CC BY
70УДК 621.317
Андриянов А. В., Икрамов Г. С.
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ ПОИСКА ЖИВЫХ ЛЮДЕЙ В МЕСТАХ ТЕХНОГЕННЫХ КАТАСТРОФ
В статье даётся описание радиолокационным приборам поиска и обнаружения живых людей под различными завалами и за стенами строительных конструкций. Принцип действия разработанных авторами двух типов приборов основан на зондировании подповерхностного пространства электромагнитными волнами с последующим анализом отражённых сигналов, модулированных физиологическими параметрами живого человека: дыханием и движениями.
Ключевые слова: спасательный радар, сенсор движений, дыхание, движение, технические характеристики.
А
ГЛ
ктуальной задачей при проведении спа-1 сательных работ в местах техногенных катастроф является нахождение живых людей под завалами зданий, сооружений, а также в местах оползней и обвалов [1, 2]. Одним из наиболее перспективных методов решения этой задачи является метод подповерхностной радиолокации [3, 4], позволяющий дистанционно обнаруживать движение и дыхание биологических объектов [5-7].
Авторами статьи разработаны и выпускаются серийно два типа радиолокационных приборов, позволяющих обнаруживать и находить места расположения живых людей с поверхности завала. Принцип действия приборов основан на методах ближней радиолокации: зондировании подповерхностного пространства электромагнитными волнами и последующем анализе отражённых сигналов для выделения их модуляции, вызванной дыханием и движениями [8].
Спасательный радар RR03. Данный прибор представляет собой радар, излучающий радиоимпульсные сигналы наносекундной длительности (рис. 1). Принцип работы прибора заключается в следующем: генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) запускает формирователь зондирующего импульса, потом через устройство развязки отражённые от подповерхностных объектов
Генератор
ПСП
>
Блок 1—►
обработки
Формирователь импульса
Устройство
развязки
Блок задержки
Пульт АЦП Полосовой
оператора фильтр
Малошумящий усилитель
Рисунок 1. Структурная схема спасательного радара RR03
импульсы поступают на смеситель, который реализует корреляционный метод выделения слабых сигналов при помощи коррелирования с задержанной копией зондирующего сигнала.
Время задержки определяет точку дальности, на которой анализируется наличие объекта. Выделенный сигнал кодируется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и записывается в памяти блока обработки. Изменением задержки последовательно регистрируются сигналы из заданной области поиска живых объектов. При наличии дыхания или движений принятый сигнал модулируется с частотой дыханий (0,3-0,5 Гц) или движений. Блок обработки осуществляет:
- спектральный анализ сигналов в каждом сегменте дальности;
- идентификацию физиологической активности;
- выдачу информации об обнаруженных объектах на пульт оператора.
Использование импульсного зондирующего сигнала обеспечивает возможность обнаружения живых людей на расстояниях с разрешением около 0,5 м.
Для устранения влияний на результат поиска движений спасателя он должен с пультом оператора удалиться от места расположения радара на расстояние 5-10 м. Информация от прибора на пульт может передаваться как по проводному интерфейсу - через порт USB, так по беспроводному доступу связи - через Wi-Fi. В качестве пульта оператора используются:
- планшет с операционной системой Android;
- портативный компьютер с операционной системой Windows.
Внешний вид прибора и экран отображения информации на пульте оператора приведены на рисунке 2.
При обнаружении живых людей на определённом прибором расстоянии (глубина) ставится
* О ^
Сигнал на расстоянии 1.1м
Глубина поиска
10 12 14 16 18
о ом Режим эксперт:
б
Рисунок 2. Спасательный радар RR03: а - внешний вид спасательного радара; б - экран отображения информации; пульт оператора (планшетный компьютер); 2 - зона обнаружения живых людей (область в подповерхностном пространстве, где возможно обнаружение людей). Прибор находится в верхней части конуса
1
2
а
1
метка обнаруженных слабых (дыхание) или сильных движений (движения рук, ног, головы), и тогда в верхней части отображается осциллограмма сигнала дыхания (движений).
Технические характеристики прибора RR03
Уровень излучаемой средней мощности - 1 мВт
Дальность обнаружения движений в воздухе - 30 м
Питание - аккумулятор 9-16 В
Время работы от аккумулятора - 5 ч
Масса - 6,5 кг
Размеры 430 х 244 х 341 мм
На данное изобретение получен патент России [9]. Серийный выпуск прибора соответствует требованиям технического регламента таможенного союза ТС020/2011 «Электромагнитная совместимость технических средств».
Сенсор движений RRL2. Второй радиолокационный прибор обнаружения живых людей (рис. 3) представляет небольшой и экономичный сенсор движений, расположенный в герметичном корпусе и выполненный по оригинальному схемному решению [10].
з
2
1
8
б
а
Рисунок 3. Радиолокационный прибор обнаружения живых людей: а - внешний вид; б - структурная схема прибора RRL2; 1 - тумблер включения звуковой сигнализации; 2 - винты крепления панели (4 шт.); 3 - крышка батарейного отсека; 4 - динамик; 5 - индикатор оставшегося после включения питания времени в секундах до начала работы), позволяющий оператору включить прибор и отойти от него без срабатывания сигналов обнаружения; 6 - светодиодный излучатель обнаружения (2 шт.); 7 - тумблер включения питания прибора; 8 - кнопка (две + и - ) подстройки чувствительности прибора
в конкретных условиях применения
СВЧ-генератор воспроизводит непрерывные гармонические сигналы с частотой 2,44 ГГц. Генератор импульсов управляет генерацией СВЧ-сигналов, обеспечивая формирование СВЧ-радио-импульсов, находящихся в заданной полосе частот относительно несущей частоты 2,44 ГГц. В результате формируются радиоимпульсы, излучаемые антеннами 1 и 2 и одновременно отпирающие диоды детекторов. Длительность импульсов генератора определяет временной интервал открытия диодов детекторов и зону дальности, в пределах которой сенсор принимает сигналы, отражённые от удалённых движущихся объектов. Разность напряжений детекторов усиливается дифференциальным усилителем (ДУ). Интегратор в цепи обратной связи обеспечивает устранение медленных разбалансов сигналов антенн и детекторов, появляющихся вследствие неблагоприятных погодных условий (снег, лёд, температура). Сигналы, вызванные движениями людей с выхода ДУ, обрабатываются фильтром нижних частот (до 5 Гц) и подаются на компаратор, который находится в блоке, формирующем сигнал обнаружения. При превышении дифференциальным сигналом порогового уровня включаются индикаторы звукового и светового оповещения, которые используются для обнаружения живых людей.
По сравнению с сенсорами движений на основе эффекта Доплера дифференциальный метод позволяет повысить чувствительность прибора, поскольку чувствительность доплеровского сенсора пропорциональна только радиальной скорости объекта.
Технические характеристики прибора RRL2
Диапазон частот излучения и приема сигналов - 24002483 МГц
Спектральная плотность мощности излучения - не более 3 дБм/МГц
Питание - батарея 5 В
Ток потребления - не более 3 мА Дальность обнаружения в воздухе - не менее 5 м от прибора
Масса - 700 г Размеры 180 х 150 х 80 мм
При поиске людей в завалах разработанные приборы ЯЯ03 и ЯЯЬ2 могут использоваться, дополняя друг друга. Методика поиска основана на первоначальном обнаружении движений живых людей с помощью нескольких приборов равномерно разложенных на поверхности (рис. 4). Затем с помощью прибора ЯЯ03 осуществляется уточнение характера движений и расстояния до обнаруженных объектов (рис. 5).
Прибор обнаруживает движения в радиусе до 5 м. Для покрытия всей площади завала нужно использовать несколько приборов, удалённых друг от друга - они раскладываются по поверхности. Световая и звуковая сигнализация
Рисунок 5. Пример использования прибора RR03 японскими спасателями для нахождения людей (Новозеландия, последствия землетрясения в 2011 г.)
срабатывает там, где расположен прибор, под которым находятся живые люди. На рисунке 4 показано, как один из приборов выдает звуковой (жёлтые круги) и световой (красная точка) сигналы обнаружения.
Таким образом, применение описанных приборов, разработанных на основе методов ближней радиолокации, позволяет существенным образом облегчить задачу поиска и обнаружения выживших в завалах людей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аксенов М. Б., Переяслов А. Н. Основные тенденции развития приборов поиска пострадавших // Технологии гражданской безопасности. - 2006. - Т. 3, № 1. - С. 100-109.
2. Бугаев А. С., Васильев И. А, Ивашов С. И., Разевиг В. В., Шейко А. П. Обнаружение и дистанционная диагностика состояния людей за препятствиями с помощью РЛС // Радиотехника. - 2003. - № 7. - С. 42-47.
3. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / под ред. проф. А. Ю. Гринева. - М.: Радиотехника, 2005. - 416 с.
4. Immoreev I., Samkov S, Teh-Ho Tao. Short Distance Ultra Wide band radars // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2005, vol. 20, issue 6, pp 9-14. DOI: 10.1109/MAES.2005.1453804
5. Савлуков А. С, Хаблов Д. Б. Возможности радиоволновых методов для обнаружения людей за преградами по дыханию и сердцебиению // Датчики и системы. - 2012. -№ 7. - С. 74-78.
6. Черняк В. С. Теоретические вопросы определения местоположения людей в завалах с помощью многопозиционного сверхширокополосного радиолокационного устройства // Всероссийская научная конференция-семинар «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (СШП-СРСА - 2006). - Муром, 2006. - М.: Russian UWB Group. -С. 430-434.
7. Тимашева Т. Г., Анишкин С. А., Борисов А. В., Федоров В. А, Савков Н. Н. Исследование радиолокационных сигналов, отражённых от биологических объектов // Вестник МЭИ. - 2011. -№ 5. - С. 102-107.
8. Андриянов А. В., Икрамов Г. С., Пугин М. В., Рябинкин А. А. Устройства для обнаружения и мониторинга живых и движущихся объектов с использованием короткоимпульсных сверхширокополосных измерительных сигналов // Успехи современной радиоэлектроники. - 2009. - № 1-2. - С. 73-82.
9. Патент РФ на изобретение № 2258942. Российская Федерация, МПК С01Э13/00. Способ стабилизации временного положения сверхширокополосного сигнала и локатор для мониторинга живых объектов, реализующих этот способ / А. В. Андриянов, Г. С. Икрамов, С. В. Курамшев; заявитель и патентообладатель Лайф Сенсор Ко., Лтд., И. Г. Саидхакимович. -№ 2004128488/09; заяв. 28.09.2004, опуб. 20.08.2005. - 22 с.
10. Патент РФ на изобретение № 2419812. Российская Федерация, МПК С01Э13/04. Дифференциальный сенсор для обнаружения движущихся объектов / А. В. Андриянов, М. В. Пугин, С. А. Кислицин, Г. С. Икрамов; заявитель и патентообладатель Лайф Сенсор Ко., Лтд., И. Г. Саидхакимович. - № 2009134777/09; заяв. 17.09.2009; опуб. 27.05.2011. - 13 с.
Материал поступил в редакцию 15 марта 2017 года.
Andriyanov A., Ikramov G.
RADAR DETERCTION SYSTEMS FOR SEARCHING ALIVE PEOPLE IN THE AREAS OF TECHNOGENIC DISASTERS
ABSTRACT
Purpose. Radar detection systems for searching alive people under various debris and walls of building structures developed by the authors have been described in the article. Carrying out rescue operations in the areas of technogenic disasters to detect alive people under building debris, structures, landslides and slides is a crucial task.
Methods. The principle of operation for the two types of devices developed is based on the subsurface space sounding by means of electromagnetic waves with the further analysis of the reflected signals modulated by physiological parameters of an alive person: breathing and moving.
Findings. Two types of devices to detect alive people when carrying out rescue operations have been developed. The first device is a rescue radar using an ultra-wideband sounding signal. The radar allows determining up to 30 m. distance from an alive object. The second device is a motion sensor with small power consumption and a light weight which produces light
and sound signals for detection. Detection of people is performed in the following way: a place on the surface with alive people is detected with the help of dozens of sensors, then a distance to a moving object is determined by means of a rescue radar, and only then - the nature of motion. The devices described in the article are protected by patents of Russia.
Research application field. The materials contained in the article have practical and scientific value for experts working in the field of organizing and conducting emergency-rescue operations in emergency areas.
Conclusions. The use of the described devices on the basis of short-range radiolocation technique allows us to significantly simplify the task of searching alive people and detecting them under debris.
Key words: rescue radar, motion sensor, breathing, motion, specificat.
REFERENCES
1. Aksenov M.B., Pereiaslov A.N. The main trends in the development of devices for searching victims. Tekhnologii grazhdanskoi bezopasnosti, 2006, vol. 3, no. 1, pp. 100-109. (in Russ.).
2. Bugaev A.S., Vasil'ev I.A., Ivashov S.I., Razevig V.V., Sheiko A.P. Detection and remote diagnostics of people behind obstacles using radar. Radiotekhnika, 2003, no. 7, pp. 42-47. (in Russ.).
3. Voprosy podpoverkhnostnoi radiolokatsii [Sub-surface radar issues. Ed. by A.Iu. Grinev]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2005. 416 p. (in Russ.).
4. Immoreev I., Samkov S., Teh-Ho Tao. Short Distance Ultra Wide band radars // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2005, vol. 20, issue 6, pp 9-14. DOI: 10.1109/ MAES.2005.1453804
5. Sovlukov A.S., Khablov D.V. Abilities of microwave methods for detection of alive people through obstacles by breathing and heartbeat. Datchiki i sistemy, 2012, no. 7, pp. 74-78. (in Russ.).
6. Chernyak V.S. Theoretical questions of locating people in the obstructions with the help of a multi-position ultra-wideband
radar device. Vserossiiskaia nauchnaia konferentsiia-seminar "Sverkhshirokopolosnye signaly v radiolokatsii, sviazi i akustike" [All-Russian scientific conference-seminar "Ultra-wideband signals in radar, communications and acoustics"]. Murom, 2006, Russian UWB Group Publ. (Moscow), pp. 430-434. (in Russ.).
7. Timashova T.G., Anishkin S.A., Borisov A.V., Fedorov V.A., Savkov N.N. Investigations of radar signals reflected from biological objects. Vestnik Moskovskogo energeticheskogo instituta, 2011, no. 5, pp. 102-107. (in Russ.).
8. Andriyanov A.V., Ikramov G.S., Pugin M.V., Ryabinkin A.A. Devices for Detection and Monitoring of Alive and Moving Objects with the Use of Ultra-Wideband Measuring Signals. Uspekhi sovremennoi radioelektroniki, 2009, no. 1-2, pp. 73-82. (in Russ.).
9. Andriyanov A.V., Ikramov G.S., Kuramshev S.V. Method for stabilizing temporal position of ultra-broadban locator for monitoring living objects, realizing said method. Patent for invention no. 2258942. (in Russ.).
10. Andriyanov A.V., Pugin M.V., Kislitsin S.A., Ikramov G.S. Differential sensor to detect moving objects. Patent for invention no. 2419812. (in Russ.).
Aleksander Andriyanov I Grand Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor High-Tech Company "Tenzor" Ltd., Nizhny Novgorod, Russia
Gayrat Ikramov Company "Life Sensor Co., Ltd.", Tokio, Japan
