RU209842U1 - Мобильное устройство для поиска пострадавших в снежных завалах и лавинах - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области задач по поиску и обнаружению пострадавших под снежными завалами и лавинами и может быть использована при проведении поисково-спасательных работ поисково-спасательными формированиями. Мобильное устройство для поиска пострадавших в снежных завалах и лавинах включает приемо-передающий антенный блок, состоящий из металлического корпуса, сверху которого установлена плата управления. Плата управления с помощью разъемов соединена с приемником и передатчиком и закреплена на корпусе с помощью стоек и винтов. В нижней части металлического корпуса закреплена приемо-передающая резистивно-нагруженная антенна на основе фольгированного стеклотекстолита, к входным контактам которой с помощью механических ловителей подключаются антенный усилитель в составе приемника и формирователь импульсов в составе передатчика, компоненты которых расположены в пластиковых корпусах, прикрепленных к металлическому корпусу, внутренний объем которого заполнен радиопоглощающим материалом. Снаружи антенный модуль закрыт пластиковым корпусом, на котором расположены разъемы для подключения датчика перемещения, ноутбука, кронштейны для крепления датчика перемещения, штанги-ручки и разъем для подключения аккумулятора. На внутренней поверхности пластикового корпуса расположена плата коммутации, на которой размещен модуль беспроводной связи Wi-Fi, а на нижней поверхности закреплены полозья для перемещения антенного блока по снегу. Приемо-передающая антенна выполнена с возможностью передачи и приема сверхширокополосного сигнала, а передающая и приемная части антенны выполнены слабонаправленными и представляют собой бистатическую антенную систему, у которой передающая и приемная части разнесены. Устройство позволяет в реальном времени получить информацию о характере и глубине расположения искомых объектов в относительно однородной среде с разрешающей способностью, достаточной для зондирования снежного покрова. 4 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель.

Полезная модель относится к области решения задач по поиску и обнаружению пострадавших под снежными завалами и лавинами и может быть использована при проведении поисково-спасательных работ поисково-спасательными формированиями МЧС России.

Уровень техники.

Для зондирования толщи снега российскими спасателями долгое время используются лавинные щупы. Длина их может быть очень разной: от 2 до 4 метров. Изготавливаются как самостоятельные разборные конструкции, так и комбинации горнолыжных палок из легированной стали, алюминиевого сплава, стекловолокна и карбона /1, 2, 3, 4, 5/.

Более совершенный способ поиска пострадавших в лавинах заключается в использовании так называемых биперов /6, 7, 8, 9, 10, 11/.

Существует два типа биперов: аналоговые и цифровые. Аналоговые биперы фиксируют сигнал и без какой-либо обработки. Чем громче звук, тем ближе цель. Цифровые приборы, получив сигнал, обрабатывают его по определенному алгоритму. В итоге вычисляется дистанция и направление на источник сигнала. Очень часто цифровые приборы показывают неверное направление и дистанцию определяют с большой погрешностью.

Альтернативная схема радиопоиска используется при проведении поисково-спасательных работ приборами, разработанными фирмой ”Recco” /12, 13, 14, 15, 16, 17/.

На одежду, обувь и другое оборудование прикрепляется специальный отражатель радиоволн. По сути, это кусок металлизированного пластика. Поисковый отряд снабжен переносным радаром. Однако, как показал опыт использования данных приборов для поиска пострадавших в лавинах, количество ложных срабатываний при поиске пострадавших достаточно велико, в результате увеличивается время поиска.

Основным недостатком указанных технических средств являются тот факт, что для ведения поисковых работ необходимо, чтобы пострадавший был оснащен указанными выше датчиками, что не всегда возможно в реальной жизни. Кроме того, использование данных методов и технических средств для поиска пострадавших в снежных лавинах сопряжено со значительными трудностями, обусловленными большим количеством различных помех, что в свою очередь предопределяет низкую достоверность обнаружения пострадавших и снижению темпе ведения поисковых работ.

Раскрытие полезной модели

Работа мобильного устройства для поиска пострадавших в снежных завалах и лавинах основана на радиолокационном зондировании снежного покрова.

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.

Мобильное устройство, в отличии от других поисковых средств, позволит в реальном времени получить необходимую информацию о характере и глубине расположения искомых объектов в относительно однородной 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 радиотехническом комплексе, так как достигаемая величина разрешающей способности не обеспечивает выполнение задачи зондирования снежных лавин на глубины до требуемых 2-3 метров при необходимой разрешающей способности по глубине 10-15 см.

Поэтому для решения задач обнаружения пострадавших на ближних дистанция с высокой разрешающей способностью используется специальные сверхширополосные (далее-СШП) радиолокаторы.

Функциональная схема СШП радиолокатора приведена на фиг. 1. СШП радиолокатор состоит из генератора импульсов, приемника, включающего стробоскопический преобразователь и АЦП, передающей и приемной антенн, блока управления и устройства отображения. Конструктивно приемник и генератор объединены с приемной и передающей антеннами и образуют так называемый антенный блок.

Процесс поиска пострадавших в снежных завалах осуществляется путем перемещения мобильного устройства по поверхности снежного завала. При отсутствии посторонних предметов в структуре снежного завала сигнал, передаваемый на устройство отображения будет иметь постоянные параметры в течение всего времени сканирования снежного завала. При нахождении в снежном завале пострадавшего, зондирующий сигнал будет отражаться от него до тех пор, пока мобильное устройство находится над его поверхностью. По пройденному мобильным устройством пути можно судить о размерах пострадавшего и таким образом осуществлять его селекцию от посторонних предметов.

Работоспособность предлагаемого мобильного устройства продемонстрирована в ходе испытаний в Эльбрусском высокогорном поисково-спасательном отряде.

Краткое описание чертежей

На фиг. 2 представлены чертежи основных компонентов мобильного устройства для поиска пострадавших в снежных завалах и лавинах.

Осуществление полезной модели

СШП радиолокатор представляет собой портативный радиолокатор, который направляет зондирующие электромагнитные импульсы в тело снежной лавины, где может находиться пострадавший.

Передающая антенна СШП радиолокатора излучает электромагнитные импульсы, которые для получения высокой разрешающей способности имеют очень малую длительность (единицы и доли наносекунды) и достаточно широкий спектр излучения. Выбор длительности импульса является компромиссом между необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью прибора. Для формирования зондирующих импульсов используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжения.

Излученный передающей антенной в снежную массу электромагнитный импульс отражается от находящихся в ней предметов, в том числе тела пострадавшего.

В итоге на вход приемной антенны поступает сигнал, представляющий собой суперпозицию сигнала, излученного передающей антенной и попавшего непосредственно в приемную антенну (сигнал прямого прохождения или прямая волна), и сигналов, отраженных от тела пострадавшего. Этот результирующий сигнал называется трассой (фиг. 3.а).

Так как при решении задачи поиска пострадавших в снежных завалах и лавинах необходимо обнаруживать пострадавших и на малых глубинах, то для СШП радиолокатора недопустимо наличие мертвой зоны, вызванной переключением из режима передачи в режим приема. Поэтому в предлагаемом подповерхностном радиолокаторе используются бистатические антенные системы, у которых передающая и приемная антенны разнесены на небольшое расстояние, называемое базой системы. При бистатическом зондировании для обнаружения пострадавших, расположенных на малых глубинах, необходимо обеспечить максимальные размеры зоны наблюдения отраженных сигналов. Это означает, что зоны излучения и приема антенн СШП радиолокатора должны иметь максимально возможные угловые размеры, т.е. антенны СШП радиолокатора должны являться, по существу, слабонаправленными.

Для визуализации полученной информации используется метод, называемый методом вертикального времени, в соответствии с которым наблюдаемая картина представляет собой вертикальный разрез среды, или профиль. СШП радиолокатор перемещается вдоль профиля и через определенное расстояние регистрируется одна трасса (фиг. 3.б). В итоге на экран монитора выводится совокупность принятых трасс - радарограмма, по которой можно определить местонахождение пострадавшего, глубину его залегания и размеры (рис. 3.в).

Из-за широкой диаграммой направленности СШП радиолокатора локальные объекты наблюдаются не только в точке непосредственно под СШП радиолокатором, но также на некотором удалении в обе стороны. При этом расстояние до объекта описывается гиперболой, образую так называемую дифрагированную волну (фиг. 3.в).

Для улучшения наглядности в подповерхностной радиолокации используется также заимствованный из сейсморазведки яркостный метод отображения радарограммы. В соответствии с этим методом весь диапазон амплитуд принятого сигнала разбивают на интервалы, и каждому интервалу присваивается свой цвет. Если амплитуда принятого сигнала в данной точке по глубине попадает в определенный интервал, ей присваивается этот цвет. В результате каждая трасса профиля представляет собой вертикальную линию с изменяющимся цветом. Наибольшей наглядностью обладает радарограмма, где используется палитра с градациями серого цвета, при этом изменятся его яркость. На практике в большинстве случаев используется именно яркостный метод отображения радарограммы, т.к. он наиболее удобен для интерпретации (фиг. 4).

Как и для классического радиолокатора, для СШП радиолокатора основными параметрами является излучаемая мощность, чувствительность приемного устройства, динамический диапазон, полоса частот.

С практической точки зрения самыми важными параметрами СШП радиолокатора являются глубина зондирования (глубинность) и разрешающая способность по глубине.

Разрешающая способность по глубине - это минимальное расстояние по вертикали между двумя объектами, при котором возможно раздельное наблюдение этих объектов. Разрешающая способность зависит от длительности зондирующего импульса - чем меньше длительность импульса, тем выше разрешающая способность.

Глубина зондирования зависит как от технических характеристик СШП радиолокатора (излучаемой мощности, чувствительности и т.д.), так и от электрических свойств снежного покрова. При распространении электромагнитной волны в снегу, происходит растекание токов проводимости в объеме, приводящее к затуханию электромагнитной волны. Поэтому важнейшей характеристикой, влияющей на глубину зондирования, является удельное затухание в среде.

Зондируемые среды имеют значительный разброс по удельному затуханию, которое зависит от спектра зондирующей электромагнитной волны, типа исследуемой среды, ее минерализации и влагонасыщенности. Особенностью практически всех природных и искусственных сред является значительное увеличение удельного затухания с ростом частоты несущего колебания. Поэтому при проектировании СШП радиолокаторов с целью увеличения глубины зондирования стремятся использовать как можно более низкие частоты, а для сохранения разрешающей способности уменьшают длительность импульса, приходя в итоге к сигналам, имеющим практически один период несущего колебания. Для таких сигналов ширина спектра

сопоставима с его центральной частотой

и они называются сверхширокополосными.

Следует заметить, что процесс радиолокационного наблюдения при использовании СШП сигналов значительно отличается от аналогичного процесса при использовании традиционных узкополосных сигналов. В СШП радаре сигнал при излучении, отражении от цели и приеме неоднократно меняет свою форму. Одни из этих изменений (при излучении, приеме, формировании диаграммы направленности) поддаются расчету, другие (при отражении от цели, прохождении через среду), как правило, остаются неизвестными. В результате неизвестной становится форма принятого сигнала. Поэтому классическая оптимальная обработка этого сигнала с помощью согласованного фильтра или коррелятора становится невозможной.

Поскольку дальности до обнаруживаемых пострадавших невелики и зачастую сравнимы с размерами самих объектов, то эти объекты уже не могут рассматриваться как отражающие точки или даже совокупности таких точек. Чаще всего объекты нужно рассматривать как распределенные и учитывать явления дифракции на соответствующих отражающих поверхностях. На сегодняшний день расчет ЭПР пострадавшего, облучаемого СШП сигналом, выполнен только для самых простых форм.

Конструкция мобильного комплекса для поиска пострадавших в снежных завалах и лавинах представляет из себя приемно-передающий антенный блок.

Основой антенного блока является антенный модуль, состоящий из металлического корпуса, в нижней части которого закреплена приемопередающая резистивно-нагруженная антенна на основе фольгированного стеклотекстолита. Для обеспечения требуемого уровня демпфирования антенн внутренний объем корпуса заполнен радиопоглощающим материалом.

К входным контактам антенн с помощью механических ловителей подключаются антенный усилитель приемника и формирователь импульсов передатчика. Для исключения влияния поглощающего материала на электронные компоненты приемник и передатчик расположены в пластиковых корпусах, прикрепленных к металлическому корпусу.

Сверху металлического корпуса установлена плата управления, которая с помощью разъемов соединяется с приемником и передатчиком. Плата управления закрепляется на корпусе с помощью стоек и винтов.

Снаружи антенный модуль закрыт пластиковым корпусом, на котором расположены разъемы для подключения датчика перемещения и ноутбука, кронштейны для крепления датчика перемещения и штанги-ручки, и разъем для подключения аккумулятора.

На внутренней поверхности пластикового корпуса расположена плата коммутации, на которой размещен модуль беспроводной связи Wi-Fi.

Соединение внешних разъемов, модуля беспроводной связи и платы управления осуществляется с помощью жгута проводов, закрепленного на внутренней поверхности пластиковой крышки.

На нижней поверхности закреплены полозья для перемещения антенного блока по снегу.

Совокупность указанных конструктивных признаков обладает новизной, существенными отличиями и способствует достижению поставленной задачи - поиску пострадавших в снежных завалах.

Отсутствие одного из элементов конструкции либо существенно снижает эффективность функционирования мобильного устройства, либо делает его работу по назначению невозможной.

Claims (1)

1. Мобильное устройство для поиска пострадавших в снежных завалах и лавинах, характеризующееся тем, что оно включает приемо-передающий антенный блок, состоящий из металлического корпуса, сверху которого установлена плата управления, которая с помощью разъемов соединяется с приемником и передатчиком и закрепляется на корпусе с помощью стоек и винтов, а в нижней части закреплена приемо-передающая резистивно-нагруженная антенна на основе фольгированного стеклотекстолита, к входным контактам которой с помощью механических ловителей подключаются антенный усилитель в составе приемника и формирователь импульсов в составе передатчика, компоненты которых расположены в пластиковых корпусах, прикрепленных к металлическому корпусу, внутренний объем которого заполнен радиопоглощающим материалом, снаружи антенный модуль закрыт пластиковым корпусом, на котором расположены разъемы для подключения датчика перемещения, ноутбука, кронштейны для крепления датчика перемещения, штанги-ручки и разъем для подключения аккумулятора, на внутренней поверхности пластикового корпуса расположена плата коммутации, на которой размещен модуль беспроводной связи Wi-Fi, а на нижней поверхности закреплены полозья для перемещения антенного блока по снегу, при этом приемо-передающая антенна выполнена с возможностью передачи и приема сверхширокополосного сигнала, а передающая и приемная части антенны выполнены слабонаправленными и представляют собой бистатическую антенную систему, у которой передающая и приемная части разнесены.

Images