РАДИОВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЖИВЫХ ЛЮДЕЙ ПОД ЗАВАЛАМИ И ЗА СТЕНАМИ ЗДАНИЙ
RADIO WAVE DEVICE FOR ALIVE PEOPLE DETECTION UNDER RUBBLES AND BEHIND BUILDING WALLS

Изобретение относится к поисково-спасательной службе и может быть использовано для активного зондирования с целью объективного определения наличия в них человека с признаками жизни и оценки его состояния по частотам дыхания и пульса.
Целью изобретения является повышение точности обнаружения человека и оценки его состояния.
Известны радиоволновые устройства для поиска и обнаружения живых людей в завалах (К.М. Chen, D. Misra, H. Wang, H. Chuang, E. Postow / An X-Band Microwave Life-Detection System. IEEE Trans. on BME. V.33, No 7, July, 1986. P. 697-701). Устройство позволяет обнаруживать живых людей в завалах после облучения и приема отраженных волн постоянной частоты СВЧ диапазона за счет выделения частот модуляции, соответствующих дыханию и сердцебиения из отраженной волны в диапазоне частот 0,1÷4 Гц. Устройство имеет недостатки: периодический характер зависимости чувствительности к перемещению человеческого тела при дыхании и сердцебиении от расстояния; ручной характер настройки не дает возможность усилить СВЧ сигнал достаточно сильно, что снижает чувствительность и точность обнаружения.
Известно также техническое решение - радиоволновое устройство для поиска и обнаружения живых людей в завалах, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (K.М. Chen, Y. Huang, J. Zhang, A. Norman. Microwave Life-Detection System for searching human subjects under earthquake rubble or behind barrier/IEEE Trans. on Biomedical Engineering. V.27. No. 1, January 2000. P. 105-114). Данное устройство-прототип содержит высокостабильный генератор СВЧ, соединенный через основной вывод первого направленного ответвителя НО и циркулятор с антенной, смеситель, первый вход которого соединен с антенной через циркулятор, основной вывод второго НО, вспомогательный вывод третьего НО, усилитель СВЧ, а второй вход соединен со вспомогательным выводом первого НО через вспомогательный вывод четвертого НО и управляемый фазовращатель 0÷180°, управляемый аттенюатор, вход которого соединен с вспомогательным выводом четвертого НО, а выход соединен со входом управляемого фазовращателя 0÷360°, выход которого соединен с вспомогательным входом первого НО, вычислительно-управляющий блок ВУБ, являющийся выходным блоком, первый вход которого соединен с основным выводом третьего НО через детектор, второй вход этого блока соединен с выходом смесителя через полосовой усилитель 0,1÷4 Гц, первый и второй выходы ВУБ соединены соответственно с управляющими входами управляемого аттенюатора и фазовращателя 0÷360°, третий выход соединен с управляющим выводом управляемого фазовращателя 0÷180°. В блоке ВУБ с помощью быстрого преобразования Фурье вычисляется спектр сигнала с выхода полосового усилителя. По наличию в спектре линий, характерных для дыхания и сердцебиения человека, судят о его наличии под завалом.
Устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в подверженности влиянию внешних помех за счет попадания паразитных отражений электромагнитных волн от завала и предметов, расположенных вблизи антенны, что искажает спектр выходного сигнала и снижает точность обнаружения живого человека.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности обнаружения живого человека.
Технический результат в предлагаемом устройстве обнаружения живых людей под завалами и за стенами зданий достигается тем, что оно содержит высокостабильный генератор СВЧ, соединенный с первым направленным ответвителем, первый циркулятор, соединенный с первой антенной, смеситель, первый вход которого соединен с первой антенной через первый циркулятор, основной волновод второго направленного ответвителя, основной волновод третьего направленного ответвителя и усилитель СВЧ, а второй вход соединен с основным выходом четвертого направленного ответвителя через управляемый фазовращатель 0÷180°, управляемый аттенюатор, вход которого соединен со вспомогательным выходом четвертого направленного ответвителя, а выход соединен со входом управляемого фазовращателя 0÷360°, выход которого соединен с вспомогательным входом второго направленного ответвителя и вычислительно-управляющий блок ВУБ, являющийся выходным блоком, первый вход которого соединен со вспомогательным выходом третьего направленного ответвителя через детектор, второй вход этого блока соединен с выходом смесителя через полосовой усилитель 0,1÷4 Гц, первый и второй выходы ВУБ соединены соответственно с управляющими входами управляемого аттенюатора и фазовращателя 0÷360°, а третий выход соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя 0÷180°, вторую антенну, соединенную через второй циркулятор со вспомогательным выходом первого направленного ответвителя, первый делитель частоты на N, вход которого соединен с основным выходом первого направленного ответвителя, а выход с входом первого циркулятора, второй делитель частоты на N, вход которого соединен с выводом второго циркулятора, а выход соединен со входом четвертого направленного ответвителя.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где приведена его структурная схема.
Устройство содержит высокостабильный генератор СВЧ - 1, первый НО - 2, первый делитель частоты на N - 3, первый циркулятор - 4, второй циркулятор - 5, первая антенна - 6, вторая антенна - 7, второй НО - 8, третий НО - 9, усилитель СВЧ - 10, второй делитель частоты на N - 11, четвертый НО - 12, управляемый фазовращатель 0÷180° - 13, смеситель - 14, управляемый аттенюатор - 15, управляемый фазовращатель 0-360° - 16, детектор - 17, полосовой усилитель 0,1÷4 Гц - 18, вычислительно-управляющий блок ВУБ-19.
Устройство работает следующим образом.
СВЧ электромагнитные колебания с фиксированной частотой f от генератора 1, через НО 1, после деления на N в делителе 3, поступают через циркулятор 4 на первую приемопередающую антенну 6 и излучаются в направлении завала 20. Частота f и коэффициент N выбраны таким образом, что результирующие колебания частично отражаются от поверхности завала, частично проникают внутрь и отражаются от живого человека - 21. В результате на вход антенны 6 поступает следующий сигнал:
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>A</mi><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow><mi>N</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>φ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mfrac><mi>ω</mi><mi>N</mi></mfrac><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>R</mi></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>ω</mi><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></munderover><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ϕ</mi><mi>i</mi></msub><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>a</mi><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow><mi>N</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>ψ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mfrac><mi>ω</mi><mi>N</mi></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>R</mi></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>d</mi><msqrt><mi>ε</mi></msqrt></mrow><mi>c</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
i
i
а
где первое слагаемое - сигнал, отраженный от границы завала, А - амплитуда, ω=2πf, R - расстояние до завала, с - скорость света в воздухе, Δφ(t) - фазовый шум, вызванный внешними помехами от вибраций антенны и поверхности завала Δϕ(t) - шумы от перемещений n объектов на расстояниях r вблизи антенны, второе слагаемое - сигнал, отраженный от человека,  - его амплитуда, d - расстояние до человека в завале, ε - диэлектрическая проницаемость материала завала, Δψ(t) - изменение фазы отраженного сигнала от дыхания и сердцебиения человека, т.е. полезный сигнал.
Одновременно СВЧ электромагнитные колебания с фиксированной частотой f от генератора 1 поступают через вспомогательный вывод НО 1 и циркулятор 5 на антенну 7 и также излучаются в направлении завала 20. Частота f выбрана таким образом, что та часть электромагнитной волны, которая проникает в материал завала - практически полностью в нем поглощается. Тогда на вход антенны 7 будет поступать следующий сигнал:
<mrow><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>B</mi><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>ω</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>R</mi></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>ω</mi><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></munderover><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>φ</mi><mi>i</mi></msub><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где В - амплитуда сигнала второй антенны. Этот сигнал после деления в N раз:
<mrow><msub><mi>B</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>B</mi><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow><mi>N</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mfrac><mi>ω</mi><mi>N</mi></mfrac><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>R</mi></mrow><mi>c</mi></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>ω</mi><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></munderover><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>φ</mi><mi>i</mi></msub><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
1
1
используется в качестве опорного для схемы компенсации: он поступает через вспомогательный вывод НО 12, управляемый аттенюатор 15, управляемый фазовращатель 16 на вспомогательный вход НО 8, где суммируется с сигналом А. Вычислительно-управляющий блок ВУБ - 19 генерирует сигналы управления аттенюатором 15 и фазовращателем 16, чтобы обеспечить минимум сигнала с выхода детектора 17, на вход которого поступает суммарный сигнал. В результате усилитель СВЧ эффективно усиливает этот суммарный сигнал, не входя в насыщение. Далее сигнал А поступает на первый вход балансного смесителя 14, а на его второй опорный вход поступает сигнал В с основного выхода НО 12 через фазовращатель 0÷180°. В результате перемножения и фильтрации в смесителе на его выходе выделится Доплеровский сигнал:
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><mi>ψ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><msqrt><mrow><mi>ε</mi><mi>d</mi></mrow></msqrt></mrow><mrow><mi>λ</mi><mi>N</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>Ф</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>       </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где Ф - фаза, добавляемая сигналу фазовращателем 13 управляющим сигналом от ВУБ 19, с тем, чтобы поддерживать максимум полезного сигнала. Далее, в блоке ВУБ с помощью быстрого преобразования Фурье вычисляется спектр сигнала с выхода полосового усилителя 0,1÷4 Гц. По наличию в спектре линий, характерных для дыхания и сердцебиения человека, судят о его наличии под завалом.
Как видно из формулы (1), выходной сигнал очистился от фазовых шумов, вызванных внешними помехами от вибраций антенны и поверхности завала, и от шумов, связанных с перемещениями объектов вблизи антенны, а также увеличилась скорость реагирования канала автокомпенсации при изменении внешних условий. Автору не известны технические решения, имеющие свойства, совпадающие со свойствами заявляемого технического решения, а также признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа. Таким образом, заявляемое устройство по сравнению с прототипом обладает существенным отличиями и приобрело новое свойство - более высокую точность обнаружения живых людей под завалами или за стенами помещений.