CC BY
214
/86
Civil SecuritiyTechnology, Vol. 7, 2009, No 3-4 (21-22)
УДК 356. 38, 61:351.86
Радары для обнаружения людей за оптически непрозрачными преградами
© Технологии гражданской безопасности, 2009
Ф.Ш. Ильясов
Аннотация
В статье рассмотрен способ обнаружения живых людей за оптически непрозрачными преградами
Ключевые слова: сигнал, непрозрачные преграды, радар, макет, опытный образец, порог, спасательные работы.
Radars for human detection behind optically nontransparent obstacles
© Civil Security Technology, 2009
F. Ilyasov
Abstract
The article describes a method for detecting the presence of humans behind lightproof obstacles.
Key words: signal, nontransparent obstacles, radar, experimental model, prototype sample, threshold, rescue operations.
Для быстрого поиска пострадавших людей при ликвидации последствий природных и техногенных катастроф, необходимы технические средства, позволяющие обнаруживать живых людей за оптически непрозрачными преградами: стенами различной толщины, снежными лавинами, развалинами зданий и сооружений. Наиболее пригодны для решения этой задачи сверхширокополосные (СШП) радары. Экспериментальные работы показали, что СШП сигналы хорошо отражаются от человеческого тела (живого). Причем формы отраженных сигналов зависят от основных физиологических параметров человека (сердечной активности — частоты пульса и амплитуды движения грудной клетки — частоты дыхания). Данная зависимость заложена в основу работы СШП радаров для спасательных работ (принцип зависимости формы отраженных сигналов от физиологических параметров человека).
Малая длительность сигнала (единицы наносекунд) обеспечивает высокую точность определения местоположения человека за преградой и устойчивую работу радара в условиях многократных переотражений от окружающих предметов. Радар измеряет отраженную от объекта мощность сигнала, время и направление его прихода. При движении объекта появляется информация о скорости его передвижения в контролируемой зоне за счет доплеровского смещения частоты, пропорционального радиальной составляющей этой скорости. Если человек неподвижен, то информация, о его присутствии за преградой может быть получена за счет изменения доплеровского смещения частоты сигнала, отраженного от движения грудной клетки человека при его дыхании и сокращений сердца. На рис. 1 показаны типичные сигналы СШП радара, который находится на расстоянии 3-х метров от кирпичной стены, имеющей толщину 50 см и обеспечивает наблюдение человека за стеной, как при его перемещении по помещению, так и в неподвижном положении — по движению грудной клетки.
Формы излученного импульса и его спектр представлены на рис. 2.
В России серийные радары для обнаружения людей
Рис. 1. Сигнал на выходе радара
за преградами не выпускаются. Работы по созданию таких радаров ведутся на ряде предприятий и фирм, таких, как СКБ Института радиотехники и электроники РАН (Фрязино МО), Московский авиационный институт, Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана, Научно-техническое предприятие «Тензор» (Нижний Новгород), Научно-производственное объединение «Созвездие» (Воронеж) и другие.
ООО «СЕТИ-ТЕЛЕКОМ» совместно с Институтом радиотехники и электроники РАН и Московским авиационным институтом разработаны два варианта радара для обнаружения живых людей за оптически непрозрачными преградами: а) радар, позволяющий определять расстояние до людей и их угловые координаты (Радар 1) и б) малогабаритный оперативный радар позволяющий определять наличие живых людей в помещении и измерять дальность до них без измерения угловых координат (Радар 2). Оба радара обнаруживают людей за кирпичными и каменными стенами толщиной до 50 см и в отличие от зарубежных радаров, решают эту задачу при расположении на расстояния до 10 метров перед преградой, что повышает их оперативные возможности. Конструкция обоих радаров ударопрочная, пыле-влагозащищенная.
В таблице 1 приведены характеристики этих радаров.
На рисунке 3 показаны внешний вид макета Радара 1 и получаемые им данные по обнаружению людей за препятствием.
Внешний вид макета Радара 2 и внешний вид опытного образца Радара 2 показаны на рис. 4.
Процесс обнаружения человека за кирпичной стеной (50 см) с помощью макета Радара 2 и получаемые им данные об обнаружении человека приведены на рисунке 5.
На экран дисплея выведены отраженные сигналы из различных участков дистанции; на 6-м участке дистанции сигнал превысил порог и произошло обнаружение неподвижного человека, находящегося в смежном помещении за стеной, по его дыханию.
Наиболее известными зарубежными радарами для обнаружения людей за преградами являются радары Prism 200 (Англия), Xaver 800 и Xaver 400 (Израиль), Radar Scope (США) и RadarVision (США). Внешний вид и характеристика этих радаров приведены далее.
К концу 2009 года планируется изготовление опытных образцов обоих радаров и проведение их испытаний. Эти радары по своим техническим и массогабаритным параметрам будут близкими к зарубежным образцам, но стоимости их будет существенно ниже, что важно для массового оснаще-
/88
Ом! БесигШуТесИпо!оду, Уо!. 7, 2009, N0 3-4 (21-22)
Таблица 1
Характеристика Радар 1 Радар 2
Дальность обнаружения людей до 10 метров до 10 метров
Угол обзора: по горизонтали 120° 60°
по вертикали 90° 30°
Точность определения расстояния до человека не хуже 0,3 м не хуже 0,3 м
Точность определения сектора расположения человека не хуже 15° -
Габаритные размеры радара, см 60х40х20 18х18х16
Масса, кг не более 5,0 кг не более 1,5 кг
Диапазон рабочих температур (-20-+40)°С (-20-+40)°С
Время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора не менее 4 часов не менее 4 часов
Цена, тысяч рублей /тысяч долларов 500/16 160/5,5
2) а
2) б
Рис. 2. Излученный сигнал (а) и спектр сигнала (б) СШП радара
ния большого количества оперативных подразделений МЧС в разных регионах страны. В процессе эксплуатации будут подготовлены альтернативные алгоритмы и методы обработки информации с целью повышения характеристик радаров.
Полученные результаты
1. Разработана концепция построения многопозиционного СШП-радио-локатора, предназначенного для обнаружения и определения местоположения за оптически непрозрачными преградами людей, пострадавших от стихийных бедствий и других чрезвычайных обстоятельств.
2. Разработана теория обнаружения слабых сигналов, отраженных от движущейся при дыхании поверхности тела неподвижного человека (дополнительно существенно ослабленных при прохождении через различные строительные конструкции) на фоне шумов и интенсивных отражений от окружающих предметов (фрагментов стен, металлических конструкций и др.). Синтезирован и исследован оптимальный алгоритм обнаружения.
3. Разработаны и исследованы алгоритмы опреде-
Рис. 3. Макет Радара1 и изображение на экране дисплея
ления трех координат обнаруженного человека многопозиционным СШП радиолокатором, состоящим из одного приемопередающего блока и разнесенных антенн, основанные на измерении дальности человека от разнесенных антенн. Указанные алгоритмы обеспечивают практически полное устранение систематических ошибок определения угловых координат, вызванных ошибками измерения дальности из-за незнания диэлектрических постоянных материалов завала.
Рис. 4. Внешний вид макета и опытного образца малогабаритного Радара 2
4. Использован «моноимпульсный» способ снижения случайных ошибок измерения расположения обнаруженного человека от разнесенных антенн, позволяющий обеспечить требуемую результирующую точность определения местоположения человека за оптически непрозрачными преградами.
5. Разработана методика выбора и максимизации энергетических характеристик при проектировании СШП радиолокатора малой дальности с учетом требований электромагнитной совместимости.
двух человек, находящихся в смежном помещении за стеной
Методы и подходы,
использованные
в ходе выполнения работ
Работа по проекту проводилась на основе комплексного подхода, сочетающего теоретические и экспериментальные исследования.
Новой является экспериментальная методика обнаружения неподвижного человека по квазипериодическим колебаниям поверхности тела с помощью разнесенных на малой базе СШП приемопередающих устройств, точного измерения дальности обнаруженного человека до антенн этих устройств и определения угловых координат.
Для решения теоретических задач обнаружения живых людей в завалах строительных конструкций и измерения координат их мест расположения с помощью СШП-радиолокатора использовались методы статистической радиотехники и имитационного компьютерного моделирования. При этом применялись математические модели сигналов, основанные на экспериментальных данных, в том числе полученных на созданной в рамках проекта экспериментальной установке.
При исследованиях СШП электромагнитных полей и СШП антенн, для которых характерна нестационарность процессов, применена новая методика решения нестационарных электродинамических задач во временной области.
Разработанные радары позволят решать оперативные задачи МЧС, Пожарных служб и других силовых
Рис. 5. Обнаружение человека с помощью макета Радара 2
/90
Civil SecuritiyTechnology, Vol. 7, 2009, No 3-4 (21-22)
Prism 200 Xaver 800
Xaver 400
Radar Scop
Radar Vision
Таблица 2
Характеристика RadarVision Prism 200 Xaver 800 Xaver 400
Дальность обнаружения людей до 9 м до 20 м до 20 м до 20 м
Угол обзора: по горизонтали 120° 120° 60° 60°
по вертикали 90° 90° 30° 30°
Точность определения расстояния до человека не хуже 1м не хуже 1м не хуже 0,3 м не хуже 0,3 м
Габаритные размеры радара, см 56х37х14 30х45х21 84х84х20 56x35,5x21
Масса, кг 4,5 5,4 14,5 3,0
Время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора, ч 3,0 3,0 2,0 7,0
Цена, тысяч (по данным дистрибьюторов в России) нет сведений 60 320 120
Примечание: указанные радары обнаруживают людей за стенами толщиной от 20 до 60 см при работе вплотную к стене. Неподвижных людей по дыханию обнаруживают только радары Xaver 80. В таблице даны опубликованные рекламные данные этих радаров.
ведомств при проведении операций по спасению людей, предупреждению противоправных действий и в ходе контртеррористических операций.
Выводы
1. Результаты экспериментов подтверждают возможность использования СШП радара для обнаружения и определения местоположения людей под завалами при проведении спасательных работ.
2. Совокупность таких свойств СШП радаров, как бесконтактность и дистанционность измерений, портативность и простота в обслуживании, позволяют рекомендовать массовое использование таких радаров в различных спасательных подразделениях.
Сведения об авторе
Ильясов Флюр Шигапович: ООО «СЕТИ-ТЕЛЕКОМ», заместитель генерального директора, главный конструктор, 105318, Москва, ул. Вельяминовская, д.34.
