога тем, что модулятор выполнен в виде последовательно подключенных к выходу усилителя триггера, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и первого ключа, последовательно подключенных к выходу триггера однополярного вентиля, интегратора и первого порогового блока, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, радиопередатчик выполнен в виде последовательно подключенных к выходу первого ключа усилителя мощности и передающей антенны, при этом световой и звуковой маячки подключены к выходу первого порогового блока, приемник радиосигналов выполнен в виде вибраторной и рамочной антенн, при этом к выходу вибраторной антенны последовательно подключены первый усилитель высокой частоты, первый амплитудный детектор, блок деления, второй пороговый блок и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя высокой частоты, к выходам вибраторной и рамочной антенн последовательно подключены второй усилитель высокой частоты и второй амплитудный детектор, выход которого соединен с вторым входом блока деления, демодулятор выполнен в виде последовательно подключенных к выходу второго ключа первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго ключа, и фильтра нижних частот, выход которого подключен к регистратору.

Структурная схема устройства обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ изображена на фиг.1, 2 и 3. Вид приемных антенн, их диаграмм направленности и пеленгационные характеристики изображены на фиг.4, 5 и 6. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, показаны на фиг.7.

Устройство обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ содержит одетый на служебную собаку 1 поисковой службы с высокочувствительным обонянием ошейник 2, мобильный первичный преобразователь 3 и вторичный преобразователь 12.

Первичный преобразователь 3 включает тактильные сенсоры 4.1 и 4.2, выполненные в виде пьезоэлементов, закрепленных контактно на коже тела обученного животного в местах максимального ощущения биения пульса, к выходам которых последовательно подключены коммутатор 5, усилитель 6, триггер 17, фазовый манипулятор 19, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 18, первый ключ 23, усилитель 24 мощности и передающая антенна 25, к выходу триггера 17 последовательно подключены однополярный вентиль 20, интегратор 21 и первый пороговый блок 22, выход которого подключен к второму входу первого ключа 23, к световому 10 и звуковому 11 маячкам. Первичный преобразователь 3 содержит также источник 9 питания.

Триггер 17, задающий генератор 18, фазовый манипулятор 19, однополярный вентиль 20, интегратор 21, первый пороговый блок 22 и первый ключ 23 образуют модулятор 7. Усилитель 24 мощности и передающая антенна 25 образуют радиопередатчик 8.

Вторичный преобразователь 12 содержит вибраторную антенну 26 и рамочную антенну 27. К выходу вибраторной антенны 26 последовательно подключены первый усилитель 28 высокой частоты, первый амплитудный детектор 30, блок 32 деления, второй пороговый блок 33, второй ключ 15, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 28 высокой частоты, первый перемножитель 34, второй вход которого соединен с выходом фильтра 37 нижних частот, узкополосный фильтр 36, второй перемножитель 35, второй вход которого соединен с выходом второго ключа 15, фильтр 37 нижних частот и регистратор 16. К выходам вибраторной антенны 26 и рамочной антенны 27 последовательно подключены второй усилитель 29 высокой частоты и второй амплитудный детектор 31, выход которого соединен с вторым входом блока 32 деления.

Антенны 26 и 27, усилители 28 и 29 высокой частоты, амплитудные детекторы 30 и 31, блок 32 деления, второй пороговый блок 33 и второй ключ 15 образуют приемник 13 радиосигналов. Перемножители 34 и 35, узкополосный фильтр 36 и фильтр 37 нижних частот образуют демодулятор 14.

Источник 9 выполнен автономным (батарейным), питает блоки первичного преобразователя 3. Тактильные сенсоры 4.1 и 4.2 закреплены контактно на коже тела собаки 1 в местах максимального ощущения биения пульса, а коммутатор 5, усилитель 6, модулятор 7, радиопередатчик 8, источник 9 питания, маячки 10 и 11 мобильного преобразователя 3 установлены на ошейнике 2.

Приемник 13 радиосигналов, демодулятор 14 и регистратор 16 вторичного преобразователя 12 включены последовательно и запитываются током от стационарного источника питания (не показано). Преобразователь 12 может размещаться как на стационарном пункте обнаружения пострадавших и поиска подозрительных веществ, так и на передвижных пунктах, постоянно перемещающихся в области поиска. Радиопередатчик 8 и радиоприемник 13 построены по принципу мобильного телефона и не требуют ретранслятора, поскольку завалы от разрушения жилых домов и инженерных сооружений, например, от террористических актов не превышают толщины 2-4 метра и структура строительного материала после разрушения не монолитная, а пористая, поэтому радиосигнал легко принимается радиоприемником 13, размещенным в районе поиска.

Тактильные сенсоры 4.1 и 4.2 устанавливают на теле собаки 1 в количестве не менее двух для повышения надежности устройства.

Следует отметить, что собаку нецелесообразно дрессировать на запах одновременно человека, наркотика и взрывчатого вещества. Лучше собак дрессировать на запах одного субъекта (либо человека, либо наркотика, либо взрывчатого вещества).

Устройство работает следующим образом.

При поступлении сигнала о чрезвычайном происшествии на место этого очага направляются сотрудники розыскной службы, снабженные арсеналом необходимых средств обнаружения и поиска субъектов живого и неживого происхождения. При этом блоки первичного 3 и вторичного 12 преобразователей подключаются к источникам напряжения заблаговременно для прогрева аппаратуры. На месте очага служебную собаку 1, снабженную первичным преобразователем 3, кинолог отпускает с поводка, и собака самостоятельно, например по следу (запаху), осуществляет поиск искомого субъекта.

Пьезоэлектрические датчики 4.1 и 4.2, закрепленные контактно на коже тела собаки в местах максимального ощущения биения пульса, преобразуют удары ее пульса в короткие положительные импульсы (фиг.7, а). Эти импульсы через коммутатор 5 и усилитель 6 поступают на счетный вход триггера 17 и преобразуются в последовательность прямоугольных разнополярных импульсов длительностью τ_э (фиг.7, б), которые в виде модулирующего кода M(t) поступают на первый вход фазового манипулятора 19. На второй вход последнего с выхода задающего генератора 18 подается высокочастотное колебание (фиг.7, в)

u_c(t)=U_c·cos(w_ct+φ_с), 0≤t≤T_c,

где U_c, w_c, φ_с, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.

На выходе фазового манипулятора (19) формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМН) (фиг.7, г)

u₁(t)=U_c·cos[w_ct+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.7, б), причем φ_к(t)=const при Кτ_э<t<(К+1)τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N).

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c (Т_с=τ_э·N).

Модулирующий код M(t) (фиг.7, б) с выхода триггера 17 одновременно поступает на вход однополярного вентиля 20, на выходе которого образуются положительные прямоугольные импульсы (фиг.7, д), которые поступают на вход интегратора (накопителя) 21. В качестве интегратора 21 может использоваться, например, конденсатор, который последовательно заряжается и разряжается (фиг.7, е). Напряжение интегратора 21 сравнивается с пороговым напряжением U_пор в пороговом блоке 22. Пороговый уровень U_пор не превышается, если собака находится в обычном (не возбужденном) состоянии (фиг.7, е).

При обнаружении субъекта (человека, наркотика, взрывчатого вещества) у собаки учащается и усиливается сердцебиение, которое регистрируется в местах кровотоков тактильными сенсорами 4.1 и 4.2. Эти сенсоры вырабатывают короткие положительные импульсы большей частоты следования (фиг.7, ж). На выходе однополярного вентиля 20 в этом случае образуется последовательность положительных прямоугольных импульсов (фиг.7, з), которые после интегрирования превышают пороговый уровень U_пор в пороговом блоке 22 (фиг.7, и). При превышении порогового уровня U_пор, например, в момент времени t₀ в пороговом блоке 22 формируется постоянное напряжение (фиг.7, к), которое поступает на управляющий вход ключа 23, открывая его. В исходном состоянии ключи 23 и 15 всегда закрыты.

Одновременно постоянное напряжение с выхода порогового блока 22 поступает на световой 10 и звуковой 11 маячки, которые срабатывают. Тем самым визуально и на слух кинолог определяет местоположение собаки 1 и обнаруженного субъекта, что важно в ночное время суток и возможно только на небольшом расстоянии.

Сформированный сложный ФМН-сигнал U₁(t) (фиг.7, г) с выхода фазового манипулятора 19 через открытый ключ 23 и усилитель 24 мощности поступает в передающую антенну 25, излучается ею в эфир, принимается антеннами 26, 27 и через усилители 28, 29 высокой частоты и амплитудные детекторы 30, 31 поступает на два входа блока 32 деления.

Амплитуда сигнала на выходе амплитудного детектора 30 не зависит от направления прихода входного сигнала из-за круговой диаграммы направленности первой приемной антенны 26 (фиг.5). Вторая приемная антенна 27 вместе с первой приемной антенной 26 образуют кардиоидную диаграмму направленности (фиг.4, 5). Кардиоидную диаграмму направленности вращают вручную или автоматически (не показано) до совмещения нулевого провала с направлением прихода сигналов (фиг.5). Амплитуда сигнала с этого направления на выходе амплитудного детектора 31 близка к нулю, поэтому на выходе блока 32 деления в этот момент напряжение будет максимальным. Величину порога U_пор выставляют так, чтобы пороговый блок 33 срабатывал только от сигналов, приходящих с нулевого направления. При срабатывании порогового блока 33 последний формирует постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 15, открывая его. При этом сложный ФМН-сигнал u₁(t) (фиг.7, г) с выхода усилителя 28 высокой частоты через открытый ключ 15 поступает на первые входы перемножителей 34 и 35.

На второй вход перемножителя 35 с выхода узкополосного фильтра 36 подается опорное напряжение

u₀(t)=U₀·cos(w_ct+φ_c), 0≤t≤T_c.

На выходе перемножителя 35 образуется результирующее напряжение

u_Σ(t)=U_н·cosφ_к(t)+U_н·cos[2w_ct+φ_к(t)+2φ_с],

где

Низкочастотное напряжение

U_н(t)=U_н·cosφ_к(t)

выделяется фильтром 37 нижних частот и подается на вход регистратора 16 и на второй вход перемножителя 34, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

u₀(t)=U₁·cos(w_ct+φ_с)+U₁·cos[w_ct+2φ_к(t)+φ_с]=2U₁·cos(w_ct+φ_с)=U₀·cos(w_ct+φ_с), 0≤t≤T_c;

где , которое выделяется узкополосным фильтром 36 и подается на второй вход перемножителя 35.

Следовательно, направление на источник радиоизлучений (ИРИ) (собаку) (истинный азимут β_и) определяется по положению рамочной антенны 27 в момент поступления сигнала на регистратор 16.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение достоверности определения местоположения собаки у обнаруженного субъекта в условиях крупного мегаполиса на значительных расстояниях между служебной собакой и кинологом. Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией и приемных антенн с круговой и кардиоидной диаграммами направленности.

Сложные ФМН-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

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

Демодулятор сложных ФМН-сигналов, построенный по схеме «самообслуживания», выделяет необходимое опорное напряжение из самого принимаемого ФМН-сигнала и свободен от явления «обратной работы», присущей известным демодуляторам сложных ФМН-сигналов (схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Костаса Д.Ф. и Травина Г.А.)

Изобретение относится к контрольно-поисковым средствам и может быть использовано для обнаружения местоположения людей, оказавшихся под завалами, а также для поиска взрывчатых и наркотических веществ. Сущность: устройство содержит ошейник для собаки, мобильный первичный преобразователь и вторичный преобразователь. Первичный преобразователь содержит выполненные в виде пьезоэлементов тактильные сенсоры (4.1, 4.2), коммутатор (5), усилитель (6), модулятор (7), радиопередатчик (8), источник питания (9), световой и звуковой маячки (10, 11). Модулятор (7) включает триггер (17), задающий генератор (18), фазовый манипулятор (19), однополярный вентиль (20), интегратор (21), первый пороговый блок (22), первый ключ (23). Радиопередатчик (8) включает усилитель мощности (24) и передающую антенну (25). Вторичный преобразователь содержит приемник радиосигналов, демодулятор, второй ключ, регистратор, вибраторную и рамочную антенны, усилители высокой частоты, амплитудные детекторы, блок деления, второй пороговый блок, перемножители, узкополосный фильтр и фильтр нижних частот. Тактильные сенсоры закрепляют контактно на коже тела животного в местах максимального ощущения биения пульса. Коммутатор, усилитель, модулятор, радиопередатчик, источник питания, световой и звуковой маячки устанавливают на ошейнике. Вторичный преобразователь размещают на пункте управления. Технический результат: повышение достоверности результатов поиска. 7 ил.

Устройство обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ, содержащее ошейник для размещения на обученном животном, например собаке розыскной службы, мобильный первичный преобразователь, содержащий световой и звуковой маячки и тактильные сенсоры, выполненные в виде пьезоэлементов, закрепленных контактно на коже тела обученного животного в местах максимального ощущения биения пульса, выходами связанные через последовательно соединенные коммутатор, усилитель и модулятор с входом радиопередатчика, при этом коммутатор, усилитель, модулятор, радиопередатчик, световой и звуковой маячки и источник питания блоков первичного мобильного преобразователя установлены на ошейнике, и вторичный преобразователь, размещенный на пункте управления и содержащий последовательно соединенные приемник радиосигналов и демодулятор, а также регистратор, отличающееся тем, что модулятор выполнен в виде последовательно подключенных к выходу усилителя триггера, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и первого ключа, последовательно подключенных к выходу триггера однополярного вентиля, интегратора и первого порогового блока, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, радиопередатчик выполнен в виде последовательно подключенных к выходу первого ключа усилителя мощности и передающей антенны, при этом световой и звуковой маячки подключены к выходу первого порогового блока, приемник радиосигналов выполнен в виде вибраторной и рамочной антенн, при этом к выходу вибраторной антенны последовательно подключены первый усилитель высокой частоты, первый амплитудный детектор, блок деления, второй пороговый блок и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя высокой частоты, к выходам вибраторной и рамочной антенн последовательно подключены второй усилитель высокой частоты и второй амплитудный детектор, выход которого соединен с вторым входом блока деления, демодулятор выполнен в виде последовательно подключенных к выходу второго ключа первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго ключа, и фильтра нижних частот, выход которого подключен к регистратору.