CN105182286B - 声纳导向逃生救援系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种声纳导向逃生救援系统，该系统包括：超声波发射模块和超声波接收模块，其中超声波发射模块作为声源用于发射单频超声信号以及激光射线，超声波接收模块用于接收超声波发射模块所发出的超声信号，并指示声源所在的方向和距离。由此可实现在火灾现场对消防人员的引导逃生及搜寻救援。该系统将声纳技术应用于消防员火灾现场的导向逃生，安全可靠，便于携带，受环境影响小；采用该系统消防人员能够快速准确的找到逃生出口，保障消防人员的安全。

Description

声纳导向逃生救援系统

技术领域

发明涉及一种基于超声波的逃生救援系统，属于声纳技术领域。

背景技术

目前消防员进入火场后，用于寻找出口的主要引导逃生工具是导向绳，由于导向绳自身重量较重，不易携带，其导向距离不超过50米，并且由于导向绳具有高温时可能被烧断，浓烟可见度低时不易被发现等缺点，不能可靠保证消防员的安全，因此其应用受到极大限制。

超声波具有束射和反射特性，基本上可以沿直线传播，其能量远远大于相同振幅的低频声波，在空气介质中，超声波几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响。但由于目前市场上常见的空气中使用的超声波发射换能器的发射声源级为112dB，-6dB开角为60±15°，主要应用于超声波测距，最大检测距离为15米，不能满足火灾现场引导逃生的使用要求，因此目前尚未发现将声纳应用于火灾现场的引导逃生。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种声纳导向逃生救援系统，受环境影响小，能够在火灾现场可靠的为消防人员提供逃生引导，保证消防员的安全。

所述的声纳导向逃生救援系统包括：超声波发射模块和超声波接收模块；所述超声波发射模块作为声源，用于发射超声波信号；所述超声波接收模块用于接收超声波发射模块所发出的超声波信号，并指示声源的方向。

所述超声波发射模块包括：发射模块控制单元、超声波发射换能器、发射模块信号处理单元和电源，所述电源为发射模块控制单元和发射模块信号处理单元供电；所述发射模块信号处理单元包括：信号发生器、功率放大器和匹配变压器；所述信号发生器在发射模块控制单元的控制下产生设定频率的超声波信号，该超声波信号通过功率放大器和匹配变压器放大后，输入至超声波换能器，使所述超声波换能器发出超声波信号。

所述超声波接收模块包括：超声波接收换能器、接收模块控制单元、程控放大器、电源和两个以上方向指示灯；所述电源为接收模块控制单元、程控放大器和方向指示灯供电；所述超声波接收换能器用于接收超声波发射模块所发出的超声波信号，并发送给程控放大器；所述程控放大器用于对所接收到的超声波信号进行放大处理；所述接收模块控制单元对经程控放大器放大后的超声波信号进行采样，并计算采样后的超声波信号的幅值，依据所计算的超声波信号的幅值对程控放大器的放大倍数进行反馈调节：当接收模块控制单元所计算的超声波信号的幅值超过其内部设定的幅值上限时，减小程控放大器的放大倍数，使反馈调节后超声波信号的幅值低于设定的幅值上限；否则，不改变程控放大器的放大倍数。

所述接收模块控制单元将反馈调节后的超声波信号的幅值作为控制参数控制方向指示灯亮的个数，该控制参数越大，方向指示灯亮的个数越多。

作为本发明的一种优选方式，所述超声波发射模块中包括两个以上超声波发射换能器；所述超声波发射模块中用于安装超声波发射换能器的端面为圆弧面，两个以上所述超声波发射换能器沿该圆弧面的轴向和周向间隔分布形成超声波发射换能器阵。

作为本发明的一种优选方式，在所述超声波发射模块中还设置有一个以上用于发射激光射线的激光发射器。

作为本发明的一种优选方式，在所述超声波接收模块中还设置有两个以上距离指示灯；所述接收模块控制单元将反馈调节后的程控放大器的放大倍数作为控制参数控制距离指示灯亮的个数，该控制参数越小，距离指示灯亮的个数越少。

有益效果：

(1)本发明将声纳技术应用于消防员火灾现场的导向逃生，安全可靠，便于携带，受环境影响小；采用该系统消防人员能够快速准确的找到逃生出口，同时能够使救援人员能够快速的找到发出求救信号的消防人员，从而可靠保障消防人员的安全。

(2)在超声波发射模块中采用直线阵和圆弧阵相结合的方式布置超声波发射换能器，能够提高发射声源级和指向性开角，导向距离远，使其满足火场特殊环境的使用要求。同时该装置便于携带，安装方便。

(3)将超声波信号和激光指引相结合，在远距离时依靠超声波信号寻找声源方向，近距离时依靠激光射线确认声源位置，保证消防人员能够快速可靠的找到出口或救援人员能够快速准确找到发出求救信号的消防人员。

(4)在该装置中设置有距离指示灯和方向指示灯，在导向逃生或搜寻救援时能够依据距离指示灯亮的个数快速准确的找到声源方向，依据距离指示灯的个数预估离声源的距离。

附图说明

图1为该系统的整体示意图。

图2为超声波发射模块的结构示意图；

图3为超声波发射换能器阵的布局示意图；

图4为超声波接收模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种用于在着火的大型商场、写字楼内对消防人员进行引导逃生以及搜寻救援的声纳导向逃生救援系统。

该系统包括：超声波发射模块和超声波接收模块，其中超声波发射模块作为声源，用于发射激光射线以及声压级125dB以上的25kHz单频超声波信号；超声波接收模块用于接收超声波发射模块所发出的超声信号，并通过LED指示灯指示声源所在的方向和距离，如图1所示。

所述超声波发射模块包括：发射模块控制单元、超声波发射换能器阵、激光发射器阵、发射模块信号处理单元和电源，如图2所示。其中电源为所述发射模块控制单元和发射模块信号处理单元供电。所述发射模块信号处理单元包括：信号发生器、功率放大器和匹配变压器，其中信号发生器与发射模块控制单元相连，在发射模块控制单元的控制下产生25kHz的单一频率的超声波信号，该信号通过功率放大器和匹配变压器放大后，输入至超声波换能器阵，使其输出大功率的超声波信号。同时所述发射模块控制单元控制激光发射器阵的开关。

所述超声波发射换能器阵由三十六个工作频率为25kHz的超声波发射换能器按直线阵和圆弧阵相结合的方式布置后形成，具体为：所述超声波发射模块的工作面为四分之一圆弧面，将三十六个超声波发射换能器等分为三份，沿该圆弧面的轴向等间隔分布，形成三排；每排十二个超声波发射换能器沿该圆弧面的周向等间隔分布，如图3所示。采用该种布置方式能够使该发射装置的发射声源级达到125dB以上，接收距离达到70米以上，发射开角达到120度以上，适用于大型商场等开阔区域，满足火灾现场的使用要求。

所述激光发射器阵为设置在超声波发射模块工作面上的三个激光发射器，用于发射激光射线。

所述超声波接收模块包括：超声波接收换能器、接收模块控制单元、程控放大器、电源、五个方向指示灯和五个距离指示灯。其中电源输出的电压通过电源稳压器后为程控放大器、接收模块控制单元、方向指示灯和距离指示灯供电。超声波接收换能器用于接收超声波发射模块所发出的单频超声信号，超声波接收换能器通过程控放大器与接收模块控制单元相连，接收模块控制单元对程控放大器的放大倍数进行反馈调节，并控制方向指示灯和距离指示灯亮的个数，如图4所示。

具体为：所述程控放大器对所接收到的超声波信号进行放大处理，接收模块控制单元对经程控放大器放大后的超声波信号进行采样，并计算采样后的超声波信号的幅值，然后依据所计算的幅值对程控放大器的放大倍数进行反馈调节，具体为：在所述接收模块控制单元内设置有超声波信号的幅值上限，当其计算的幅值超过该上限时，对程控放大器的放大倍数进行反馈调节，减小其放大倍数。本实施例中每次反馈调节时将程控放大器的放大倍数缩减至原放大倍数的一半，直至所计算的超声波信号的幅值低于所设定的幅值上限。

所述接收模块控制单元将反馈调节后的超声波信号的幅值作为控制参数(当不需反馈调节时，直接将所计算的超声波信号的幅值作为控制参数)控制方向指示灯亮的个数，该控制参数越大，方向指示灯亮的个数越多，表明越接近声源方向。原因为：由于超声波具有束射特性，在固定位置搜寻声源方向时，超声波接收换能器与声源之间的夹角越小，接收到的超声波信号越强，则反馈调节后的超声波信号的幅值越大。所述接收模块控制单元将反馈调节后的程控放大器的放大倍数作为控制参数(当不需反馈调节时，直接将程控放大器的原放大倍数作为控制参数)控制距离指示灯亮的个数，该控制参数越小，距离指示灯亮的个数越少，表明与声源之间的距离越小。原因为：当沿着搜寻的方向越接近声源时，超声波接收换能器所接收到的超声波信号越强，为保证超声波信号的幅值低于所设定的幅值上限，则程控放大器的放大倍数越小。

该系统具有两种工作方式，分别为导向逃生和搜寻求援，下面分别介绍其在不同工作方式下的工作原理：

(1)导向逃生：此时超声波发射模块位于火灾现场的出口位置，并在消防人员进入火灾现场后即刻打开，超声波接收模块由进入火灾现场的消防人员随身携带。消防人员进入火灾现场后，打开出口位置的超声波发射模块，使其发射25kHz的超声波和三条激光射线，为消防员提供超声波信号和激光指引。当消防人员完成消防任务或遇到紧急情况需要撤离，而火灾现场受浓烟影响无法确定出口方向时，打开超声波接收模块，超声波接收换能器即可接收声源所发送的超声波信号。消防人员首先在原地水平移动超声波接收模块，使超声波接收换能器沿不同方向搜寻声源，此时方向指示灯亮的个数不断改变，当方向指示灯亮全亮时，表明此时超声波接收换能器所对的方向与声源方向(即出口方向)最接近。消防人员沿该方向逃生，在逃生过程中，距离指示灯亮的个数逐渐减少，提示消防人员离出口越来越近。由此使消防人员能够以最快的速度找到出口，确保安全。

(2)搜寻求援：此时超声波发射模块由进入火灾现场的消防人员随身携带，超声波接收模块由火灾现场外的搜救人员随身携带，并在消防人员进入火灾现场后即刻打开。当进入火灾现场的消防人员受伤无法逃出时，打开其随身携带的超声波发射模块，使其发射25kHz的超声波和激光射线作为求救信号。此时搜救人员携带的超声波接收模块即可接收到所发出的超声波信号，表明消防人员需要救援，搜救人员进入火灾现场进行搜寻。搜救人员依据超声波接收模块上方向指示灯亮的个数判断发出求救信号的消防人员的方位，依据距离指示灯亮的个数判断距离发出求救信号的消防人员的远近；接近消防人员时便可直接依据激光射线确认消防人员的位置。由此搜救人员能够快速找到发出求救信号的消防人员，完成搜寻求援。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.声纳导向逃生救援系统，其特征在于，包括：超声波发射模块和超声波接收模块；所述超声波发射模块作为声源，用于发射超声波信号；所述超声波接收模块用于接收超声波发射模块所发出的超声波信号，并指示声源的方向；

所述超声波发射模块包括：发射模块控制单元、超声波发射换能器、发射模块信号处理单元和电源，所述电源为发射模块控制单元和发射模块信号处理单元供电；所述发射模块信号处理单元包括：信号发生器、功率放大器和匹配变压器；所述信号发生器在发射模块控制单元的控制下产生设定频率的超声波信号，该超声波信号通过功率放大器和匹配变压器放大后，输入至超声波换能器，使所述超声波换能器发出超声波信号；

所述超声波接收模块包括：超声波接收换能器、接收模块控制单元、程控放大器、电源和两个以上方向指示灯；所述电源为接收模块控制单元、程控放大器和方向指示灯供电；所述超声波接收换能器用于接收超声波发射模块所发出的超声波信号，并发送给程控放大器；所述程控放大器用于对所接收到的超声波信号进行放大处理；所述接收模块控制单元对经程控放大器放大后的超声波信号进行采样，并计算采样后的超声波信号的幅值，依据所计算的超声波信号的幅值对程控放大器的放大倍数进行反馈调节：当接收模块控制单元所计算的超声波信号的幅值超过其内部设定的幅值上限时，减小程控放大器的放大倍数，使反馈调节后超声波信号的幅值低于设定的幅值上限；否则，不改变程控放大器的放大倍数；

所述接收模块控制单元将反馈调节后的超声波信号的幅值作为控制参数控制方向指示灯亮的个数，该控制参数越大，方向指示灯亮的个数越多；

在所述超声波发射模块中还设置有一个以上用于发射激光射线的激光发射器；

在所述超声波接收模块中还设置有两个以上距离指示灯；所述接收模块控制单元将反馈调节后的程控放大器的放大倍数作为控制参数控制距离指示灯亮的个数，该控制参数越小，距离指示灯亮的个数越少；

该系统具有两种工作方式，分别为导向逃生和搜寻求援：

当用于导向逃生时：所述超声波发射模块位于火灾现场的出口位置，所述超声波接收模块由进入火灾现场的消防人员随身携带；消防人员进入火灾现场后，出口位置的超声波发射模块发射超声波和激光射线，为消防员提供超声波信号和激光指引；当消防人员需要撤离而无法确定出口方向时，打开所述超声波接收模块，所述超声波接收换能器接收声源所发送的超声波信号，并沿不同方向搜寻声源，此时所述方向指示灯亮的个数不断改变，当方向指示灯亮全亮时，表明此时超声波接收换能器所对的方向与声源方向最接近；在逃生过程中，所述距离指示灯亮的个数逐渐减少，提示消防人员离出口越来越近；

当用于搜寻求援时：所述超声波发射模块由进入火灾现场的消防人员随身携带，所述超声波接收模块由火灾现场外的搜救人员随身携带；当进入火灾现场的消防人员无法逃出时，其随身携带的超声波发射模块发射超声波和激光射线作为求救信号；搜救人员携带的超声波接收模块接收到所发出的超声波信号，依据所述超声波接收模块上方向指示灯亮的个数判断发出求救信号的消防人员的方位，依据所述距离指示灯亮的个数判断距离发出求救信号的消防人员的远近；接近消防人员时依据所述激光射线确认消防人员的位置。

2.如权利要求1所述的声纳导向逃生救援系统，其特征在于，所述超声波发射模块中包括两个以上超声波发射换能器；所述超声波发射模块中用于安装超声波发射换能器的端面为圆弧面，两个以上所述超声波发射换能器沿该圆弧面的轴向和周向间隔分布形成超声波发射换能器阵。

3.如权利要求1所述的声纳导向逃生救援系统，其特征在于，所述超声波发射模块和超声波接收模块中的电源均采用可充电电池，所述发射模块控制单元实时采集超声波发射模块中电池的剩余电量，当电池的剩余电量低于其内部设定的阈值时，发出低电量警报；所述接收模块控制单元实时采集超声波接收模块中电池的剩余电量，当电池的剩余电量低于其内部设定的阈值时，发出低电量警报。