NO316245B1 - Fremgangsmåter og systemer for elektromagnetisk detektering og/eller lokalisering av individer - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår fremgangsmåter og systemer for elektromagnetisk detektering og/eller lokalisering av individer En spesielt fordelaktig anvendelse er ved søk etter snøskredofre

Selvfølgelig kan det også tenkes andre anvendelser for oppfinnelsen

Spesielt egner oppfinnelsen seg for detektering og/eller lokalisering av en person som er skjult av et opakt hinder og den kan f eks også anvendes når det søkes etter folk som er begravet under fyllmasse, pukkstein eller lignende Det er allerede kjent utallige systemer for å detektere og lokalisere ofre som er begravet under snøskredmasse

Spesielt er det allerede foreslått å utstyre skiløpere med kjemiske markører som gjør det mulig for søkehunder å spore dem I denne sammenheng kan det refereres til fransk patentsøknad FR 2 677 890

Systemer som anvender elektromagnetisk transmisjon og mottak er også foreslått Spesielt kan det nevnes ARVA systemet som er mye brukt i Frankrike (ARVA er et fransk akronym for assistanse ved søk etter snøskredofre) I det systemet bærer skiløperen lokaliseringsmarkører som sender på en frekvens på 457 kHz Det er også kjent systemer, hksom systemet solgt i Frankrike under navnet RECO, hvor klærne til skiløperne er utstyrt med transimsjonsdipoler, som er utformet slik at når de blir utsatt for elektromagnetisk bestråling sender ved omtrent 1,8 GHz De forskjellige detektenngssystemene lider av hovedulempen at de bare er i stand til å virke dersom personen som det søkes etter er utstyrt med en markør eller en spesiell transmisjonsanordning, dvs under slike omstendigheter hvor en person kan sies å utgjøre et "samarbeidende" mål

Uheldigvis skjer det fremdeles ofte at folkene som er blitt begravet ikke er slik utstyrt, enten på grunn av deres egen uforsiktighet eller lettsinn, eller på grunn av undervurdering av snøskrednsiko

Ved en markør er det i tillegg nødvendig at denne aktiveres av personen det gjelder før vedkommende blir innfanget i et snøskred

Det er et formål med oppfinnelsen å avhjelpe disse ulempene

En anordning for å detektere tilstedeværelsen av en person som er skjult bak et hinder ved å sende og motta mikrobølger er allerede kjent fra den følgende publikasjonen "Microprocessor-controlled automatic clutter-cancellation circuits for microwave systems to sense physiological movements remotely through rubble", H R Chuang, et al , 13 februar 1990, San Jose, 13-15 februar 1990, pp 177-181, IEEE

En annen anordning av denne typen er også foreslått i US patent 5 448 501

Begge disse publikasjoner foreslår sending og mottak av monostatisk type, dvs at den samme antennen brukes

Uheldigvis er en av hovedvanskehghetene ved å detektere de indre bevegelsene til en person (pusting, hjerteslag) ved å sende og motta mikrobølger, det svært store energiforholdet mellom det faste ekkoet på grunn av omgivelsene rundt personen, dvs "ghtter/birefleks", og modulasjonen som induseres av personens egne bevegelser Det er typisk at dette forholdet ligger i størrelsesorden 100 dB Et bidrag til birefleksen som er i det minste hk eller om ikke større enn signalet som skal detekteres kommer også fra antennetilpasningen som gjeninnfører en del av den sendte effekten i mottakssystemet (i beste fall i 1/10 av den sendte effekten)

Som et resultat kan mottatte signaler i monostatiske systemer ikke behandles direkte siden birefleksen vil være svært høy eller mettende for systemet, og det er derfor nødvendig å implementere teknikker for å eliminere birefleksen, f eks ved hjelp av neutrodyntekmkker

Dette medfører at mottakerelektronikken blir spesielt kompleks

Oppfinnelsen foreslår detektering og/eller lokalisering av tilstedeværelsen til en person ved å sende og motta en elektromagnetisk bølge som kan implementeres ved bruk av spesielt enkel elektronikk

For dette anvender oppfinnelsen en oppbygning hvorved sende- og mottaksantennene er separate, slik at den direkte koblingen mellom dem er lav, hvilket gjør det mulig å behandle mottatte signaler direkte for å kunne filtrere ut birefleksen

Oppfinnelsen tilveiebringer således en fremgangsmåte for elektromagnetisk detektering og/eller lokalisering av en person som utgjør et ikke samarbeidende mål hvor et elektromagnetisk signal blir sendt i området nær en søkesone. og signalet som returneres fra personen blir detektert i nærheten av nevnte sone, og fremgangsmåten er karakterisert ved at nevnte sending og mottak blir implementert ved hjelp av i det minste to distinkte antenner,

og hvor hvert signal som frembringes på denne måten blir filtrert av et Iavpass- eller båndpassfilter for å trekke ut av dette komponenter som korresponderer til et menneskes bevegelser,

og hvor hvert signal som frembringes på denne måten blir behandlet for av dette å avlede tilstedeværelsen av en person og/eller å lokalisere personen

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte av denne typen som gjør det mulig å lokalisere en person

Den oppfinnenske fremgangsmåten er nærmere beskrevet i kravene 1 til 5

I det minste en modulenngssonde som genererer et virtuelt ekko ved en frekvens som er forskjellig fra frekvensen til menneskelig bevegelse er plassert i søkesonen, et signal som korresponderer med nevnte virtuelle ekko blir detektert i området nær søkesonen, og de virtuelle ekkosignalene som frembringes på denne måten blir behandlet på samme måte som de filtrerte retursignalene, og parameterne som er resultatet av behandlingen av de virtuelle ekkosignalene og parameterne som er resultatet av behandlingen av de filtrerte retursignalene blir sammenlignet for å lokalisere nevnte person

Når oppfinnelsen anvendes under søk etter snøskredofre, ligger frekvensen til bærebølgen til det sendte elektromagnetiske signalet fortrinnsvis i området 500 MHz til 1000 MHz

Dette frekvensbåndet korresponderer med de beste frekvensene for radardetektenng gjennom et snølag ved høyere frekvenser blir bølgene sterkt dempet av snøen, ved lavere frekvenser blir det nyttbare signalet for svakt til å gjøre detekteringen enkel Oppfinnelsen tilveiebringer også et system i henhold til krav 6 til 10 for å implementere fremgangsmåten

Andre kjennetegn og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelsen Beskrivelsen er imidlertid kun illustrerende og ikke-begrensende Den må leses med henvisning til de medfølgende tegningene, i hvilke

fig 1 viser et detekterings- og lokahseringssystem som utgjør en mulig utførelse av oppfinnelsen,

fig 2 viser en skjematisk detektering utført i samsvar med oppfinnelsen, og fig 3 er en kurve hvor effekten leveit fra detektenngsantennen slik den er målt under forsøket illustrert på fig 2 er opptegnet som en funksjon av tiden Detekterings- og lokalisenngssystemet vist på fig 1 er en to-frekvens multistatisk pulsradar

Systemet innbefatter en sendeantenne 1 og flere mottakerantenner 2 Det innbefatter også en innretning gitt henvisningstallet 3, for å generere et signal som skal sendes av antennen 1, og for demodulenng og behandling av signalene mottatt av antennene 2

Mottagerantennne 2 er f eks fordelt på en linje slik at de danner ett eller flere ferrometerpar foran det snødekte området som skal søkes I dette eksemplet er det fire antenner 2, og to suksessive antenner er adskilt i en avstand som ligger i området 0,5 m til 1 m

Selvfølgelig er det også mulig med andre anordninger av antennene 1 og 2 Spesielt er anordningen av antennene 1 og 2 fortrinnsvis tilpasset typen snø som skal gjennomsøkes

I samsvar med et fordelaktig kjennetegn ved oppfinnelsen er også sende- og mottaksantennene 1 og 2 satt direkte ned i snøen

Dette forhindrer dem i å bevege seg

1 tillegg er det truffet foranstaltninger for å unngå behovet for at de elektromagnetiske bølgene skal krysse luft/snøgrensesnitt siden dette utgjør overflater som vil kunne medføre store effekttap

For dette er antennene 1 og 2 kretser som er trykt på et epoksyharpiks-substrat, hvilket gjør dem ganske sterke og gir dem en plan struktur som er lett å stikke inn i snøen

Disse sende- og mottakerantennene 1 og 2 er også fortrinnsvis antipodale spalteantenner, f eks delte spalteantenner av VIVALD1 typen Det er kjent at med en slik antennestruktur blir det elektromagnetiske feltet generert inne i spaltene Følgelig blir sending og mottak av antenner av denne type ikke fordelt av tilstedeværelsen av vanndråper på overflaten til antennen Innretningen 3 innbefatter en referanseoscillator 4 som driver både en synkronisenngsgenerator 5 og frekvenssyntetiserere 6A og 6B

Syntetisererne 6A og 6B genererer sinusformede spenninger ved frekvenser FA og FB som korresponderer med sende- og mottaksfrekvensene til systemet

Som et eksempel er disse frekvensene FA og FB 750 MHz og 780 MHz, når oscillatoren 4 svinger på en frekvens på 60 MHz

For sending via antennen 1 innbefatter innretningen 3 en summenngskrets 7 hvorpå signalene som sendes ut fra syntetisererne 6A og 6B blir påtrykt for å bli blandet deretter følger en modulenngsport 8 gjennom hvilket signalene som sendes ut fra summenngskretsen 7 blir sendt før de blir strålt ut av antennen 1 ' Modulenngsporten 8 blir styrt av synkronisenngsgeneratoren 5 Den modulerer de blandede signalene til repetitive pulstog, med pulser som har en varighet på 33 ns og en formfaktor på 1/16

Hver av de forskjellige mottakerkanalene ved utgangene fra antennene 2 omfatter en port 10 og et par blandere 11 for å utføre i-fase og kvadratur-demodulenng av signaler ved frekvensene FA og FB som mottas av antennene 2

Portene 10 blir styrt av synkronisenngsgeneratoren slik at de åpner mottaksvmduer som er 33 ns brede og som er forskjøvet i trinn på 16 ns i forhold til modulasjonsporten 8

På utgangene fra blanderne 11 blir i-fase og kvadratursignalene filtrert av båndpassfiltre 12 for å trekke ut de ikke statiske komponentene fra de mottatte signalene, hvilke komponenter korresponderer med bevegelsene som skal detekteres (pustebevegelse, bevegelse av lemmene, etc )

For dette formålet ligger passbåndet til disse filtrene 12 med fordel i området 0,03 Hz til 3 Hz

1-fase og kvadratursignalene I og Q som er filtrert på denne måten blir så digitalisert av en analog til digital-omformer 13 og så påtrykt en prosessorenhet 14 som behandler signalene for å utlede informasjon fra disse vedrørende detektering og/eller lokalisering av en person som er begravet under et dekke av snø-Systemet innbefatter også en display-enhet 15 hvorved nevnte informasjon kan fi em vises for operatører

For å kunne sikre at tilstedeværelsen av operatørene ikke blir detektert må det selvfølgelig besørges at de er flere titall av meter borte fra søkesonen og sende- og mottakerantennene 1 og 2

Det følger en beskrivelse av et eksempel på en enkel behandling som kan implementeres av prosessorenheten 14 på de åtte komplekse signalene som den mottar

Å detektere tilstedeværelsen av en levende person som er skjult under snø, dvs å detektere de ikke statiske komponentene til signalene som returneres til antennene 2, beregner prosessorenheten 14, for hver antenne 2, hver frekvens FA, FB, og hvert detektenngsvindu, den midlere verdien til det parvis sammenstilte produktet Sai,(t) Sak(t)<*> over et tidsintervall på omtrent 10 s, hvor Sa^t) er tidssignalet sendt ut fra filtrene 12 og mottakskanalen som korresponderer med denne k ;Det parvis sammenstilte produktet blir sammenlignet med en terskel En antenne 2 har detektert tilstedeværelsen av en person når den midlere verdien til det parvis sammenstilte produktet er større enn terskelen ;For å begrense falske alarmer blir detekteringen bekreftet ved beregning av variansen til de forskjellige parvis sammenstilte produktene som korresponderer med de åtte mottakskanalene og denne variansen blir sammenlignet med en terskel Dette tilveiebringer et totalt detekteringskritenum som tar hensyn til mottaket over de forskjellige kanalene ;Denne detektering kan også bekreftes ved å beregne krysskorrelasjons-koeffisienter mellom signalene på de forskjellige kanalene og ved de forskjellige frekvensene og ved å analysere nevnte koeffisienter for å estimere sannsynligheten for en hendelse F eks blir det verifisert at signalene som korresponderer til to naboantenner virkelig er korrelert ;Krysskorrelasjonskoeffisienten danner den estimerte kovanansmatrisen hvis Eigenverdi(er) blir beregnet Disse Eigenverdiene tjener til å kombinere de åtte kanalene på en koherent måte for å danne en eller flere kanaler som har egenskapen at den gir maksimal sensitivitet overfor bevegelseskildene som gir grunnlag for detekteringssignalet ;Det vil forstås at denne bekreftelsesprosedyren er mulig bare for de bevegelsene som blir detektert, slik som pustebevegelsen til offeret, er naturlig uavbrutt og befinner seg i en stabil posisjon ;For å lokalisere personen som korresponderer med den detekterte ikke statiske komponenten, er det mulig for hvert mottaksvindu, hvert par av antenner (i, j), og for hver frekvens FA, FB å beregne faseforskyvningen Ti,=arg(Sa,(t) Saj<*>(t)) som korresponderer til den geometriske peiling av personen i forhold til antenneparet i,

J

Det er også mulig for hvert mottaksvindu og for hver antenne k å beregne Dk=arg(<SkFA(0 SuV(t)>) hvor o betyr "middelverdien til", som korresponderer med faseforskyvningen mellom signalene som sendes ut på kanalene ved frekvensene FA og FB for antennen k og som fører informasjon som angår den totale avstanden antenne 1 _ person _ antenne k

Parameterne T, j og Dk som frembringes på denne måten vil være overflødige dersom det kan antas at forplantmngsmediet er jevnt eller uniformt Et snødekke består av flere suksessive lag med forskjellige tettheter og forskjellige dielektnske egenskaper, og i snøskredmengden er disse blandet sammen og modifisert Forplantmngsmediet innbefatter også hulrom av forskjellige størrelser, sammen med inklusjoner av berg, trestammer, jord, etc , og det samme kan også gjelde for et forplantmngsmedium som er resultatet av et jordskjelv For å løse denne vanskeligheten blir en modulenngssode 16 forflyttet over søkesonen, idet sonden tjener til å generere et virtuelt ekko ved en frekvens som er høy nok til å unngå sammenblanding eller usikkerhet i forhold til frekvensen til en naturlig bevegelse

På utgangene fra blanderne 11 innbefatter systemet en innretning (ikke vist på fig

1 for tydelighetens skyld) for å sende de demodulerte signalene som korresponderer med nevnte virtuelle ekko til prosessorenheten 14

Prosessorenheten 14 beregner parametrene T,f, og/eller Dk til nevnte virtuelle ekko og operatøren forflytter sonden 16 slik at disse parameterne bringes til å konvergere mot de som korresponderer med retursignaler fra personen som blir lokalisert I sluttposisjonen faller sonden sammen med offeret Som et eksempel, kan modulasjonssonden 16 bestå av en dipol som er lukket vekslende på en åpen krets og på en kortslutningskrets ved en frekvens på 40 Hz Det er også mulig i stedet for å forflytte sonden over søkesonen å legge ut et nett av modulasjonssonder 16 over søkesonen hvor hver sonde sender med en forskjellig frekvens

Det kan naturligvis også anvendes annen behandling enn den som er beskrevet Spesielt kan det være tilveiebragt Filterbehandling for å forbedre kontrasten mellom det nyttbare signalet og de interfererende signalene ved at hele den spektrale karakteristikken til nevnte signaler anvendes

Oppfinnelsen er beskrevet ovenfor i eksempelet med en to-frekvens multistatisk pulsradar, men den passer naturligvis også på samme måte på enhver radardetektenng og spesielt på radardetektenng som anvender kontinuerlige bølger og/eller radar som har enkeltfrekvens eller multifrekvens

For en generell beskrivelse av radarteknikker, refereres med fordel til arbeidet "Principes de traitement des signaux radar et sonar" (prinsipper for radar og sonarsignalbehandhng), av F Le Chevalier, Masson, 1989, hvis læree herved er innlemmet som referanse

En implementering av oppfinnelsen er vist på fig 2 og 3

1 denne implementeringen ved detektering utført fra bak en snøvegg N, som vist på fig 2

Snøveggen N var omtrent 2 m høy, 5,20 m bred og 3,60 m tykk

Den var laget av nysnø og gammel snø som var skitten i større eller mindre grad, og typene snø var blandet sammen og komprimert, delvis ved hjelp av maskinutstyr

Detektering ble utført av en mottakerantenne 1 plassert på den samme siden av veggen N som sendeantennen 1

Forskjellige hendelser fant sted bak veggen N og ble detektert ved hjelp av antennen 2

Tidsfunksjonskurven på fig 3 viser utgangseffekten tatt fra kanalene til antenne 2 som korresponderer med ikke statiske ekkoer mottatt av nevnte antenne 2

Effekttoppene som opptrer på kurven faller godt sammen med de forskjellige hendelsene som fant sted bak veggen N - mellom 0 og 120 s var det ingen bak veggen N, men passasjen til en skiløper på avstand ble observert (topp A), - mellom 130 s og 180 s inntok en person stående stilling bak veggen (topp

B),

- mellom 180 s og 220 s stod denne personen så stille som mulig, men pustebevegelser ble fortsatt detektert (topp C),

- mellom 220 s og 270 s beveget personen en hånd (topp D),

- mellom 270 s og 290 s beveget personen seg bort (topp E),

- mellom 340 s og 420 s ble en båre satt ned ved foten av veggen (topp F),

- mellom 420 s og 480 s la en person seg ned på båren (topp G),

- mellom 480 s og 520 s beveget denne personen en hånd (topp H),

- mellom 520 s og 580 s pustet personen sterkt seks ganger (topp I), og

- mellom 580 s og 600 s stod personen opp (topp J)

Det kan ses av dette eksempelet at oppfinnelsen gjør det mulig å skille tydelig mellom ekkoer som kommer fra en person som beveger seg og ekkoer som skyldes de statiske omgivelser

Det er således mulig å detektere pustingen eller små bevegelser til en person som er fanget under et snøskred

Det vil også ses at med den driftsfrekvens som ligger i området 500 MHz til 1000 MHz gjør oppfinnelsen det mulig å detektere et offer under 10 meter snø, mens tradisionelle søkemetoder som anvender søkestenger er begrenset til en dybde på 6 meter

Claims (10)

1 Fremgangsmåte for elektromagnetisk detektering av en person som utgjør et ikke samarbeidende mål, hvor et elektromagnetisk signal blir sendt (1) i området nær en søkesone (N), og signalet som returneres fra personen blir detektert (2) i nærheten av nevnte sone (N), og hvert signal som frembringes på denne måten blir filtrert av et båndpassfilter (12) for å trekke ut av det komponenter som korresponderer med bevegelser til et menneske, og hvert signal som er tilveiebragt på denne måten blir behandlet (14) for å avlede fra dette tilstedeværelsen av en person, karakterisert ved atfoiå lokalisere en person bhr nevnte sending og mottak implementert ved hjelp av i det minste to distinkte antenner, idet ved at i det minste en modulenngssonde (16) som genererer et virtuelt ekko ved en frekvens som er forskjellig fra frekvensen til menneskelig bevegelse blir anordnet på søkesonen, og et signal som korresponderer til nevnte virtuelle ekko blir detektert i området i nærhet av søkesonen, og de virtuelle ekkosignalene som er frembragt på denne måten blir behandlet på samme måten som de filtrerte returnerte signalene, og parametrene som er resultatet av behandlingen av de virtuelle ekkosignalene og parametrene som er resultatet av behandlingen av de filtrerte retursignalene blir sammenlignet for å lokalisere nevnte person

2 Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at et flertall distinkte mottaksantenner blir brukt til mottak og nevnte antenner er fordelt i området nær søkesonen

3 Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at passbåndet til filteret ligger i området 0,03 Hz til 3 Hz

4 Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, for å detektere og/eller lokalisere en person som er begravet under snøskred, karakterisert ved at frekvensen til det sendte elektromagnetiske signalets bærebølge ligger i området 500 MHz til 1000 MHz

5 Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, for å detektere og/eller lokalisere en person som er begravet under snøskred, karakterisert ved at sende- og mottaksantennene er stukket direkte inn i snøen

6 Elektromagnetisk system for detektering av en person som danner et ikke samarbeidende mål, hvilket system omfatter sendeinnretning (1) for å sende et elektromagnetisk signal i området nær en søkesone, mottakermnretning (2) for i området nær søkesonen å detektere det returnerte signalet for derved sammen med et båndpassfilter (12) for filtrering av signaler som er frembragt på denne måten og for å trekke ut av dette komponenter som korresponderer til menneskelig bevegelse, og prosessorlnnretning (14) for å behandle de filtrerte signaler til signalene frembragt på denne måten for av dette å utlede tilstedeværelsen av en person, karakterisert ved at systemet gjør det mulig å lokalisere en person, idet sender- og mottakennnretningen omfatter i det minste to distinkte antenner, og systemet videre innbefatter i det minste en modulenngssonde (16) som genererer et virtuelt ekko ved en frekvens som er forskjellig fra frekvensen til menneskelig bevegelse, slik at parametrene som er resultatet av behandlingen av de virtuelle ekkosignalene og parametrene som er resultatet av retursignalene blir sammenlignet for å lokalisere nevnte person

7 System i henhold til krav 6 karakterisert ved at det har et flertall distinkte mottakerantenner fordelt i området nær søkesonen

8 System i henhold til krav 6 eller 7, karakterisert ved at modulenngssonden (16) er en dipol som blir lukket vekslende ved en åpen krets og en kortslutningskrets ved en frekvens som er høyere enn frekvensene filtrert av båndpassfilteret (12)

9 System i henhold til et hvilket som helst av kravene 6-8, karakterisert ved at sende- og mottakerantennene (1, 2) er delte spalteantenner av VIVALDI typen

10 System i henhold til krav 9, karakterisert ved at sende- og mottakerantennene (1, 2) er antipodale spalter som har en krets som er trykket på et epoksyharpikssubstrat