Методы зондирования электромагнитными волнами сред с нелинейными включениями в задачах поиска терпящих бедствие людей

Горбачев Андрей Андреевич; Колданов Александр Петрович

НЕЛИНЕЙНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ

[ГОРБАЧЕВ А.А. КОЛДАНОВ А.П.

МЕТОДЫ УДК 53856

ЗОНДИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ВОЛНАМИ СРЕД С НЕЛИНЕЙНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ В ЗАДАЧАХ ПОИСКА ТЕРПЯЩИХ БЕДСТВИЕ ЛЮДЕЙ

Горбачев А. А.,

КолдАнов А. П.

Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, 603950 Н. Новгород

Представлены результаты ряда исследований по использованию методов нелинейной радиолокации в задачах дистанционного поиска терпящих бедствие людей.

Проведенные к настоящему времени исследования зондирования электромагнитными волнами (ЭМВ) сред с нелинейными включениями и практика использования результатов этих исследований указывают на возможность их продуктивного применения в разработках средств поиска людей, оказавшихся в чрезвычайных ситуациях. При проведении поисковых работ наряду с задачей дистанционного обнаружения и определения координат терпящих бедствие людей может возникнуть необходимость их идентификации и оценки их физиологического состояния. К тому же не всегда можно рассчитывать на активное участие в поисковом процессе людей, оказавшихся в бедственном положении.

Примерами подобных ситуаций и соответствующих им задач могут служить:

поиск людей, терпящих бедствие на воде, при пожарах;

поиск альпинистов, засыпанных лавинами, или людей, заблудившихся в тайге;

поиск и идентификация раненых; необходимость непрерывной оценки жизнедеятельности человека в условиях, когда использование проводных каналов, соединяющих размещенные на теле человека рецепторы с анализирующей аппаратурой, нежелательно или недопустимо.

Суть реализации заключается в размещении в экипировке человека пассивного нелинейного рассеивателя ЭМВ-маркера, который преобразует частоту падающего на него при проведении поисковых работ зондирующего сигнала, рассеивает сигнал на преобразованной частоте, а в необходимых случаях модулирует определенные его параметры процессом, подлежащим контролю или обеспечивающим его идентификацию. Другим более выгодным с энергетической точки зрения вариантом является установка такого маркера самим нуждающимся в помощи человеком в непосредственной близости для обозначения места бедствия.

Привлекательность метода заключается в следующем:

его дистанционность;

отсутствие в составе маркера источников энергии (энергия поступает по радиоканалу от зондирующей установки), обеспечивающее практически неограниченный срок функционирования маркера;

массогабаритные и стоимостные характеристики маркера (простейшие маркеры, состоящие из полупроводникового диода и полуволнового отрезка проволоки, имеют вес несколько грамм и стоимость, не превышающую несколько центов);

постоянная готовность к отклику, не требующая участия человека - носителя маркера (надел одежду - и забыл);

скрытность работы (ответ маркера только на запрос);

возможность получения информации с маркера при наличии радиопрозрачных преград (расти-

МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ВОЛНАМИ СРЕД С НЕЛИНЕЙНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ В ЗАДАЧАХ ПОИСКА ТЕРПЯЩИХ БЕДСТВИЕ ЛЮДЕЙ

НЕЛИНЕЙНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ

тельность, перегородки в зданиях и т.п.); при отсутствии возможности его визуализации;

высокая помехоустойчивость зондирующей системы по отношению к фоновым помехам (отражение ЭМВ от окружающей обстановки), связанная со способностью маркеров преобразовывать частоту зондирующего сигнала (ЗС), которыми окружающая обстановка не обладает, что позволяет фиксировать малоразмерные нелинейные рассеиватели.

Уместно указать и на главный недостаток метода, ограничивающий его применение - малый коэффициент полезного действия рассеивателя как преобразователя энергии ЭМВ (отношение рассеиваемой маркером энергии на преобразованной частоте к воспринимаемой им энергии падающих на него ЭМВ), зависящий от многих факторов: соотношения размеров маркера к длине волны ЗС, ориентации маркера по отношению к фронту волны ЗС, места установки маркера на человеке, уровня потока ЗС и др. Последний из указанных факторов ведет к тому, что по мере уменьшения потока маркер линеаризуется, его преобразовательные способности падают, и КПД стремится к нулю. В настоящее время приходится ориентироваться на КПД, составляющий единицы или доли процента. В случае использования в маркере ректенов для питания микросхем, входящих в маркер, он может быть еще ниже.

Заметим также, что увеличение информативности отклика маркера ведет при прочих равных условиях к снижению дальности работы зондирующей установки, что естественно и не требует пояснений.

Альтернативными способами решения вышеперечисленных задач наряду с визуальным поиском (дорогим и в ряде случаев малоэффективным) является использование активных устройств передачи информации от нуждающегося в помощи на поисковую установку, т.е. с применением источников энергии, находящихся на человеке, в частности, так, как это делается в спутниковых системах поиска терпящих бедствие. Они обеспечивают высокую точность определения координат и не имеют ограничений, свойственных рассматриваемому здесь методу, однако, они не обладают и большей частью преимуществ, перечисленных выше.

Остановимся на результатах некоторых проведенных к настоящему времени исследований в рассматриваемом нами направлении. Первые работы по поиску людей, терпящих бедствие, с использованием эффектов нелинейного рассеяния радиоволн появились около 30 лет назад. В [1] рассматривается способ поиска засыпанных снежными лавинами альпинистов с предварительно размещенными в их экипировке маркерами - нелинейными рассеивателями с полуволновой «линейной» частью, нагруженной на линейный эле-

мент (диод). Прием рассеянного маркером сигнала велся на второй гармонике зондирующего сигнала. Дальность обнаружения засыпанных снегом составляла 15-20 метров.

В работе [2] обсуждены вопросы обнаружения нелинейных рассеивателей применительно к задаче поиска терпящих бедствие людей с бортового носителя поисковой системы. Исследуется влияние параметров движения носителя, энергетического потенциала установки, положения маркера относительно фронта волны ЗС и тела на характеристики обнаружения. Приводятся результаты экспериментального исследования. В статье [3] рассматривается задача построения простого зондирующего сигнала для поиска нелинейных электродинамических структур, максимизирующего мощность рассеиваемого сигнала для конкретных типовых характеристик рассеивателей, приведены результаты расчетов. Показано, что при заданной средней мощности ЗС может существовать оптимальное значение его скважности. Предложен графический метод нахождения оптимальной длительности импульса ЗС.

В [4] обсуждаются общие вопросы использования рассеивателей с нелинейной проводимостью для маркировки объектов. Рассматриваются две конструкции маркеров. Приводятся результаты их экспериментального исследования. Высказываются соображения по выбору частот ЗС, элементов маркера, режимов их работы. Оценивается влияние границы земля-воздух и других факторов на поиск маркеров. Экспериментальная установка показала дальность нахождения исследованных маркеров на слабо пересеченной местности до 0,3 км. Возможности и особенности реализации метода нелинейной радиолокации при поиске терпящих бедствие на воде анализируется в [5]. Отмечаются аспекты задачи, требующие внимания. Результаты исследования этого же направления представлены в [6]. В [7] показано, что рассеиватель, в основе работы которого лежит параметрическое возбуждение колебаний в нем, может обеспечивать более высокий КПД и уменьшает вероятность ложных тревог при его поиске. Вместе с тем, он имеет те же массогабаритные и стоимостные характеристики, что и рассеиватели с нелинейной проводимостью. В работе приводятся экспериментальные результаты. Дальность обнаружения таких рассеивателей-маркеров при определенных условиях достигала 1,0 км. Вопрос оптимизации ЗС при обнаружении субгармонического рассеивателя рассматривается в [8]. Экспериментальное исследование влияния тела человека на возбуждение субгармонического рассеивателя и на рассеиваемый им сигнал приводятся в [9]. Из них следует, что перемещение маркера из свободного пространства на человека способно в несколько раз снизить дальность работы поиско-

НЕЛИНЕЙНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ

[ГОРБАЧЕВ А.А. КОЛДАНОВ А.П.

вой установки при прочих равных условиях. Метод определения координат нелинейных рассеивателей при их поиске обсуждается в [10]. Оценивается его разрешающая способность и пути реализации. Различные подходы к определению координат нелинейных рассеивателей рассматриваются в [11].

Вышеперечисленные работы направлены на решение задачи поиска «меченых» маркерами людей, сводящейся к их обнаружению в заданной области пространства. Обратимся к исследованиям и разработкам, позволяющим решать задачи идентификации. В настоящее время значительное число фирм занимается разработкой маркеров, содержащих большой объем информации в рассеянном сигнале, открывающий возможности идентификации маркеров, принадлежащих широкому классу. Объем считываемой с них информации может достигать несколько МБ, содержащиеся в них чипы требуют соответственно большей энергии и при ограниченных возможностях поступления энергии по радиоканалу (оно в существенной мере определяется соотношением длины волны ЗС к размерам маркера) порождают энергетический дефицит. Такие маркеры обычно содержат элементы, обеспечивающие питание микросхем, входящих в маркер. Это обстоятельство, а также увеличенный объем памяти в соответствующих элементах маркера ведут к сокращению расстояния считывания информации и увеличению стоимости маркера. В зависимости от функционального назначения маркера это расстояние по различным источникам составляет от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров, а стоимость маркера возрастает от нескольких центов до нескольких долларов. Подобные маркеры находят применение в магазинах для маркировки товаров, могут устанавливаться на автотранспортные средства, грузовые контейнеры, имплантироваться под кожу животных. К энергетическим проблемам этого направления примыкает непростая задача идентификации маркеров, когда в зону действия зондирующей установки попадает значительное их число. Хотя общие принципы построения системы классификации в этом случае известны, однако временные затраты на процесс обработки рассеянных сигналов могут создать трудности в их реализации.

В последнее время появилась информация о разработке систем поиска людей, терпящих бедствие, на основе нелинейной радиолокации, позволяющих различать до ста специальных малогабаритных меток, а также способных работать с маркером в виде мобильного телефона и дальностью действия систем до нескольких десятков метров. Позволим себе высказать несколько критических замечаний. Адресный запрос с поисковой установки (такой-то здесь?) требует введения для ответа (я здесь) в маркер дешифратора, элемен-

тов памяти - а это расход энергии на их функционирование. Точно также запрос безадресный (кто здесь?) и ответ (я - такой-то) связан с необходимостью введения в маркер элементов кодирования. И то и другое, как уже говорилось выше, сокращает дальность действия поисковых систем, либо требует существенного увеличения длительности контакта их с маркерами. В рассматриваемых задачах класс различаемых маркеров должен быть максимально сжат. С учетом этого обстоятельства освещаются вопросы построения маркеров с индивидуальной реакцией на зондирующий сигнал в [12]. На наш взгляд, актуально получение информации о наличии в зоне действия поисковой установки терпящих бедствие людей (их обнаружение) и оценка их физиологического состояния (требуется помощь). Именно на это в первую очередь следует использовать ту небольшую энергию, поступающую по радиоканалу в маркер. Даже современное состояние средств обработки больших массивов информации не сможет скомпенсировать сокращение дальности обнаружения маркеров, связанное с усложнением структуры маркера и неизбежными, в связи с этим, энергетическими потерями. К этому можно также добавить: маркеры должны быть специализированы, их размеры должны быть увязаны с размерами тела человека и длиной волн, обеспечивающей минимальное (при прочих равных) затухание сигналов при наличии преград. При этом вряд ли мобильный телефон с его мизерным нелинейным эффективным поперечником рассеяния может быть альтернативой такому маркеру. И еще, естественно проведение поиска в два этапа. На первом - обнаружение маркера и определение его углового положения. На втором - при сокращенном до маркера расстоянии и расширении полосы приема сигнала его идентификация и получение информации о жизнедеятельности.

Перейдем к освещению возможностей дистанционного измерения физиологических параметров. Здесь можно отметить два способа.

Размещение на человеке нелинейного рассеивателя, дополненного датчиком - рецептором интересующего нас параметра. В этом случае задача решается просто, если рецептор производит соответствующий электрический сигнал, который модулирует рассеиваемый сигнал так, как это освещается в [13-14]. Следует отметить, что энергия на изменение параметра (здесь речь не об энергии, рассеиваемой маркером в окружающее пространство) может быть получена от малоточных источников типа применяемых в часах, источников, использующих движение тела, термоэлементов, преобразователей света и т.п.

В ближайшем окружении человека (например, в завалах при чрезвычайных ситуациях) оказываются объекты, способные нелинейно рассеи-

МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ВОЛНАМИ СРЕД С НЕЛИНЕЙНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ В ЗАДАЧАХ ПОИСКА ТЕРПЯЩИХ БЕДСТВИЕ ЛЮДЕЙ

НЕЛИНЕЙНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ

вать электромагнитные волны, например, обесточенная бытовая электроника. При этом если человек проявляет признаки жизнедеятельности (наличие движений, дыхание, пульса), то возникает некая нелинейная электродинамическая система с меняющимися параметрами, вследствие чего, в частности, может изменяться интерференционная картина распределения электромагнитного поля в системе [15]. Рассеиваемая ею нелинейная компонента может содержать информацию о происходящих в системе процессах. Именно это лежит в основе исследований, приведенных в [16, 17], при этом чувствительными к движениям человека (вплоть до пульса) оказывались телевизор, телефонный аппарат, радиоприемник, находившиеся в одной комнате с человеком, а прием рассеиваемых сигналов осуществлялся установкой, находившейся вне здания. Измерения в этом случае облегчаются, если процессы, несущие информацию о физиологии, квазипериодические, что позволяет применять операции накопления при обработке сигналов.

Анализ проведенных исследований показывает, что можно выделить ряд задач, решение которых позволит существенно повысить эффективность рассматриваемых в работе способов. К ним можно отнести:

разработку нелинейных элементов с повышенной крутизной вольт-амперной характеристики на начальном ее участке, что позволит повысить их КПД как преобразователей спектра при слабых зондирующих сигналах, и разработку микросхем с пониженными напряжениями питания и потребляемыми токами;

совершенствование и разработку рассеивателей с иными принципами преобразования частот, чем у рассеивателей, работа которых основана на искажении формы протекающих в них токов (например, с использованием параметрического возбуждения колебаний в рассеивателе);

оптимизацию конструкций линейной (антенной) части маркеров и мест размещения их или их систем на человеке или его экипировке;

разработку простейших датчиков физиологического состояния, преобразующих контролируемые процессы в соответствующий электрический сигнал.

ЛИТЕРАТУРА

1. Bouthinon M., Gavan J., Zadworny F. Passive microwave transponders, frequency for detecting the avvanche victims // 10-th Microwave Eur. Conf. -Warszawa, 1980, р. 65.

2. Горбачев А.А., Данилов В.И., Чигин Е.П., Ва-сжнков А.А. Об обнаружении нелинейных рассе-

ивателей // Радиотехника и электроника, 1996, т. 41, № 8, c. 951-953.

3 Горбачев А.А., Чигин Е.П. О некоторых параметрах зондирующего сигнала при поиске нелинейных рассеивателей // Радиотехника и электроника, 1998, т. 43, № 7, c. 804-807.

4. Агрба Д.Ш., Бабанов Н.Ю., Бычков О.Н., Ва-сенкова Л.В., Горбачев А.А., Ларцов С.В., Та-раканков С.П., Чигин Е.П. Нелинейные рассеиватели как средства маркировки // Радиотехника, 1998, № 10, c. 96-100.

5. Бабанов Н.Ю., Горбачев А.А., Ларцов С.В., Тараканков С.П., Чигин Е.П. Об использовании эффекта нелинейного рассеяния радиоволн при поиске терпящих бедствия на воде // Радиотехника и электроника. 2000, № 6, c. 676-580.

6. Васенков А.А. Экспериментальное исследование рассеяния электромагнитных волн нелинейными антеннами вблизи водной поверхности // Радиотехника и электроника, 2001, т. 46, № 4, c. 461-463.

7. Горбачев П.А. Нелинейный рассеиватель электромагнитных волн, создающий субгармоники // Радиотехника и электроника, 1999, т. 4, № 10, c. 1154-1167.

8. Васенков А.А., Горбачев П.А. О параметрах зондирующего сигнала при поиске субгармонических рассеивателей электромагнитных волн // Радиотехника, 2001, № 9, c. 41-44.

9. Васенков А.А., Чигин Е.П. Субгармонические рассеиватели как маркеры при поисковых работах // Нелинейный мир, 2007, т. 5, № 7-8, c. 488-491.

10. Васенков А.А. Об одном методе определения координат нелинейных рассеивателей при их зондировании электромагнитными волнами // Радиотехника и электроника, 2003, т. 48, № 4, c. 417-419.

11. Ларцов С.В., Тараканков С.П. Об определении местоположения нелинейного рассеивателя // Нелинейный мир, 2007, т. 5, № 7-8, c. 469-476.

12. Васенков А.А., Горбачев П.А. Идентификация маркеров нелинейных субгармонических рассеивателей ЭМВ // Нелинейный мир, 2007, т. 5, № 7-8, c. 492-494.

13. Кудрин А.В., Марков Г.А., Умнов А.Л., Яш-нов В.А., Васенков А.А., Горбачев А.А., Кол-данов А.П., Тараканков С.П. Использование нелинейных пассивных рассеивателей в качестве трансляторов данных в беспроводных компьютерных сетях // Труды научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2002, c. 1-10.

14. Горбачев А.А., Заборонкова Т.М. Нелинейный рассеиватель ЭМВ как ретранслятор сигналов // Нелинейный мир, 2004, т. 2, № 5-6, c. 343-345.

15. Горбачев А.А., Потапов А.А.,

Тараканков С.П. Дистанционная диагностика динамических систем на основе нелинейного рассеяния электромагнитных волн // Нелинейный мир, 2004, т. 2, № 5-6, c. 310-314.

НЕЛИНЕЙНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ

[ГОРБАЧЕВ А.А. КОЛДАНОВ А.П.

16. Васенков А.А. О дистанционном обнаружении биологических объектов на основе нелинейного рассеяния электромагнитных волн // Радиотехника и электроника, 1999, т. 43, № 5, с. 611-614.

17. Васенков А.А, Горбачев А.А. Об измерении распределения электромагнитного поля и регистрации его слабых локальных возмущений // Радиотехника и электроника, 2001, т. 47, № 12,

с. 1427-1430.

Горбачёв Андрей Андреевич | , д.т.н., проф. ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 603950 г. Н. Новгород, пр-т Гагарина, д. 23, тел.: +7 (831) 436-5602

Колданов Александр Петрович, д.ф.-м.н., зав.каф. ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 603950 г. Н. Новгород, пр-т Гагарина, д. 23, тел.: +7 (831) 465-9090, e-mail: mozhei@mail.ru

METHODS OF SOUNDING BY ELECTROMAGNETIC WAVES OF ENVIRONMENT WITH NONLINEAR INCLUSIONS IN TASKS OF REMOTE SEARCH OF PEOPLE SUFFERING DISASTER

Gorbachev A.A.

, Kqldanov A.P.

N.I. Lobachevsky NNSU, 603950 N.Novgorod, Russia

It researches using of methods of a nonlinear radar-location in tasks of remote search of people suffering disaster.

METHODS OF SOUNDING BY ELECTROMAGNETIC WAVES OF ENVIRONMENT WITH NONLINEAR INCLUSIONS IN TASKS OF REMOTE SEARCH OF PEOPLE SUFFERING DISASTER

Текст научной работы на тему «Методы зондирования электромагнитными волнами сред с нелинейными включениями в задачах поиска терпящих бедствие людей»