СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ЗАСЫПАННЫХ БИООБЪЕКТОВ ИЛИ ИХ ОСТАНКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК A62B33/00 A63B29/02 G01S13/00 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области поисково-спасательных работ и могут быть использованы для поиска живых людей или их останков в районах землетрясений и взрывов жилых домов в результате утечки бытового газа, в завалах и укрытиях, а также в альпинизме при поиске людей, засыпанных, например, снежными лавинами или горными обвалами.

Известны способы и устройства обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков (патенты РФ №2.076.336, 2.085.997, 2.105.432, 2.116.099, 2.141.119, 2.206.902, 2.245.733, 2.248.235, 2.288.486, 2.306.159, 2.313.108, 2.370.792, 2.410.729; патенты США №4.129.868, 4.673.936, 4.958.638, 5.479.120; патент ЕР №0.075.119; 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 №2.306.159, A62B 37/00, 2005), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Известные технические решения 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.

Недостатком известных технических решений является невозможность одновременного опроса нескольких биообъектов или их останков. В противном случае при одновременном опросе нескольких биообъектов или их останков ответные сигналы от них придут одновременно и кодовые последовательности наложатся друг на друга, делая невозможным независимое считывание идентификационного кода каждого биообъекта или его останков.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности обнаружения и считывания идентификационных кодов одновременно с нескольких биообъектов или их останков, находящихся в зоне облучения сканирующего блока.

Поставленная задача решается тем, что 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 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 напряжения промежуточной частоты, перемножении его с напряжением задающего гетеродина, выделении электромагнитного сигнала с фазовой манипуляцией на частоте гетеродина и осуществлении его синхронного детектирования 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 на сканирующем блоке формируют n запросных радиоимпульсов, где n больше или равно количеству биообъектов или их останков, находящихся под поверхностью исследуемого засыпанного участка, в каждый заданный интервал времени Δt, достаточный для считывания идентификационного кода с встречно-штыревого преобразователя каждого приемопередатчика, излучают считывающий радиоимпульс на частоте w_c и один из запросных радиоимпульсов на частоте w_i, где i=1, 2, …, n, каждый приемопередатчик снабжают блоком доступности к встречно-штыревому преобразователю, настроенному на частоту w_i одного из запросных радиоимпульсов, и последовательно во времени осуществляют считывание идентификационных кодов встречно-штыревых преобразователей всех приемопередатчиков, размещенных на биообъектах или их останках, находящихся под поверхностью исследуемого засыпанного участка.

Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее приемопередатчик, 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, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, полосового фильтра, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и компьютера, при этом приемопередающий блок выполнен в виде микрополосковой антенны и пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, отличается от ближайшего аналога тем, что сканирующий блок снабжен синхронизатором, синтезатором несущих частот и логическим элементом «И», причем к выходу компьютера последовательно подключены синхронизатор, синтезатор несущих частот и логический элемент «И», второй вход которого через задающий генератор соединен с вторым выходом синхронизатора, третий выход которого подключен к второму входу циркулятора, каждый приемопередатчик снабжен блоком доступности к встречно-штыревому преобразователю, состоящему из последовательно подключенных к микрополосковой антенне узкополосного фильтра, амплитудного детектора и двух ключей, включенных между микрополосковой антенной и шинами встречно-штыревого преобразователя соответственно.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 2. Структурная схема сканирующего блока изображена на фиг.1. Структурная схема первого приемопередающего блока изображена на фиг.2.

Сканирующий блок содержит последовательно включенные компьютер 7, синхронизатор 19, синтезатор 20 несущих частот, логический элемент «И» 21, второй вход которого через задающий генератор 1 соединен с вторым выходом синхронизатора 19, усилитель 2 мощности, циркулятор 3, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора 19, а вход-выход связан с рупорной приемопередающей антенной 4, усилитель 5 высокой частоты, смеситель 15, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 14, усилитель 16 промежуточной частоты, перемножитель 17, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, полосовой фильтр 18 и фазовый детектор 6, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 14, а выход подключен к компьютеру 7.

Первый приемопередающий блок выполнен в виде пьезокристалла 8.1 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП) и набором отражателей 13, а также последовательно подключенных к микрополосковой антенне 9.1 узкополосного фильтра 22.1, амплитудного детектора 23.1 и двух ключей 24.1, 25.1, включенных между микрополосковой антенной 9.1 и шинами 11.1, 12.1 соответственно.

Встречно-штыревой преобразователь (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ) содержит две гребенчатые системы электродов 10.1, шины 11.1 и 12.1, которые соединяют электроды каждой из гребенок между собой. Шины 11.1 и 12.1, в свою очередь, через ключи 24.1 и 25.1 соответственно связаны с микрополосковой антенной 9.1.

Узкополосный фильтр 22.1, амплитудный детектор 23.1, ключи 24.1 и 25.1 образуют первый блок 26.1 доступности к встречно-штыревому преобразователю.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

С помощью компьютера 7 и синхронизатора 19 запускаются задающий генератор 1 и синтезатор 20 несущих частот.

Задающим генератором 1 формируется высокочастотное колебание (считывающий радиоимпульс)

u_c(t)=U_c·Cos(w_ct+φ_c), 0≤t≤T_c,

где U_c, w_c, φ_c, T _c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания (считывающего радиоимпульса).

Синтезатором 20 несущих частот формируются запросные радиоимпульсы:

u₁(t)=U₁·Cos(w₁t+φ₁),

u₂(t)=U₂·Cos(w₂t+φ₂),

..................

u_i(t)=U_i·Cos(w_it+φ_i),

...................

u_n(t)=U_n·Cos(w_nt+φ_n), 0≤t≤T_и,

где Т_и - длительность запросных радиоимпульсов;

n - количество приемопередатчиков (биообъектов или их объектов).

Считывающий радиоимпульс u_c(t) и первый запросный радиоимпульс u₁(t) через логический элемент «И» 21, усилитель 2 мощности и циркулятор 3 поступают в рупорную приемопередающую антенну 4 и излучаются в эфир. С помощью рупорной антенны 4 последовательно облучается засыпанный участок, под поверхностью которого предположительно находятся биообъекты или их останки.

Считывающий u_c(t) и первый запросный u₁(t) радиоимпульсы принимаются микрополосковой антенной 9.1 первого приемопередатчика, размещенного на первом биообъекте. При этом первый запросный радиоимпульс u₁(t) выделяется первым узкополосным фильтром 22.1, настроенным на частоту w₁, и детектируется первым амплитудным детектором 23.1. Продетектированное постоянное напряжение поступает на управляющие входы ключей 24.1 и 25.1, открывая их. В исходном состоянии ключи 24.1 и 25.1 всегда закрыты. При этом считывающий радиоимпульс u_c(t) с выхода микрополосковой антенны 9.1 через открытые ключи 24.1 и 25.1 поступают на первый пьезокристалл 8.1 с нанесенным на его поверхность алюминиевым встречно-штыревым преобразователем (ВШП), который состоит из двух гребенчатых систем электродов 10.1, нанесенных на поверхность пьезокристалла 8.1. Электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 11.1 и 12.1.

Принимаемый считывающий радиоимпульс u_c(t) преобразуется ВШП в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла 8.1, отражается от набора отражателей 13.1 и опять преобразуется в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией

u_c1(t)=U_c1·Cos[w_ct+φ_к1(t)+φ_с], 0≤t≤Т_с,

где φ_к1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t), причем φ_к1(t)=const при Kτ_э<t<(к+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 (T _c=N·τ_э).

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

Резонансная частота w_c ВШП определяется расстоянием между электродами 10.1.

Сформированный ФМн-сигнал u_c1(t) излучается микрополосковой антенной 9.1 в эфир, принимается антенной 4 сканирующего блока и через циркулятор 3 и усилитель 5 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 15, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 14

u_г(t)=U_г·Cos(w_гt+φ_г).

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

u_up(t)=U_пр·Cos[w_upt+φ_к1(t)+φ_up], 0≤t≤Т_с,

где

w_up=w_c-w_г - промежуточная (разностная) частота;

φ_up=φ_c-φ_г,

которое 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

u_c2(t)=U_c2·Cos[w_гt+φ_к1(t)+φ_г], 0≤t≤Т_с,

где

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

u_н1(t)=U_н1·Cosφ_к(t),

где ;

пропорциональное модулирующему коду M₁(t). Это напряжение регистрируется и анализируется в компьютере 7.

Узкополосные фильтры 22.i всех блоков 26.i доступности к ВШП настроены на частоты w_i запросных радиоимпульсов (i=1, 2, …, n). Длительность Т_и каждого запросного радиоимпульса выбирается такой, чтобы сформированная считывающим радиоимпульсом u_c(t) кодовая последовательность φ_к1(t) успела бы передаться полностью на сканирующий блок.

При излучении считывающего радиоимпульса u_c(t) и первого запросного радиоимпульса u₁(t) циркулятор 3 командой с синхронизатора 19 устанавливается в режим передачи. После передачи указанных радиоимпульсов через время Δt циркулятор 3 по команде синхронизатора 19 переводится в режим приема.

При поступлении первой кодовой последовательности u_н1(t) в компьютер 7 последний выдает команду на синхронизатор 19, а затем на задающий генератор 1 и синтезатор 20 несущих частот, которые формируют считывающий радиоимпульс u₂(t). В этом случае запросный радиоимпульс u₂(t) выделяется узкополосным фильтром 22.2 второго блока 26.2 доступности к ВШП. Далее все происходит, как в предыдущем случае, и так до тех пор, пока не будут считаны все приемопередатчики, находящиеся в поле излучения сканирующего блока.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков по сравнению с прототипами обеспечивают повышение достоверности обнаружения и считывания идентификационных кодов одновременно с нескольких биообъектов или их останков, находящихся в зоне облучения сканирующего блока. Это достигается использованием запросных радиоимпульсов u_i(t) и блоков 26.i доступности к встречно-штыревым преобразователям (ВШП) (i=1, 2, …, n), которые позволяют последовательно во времени опрашивать все приемопередатчики. В этом случае можно организовать прием отраженных от различных приемопередатчиков сигналов в различные моменты времени. При этом кодовые последовательности от различных приемопередатчиков не наложатся друг на друга и будет считан идентификационный код каждого приемопередатчика, находящего в поле излучения сканирующего блока.

Использование: для поиска живых людей или их останков в районах землетрясений и взрывов жилых домов в результате утечки бытового газа, в завалах и укрытиях, а также в альпинизме при поиске людей, засыпанных, например, снежными лавинами или горными обвалами. Сущность: устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из сканирующего блока и приемопередатчиков, размещенных на биообъектах или их останках. 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, смеситель 15, усилитель 16 промежуточной частоты, перемножитель 17, полосовой фильтр 18, синхронизатор 19, синтезатор 20 несущих частот, логический элемент «И» 21. Каждый приемопередающий блок содержит пьезокристалл 8.i, микрополосковую антенну 9.i, электроды 10.1, шины 11.i и 12.i, набор отражателей 13 л, узкополосный фильтр 22.i, амплитудный детектор 23.1, ключи 24.1, 25.i и блок 26.i доступности к встречно-штыревому преобразователю (i=1, 2, …, n). Технический результат: повышение достоверности обнаружения и считывания идентификационных кодов одновременно с нескольких биообъектов или их останков, находящихся в зоне облучения сканирующего блока. 2 н.п. ф-лы, 2 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 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 напряжения промежуточной частоты, перемножении его с напряжением задающего гетеродина, выделении электромагнитного сигнала с фазовой манипуляцией на частоте гетеродина и осуществлении его синхронного детектирования 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 на сканирующем блоке формируют n запросных радиоимпульсов, где n больше или равно количеству биообъектов или их останков, находящихся под поверхностью исследуемого засыпанного участка, в каждый заданный интервал времени Δt, достаточный для считывания идентификационного кода с встречно-штыревого преобразователя каждого приемопередатчика, излучают считывающий радиоимпульс на частоте w_c и один из запросных радиоимпульсов на частоте w_i, где i=1, 2, …, n, каждый приемопередатчик снабжают блоком доступности к встречно-штыревому преобразователю, настроенному на частоту w_i одного из запросных радиоимпульсов, и последовательно во времени осуществляют считывание идентификационных кодов встречно-штыревых преобразователей всех приемопередатчиков, размещенных на биообъектах или их останках, находящихся под поверхностью исследуемого засыпанного участка.

2. Устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее приемопередатчик, 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, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, полосового фильтра, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и компьютера, при этом приемопередающий блок выполнен в виде микрополосковой антенны и пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, отличающееся тем, что сканирующий блок снабжен синхронизатором, синтезатором несущих частот и логическим элементом «И», причем к выходу компьютера последовательно подключены синхронизатор, синтезатор несущих частот и логический элемент «И», второй вход которого через задающий генератор соединен с вторым выходом синхронизатора, третий выход которого подключен к второму входу циркулятора, каждый приемопередатчик снабжен блоком доступности к встречно-штыревому преобразователю, состоящему из последовательно подключенных к микрополосковой антенне узкополосного фильтра, амплитудного детектора и двух ключей, включенных между микрополосковой антенной и шинами встречно-штыревого преобразователя соответственно.