ПРИБОР ПОИСКА ПОСТРАДАВШИХ ПОД ЗАВАЛАМИ РАЗРУШЕННЫХ ЗДАНИЙ ТСПП "ЗАВАЛ"

Область техники, к которой относиться полезная модель.
Полезная модель относится к области решения задач по поиску и обнаружению пострадавших под завалами разрушенных зданий в результате стихийных бедствий или техногенных катастрофи может быть использовано при проведении поисково-спасательных работ поисково-спасательными формированиями МЧС России.
Уровень техники.
Поиск людей в зонах разрушений отличается от обычной задачи зондирования наличием преград. Хаотическое нагромождение обломков строительных и иных конструкций в районах разрушений зданий и сооружений существенно усложняет процесс поиска и накладывает определенные ограничения на используемые методы зондирования.
По опыту ликвидации последствий землетрясения в Армении, вследствие особенностей процесса разрушения зданий и сооружений, относительно большое количество погибших в момент землетрясения в течение 2 суток с момента землетрясения (от общего количества погибших за это время) находилось в верхних слоях завала, причем в абсолютном выражении для верхних слоев завала число погибших превышало число живых, находившихся в данном слое завала. Таким образом, в первые 2-3 суток разборки завалов количество людей, извлекаемых живыми постоянно росло, а извлекаемых погибшими, - уменьшалось. Как правило, около половины пострадавших не в состоянии заявить о своем существовании из-за полученных травм. Число безвозвратных потерь в момент разрушения зданий и сооружений в среднем может составлять величину, равную 10-20% от общего числа пострадавших.
В зависимости от наличия соответствующих сил и средств поисковые работы могут вестись следующими способами:
- сплошным визуальным обследованием участка спасательных работ (объекта, здания);
- с использованием специально подготовленных собак (кинологический способ);
- с использованием специальных приборов поиска (технический способ).
Сплошное визуальное обследование участка спасательных работ (объекта, здания) может производиться поисково-спасательным, разведывательным или специально организованным для этой цели подразделением. Состав назначенного подразделения определяется исходя из площади и высоты обследуемого завала, характера разрушения здания, его функциональной принадлежности, метеорологической обстановки, времени года и суток в момент проведения поиска и целого ряда других причин.
Поиск пострадавших с использованием служебных собак (кинологический) осуществляется расчетом поисково-спасательной службы (ПСС), состоящим из инструктора-кинолога и собаки, и основан на использовании высокой чувствительности органов обоняния собак, которые могут обнаруживать места выхода запаха тела пострадавшего на поверхности завала.
Поиск с использованием специальных приборов поиска (технический способ) основан на регистрации ими физических свойств, характерных для жизнедеятельности человека. Среди них следует выделить акустические, радиоволновые и оптические. В настоящее время наибольшее развитие и распространение получили акустические приборы поиска. В нашей стране на смену бывшим приборам типа ТП-15, "Виброфон-3", "Звук", "Поиск", в настоящее время поступает на оснащение войск ГО и поисково-спасательных формирований МЧС России специально разработанный фирмой "АБИГАР", акустический прибор поиска "Пеленг-1".
Принцип действия таких приборов основан на регистрации акустических и сейсмических сигналов, подаваемых пострадавшими (крики, стоны, удары по элементам завала). Приборы этого типа, как правило, состоят из трех основных элементов: приемного устройства (микрофона, датчика), усилителя преобразователя и выходного устройства (головных телефонов, индикаторов). Поисковые приборы, основанные на регистрации колебаний, предназначены для работы в средах, обладающих упругостью форм (строительные конструкции, горные породы). Они имеют сейсмические или акустические датчики, устанавливаемые в процессе работы на твердую поверхность или в полость (пустоту) в завале. Удары, производимые по элементам конструкций разрушенного здания пострадавшими, поступают в виде упругих колебаний на обследуемую поверхность и регистрируются на индикаторной шкале прибора.
Раскрытие полезной модели
Для проведения поисково-спасательных операций в качестве технических средств поиска пострадавших в завалах наиболее предпочтительным представляется использование сверхширокополосных радаров (георадаров), которые характеризуются большим радиусом действия, высокой чувствительностью и высокой производительностью.
Классическая радиолокация воздушных целей использует в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с несущей частотой от единиц до десятков ГГц с использованием различных типов модуляции. При радиолокационном зондировании снежных лавин подобный тип сигналов с использованием столь высоких частот не может быть использован по причине сильного затухания радиоволн в зондируемой среде.
Кроме того, пространственная протяженность радиоимпульсов, определяющая разрешающую способность по дальности, в узкополосных локаторах составляет десятки и сотни метров. Поэтому данный вид зондирующих сигналов не применим в поисковой системе, так как достигаемая величина разрешающей способности не обеспечивает выполнение задачи обнаружения пострадавших в различных завалах при величине минимального регистрируемого перемещения тела пострадавшего или его частей не более 20 см при необходимой минимальной глубине зондирования не менее 5 метров.
Поэтому для решения задач обнаружения объектов на ближних дистанция с высокой разрешающей способностью используется специальные СШП радиолокаторы, которые в общепринятой терминологии получили собственное название - георадар.
СШП радиолокатор представляет собой портативный радиолокатор, который, в отличие от классического, направляет зондирующие электромагнитные импульсы в исследуемую среду, а не в свободное пространство. Исследуемой средой может быть земля (отсюда наиболее распространенное название - георадар), вода, стены зданий и т.п.
В течение длительного времени радиолокаторы, предназначенные для зондирования непрозрачных сред, разрабатывались с целью обнаружения только неподвижных объектов, как правило, в грунтах. Такие радиолокаторы принято называть в литературе - подповерхностными.
В настоящее время классическая подповерхностная радиолокация является сложившейся научной дисциплиной, а сами локаторы производятся серийно как в России, так и за рубежом.
Однако, в последнее время обострился интерес к использованию методов и средств подповерхностной радиолокации для обнаружения и диагностики людей, находящихся в завалах или за стенами строительных конструкций. В литературе этот метод получил собственное название - биорадиолокация.
Биорадиолокация - это метод дистанционного обнаружения и диагностики людей или животных, в том числе за оптически непрозрачными препятствиями, основанный на модуляции радиолокационного сигнала колебательными движениями и перемещениями органов биологического объекта. В случае, если человек находится в относительно неподвижном состоянии, например, спит, сидит или стоит, зафиксировав позу, модуляция биорадиолокационного сигнала будет обусловлена сокращениями легких при дыхании (характерные частоты 0,2-0,5 Гц), а также пульсациями сердца и крупных поверхностно залегающих артерий (характерные частоты 0,7-1,5 Гц). При этом амплитуды перемещений поверхности тела, обусловленные дыханием, составляют около 1 см, для сердцебиения аналогичный параметр составляет 1 мм.
Величины регистрируемых перемещений определяют использование в биорадиолокаторах электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона, а в качестве зондирующих могут использоваться как импульсные сигналы, так и непрерывные с линейной или ступенчатой частотной модуляцией, а также монохроматические.
Основным достоинством метода биорадиолокации с точки зрения практических приложений является его бесконтактность при проведении исследований.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 приведена функциональная схема прибора поиска пострадавших в завалах.
На фигуре 2 представлены чертежи основных компонентов прибора поиска пострадавших в завалах разрушенных зданий и сооружений.
Осуществление полезной модели
Сущность заявленного технического решения поясняется функциональной схемой, приведенной на фиг. 1.
На фигуре 1 изображен прибор поиска пострадавших под завалами разрушенных зданий ТСПП «ЗАВАЛ», содержащий блоки питания 1 и 2, контроллер питания 3, установлено устройство управления, синхронизации и обработки (УУСО) 4, передающий модуль 5, передающую антенну 6, приемный модуль 7, приемную антенну 8, модуль Wi-Fi с антенной 9 и портативный планшет 10.
УУСО 4 формирует импульс запуска передатчика, который подается на передающий модуль 5, где преобразовывается в высоковольтный импульс наносекундной длительности и подается на передающую антенну 6, которая излучает электромагнитный импульс в исследуемую среду. Отраженный от неоднородностей среды электромагнитный импульс принимается приемной антенной 8, усиливается в приемном модуле 7 и подается на УУСО 4, где он преобразуется в цифровой вид и через модуль Wi-Fi с антенной 9 по интерфейсу Wi-Fi для дальнейшей обработки в портативный планшет 10.
Конструкция прибора поиска пострадавших под завалами разрушенных зданий ТСПП «ЗАВАЛ» приведена на фиг. 2.
Конструктивно прибор состоит из антенного блока, контроллера питания, двух блоков питания, модуля Wi-Fi с антенной и портативного планшета.
Антенный блок состоит из антенного модуля и платы УУСО.
Антенный модуль состоит из металлического корпуса 12, в нижней части которого закреплена приемо-передающая резистивно-нагруженная антенна типа «Бабочка» (на основе фольгированного стеклотекстолита) 13. Для обеспечения требуемого уровня демпфирования антенн внутренний объем корпуса заполнен радиопоглощающим материалом 14.
К входным контактам антенн с помощью механических ловителей подключаются передающий модуль 15 и приемный модуль 16. Для исключения влияния радиопоглощающим материала на электронные компоненты передающий и приемные модули расположены в пластиковых корпусах, прикрепленных к металлическому корпусу.
Сверху на антенный модуль установлено УУСО 17, которое механически соединяется с передающим и приемным модулями. УУСО закрепляется на корпусе с помощью стоек и винтов.
Антенный модуль установлен в пластиковый кейс 11 и закрыт металлической панелью 18, которая служит дополнительным экраном и снижает уровень помех, попадающих на вход приемной антенны.
Питание прибора осуществляется от двух блоков питания 20 и 21. Управление питанием осуществляет контроллер питания 19, установленный на внутренней части металлической панели 18. Контроллер питания 19 осуществляет автоматическое переключение на другой блок питания при извлечении первого («горячая» замена), считывает уровень заряда с каждого блока питания и передает эту информацию в УУСО 17.
Информация из УУСО 17 через модуль Wi-Fi с антенной 23 по интерфейсу Wi-Fi передается для дальнейшей обработки в портативный планшет 22.
Проблема создания технических средств для оперативного поиска и обнаружения людей, пострадавших при техногенных и природных катастрофах, остается актуальной, несмотря на многочисленные попытки ее решения.
Класс радиолокационных станций (РЛС), которые используются для решения задач поиска и обнаружения людей под завалами, относится к РЛС ближнего действия. Под термином «РЛС ближнего действия» будем понимать РЛС, которая обнаруживает цели на расстояниях от единиц до десятков метров от фазового центра антенны при условии, что цель находится в зоне Фраунгофера.
Одним из наиболее характерных информационных признаков наличия цели в исследуемой области пространства является фазовая модуляция эхо-сигнала, обусловленная доплеровским эффектом при перемещении отдельных частей тела (движение конечностей, туловища, грудной клетки при дыхании и сердцебиении). Основная задача таких РЛС состоит в выделении информационного сигнала на фоне помех, обусловленных отражениями зондирующего сигнала от местных предметов, преград, на трассе распространения, и последующего принятия решения о наличии или отсутствии цели в исследуемой области пространства. При этом к помехам, которые оказывают наибольшее влияние на вероятность правильного обнаружения относятся отражения зондирующих колебаний от подвижных объектов вне зоны ответственности локатора (отражения от человека, который управляет РЛС-оператора, окружающих локатор веток деревьев, посторонних людей, отражения от которых попадают на вход приемника РЛС по боковым лепесткам антенны, работающей техники и т.п.).
В настоящее время наметилось три основных концепции в построении радиолокационных систем дистанционного зондирования человека за препятствием. Это системы с применением, так называемых, сверхширокополосных импульсных видеосигналов (СШП-сигналы), пространственно разнесенные двухпозиционные и мультипозиционные активно-пассивные системы, и РЛС с квазинепрерывными и непрерывными излучениями.
Первый класс систем строится по принципу импульсных РЛС, задающий генератор которых формирует короткие (как правило, длительностью единицы наносекунд) видеоимпульсы. Эти импульсы затем дифференцируются антенной локатора и излучаются в пространство. Спектр таких сигналов достаточно широк (может достигать единиц гигагерц), что обуславливает высокое разрешение РЛС по дальности. Малое расстояние до цели позволяет применять в РЛС, без потери однозначности, высокую (до единиц мегагерц) частоту повторения зондирующих импульсов, что дает возможность организовать эффективное накопление сигнала при его обработке.
Однако, этому классу систем присущи и принципиальные недостатки. В частности, при распространении СШП-сигналов в диспергирующих средах наблюдается разрушение импульса, что в конечном итоге снижает соотношение сигнал/шум и вероятность правильного обнаружения. Кроме того, для СШП-сигналов практически отсутствуют эффективные направленные антенны, что приводит к дополнительным потерям и возрастанию уровня когерентных помех от местных предметов, находящихся вне зоны ответственности РЛС. Это в значительной мере ограничивает круг решаемых задач и удобство использования таких РЛС.
Антенна РЛС обычно должна находиться непосредственно у препятствия и желательно, чтобы она была с ним согласована, что очевидно, трудно выполнить в реальных условиях.
Пространственно-разнесенные системы основаны, как правило, на известном принципе базово-корреляционной системы локации. Они перспективны в плане потенциальной возможности локализации местоположения цели по двум координатам одновременно и по возможности подавления помех от местных предметов. Недостатком таких систем является их техническая сложность, невозможность оперативного использования в реальных условиях и неоднозначность, возникающая при одновременной обработке сигналов, принятых несколькими пространственно-разнесенными пунктами.
РЛС с квазинепрерывным и непрерывным зондирующим сигналом являются одним из наиболее перспективными именно для решения задач поиска и обнаружения людей под завалами зданий и сооружений, в снежных лавинах и песчаных осыпях. При относительно низкой мощности зондирующего сигнала (десятки или сотни милливатт) за время наблюдения в единицы секунд удается добиться значительного потенциала локатора (порядка 100-140 дБ) относительно простыми техническими средствами.
Малогабаритность аппаратуры, незначительные размеры антенн (в рабочем диапазоне частот 0,9-1,8 ГГц) и низкое энергопотребление позволяют использовать такие локаторы непосредственно каждым спасателем индивидуально и в составе комплекса аппаратуры с дистанционным управлением. Возможность использования узконаправленных антенн позволяет осуществлять пространственную селекцию целей, повышая помехоустойчивость РЛС. Применение сложных помехоустойчивых видов модуляции обеспечивает стробирование зоны ответственности РЛС по дальности с шагом от единиц до долей метров в режиме автоматического сканирования, что снижает вероятность пропуска цели. Кроме того, системы с непрерывным и квазинепрерывным зондирующим сигналом легко реализуют истинно когерентную обработку сигналов.