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

Изобретение относится к области поисково-спасательных. Технический результат: повышение чувствительности и увеличение дальности действия. Сущность: предварительно размещают на биообъекте, относящемся к группе риска, маломощный приемопередатчик, в качестве которого используют преобразователь ПАВ. Облучают участок, под поверхностью которого может находиться биообъект или его останки, направленным электромагнитным сигналом. Принимают переизлученный сигнал, выделяют модулирующий код. Перед излучением преобразуют сигнал по частоте с использованием частоты гетеродина и выделяют напряжение первой промежуточной частоты, равной сумме несущей частоты и частоты гетеродина. Принимаемый сигнал с фазовой манипуляцией повторно преобразуют по частоте. Выделяют напряжение второй промежуточной частоты и осуществляют синхронное детектирование на частоте ω_г гетеродина. Устройство содержит сканирующий блок и приемопередатчик. Сканирующий блок содержит задающий генератор, циркулятор, приемопередающую антенну, фазовый детектор, компьютер, гетеродин, первый и второй смесители, усилитель первой промежуточной частоты и пьезокристалл, микрополосковую антенну, электроды, набор отражателей. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

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.