СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ЗАСЫПАННЫХ БИООБЪЕКТОВ ИЛИ ИХ ОСТАНКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETECTING LOCATION OF FILLED BIO-OBJECTS OR REMAINS THEREOF AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Предлагаемые способ и устройство относятся к области поисково-спасательных работ и могут быть использованы 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 способы 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, с.61-78 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 расширение функциональных возможностей путем определения расстояния до засыпанных биообъектов или их останков.
up2
np1
з1
Для практической реализации известных технических решений используется супергетеродинный приемник, в котором одно и то же значение второй промежуточной частоты w может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах w и w, т.е.
up1
з1
up1
up2
c
Следовательно, если частоту настройки w принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота w которого отличается от частоты w на 2w и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты w задающего генератора, используемого в качестве гетеродина (фиг.2).
пр
Преобразование по первому зеркальному каналу происходит с тем же коэффициентом преобразования К, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность, помехоустойчивость приемника и точность определения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков.
Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:
,
кi
где w - частота i-го комбинационного канала приема;
n, m, i - целые положительные числа;
up1
с
Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии частоты w принимаемого сигнала с гармониками частоты W малого порядка (второй, третьей и т.д.), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и точности определения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности определения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.
c
r1
up1
up1
r1
c
up1
c
Поставленная задача решается тем, что способ обнаружения местоположения засыпанных биообъектов или их останков, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на том, что предварительно размещают на биообъекте, относящемуся 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 первого 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 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 задающего генератора, выделяют первое напряжение второй промежуточной частоты
,
1
задерживают напряжение первого гетеродина на время τ, перемножают его с первым напряжением второй промежуточной частоты, выделяют первое низкочастотное напряжение, пропорциональное первой корреляционной функции R(τ), изменяют время задержки τ до наступления равенства ,
3
где τ=2R/c,
R - расстояние до засыпанного биообъекта или его останков,
c - скорость распространения радиоволн,
1
up2
г1
up1
г2
поддерживают указанное равенство, что соответствует максимальному значению первой корреляционной функции R(τ), определяют расстояние R до засыпанного биообъекта или его останков, используют задержанное напряжение первого гетеродина для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на второй промежуточной частоте w=w, выделяют модулирующий код, соответствующий структуре встречно-штыревого преобразователя, регистрируют и анализируют его и определяют принадлежность засыпанного биообъекта или его останков, отличается от ближайшего аналога тем, что принятый сигнал с фазовой манипуляцией на первой промежуточной частоте w еще раз преобразуют по частоте с использованием частоты w второго гетеродина, выделяют второе напряжение второй промежуточной частоты
,
up2
2
up2
г2
c
подвергают первое и второе напряжения второй промежуточной частоты w корреляционной обработке, выделяют второе низкочастотное напряжение, пропорциональное второй корреляционной функции R(τ), сравнивают его с пороговым напряжением и в случае его превышения формируют постоянное напряжение, которое используют для разрешения дальнейшей обработки первого напряжения второй промежуточной частоты w, причем частоты w и w второго гетеродина и задающего генератора разносят на удвоенное значение второй промежуточной частоты
up1
и выбирают симметричными относительно частоты w принимаемого сигнала
.
г2
c
Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, приемопередатчик, размещенный на биообъекте, относящемся к группе риска, и выполненный в виде птезокристалла 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 первого 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, и первого усилителя второй промежуточной частоты, последовательно подключенных ко второму выходу первого гетеродина блока регулируемой задержки, перемножителя, фильтра нижних частот, экстремального регулятора, блока регулируемой задержки, фазового детектора и компьютера, второй выход блока регулируемой задержки соединен со вторым входом компьютера и со входом индикатора дальности, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено третьим смесителем, вторым гетеродином, вторым усилителем второй промежуточной частоты, вторым коррелятором, пороговым блоком и ключом, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, второй усилитель второй промежуточной частоты, второй коррелятор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, пороговый блок и ключ, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, а выход подключен ко вторым входам фазового детектора и перемножителя, частоты w и w второго гетеродина и задающего генератора разнесены на удвоенное значение второй промежуточной частоты
up1
и выбраны симметричными относительно частоты w принимаемого сигнала
.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 4. Частотные диаграммы, иллюстрирующие процесс преобразования сигналов по частоте, изображены на фиг.2 и 3.
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, усилитель 5 высокой частоты, второй смеситель 11, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, первый усилитель 12 второй промежуточной частоты, второй коррелятор 28, пороговый блок 29, ключ 30, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 12 второй промежуточной частоты, перемножитель 20, второй вход которого соединен с выходом блока 23 регулируемой задержки, фильтр 21 нижних частот, экстремальный регулятор 22, блок 23 регулируемой задержки, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина 8, фазовый детектор 6, второй вход которого соединен с выходом ключа 30, и компьютер 7, второй выход блока 23 регулируемой задержки соединен со вторым входом компьютера 7 и со входом индикатора 24 дальности.
Перемножитель 20, фильтр 21 нижних частот, экстремальный регулятор 22 и блок 23 регулируемой задержки образуют первый 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 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
с
c
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 первого гетеродина 8
На выходе смесителя образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 10 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты
,
где ;
- первая промежуточная (суммарная) частота;
,
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)
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 Кτ<t<(к+1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1,2,…, N-1);
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью .
При этом внутренняя структура сформированного ФМн-сигнала определяется топологией встречно-штыревого преобразователя, имеет индивидуальный характер и содержит всю необходимую уникальную информацию о владельце, например, имя, отчество, год рождения и т.п.
2
c
Сформированный ФМн-сигнал u(t) излучается микрополосковой антенной 14 в эфир, принимается антенной 4 сканирующего блока и через циркулятор 3 и усилитель 5 высокой частоты поступает на первые входы второго 11 и третьего 8 смесителей, на вторые входы которых подаются высокочастотное колебание u(t) с выхода задающего генератора 1 в качестве напряжения второго гетеродина и напряжение третьего гетеродина 25
.
c
г3
Причем частоты w и w задающего генератора 1 и третьего гетеродина 25 разнесены на удвоенное значение второй промежуточной частоты
up1
и выбраны симметричными относительно частоты w принимаемого сигнала
.
Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов, но создает благоприятные условия для их подавления за счет корреляционной обработки канальных напряжений (фиг.3).
На выходе смесителей 11 и 26 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 12 и 27 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты:
,
,,
где
;
- вторая промежуточная (разностная) частота;
;
;
- время запаздывания переизлученного сигнала;
R - расстояние до засыпанного биообъекта или его останков;
2
пор
max
up1
2
c - скорость распространения радиоволн, которые поступают на два входа второго коррелятора 28. На выходе последнего формируется напряжение U(τ), пропорциональное второй корреляционной функции E(τ), которое сравнивается с пороговым напряжением в пороговом блоке 29. Пороговый уровень U превышается только при максимальном напряжении U(τ) на выход 1 коррелятора 28. Так как канальные напряжения  и  образуются одним и тем же ФМн-сигналом, принимаемым по двум каналам на одной и той же частоты w, то между указанными канальными напряжениями существует сильная корреляционная связь. Кроме того, корреляционная функция R(τ) ФМн-сигналов имеет ярко выраженный главный лепесток и относительно низкий уровень боковых лепестков.
max
пор
max
пор
пор
Поэтому на выходе второго коррелятора 28 формируется максимальное напряжение U(τ), которое превышает пороговый уровень U в пороговом блоке 29 [U(τ)>U]. При превышении порогового уровня Uв пороговом блоке 29 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 30 и открывает его. В исходном состоянии ключ 30 всегда закрыт.
г1
При этом напряжение  с выхода первого усилителя 12 второй промежуточной частоты через открытый ключ 30 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 6. На второй (опорный) вход фазового детектора 6 подается напряжение u(t) со второго выхода первого гетеродина 8 через блок 23 регулируемой задержки. На входе последнего образуется следующее напряжение:
,
где τ - время задержки блока 23 регулируемой задержки.
Напряжение  с выхода первого усилителя 12 второй промежуточной частоты через открытый ключ 30 одновременно поступает на второй вход перемножителя 20, на первый вход которого подается напряжение  с выхода блока 23 регулируемой задержки. Полученное на выходе перемножителя 20 напряжение пропускается через фильтр 21 нижних частот, на выходе которого формируется первая корреляционная функция . Экстремальный регулятор 22, подключенный к выходу фильтра 21 нижних частот, воздействует на блок 23 регулируемой задержки и поддерживает равенство , что соответствует максимальному значению первой корреляционной функции .
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 выходе фазового детектора 6 образуется низкочастотное напряжение
,
где ,
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение вместе с измеренным значением дальности R регистрируется и анализируется в компьютере 7.
up1
Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема сложных ФМн-сигналов по основному каналу на частоте w (фиг.3).
з1
Если сложный сигнал (помеха) поступает, например, по первому зеркальному каналу на частоте w
,
то усилителями 12 и 27 второй промежуточной частоты выделяюся следующие напряжения:
,
,,
где ; ;
; ;
;
з1
Однако только напряжение  попадает в полосу пропускания усилителя 12 второй промежуточной частоты. Выходное напряжение второго коррелятора 28 равно нулю, ключ 30 не открывается, и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте w, подавляется.
з2
По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте w и по любому другому дополнительному каналу приема.
Если ложные сигналы (помехи) одновременно принимаются по первому и второму зеркальным каналам:
,
то усилителями 12 и 27 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
, ,
, ,
где ,
з1
з2
пор
з1
з2
которые подаются на два входа второго коррелятора 28. Но ключ 30 в этом случае не открывается. Это объясняется тем, что разные ложные сигналы (помехи)  и  принимаются на разных частотах w и w, поэтому между канальными напряжениями  и  существует слабая корреляционная связь. Кроме того, следует отметить, что корреляционная функция помех не имеет ярко выраженного главного лепестка, как это имеет место у сложных ФМн-сигналов. Выходное напряжение второго коррелятора 28 не превышает порогового уровня U в пороговом блоке 29, ключ 30 не открывается, и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по двум зеркальным каналам на частотах w и w, подавляются.
По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по двум другим дополнительным каналам.
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 200 м;
32
128
- количество кодовых комбинаций - 2-2;
- тип излучаемого сигнала - гармоническое колебание;
c
с
c
- тип отраженного (переизлученного) сигнала - сложный сигнал с фазовой манипуляцией (база сигнала В=Δf·Т)=200-1000, Δf - ширина спектра);
- габариты приемопередатчика, размещаемого на биообъекте или его останках - 8×15х5 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 сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскирован 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 изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемного устройства.
Сложные 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.
Предлагаемые способ и устройство 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.
c
г2
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости и точности определения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам, за счет корреляционной обработки канальных напряжений. При этом частоты wи w задающего генератора и второго гетеродина разнесены на удвоенное значение второй промежуточной частоты
up1
и выбраны симметричными относительно частоты w принимаемого сигнала