SE535666C2 - Metod och anordning för genomsökning av rasmassor - Google Patents

Description

25 30 35 535 6GB 2 fenomen som uppkommer då en källa rör sig relativt den signalutsändande anordningen. Detta leder till förskjutningar i den frekvens eller den våglängd som emottages relativt den som sändes ut. Då Dopplerförskjutning blir relevant då objekt rör sig relativt signalkällan motsvarar en detektering av Dopplerförskjutning i den reflekterade signalen att objekt i rasmassorna rör sig. Det den föreliggande uppfinningen letar efter är sådana Dopplerförskjutningar som uppkommer i samband med mycket små rörelser i objektet. Det kan till exempel röra sig om sådana små rörelser som uppkommer vid andning då bröstkorgen häver sig relativt signalkällan.

På grund av dessa synnerligen smà relativa rörelser krävs det en signalbehandling väldigt Föreliggande signalbehandlingsenhet med sådana funktioner. som är finkänslig. uppfinning inbegriper en Känd teknik l angreppssätten för att detektera personer i rasmassor är det sedan tidigare känt att använda radar. I de inom teknikområdet kända metoderna förordas det bland annat att anordna radar på helikoptrar, sända ned radarsignaler i marken och emottaga de reflekterade signalerna. Dessa analyseras för att undersöka om den elektromagnetiska vågen spridits mot en diskontinuitet i massoma. En sådan diskontinuitet skulle kunna vara en begravd person. Ett problem med denna metod är att diskontinuiteten kan vara något annat än en person. Därför är denna metod mest lämpad i applikationer med snömassor där man kan förvänta sig att rasmassan är tämligen homogen och där eventuella diskontinuiteter med tämligen hög sannolikhet utgörs av personer begravda i snön. Ett problem med helikopterburna system som avser att registrera Dopplerförskjutnlngar enligt vad som förordas i föreliggande uppfinning är att helikopterns vibrationer och rörelser i praktiken omöjliggör en detektion av smà förskjutningar. Även svårigheten att skärma av omgivningen påverkar negativt.

Uppfinningen överkommer detta problem genom att aktivt leta efter objekt i rasmassorna som rör sig och beror inte av att själva rasmassan är homogen. Vidare tillåter den relativa litenheten av uppfinningen att räddningspersonalen själva kan bära med den under en räddningsinsats och därmed styra var i området man skall leta i rasmassorna. Detta gör att den blir ett utmärkt verktyg i den händelse att omständigheterna inte tillåter att exempelvis helikoptrar bär radarsystemet. Något som till exempel blir aktuellt i krigssituationer. Sammantaget tillhandahåller 10 15 20 25 30 35 535 666 3 uppfinningen ett både tillförlitligt och lätthanterat system som dels kan användas för att komplettera helikopterburna system dels användas ensamt på plats.

Kortfattad beskrivning av uppfinningens enheter Före en mer detaljerad beskrivning av uppfinningen ges följer här en kort genomgång av de komponenter som ingår i uppfinningen och som är nödvändiga för att anordningen skall kunna detektera de smà Dopplerskiften som uppkommer då till exempel bröstkorgen hävs vid in- och utandning, Då andningsrörelserna medför synnerligen smà Dopplerförskjutningar används signalbehandlingsfunktioner som är utformade för att detektera sådana små förändringar och sortera bort sådana Dopplerförskjutna signaler som sannolikt ej kan härledas till bröstkorgens rörelser, exempelvis Dopplerförskjutningen som uppkommer från råttors rörelse i rasmassan.

Dessa signalbehandlingsfunktioner benämns basdetektion och tilläggsdetektion och kommer att beskrivas nedan.

Komponenterna och enheterna som ingår i en anordning enligt uppfinningen kommer att beskrivas funktionellt och därför ges först en definition av de termer som används.

Med radarutsändande anordning avses en antenn och mikrovàgsdel enligt exempelvis figur 4, detta utgör en konventionell design. Den parameter som är av vikt för föreliggande användning är att den kan anpassas till att sända radar av sådan frekvens att det erforderliga nedträngnlngsdjupet kan uppnås. Generellt sett krävs det en frekvens på 300 MHz till 10 GHz. Frekvensen anpassas lämpligen till de markförhållanden som råder i det avsökta omrâdet. Den radarutsändande och radargenererade antennen drivs med fördel av ett batteri vilket gör att anordningen enligt uppfinningen kan göras trådlös. Alternativt kan förstås staven anslutas till en kraftkälla via kabel. Detta kan dock medföra vissa problem då exempelvis vassa stenari rasmassan kan skada kabeln.

Med bandpassfilter, vilket ingårl mottagaranordningen enligt patentkrav 1 avses en anordning som sorterar ut vissa specifika frekvenser. I föreliggande fall kommer den inkommande signalen (det vill säga, signalen som reflekterats från objektet i rasmassorna) att filtreras så att enbart dopplerfrekvenserna kommer att signalbehandlas. Vanligtvis ligger dessa frekvenser i bandet 0,03 till 10 Hz. 10 15 20 25 30 35 535 666 Med benämningen detektor eller derivata-detektor avses en för detekteringen väsentlig signalbehandlingsenhet som är utformad för att kontinuerligt jämföra signalens amplitud för att därmed skapa en derivata (lutning på kurvan) som återspeglar signalens frekvensförändring. Med kontinuerligt avses här att signalen samplas många gånger under ett kort tidsintervall, till exempel 100 gånger per sekund. Det är utifrån dessa samplingar som en jämförelse görs och en derivata erhålles. Amplitudens derivata är noll, positiv eller negativ. För att erhålla för detekteringen relevant denna signalbehandlingsenhet även ett absolutbelopp av derivatan. För att minska derivatans fluktuationer och eventuella felaktigheter i händelse av multiplar av dopplerfrekvensen information om derivatan skapar gentemot samplingsfrekvensen är denna specifika signalbehandlingsenhet även utformad för att medelvårdesbilda detta belopp (vanligtvis 2-5 ggr).

En beslutsprocessor avser en signalbehandlingsenhet som sätter en tröskelnivå i processorn som svarar mot att nivån på bakgrundsstörningar överstigs. För att en detektering av en person skall anses föreligga skall värdet på derivatan som erhållits från detektorn överstiga nämnda satta nivå. Denna nivå utgör därmed ett tröskelvärde för en möjlig detektion.

Med presentationsanordning avses en anordning som presenterar resultatet av signalbehandlingen för en användare. Denna anordning kan exempelvis utgöras av en display men det kan även vara en presentation baserad på ljud.

Med DFT avses Discrete Fourier Transform vilken transformerar den inkommande signalen till frekvensdomänen. FFT avser Fast Fourier Transform, vilket 'ar en snabb beräkningsform av DFT.

Med FrekvenslAmplitud-detektor avses en anordning som här detekterar signalens frekvensförändringar eller amplltudförändringar.

Figurer Figur 1 återger schematiskt anordningen vid användning. 10 15 20 25 30 35 535 B66 5 Figur 2 àterger schematiskt hur andningen hos en människa påverkar reflekterade radarsignaler Figur 3 återger sektionsindelningen av staven samt även sektorindelningen. I figuren återges tvä sektorer. I en förstoring av sektionen återges delar av tre sektorer. I det andra förstorade segmentet ges schematiskt hur ett larm upplyser användaren om vilken riktning och vilket djup detektionen skett.

Figur 4 återger en variant av antenn och mikrovågsdelen för den radarutsändande anordningen enligt föreliggande uppfinning.

Figur 5 återger ett flödesschema över signalbehandlingsstegen för både basdetektion och tllläggsdetektion vilka steg används för att fastställa om de emottagna reflekterade signalerna är Dopplerskiftade.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen och föredragna utföringsformer Uppfinningen utgörs av en stav försedd med mottagare med tillhörande signalbehandlingsenhet avsedd att ta emot reflekterade radarsignaler utsända av en i staven anordnad radargenererande och radarutsändande antenn. Mottagaren registrerar de emottagna signalerna och överför dessa signaler till specifika signalbehandlingsenheter som utför analyssteg för att fastställa om signalerna blivit Dopplerförskjutna och om denna Dopplerförskjutning sannolikt beror av bröstkorgens rörelser då en levande begravd människa andas.

Uppfinningen avser förutom anordningen även en metod för att detektera rörelser i rasmassorna. Metoden använder en anordning enligt patentkrav 1 och de underkrav som beror av krav 1. Mottagaren enligt uppfinningen kommer att beskrivas först och sedan följer en beskrivning av metoden.

I en första utföringsform inbegriper en mottagare enligt uppfinningen en stav eller en stång (1) vilkens avsikt är att föras ned i rasmassorna. I staven är anordnat en radarutsändande antenn och en mottagaranordning för mottagande och registrering av radarsignaler. Denna mottagare kan vara vilken känd mottagare som helst som är anpassad för att emottaga radarsignaler. Mottagaren anordnad i staven (1) är vidare elektroniskt ansluten till en signalbehandlingsenhet till vilken de mottagna och registrerade radarsignalerna överförs. Signalbehandlingsenhetens syfte är att utifrån de emottagna radarvågorna utföra analyser för att avgöra om det skett en Dopplerförskjutning hos signalerna relativt kända utsända signaler. Som beskrivits 10 15 20 25 30 35 535 655 6 tidigare skulle en Dopplerförskjutning ge en indikation pà att någonting i rasmassan rör sig. Då en person begravd i rasmassa, såsom ett lavinoffer, har en synnerligen begränsad rörlighet krävs det att signalbehandlingsenheten har en förmåga att detektera de synnerligen små Dopplerförskjutningar som uppkommer vid väldigt små rörelser relativt den radarutsändande anordnlngen. För att uppfylla dessa högt ställda krav är signalbehandlingsenheten försedd med ett bandpassfilter, en derivatadetektor, en komparator samt en beslutsprocessor vilkas kombinerade syfte är att analysera emottagna signaler för att snabbt och tillförlitligt avgöra om en liten Dopplerförskjutning emottagna signalerna.

Signalbehandlingsmetoden enligt ovan betecknas basdetektion och utgör den grundläggande signalbehandlingen. Ytterligare signalbehandlingssteg, benämnds tilläggsdetektering kan också användas. Denna tilläggsdetektering kommer att beskrivas separat. förekommer i de Bandpassfiltret i signalbehandlingsenheten gör en första sortering av det inkomna datat i form av mottagna radarsignaler. Genom att ställa in bandpassfiltret så att det sorterar bort alla signaler som med högsta sannolikhet inte härrör från människor erhålles en första reducering av lndatat. De signaler som överlever denna sortering överförs sedan till en derivatadetektor.

Syftet med derivatadetektorn är att kontinuerligt jämföra de från bandpassfiltret genomsläppta signalemas amplitud för att skapa en derivata (lutning på kurvan) som återspeglar förändringen hos de emottagna signalernas. Med kontinuerligt avses här att signalen samplas många gånger under ett kort tidsintervall, exempelvis 100 gånger per sekund. Det är utifrån dessa samplingar som en jämförelse görs och ett mått på derivatan erhålles. Amplitudens derivata kommer att anta värden noll, positiv eller negativ. För att erhålla för detekteringen relevant information om derivatan skapar signalbehandlingsenheten även ett absolutbelopp av derivatan. För att minska derivatans fluktuationer och eventuella felaktigheter i händelse av multiplar av dopplerfrekvensen gentemot samplingsfrekvensen är denna specifika signalbehandlingsenhet även anordnad för att medelvärdesbilda detta belopp (vanligtvis med hjälp av 2-5 samplingar). När detta gjorts överförs motsvarande derivatavärde till en komparater/beslutsprocesser som jämför det erhållna värdet med ett tröskelvärde som motsvarar bakgrundsbruset i rasmassan. Om värdet på den i derivatadetektorn erhållna derivatan överstiger det fastställda tröskelvärdet bedömer signalbehandlingsenheten att en Dopplerförskjutning detekterats i de emottagna radarsignalerna. Signalbehandlingsenheten kan nu vara utrustad med en 10 15 20 25 30 35 535 666 7 presentationsanordning i form av till exempel en display eller en ljudanordning som upplyser användare om att en detektering av ett Dopplerskifte skett.

Detta är funktionen hos signalbehandlingsenheten som möjliggör en detektering av de synnerligen små förändringar av signalen som anordningen enligt uppfinningen avser att detektera. l en andra utföringsform av mottagaren enligt uppfinningen hänvisas till figur 3 som visar att staven (1) är uppdelad i olika sektioner (2) i längdriktningen. Det kan till exempel röra sig om fyra olika sektioner jämt utfördelade längs staven. Var och en av dessa sektioner inbegriper en egen designerad radarmottagare. Var och en av mottagarna är elektroniskt ansluten till en signalbehandlingsanordning. Funktionen hos signalbehandlingsanordningen är densamma som den beskriven i den första utföringsforrnen. Enligt uppfinningen kan var och en av sektionerna ha en egen designerad alternativt används en central signalbehandlingsenhet som behandlar data från alla sektioner. Syftet med denna sektionsuppdelning är att möjliggöra en avsökning av olika djupnivàer i rasmassan när staven förts in. Med fyra sádana sektioner kommer följaktligen fyra olika djup i rasmassorna att avsökas samtidigt. Självklart kan man använda fler eller färre sektioner beroende pä hur känslig avsökning som efterfrågas. Funktionen hos var och en av de olika sektionerna är identisk med funktionen enligt den första signalbehandlingsenhet, utföringsformen. Det enda som skiljer sig är att de emottagna radarsignalerna behandlas var för sig och därmed kan tillhandahålla ytterligare information, nämligen pà vilket djup en Dopplerförskjutning detekterats. Om en viss sektion emottager en signal som behandlas av signalbehandlingsenheten kan signalbehandlingsenheten anordnas för att dels upplysa om att Dopplerförskjutning detekterats men även att det var mottagaren denna specifika sektion som emottog den förskjutna signalen. Pâ detta sätt kan man anpassa grävandet efter det djup som den begravda detekterats pà. Om det är relativt djupt kan man använda automatiserad grävhjälp såsom grävskopa emedan ett mindre djup möjligen kräver att man använder spade eller andra manuella verktyg för att inte skada den begravda. l en tredje föredragen utföringsfonn av uppfinningen, vilken bygger på sektionerna enligt ovan beskrivna andra utföringsform, tillhandahållas även sektorer (3) i varje sektion, se flgur 3. Varje sektor är försedd med en mottagaranordning ansluten till en signalbehandlingsenhet. I och med att en sektion I kan förses med ett antal sektorer, anordnade perifert på staven, erhålles även en indikation på den riktningen för vilken 10 15 20 25 30 35 535 BBB 8 en detektion av Dopplerförskjutningen skett. Genom att anordna presentationsenheten så att denna ger utdata i form av den sektor i en specifik sektion för vilken detekteringen skett tillhandahåller denna utföringsform tre väsentliga upplysningar för räddningspersonalen, nämligen att en Dopplerförskjutning detekterats vilket indikerar en begravd person, på vilket djup denna förskjutning detekterats samt i vilken riktning relativt staven som källan till Dopplerförskjutningen detekterats. Denna omfattande information kan sedan användas för att räddningspersonalen skall kunna optimera räddningsarbetet genom att gräva på rätt ställe och med rätt gräwerktyg. Hur många sektorer som används i varje sektion är i sammanhanget inte avgörande men användning av ett mindre antal ger självklart sämre positionsbestämning än om fler skulle användas. I figur 3 återges i förstoringen till höger i figuren att fyra sektorer använts. Detta är dock enbart ett exempel. l det förstorade avsnittet i figuren återges schematiskt hur ett larm kan visa var en levande varelse befinner sig. Den vita triangeln ger här en indikation om att en Dopplerförskjutning svarande mot en levande människa påträffats i denna riktning.

Ovan har den så kallade basdetekteringen använts för att utföra signalmottagningen och signalbehandlingen. Ett separat och parallellt förfarande kan också användas i alla dessa utföringsformer, nämligen tilläggsdetektion. Tilläggsdetektion är inte nödvändig för att uppfinningen skall fungera men den ger möjligheter att erhålla ett säkrare förfarande för att fastställa Dopplerförskjutning.

Gemensamma metodsteg för tilläggsdetektion och basdetektion är mottagandet av signalen likväl överförandet av den mottagna signalen till signalbehandlingsenheten. När signalen överförts till denna signalbehandlingsenhet sker även här det första steget med att bandpassfiltrera signalen för att sortera bort Doppler som sannolikt ej signalkomponenter som därmed blir kvar för ytterligare signalbehandling härrör i huvudsak från bröstkorgens rörelse vid andning.

Nästa steg i tilläggsdetektionen medför transformeras till frekvensdomänen via DFT (FFT). DFT och FFT står för Discrete Fourier Transform och Fast Fourier Transform, de är inom teknikomràdet välkända transformmetoder. som härrör från levande begravda människor. De att signalen Utifrån den transformerade signalen utförs nu istället en frekvens/amp!itud-detektion. l detta steg bestäms antingen signalens frekvensförändringar eller dess 10 15 20 25 30 35 535 666 9 amplitudförändringar i förutbestämda andningsfrekvensen hos en människa. tidsintervall som motsvarar Värdet som erhålles under ovan givna steget jämförs sedan med ett tröskelvärde i en beslutsprocesser. Tröskelvärdet svarar som tidigare mot ett i förhand fastslaget värde på bakgrundssignalen. Om värdet som erhålles ur frekvensförändringarna eller amplitudförändringarna från detektionen överstiger tröskelvärdet anses även här en dopplerförskjutning föreligga.

Som ett möjligt sista steg i tilläggsdetektionen överförs resultatet av processen till en presentationsenhet som upplyser användaren om det erhållna resultatet.

Basdetektion och tilläggsdetektion kan ske parallellt för samma mottagna signal, se fig 5. Men det är även möjligt att utföra processerna separat för olika mottagna signaler.

När det gäller designen på själva staven i anordningen enligt uppfinningen är denna med fördel ihålig så att komponenter och enheter kan inkapslas i staven som därmed ger ett skydd mot slitage samt väta och damm. Stavens hölje skall vara framställt av ett material som är transparent för radarenergi. Möjliga sådana material kan exempelvis vara olika plastmaterial.

Förutom det som beskrivits ovan avseende anordningen avser uppfinningen även en metod för att genomsöka rasmassor efter offer genom användning av en anordning enligt föreliggande uppfinning. Metodstegen är i punktform: 1) Staven i en anordning enligt uppfinningen förs ned i den rasmassa som skall genomsökas efter begravda offer. 2) En radarsignal genereras av en antenn anordnad i staven och skickas in i rasmassorna. 3) Mottagaranordningen enligt uppfinningen tar emot de radarsignaler som reflekterats fràn objekt i rasmassorna. Ett bandpassfilter i mottagaren sorterar bort sådana frekvenser som sannolikt ej härrör från levande begravda människor. De resterande signalerna överförs från mottagaren till en signalbehandlingsenhet. 4) I signalbehandlingsenheten används en derivatadetektor för att erhålla ett mätt på derivatan av de emottagna signalerna. Ett absolutvärde av derivatan 10 15 535 666 10 genereras av derivatadetektorn och överförs till en beslutsprocesser eller en komparator. Beslutsprocessom eller komparatorn jämför absolutvärdet pà derivatan med ett på förhand inmatat tröskelvärdet som motsvarar värdet på bakgrundsbruset i rasmassan. Om värdet på absolutbeloppet av derivatan överstiger nämnda tröskelvärde skickar besiutsprocessorn eller komparatom information till en presentationsenhet som upplyser användaren om att en detektion av en Dopplerförskjutning skett vilket motsvarar att ett detekterat objekt rör sig relativt den utsända radarsignalen. 5) Med hjälp av denna information påbörjas grävning för att gräva fram ett eventuellt offer.

Slutligen kan metoden ytterligare förfinas genom att den utförs pá flera olika positioner. Utdata från de olika positionerna kan sedan jämföras för att erhålla en bättre positionsbestämning av det begravda rörliga objektet genom triangulering.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 535 656 11 Patentkrav

1. Anordning för mottagande och behandlande av radarsignaler reflekterade från objekt i rasmassor, anordningen kännetecknas av att den inbegriper: en stav (1) avsedd att föras ned i rasmassorna, en radarutsändande och radargenererande antenn anordnad i nämnda stav avsedd att sända in radarsignaleri rasmassorna, åtminstone en signalmottagande enhet anordnad i nämnda stav för emottagande av radarsignaler reflekterade från objekt i rasmassorna, en signalbehandlingsenhet ansluten till nämnda signalmottagande enhet. nämnda signalbehandlingsenhet inbegriper enheter för basdetekterlng, nämnda enheter för basdetekterlng utgörs av ett bandpassfilter, en derivatadetektor, en komparator samt en beslutsprocessor vilka enheter används för att avgöra om en Dopplerförskjutning skett för en reflekterad radarsignal och därmed fastställa om ett objekt i rasmassan rör sig. Anordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av att nämnda stav (1) är uppdelad i ett flertal sektioner (2) i dess längdriktning, var och en av nämnda sektioner är utrustad med en signalmottagande enhet anordnad på nämnda stav för emottagande av signaler reflekterade från objekt i rasmassorna nämnda signalmottagande enheter är elektroniskt anslutna till en signalbehandlingsenhet, vilken signalbehandlingsenhet inbegriper enheter för basdetektering, nämnda enheter för basdetekterlng utgörs av ett bandpassfilter, en derivatadetektor, en komparator samt en beslutsprocesser, nämnda sektioner, vilka svarar mot olika längdavsnitt på staven, ger en indikation av det djup i rasmassan där ett rörligt objekt detekterats. Anordning enligt patentkrav 2, kännetecknad av att nämnda sektioner (2) är uppdelade i sektorer (3) anordnade runt stavens periferi, var och en av nämnda sektorer (3) inbegriper sin egen signalmottagande anordning och är elektroniskt anslutna till en signalbehandlingsenhet, varvid signaler emottagna av en specifik mottagarenhet behandlas för att avgöra om en Dopplerförskjutning skett för en reflekterad radarsignal och därmed fastställa om ett objekt i rasmassan rör sig, var och en av nämnda sektorer 10 15 20 25 30 35 535 655 12 tillhandahåller information om den vinkelriktning relativt staven där en Dopplerförskjutning detekterats. Metod för att fastställa positionen för ett begravt rörligt objekt i rasmassor genom att använda en radarutsändande enhet och en anordning för mottagande av radarsignaler reflekterade från ett objekt i rasmassorna enligt patentkrav 1-3, metoden kännetecknas av stegen att, a) låta en radarutsändande anordning anordnad i staven generera en radarsignal som sänds ned i rasmassorna, b) föra ned staven i rasmassorna, c) med mottagaren anordnad i nämnda stav emottaga radarsignaler reflekterade från ett objekt i rasmassorna och överföra dessa signaler till signalbehandlingsanordningen, d) låta bandpassfiltret filtrera bort sådana radarsignaler som har frekvenskomponenter som ej motsvaras av Dopplerförskjutna frekvenser, överföra de kvarvarande radarsignalerna till en derivatadetektor, e) láta derivatadetektorn avgöra derivatan på amplituden hos den emottagna radarsignalen och bilda ett absolutvärde av denna derivata, f) láta en beslutsprocessor jämföra absolutvärdet pà derivatan med ett tröskelvärde som motsvarar bakgrundsbruset i rasmassoma, om absolutvärdet på derivatan är större än tröskelvärdet anses en Dopplerförskjutning föreligga, om en Dopplerförskjutning föreligger låta en presentationsanordning presentera resultatet. . Metod enligt patentkrav 4, kännetecknad av alla steg upprepas på ett antal olika positioner i rasmassorna och att utdata från mätningar på de olika positionerna jämföras för att erhålla positionsbestämning för det reflekterande objektet medelst triangulering.