Способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков и устройство для его осуществления

Способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемые способ и устройство относятся к области поисково-спасательных работ и могут быть использованы для поиска засыпанных биообъектов или 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; патенты США №№4129868, 4673936; патент ЕР №0075199; 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 №2248235, А 63 В 29/02, 2003), которые и выбраны в качестве прототипа.

Указанные способ и устройство относятся к гомодинным, отличительным признаком которых является преобразование частоты принимаемого переотраженного ФМн-сигнала путем его перемножения с излучаемым (зондирующим) гармоническим сигналом.

Недостатком известных способа и устройства является сравнительно низкая чувствительность на низких частотах, обусловленная влиянием фликер-шума фазового детектора, что значительно снижает дальность их действия.

Прямым измерением коэффициента шума гомодинного приемника диапазона 60 ГГц получены значения около 100 дБ при разности частот 10 Гц и 60 дБ при разности частот 10 КГц (Вирченко В.Л. и др. «Чувствительность приемника твердотельной гомодинной РЛС миллиметрового диапазона в области инфранизких частот» в сборнике «Твердотельные генераторные и преобразовательные приборы мм и субмм диапазона», Харьков, ИРЭ АН УССР, 1989 г., с.78-81). Очевидно, что значение коэффициента шума приближается к приемлемым значениям только при разности частот порядка единиц мегагерц.

Указанный недостаток можно устранить повышением частоты переходом к супергетеродинному принципу приема ФМн-сигнала.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности гомодинного приемника, а следовательно, и увеличение дальности действия путем перехода к супергетеродинному принципу передачи гармонического сигнала и приема ФМн-сигнала.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, заключающегося 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, связанным с микрополосковой антенной, 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, осуществлении синхронного детектирования, регистрации выделенного модулирующего кода, соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя, анализе его и определении принадлежности засыпанного биообъекта или его останков, электромагнитный сигнал с несущей частотой ω_с перед излучением преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г гетеродина и выделяют напряжение первой промежуточной частоты ω_пр1, равной сумме частот ω_пр1=ω_г+ω_с, принимаемый сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω_пр1 повторно преобразуют по частоте с использованием частоты ω_с, выделяют напряжение второй промежуточной частоты ω_пр2=ω_пр1-ω_с=ω_г и осуществляют синхронное детектирование на частоте ω_г гетеродина.

Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее 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 задающего генератора, последовательно включенных усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной, и усилителя высокой частоты, последовательно включенных фазового детектора и компьютера, снабжено гетеродином, первым и вторым смесителями, усилителем первой промежуточной частоты и усилителем второй промежуточной частоты, причем к выходу задающего генератора последовательно подключены первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и усилитель первой промежуточной частоты, выход которого соединен с входом усилителя мощности, к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и усилитель второй промежуточной частоты, выход которого подключен к первому входу фазового детектора, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая процесс преобразования сигналов по частоте, изображена на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, представлены на фиг.4.

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 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, усилитель 12 второй промежуточной частоты, фазовый детектор 6, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина 8, и компьютер 7.

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 (фиг.4, а)

u_c=(t)=U_ccos(ω_ct+ϕ_c), 0≤t≤T_c

где U_c, ω_c, ϕ_c, T_c - 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 (фиг.4, б)

u_Г(t)=U_Гcos(ω_Гt+ϕ_Г).

На выходе смесителя 9 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 10 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты (фиг.4, в)

u_пр1(t)=U_пр1cos(ω_пр1t+ϕ_пр1), 0≤t≤T_c

где

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр1=ω_с+ω_Г - первая промежуточная (суммарная) частота;

ω_пр1=ϕ_с+ϕ_Г

которое после усиления в усилителе 2 мощности через циркулятор 3 поступает в рупорную приемопередающую антенну 4 и излучается в эфир. С помощью рупорной антенны 4 последовательно облучается засыпанный участок, где предположительно находится биообъект или его останки.

Электромагнитный сигнал u_пр1(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.

Принцип работы встречно-штыревого преобразователя ПАВ основан на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ.

Поверхностные акустические волны - это волны, распространяющиеся вдоль поверхности твердых тел в относительно тонком поверхностном слое. Скорость распространения ПАВ в кристаллах примерно на пять порядков меньше скорости распространения электромагнитных колебаний. Это значит, что на сантиметре кристалла можно разместить информацию, которая заполнит кабель длиной в километр.

Высокая информационная емкость приборов на поверхностных акустических волнах впервые была использована в линиях задержки, которые позволяют хранить, преобразовывать, канализировать, отводить и отражать распространяющиеся в них сигналы.

В основе работы приборов на ПАВ лежат три физических процесса:

- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;

- распространение акустической волны вдоль поверхности звукопровода;

- обратное преобразование ПАВ в электрический сигнал.

Для прямого и обратного преобразования ПАВ используются преобразователи поверхностных акустических волн, наиболее распространенные среди которых получили встречно-штыревые преобразователи.

Принимаемое гармоническое колебание u_пр1(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) (фиг.4, д)

u₂(t)=U₂cos[ω_пр1t+ϕ_k(t)+ϕ_пр1], 0≤t≤T_c,

где ϕ_к={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.4, г), причем ϕ_К(t)=const при kτ_Э<t<(k+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(Т_с=Nτ_Э).

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

Сформированный ФМн-сигнал u₂(t) излучается микрополосковой антенной 14 в эфир, принимается антенной 4 сканирующего блока и через циркулятор 3 и усилитель 5 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 11, на второй вход которого подается высокочастотное колебание u_c(t) (фиг.4, а) с выхода задающего генератора 1 в качестве напряжения второго гетеродина. На выходе смесителя 11 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 12 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты (фиг.4, е)

u_пр2(t)=U_пр2cos[ω_пр2t+ϕ_k(t)+ϕ_пр2], 0≤t≤T_c,

где

ωпр₂=ω_пр1-ω_с=ω_г - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр2=ϕ_пр1-ϕ_с=ϕ_Г,

которое поступает на первый вход фазового детектора 6. На второй вход фазового детектора 6 подается напряжение u_г(t) со второго выхода гетеродина 8. На выходе фазового детектора 6 образуется низкочастотное напряжение (фиг.4, ж)

u_Н(t)=U_Hcosϕ_k(t), 0≤t≤T_c,

где

К₂ - коэффициент передачи фазового детектора,

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.4, г). Это напряжение регистрируется и анализируется 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;

- количество кодовых комбинаций - 2³²...2¹²⁸;

- тип излучаемого сигнала - гармоническое колебание;

- тип отраженного (переизлученного) сигнала - широкополосный сигнал с фазовой манипуляцией (база сигнала В=Δf_cТ_c=200...1000, Δf_c - ширина спектра);

- габариты приемопередатчика, размещаемого на биообъекте или его останках, - 8×15×5 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 широкополосный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскирован шумами и помехами. Причем энергия широкополосного 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, обеспечивают повышение чувствительности, а следовательно, и увеличение дальности действия. Это достигается за счет перехода к супергетеродинному принципу передачи и приема сигналов.

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, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, облучении с помощью сканирующего блока засыпанного участка, под поверхностью которого может находиться биообъект или его останки, направленным электромагнитным сигналом, прием его на засыпанном биобъекте 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, переизлучений его в эфир, приеме сканирующим блоком, усилении по амплитуде, осуществлении синхронного детектирования, регистрации выделенного модулирующего кода, соответствующего структуре встречно-штыревого преобразователя, анализе его и определении принадлежности засыпанного биообъекта или его останков, отличающийся тем, что электромагнитный сигнал с несущей частотой ω_с перед излучением преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г гетеродина и выделяют напряжение первой промежуточной частоты ω_пр1, равной сумме частот ω_пр1=ω_с+ω_г, принимаемый сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω_пр1 повторно преобразуют по частоте с использованием частоты ω_с, выделяют напряжение второй промежуточной частоты ω_пp2=ω_пp1+ω_с=ω_г и осуществляют синхронное детектирование на частоте ω_г гетеродина.

2. Устройство для обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков, содержащее 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 задающего генератора, последовательно включенных усилителя мощности, циркулятора, вход-выход которого связан с рупорной приемопередающей антенной, и усилителя высокой частоты, последовательно включенных фазового детектора и компьютера, отличающееся тем, что оно снабжено гетеродином, первым и вторым смесителями, усилителем первой промежуточной частоты и усилителем второй промежуточной частоты, причем к выходу задающего генератора последовательно подключены первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и усилитель первой промежуточной частоты, выход которого соединен с входом усилителя мощности, к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и усилитель второй промежуточной частоты, выход которого подключен к первому входу фазового детектора, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина.