СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ЗАСЫПАННЫХ БИООБЪЕКТОВ ИЛИ ИХ ОСТАНКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO DETECT LOCATION OF FILLED BIOOBJECTS OR THEIR REMAINS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области поисково-спасательных работ и может быть использовано для поиска засыпанных биообъектов и их останков в районах землетрясений, а также в альпинизме при поиске биообъектов, засыпанных, например, снежными лавинами или горными обвалами.
Известны способ и устройства обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков (патенты РФ №№2085997, 2105432, 2116099, 2206902, 2248235, 2288486, 2306159, 2370792; патенты США №№4129868, 4331957, 4673936, 6031482; патенты ЕР №№0075199, 1746433; Винокуров В.К. и др. Безопасность в альпинизме. - М: 1983, с.136-136; Дикарев В.И. Безопасность, защита и спасение человека. - СПб: 2007, 567 с. 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 №2370792, G01V 3/12, 2007), которые и выбраны в качестве базовых объектов.
Указанные способ и устройство обеспечивают повышение чувствительности и увеличение дальности действия. Для этого предварительно размещают на биообъекте, относящемуся к группе риска, маломощный приемопередатчик, в качестве которого используется преобразователь на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Однако известные технические решения имеют сравнительно низкую точность определения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, она обеспечивается, в основном, диаграммой направленности антенны сканирующего блока.
Технической задачей изобретения является повышение точности обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков путем точного и однозначного определения их азимута.
c
г
up1
up1
г
c
up1
c
up2
up1
c
г1
up2
1
з1
з1
1
up2
г
up1
c
up2
2
з2
з2
1
2
1
2
2
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 w, преобразуют его по частоте с использованием частоты w гетеродина, выделяют напряжение первой промежуточной частоты w, равной сумме частот w=w+w, 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 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 первой антенной сканирующего блока, усиливают по амплитуде, принятый сигнал с фазовой манипуляцией на первой промежуточной частоте w повторно преобразуют по частоте с использованием несущей частоты w, выделяют первое напряжение второй промежуточной частоты w=w-w=w, задерживают напряжение гетеродина на время τ, перемножают его с первым напряжением второй промежуточной частоты w, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное первой корреляционной функции R(τ), изменяют время задержки τ до наступления равенства τ=τ, где τ=2R/c, R - расстояние до засыпанного биообъекта или его останков, с - скорость распространения радиоволн, поддерживают указанное равенство, что соответствует максимальному значению первой 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 w=w, отличается от ближайшего аналога тем, что сигнал с фазовой манипуляцией на первой промежуточной частоте w принимают на вторую антенну, разнесенную в горизонтальной плоскости на расстояние d, где d - измерительная база, повторно преобразуют его по частоте с использованием несущей частоты w, выделяют второе напряжение второй промежуточной частоты w, перемножают его с задержанным на время τ напряжением гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное второй корреляционной функции R(τ), изменяют время задержки τ до наступления равенства τ=τ, где τ=t-t, t, t - время прохождения сигналом расстояний от засыпанного биообъекта или его останков до первой и второй антенн соответственно, поддерживают указанное равенство, что соответствует максимальному значению второй корреляционной функции R(τ), формируют временную шкалу отсчета азимута
,
up2
грубую, но однозначную, умножают и делят по фазе на два первое и второе напряжения второй промежуточной частоты w, выделяют гармонические напряжения и измеряют разность фаз Δφ между ними, формируют фазовую шкалу отсчета азимута
,
где λ - длина волны, точную, но неоднозначную.
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, первого усилителя высокой частоты, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого усилителя второй промежуточной частоты, фазового детектора, второй вход которого соединен с первым выходом первого блока регулируемой задержки, и компьютера, последовательно подключенных ко второму выходу гетеродина первого блока регулируемой задержки, первого перемножителя, второй вход которого соединен со вторым выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, первого фильтра нижних частот, первого экстремального регулятора, первого блока регулируемой задержки и индикатора дальности, при этом второй вход компьютера соединен со вторым выходом первого блока регулируемой задержки, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено второй приемной антенной, вторым усилителем высокой частоты, третьим смесителем, вторым усилителем второй промежуточной частоты, вторым перемножителем, вторым фильтром нижних частот, вторым экстремальным регулятором, вторым блоком регулируемой задержки, указателем угла, двумя удвоителями фазы, двумя делителями фазы на два, двумя узкополосными фильтрами и фазометром, причем к выходу второй приемной антенны последовательно подключены второй усилитель высокой частоты, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, второй усилитель второй промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого через второй блок регулируемой задержки соединен с вторым выходом гетеродина, второй фильтр нижних частот, второй экстремальный регулятор, второй блок регулируемой задержки и указатель угла, ко второму выходу первого усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены первый удвоитель частоты, первый делитель фазы на два, первый узкополосный фильтр и фазометр, выход которого подключен к третьему входу компьютера, четвертый вход которого соединен со вторым выходом второго блока регулируемой задержки, к выходу второго усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены второй удвоитель фазы, второй делитель фазы на два и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен со вторым входом фазометра, вторая приемная антенна разнесена в горизонтальной плоскости от первой приемопередающей антенне на расстояние d, где d - измерительная база.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая процесс преобразования сигналов по частоте, изображена на фиг.2.
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 первого гетеродина 8, усилитель 10 первой промежуточной частоты, усилитель 2 мощности, циркулятор 3, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной 4, первый усилитель 5 высокой частоты, второй смеситель 11, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, первый усилитель 12 второй промежуточной частоты, фазовый детектор 6, второй вход которого через первый блок 23 регулируемой задержки соединен с вторым выходом гетеродина 8, и компьютер 7, последовательно подключенные к второму выходу гетеродина 8 первый блок 23 регулируемой задержки, первый перемножитель 20, второй вход которого соединен со вторым выходом усилителя 12 второй промежуточной частоты, первый фильтр 21 нижних частот, первый экстремальный регулятор 22, блок 23 регулируемой задержки и индикатор 24 дальности, последовательно включенные вторую приемную антенну 25, второй усилитель 26 высокой частоты, третий смеситель 27, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, второй усилитель 28 второй промежуточной частоты, второй перемножитель 30, второй вход которого соединен с первым выходом второго блока 33 регулируемой задержки, второй фильтр 31 нижних частот, второй экстремальный регулятор 32, второй блок 33 регулируемой задержки, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина 8, и указатель 34 угла, последовательно подключенные ко второму выходу первого усилителя 12 второй промежуточной частоты первый удвоитель 35 фазы, первый делитель 36 фазы на два, первый узкополосный фильтр 37 и фазометр 38, выход которого соединен со вторым входом компьютера 7, третий и четвертый входы которого соединены с выходами первого 23 и второго 33 блоков регулируемой задержки соответственно, последовательно подключенные к выходу второго усилителя 28 второй промежуточной частоты второй удвоитель 39 фазы, второй делитель 40 фазы на два и второй узкополосный фильтр 41, выход которого соединен со вторым входом фазометра 38.
Первый перемножитель 20, первый фильтр 21 нижних частот, первый экстремальный регулятор 22 и первый блок 23 регулируемой задержки образуют первый коррелятор 19. Второй перемножитель 30, второй фильтр 31 нижних частот, второй экстремальный регулятор 32 и второй блок 33 регулируемой задержки образуют второй коррелятор 29.
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 соединяют 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
c
c
c
с
с
u(t)=U · Cos(wt+φ), 0≤t≤Т,
c
c
с
с
где U, w, φ, Т - 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
г
г
г
г
u(t)=U · Cos(wt+φ).
На выходе смесителя образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 10 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты
up1
пp1
up1
uр1
с
u(t)=U · Cos(wt+φ), 0≤t≤Т,
пp1
c
г
где U=½U · U;
up1
г
c
w=w+w - первая промежуточная (суммарная) частота;
up1
с
г
φ=φ+φ,
которое после усиления в усилителе 2 мощности через циркулятор 3 поступает в рупорную приемопередающую антенну 4 и излучается ею в эфир. С помощью рупорной антенны 4 последовательно облучается засыпанный участок, где предположительно находится биообъект или его останки.
up1
Электромагнитный сигнал u(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.
up1
Принимаемое гармоническое колебание u(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)
1
1
up1
к
up1
c
u(t)=U · Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к
к
э
э
э
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при Kτ<t<(к+1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N-1);
э
c
c
3
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т(Т=N·τ).
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.
1
Сформированный ФМн-сигнал u(t) излучается микрополосковой антенной 14 в эфир, принимается антеннами 4 и 25 сканирующего блока:
2
2
up1
з1
к
31
2
u(t)=U · Cos[w(t-τ)+φ(t-τ)+φ],
3
3
up1
з2
к
з2
3
c
u(t)=U · Cos[w(t-τ)-φ(t-τ)+φ], 0≤t≤T,
з1
где τ=2R/c - время задержки ретранслированного сигнала относительно зондирующего;
з2
1
2
1
2
τ=t-t, t, t - время прохождения сигналом расстояний от засыпанного биообъекта до первой 4 и второй 25 антенн;
R - расстояние от сканирующего блока до засыпанного биообъекта;
с - скорость распространения радиоволн,
c
и через циркулятор 3, усилители 5 и 26 высокой частоты поступают на первые входы смесителей 11 и 27 соответственно, на вторые входы которых подается высокочастотное колебание u(t) с выхода задающего генератора 1 в качестве напряжения второго гетеродина. На выходе смесителей 11 и 27 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 12 и 28 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты:
up2
пp2
up2
з1
к
з1
uр2
u(t)=U · Cos[w(t-τ)+φ(t-τ)+φ],
up3
пp3
up1
з2
к
з2
uр3
c
u(t)=U · Cos[w(t-τ)+φ(t-τ)+φ], 0≤t≤T,
пp2
2
c
где U=½ U · U;
пp2
3
c
U=½ U · U;
up2
up1
c
г
w=w-w=w - вторая промежуточная (разностная) частота;
up2
2
с
φ=φ-φ;
uр3
3
с
φ=φ-φ,
которые поступают на первые входы перемножителей 20 и 30 соответственно, на вторые входы которых подается напряжение гетеродина 8
г1
г
г
г
г
u(t)=U(t-τ)=U·Cos[w(t-τ)+φ],
где τ - время задержки блоков 23 и 33 регулируемой задержки,
1
2
через блоки 23 и 33 регулируемой задержки. Полученные на выходе перемножителей 20 и 30 напряжения пропускаются через фильтры 21 и 31 нижних частот соответственно, на выходе которых формируются корреляционные функции R(τ) и R(τ).
з1
з2
1
2
Экстремальные регуляторы 22 и 32, подключенные к выходу фильтров 21 и 31 нижних частот, воздействуют на управляющие входы блоков 23 и 33 регулируемой задержки и поддерживают равенство τ=τ и τ=τ, что соответствует максимальному значению корреляционных функций R(τ) и R(τ).
Индикатор 24 дальности и указатель 34 угла, связанные со шкалами блоков 23 и 33 регулируемой задержки, позволяют непосредственно считывать измеренное значение дальности R до засыпанного биообъекта или его останков, а также измеренное значение азимута β на засыпанный биообъект или его останки:
,
,
где d - расстояние между антеннами 4 и 25 (измерительная база).
Следовательно, задача измерения дальности (расстояния) R от сканирующего блока до засыпанного биообъекта или его останков и угловой координаты (азимута) (β на засыпанный биообъект или его останки сводится к измерению временных задержек между ретранслированным и зондирующим сигналами и между ретранслированными сигналами, принимаемыми антеннами 4 и 25.
Так формируется временная шкала отсчета азимута β: грубая, но однозначная.
up2
up3
Напряжения u(t) и u(t) с выходов усилителей 12 и 28 второй промежуточной частоты одновременно поступают на входы удвоителей 35 и 39 фазы соответственно, на выходе которых образуются следующие гармонические напряжения:
4
4
up2
з1
up2
u(t)=U · Cos[2w(t-τ)+2φ],
5
5
up2
з2
uр3
u(t)=U · Cos[2w(t-τ)+2φ],
4
пр2
2
где U= ½ U ;
пp2
пр3
2
U= ½ U ;
к
з1
2φ(t-τ)={0, 2π};
к
з2
2φ(t-τ)={0, 2π}.
Эти напряжения поступают на входы делителей 36 и 40 фазы на два, на выходе которых образуются следующие напряжения:
6
6
up2
з1
uр2
u(t)=U · Cos[w(t-τ)+φ],
7
7
up2
з2
up3
u(t)=U · Cos[w(t-τ)+φ],
которые выделяются узкополосными фильтрами 37 и 41 и поступают на два входа фазометра 38.
Фазометр 38 измеряет разность фаз
,
где d - измерительная база (расстояние между антеннами 4 и 25);
λ - длина волны.
Так формируется фазовая шкала отсчета азимута β: точная, но неоднозначная, которая обеспечивает измерение относительной временной задержки между ретранслированными сигналами, принимаемыми антеннами 4 и 25.
up2
Напряжение u(t) со второго выхода усилителя 12 второй промежуточной частоты одновременно поступает на первый вход фазового детектора 6. На второй вход фазового детектора 6 подается напряжение со второго выхода гетеродина 8 через блок 23 регулируемой задержки
г1
г
г
з1
г
U(t)=U · Cos[w(t-τ)+φ],
которое используется в качестве опорного напряжения.
В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 6 образуется низкочастотное напряжение
н
н
к
з1
с
u(t)=U · Cosφ(t-τ), 0≤t≤Т,
н
up2
г
где U= ½ U·U,
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение вместе с измеренными значениями дальности R и азимута β регистрируются и анализируются 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;
32
128
- количество кодовых комбинаций -2-2;
- тип излучаемого сигнала - гармоническое колебание;
c
с
c
- тип отраженного (переизлученного) сигнала - широкополосный сигнал с фазовой манипуляцией (база сигнала В=Δf·Т=200-1000, Δf - ширина спектра);
- габариты приемопередатчика, размещаемого на биообъекте или его останках, 8×15×5 мм;
- срок службы приемопередатчика - не менее 20 лет;
- потребляемая мощность - 0 Вт.
Каждый предполагаемый участник мероприятий, которые могут сделать этого участника потенциально пострадавшим, относится 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 требованием удовлетворяет приемопередатчик на ПАВ.
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 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 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 повышение точности обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков. Это достигается точным и однозначным определением азимута β на засыпанный биообъект, снабженный приемопередающим датчиком на ПАВ, с использованием двух шкал: фазовой и временной. Причем фазовая шкала отсчета азимута β является точной, но неоднозначной, а временная шкала отсчета азимута β - грубой, но однозначной.