Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЮДЕЙ ПОД ЗАВАЛАМИ И ПОИСКА ВЗРЫВЧАТЫХ И НАРКОТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Предлагаемое устройство относится к контрольно-поисковым средствам, а именно к устройствам обнаружения местоположения людей, оказавшихся под завалами, образовавшимися в результате стихийного (землетрясения, торнадо, цунами и др.) или иного бедствия, и поиска взрывчатых и наркотических веществ, и может быть использовано при техногенных авариях, природных катастрофах, террористических актах и при предотвращении опасных для населения акций.

Широко известны механизмы обнаружения и поиска людей, попавших в завалы, взрывчатых и наркотических веществ с помощью обученного животного, например служебной собаки розыскной службы с высокочувствительным обонянием (Чистяков К. Воспитание и дрессировка служебной собаки. - СПб: Издательство «Северо-Запад»; Ростов-на-Дону: Издательство «Феникс», 2005, - 336 с, стр.152-153).

Нервная система животных, тем более обученной служебной собаки поисковой службы, как и человека, при появлении в их поле зрения раздражителя (объекта), например хищного зверя, мгновенно вызывает у них реакцию в виде стресса. Этот стресс характеризуется учащением сердцебиения, которое можно зарегистрировать по амплитуде и количеству ударов пульса. Более того, собака обладает острым обонянием, в сотни раз большим, чем у человека, поэтому у собак розыскной службы наиболее важными навыками являются навыки, связанные с чутьем, т.е. следовая работа, выборка предметов, обыск местности. Следовательно, обоняние - более целесообразный орган, чем зрение, его необходимо развивать, обучать собаку реагировать на запахи человека, взрывчатых и наркотических веществ, вызывающих с приобретением навыков усиленное сердцебиение.

Однако такой механизм обнаружения аномального явления функционально ограничен тем, что он длителен по времени (от начала обнаружения до принятия решения), а также не позволяет процесс обнаружения и поиска автоматизировать. Кроме того, если запахи незначительные, то собака может не подать голоса (лая), а в ночное время ее трудно заметить, если кинолог выпустил из рук поводок собаки.

Известны устройства для обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ (патенты РФ №№2.079.100, 2.186.411, 2.206.107, 2.248.235, 2.248.593, 2.288.488, 2.426.141; патент США №4.641.566; Дикарев В.И. Безопасность, защита и спасение человека. СПб, 2007, с.460-467 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ» (патент РФ №2.426.141, G01S1/02, 2010), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство содержит мобильный первичный преобразователь, размещенный на служебной собаке, и вторичный преобразователь, размещенный на пункте управления. Мобильный первичный преобразователь содержит тактильные сенсоры, выполненные в виде пьезоэлементов, закрепленных контактно на коже тела собаки в местах максимального ощущения биения пульса.

При обнаружении субъекта (человек, наркотик, взрывчатое вещество) у собаки учащается сердцебиение, срабатывают световой и звуковой маячки первичного преобразователя, по которым визуально и на слух кинолог определяет местоположение собаки у обнаруженного субъекта, что важно в ночное время суток.

В условиях крупного мегаполиса на значительных расстояниях между служебной собакой и кинологом достоверное определение местоположения собаки у обнаруженного субъекта обеспечивается радиоканалом с использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией и приемных антенн с круговой и кардиоидной диаграммами направленности.

Однако приемник, входящий в состав вторичного преобразователя, не позволяет подавлять узкополосные помехи и не обеспечивает высокой помехоустойчивости и достоверности приема и демодуляции сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности приема и демодуляции сложных сигналов с фазовой манипуляцией путем подавления узкополосных помех.

Поставленная задача решается тем, что устройство обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, ошейник для размещения на обученном животном, например собаке розыскной службы, мобильный первичный преобразователь, содержащий световой и звуковой маячки и тактильные сенсоры, выполненные в виде пьезоэлементов, закрепленных контактно на коже тела обученного животного в местах максимального ощущения биения пульса, выходами связанные через последовательно соединенные коммутатор, усилитель и модулятор с входом радиопередатчика, при этом коммутатор, усилитель, модулятор, радиопередатчик, световой и звуковой маячки и источник питания блоков первичного мобильного преобразователя установлены на ошейнике, и вторичный преобразователь, размещенный на пункте управления и содержащий последовательно соединенные приемник радиосигналов и первый демодулятор, а также регистратор, при этом модулятор выполнен в виде последовательно подключенных к выходу усилителя триггера, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и первого ключа, последовательно подключенных к выходу триггера однополярного вентиля, интегратора и первого порогового блока, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, радиопередатчик выполнен в виде последовательно подключенных к выходу первого ключа усилителя мощности и передающей антенны, световой и звуковой маячки подключены к выходу первого порогового блока, приемник радиосигналов выполнен в виде регистратора вибраторной и рамочной антенн, к выходу вибраторной антенны последовательно подключены первый усилитель высокой частоты, первый амплитудный детектор, блок деления, второй пороговый блок и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя высокой частоты, к выходам вибраторной и рамочной антенн последовательно подключены второй усилитель высокой частоты и второй амплитудный детектор, выход которого соединен с вторым входом блока деления, первый демодулятор выполнен в виде последовательно подключенных к выходу второго ключа первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго ключа, и первого фильтра нижних частот, отличается от ближайшего аналога тем, что вторичный преобразователь снабжен вторым демодулятором и блоком вычитания, причем второй демодулятор выполнен в виде последовательно подключенных к выходу второго ключа третьего перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второго узкополосного фильтра, первого фазоинвертора, четвертого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго ключа, второго фильтра нижних частот и второго фазоинвертора, выходы первого и второго фильтров нижних частот через блок вычитания подключены к регистратору.

Структурная схема устройства обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ изображена на фиг.1, 2 и 3. Вид приемных антенн, их диаграмм направленности и пеленгационные характеристики изображены на фиг.4, 5 и 6. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, показаны на фиг.7.

Устройство обнаружения людей под завалами и поиска взрывчатых и наркотических веществ содержит одетый на служебную собаку 1 поисковой службы с высокочувствительным обонянием ошейник 2, мобильный первичный преобразователь 3 и вторичный преобразователь 12.

Первичный преобразователь 3 включает тактильные сенсоры 4.1 и 4.2, выполненные в виде пьезоэлементов, закрепленных контактно на коже тела обученного животного в местах максимального ощущения биения пульса, к выходам которых последовательно подключены коммутатор 5, усилитель 6, триггер 17, фазовый манипулятор 19, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 18, первый ключ 23, усилитель 24 мощности и передающая антенна 25, к выходу триггера 17 последовательно подключены однополярный вентиль 20, интегратор 21 и первый пороговый блок 22, выход которого подключен к второму входу первого ключа 23, к световому 10 и звуковому 11 маячкам. Первичный преобразователь 3 содержит также источник 9 питания.

Триггер 17, задающий генератор 18, фазовый манипулятор 19, однополярный вентиль 20, интегратор 21, первый пороговый блок 22 и первый ключ 23 образуют модулятор 7. Усилитель 24 мощности и передающая антенна 25 образуют радиопередатчик 8.

Вторичный преобразователь 12 содержит вибраторную антенну 26 и рамочную антенну 27. К выходу вибраторной антенны 26 последовательно подключены первый усилитель 28 высокой частоты, первый амплитудный детектор 30, блок 32 деления, второй пороговый блок 33, второй ключ 15, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 28 высокой частоты, первый перемножитель 34, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 37 нижних частот, первый узкополосный фильтр 36, второй перемножитель 35, второй вход которого соединен с выходом второго ключа 15, первый фильтр 37 нижних частот. К выходам вибраторной антенны 26 и рамочной антенны 27 последовательно подключены второй усилитель 29 высокой частоты и второй амплитудный детектор 31, выход которого соединен с вторым входом блока 32 деления.

К выходу ключа 15 последовательно подключены третий перемножитель 38, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора 43, второй узкополосный фильтр 40, первый фазоинвертор 42, четвертый перемножитель 39, второй вход которого соединен с выходом ключа 15, второй фильтр 41 нижних частот и второй фазоинвертор 43.

Антенны 26 и 27, усилители 28 и 29 высокой частоты, амплитудные детекторы 30 и 31, блок 32 деления, второй пороговый блок 33 и второй ключ 15 образуют приемник 13 радиосигналов. Перемножители 34 и 35, узкополосный фильтр 36 и фильтр 37 нижних частот образуют демодулятор 14.

Перемножители 38 и 39, узкополосный фильтр 40, фильтр 41 нижних частот, фазоинверторы 42 и 43 образуют демодулятор 44. Выходы фильтров 37 и 41 через блок 45 вычитания подключены к регистратору 16.

Источник 9 выполнен автономным (батарейным), питает блоки первичного преобразователя 3. Тактильные сенсоры 4.1 и 4.2 закреплены контактно на коже тела собаки 1 в местах максимального ощущения биения пульса, а коммутатор 5, усилитель 6, модулятор 7, радиопередатчик 8, источник 9 питания, маячки 10 и 11 мобильного преобразователя 3 установлены на ошейнике 2.

Приемник 13 радиосигналов, демодулятор 14, демодулятор 44 и регистратор 16 вторичного преобразователя 12 включены последовательно и запитываются током от стационарного источника питания (не показано). Преобразователь 12 может размещаться как на стационарном пункте обнаружения пострадавших и поиска подозрительных веществ, так и на передвижных пунктах, постоянно перемещающихся в области поиска. Радиопередатчик 8 и радиоприемник 13 построены по принципу мобильного телефона и не требуют ретранслятора, поскольку завалы от разрушения жилых домов и инженерных сооружений, например, от террористических актов не превышают толщины 2-4 метра и структура строительного материала после разрушения не монолитная, а пористая, поэтому радиосигнал легко принимается радиоприемником 13, размещенным в районе поиска.

Тактильные сенсоры 4.1 и 4.2 устанавливают на теле собаки 1 в количестве не менее двух для повышения надежности устройства. Следует отметить, что собаку нецелесообразно дрессировать на запах одновременно человека, наркотика и взрывчатого вещества. Лучше собак дрессировать на запах одного субъекта (либо человека, либо наркотика, либо взрывчатого вещества).

Устройство работает следующим образом.

При поступлении сигнала о чрезвычайном происшествии на место этого очага направляются сотрудники розыскной службы, снабженные арсеналом необходимых средств обнаружения и поиска субъектов живого и неживого происхождения. При этом блоки первичного 3 и вторичного 12 преобразователей подключаются к источникам напряжения заблаговременно для прогрева аппаратуры. На месте очага служебную собаку 1, снабженную первичным преобразователем 3, кинолог отпускает с поводка, и собака самостоятельно, например, по следу (запаху), осуществляет поиск искомого субъекта.

Пьезоэлектрические датчики 4.1 и 4.2, закрепленные контактно на коже тела собаки в местах максимального ощущения биения пульса, преобразуют удары ее пульса в короткие положительные импульсы (фиг.7, а). Эти импульсы через коммутатор 5 и усилитель 6 поступают на счетный вход триггера 17 и преобразуются в последовательность прямоугольных разнополярных импульсов длительностью τ_э (фиг.7, б), которые в виде модулирующего кода M(t) поступают на первый вход фазового манипулятора 19. На второй вход последнего с выхода задающего генератора 18 подается высокочастотное колебание (фиг.7, в)

u_c(t)=U_c·Cos(ω_ct+φ_c), 0≤t≤Т_с,

где U_c, ω_с, φ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и

длительность высокочастотного колебания.

На выходе фазового манипулятора 19 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.7, г)

u₁(t)=U_c·Cos[(ω_ct+φ_к(t)+φ_c], 0≤t≤Tc,

где φ_к(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.7, б), причем φ_к(t)=const при Кτ_э<t<(К+1)τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, N); τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с(Т_с=τ_э·N);

Модулирующий код M(t) (фиг.7, б) с выхода триггера 17 одновременно поступает на вход однополярного вентиля 20, на выходе которого образуются положительные прямоугольные импульсы (фиг.7, д), которые поступают на вход интегратора (накопителя) 21. В качестве интегратора 21 может использоваться, например, конденсатор, который последовательно заряжается и разряжается (фиг.7, е). Напряжение интегратора 21 сравнивается с пороговым напряжением U_пор в пороговом блоке 22. Пороговый уровень U_пор не превышается, если собака находится в обычном (не возбужденном) состоянии (фиг.7, е).

При обнаружении субъекта (человека, наркотика, взрывчатого вещества) у собаки учащается и усиливается сердцебиение, которое регистрируется в местах кровотоков тактильными сенсорами 4.1 и 4.2. Эти сенсоры вырабатывают короткие положительные импульсы большей частоты следования (фиг.7, ж). На выходе однополярного вентиля 20 в этом случае образуется последовательность положительных прямоугольных импульсов (фиг.7, 3), которые после интегрирования превышают пороговый уровень U_nop в пороговом блоке 22 (фиг.7, и). При превышении порогового уровня U_nop, например, в момент времени t₀ в пороговом блоке 22 формируется постоянное напряжение (фиг.7, к), которое поступает на управляющий вход ключа 23, открывая его. В исходном состоянии ключи 23 и 15 всегда закрыты.

Одновременно постоянное напряжение с выхода порогового блока 22 поступает на световой 10 и звуковой 11 маячки, которые срабатывают. Тем самым визуально и на слух кинолог определяет местоположение собаки 1 и обнаруженного субъекта, что важно в ночное время суток и возможно только на небольшом расстоянии.

Сформированный сложный ФМн-сигнал uj(t) (фиг.7, г) с выхода фазового манипулятора 19 через открытый ключ 23 и усилитель 24 мощности поступает в передающую антенну 25, излучается ею в эфир, принимается антеннами 26, 27 и через усилители 28, 29 высокой частоты и амплитудные детекторы 30, 31 поступает на два входа блока 32 деления.

Амплитуда сигнала на выходе амплитудного детектора 30 не зависит от направления прихода входного сигнала из-за круговой диаграммы направленности первой приемной антенны 26 (фиг.5). Вторая приемная антенна 27 вместе с первой приемной антенной 26 образуют кардиоидную диаграмму направленности (фиг.4, 5). Кардиоидную диаграмму направленности вращают вручную или автоматически (не показано) до совмещения нулевого провала с направлением прихода сигналов (фиг.5). Амплитуда сигнала с этого направления на выходе амплитудного детектора 31 близка к нулю, поэтому на выходе блока 32 деления в этот момент напряжение будет максимальным. Величину порога U_пор выставляют так, чтобы пороговый блок 33 срабатывал только от сигналов, приходящих с нулевого направления. При срабатывании порогового блока 33 последний формирует постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 15, открывая его. При этом сложный ФМн-сигнал u₁(t) (фиг.7, г) с выхода усилителя 28 высокой частоты через открытый ключ 15 поступает на первые входы перемножителей 34, 35, 38 и 39.

На вторые входы перемножителей 35 и 39 с выходов узкополосного фильтра 36 и фазоинвертора 42 подаются опорные напряжения соответственно:

u₀₁(t)=U₀·Cos(ω_ct+φ_с),

u₀₂(t)=-U₀·Cos(ω_ct+φ_с), 0≤t≤T_c.

На выходе перемножителей 35 и 39 образуются суммарные напряжения соответственно:

u_∑1(t)=U_∑·Cosφ_к(t)+U_∑·Cos[2ω_ct+φ_к(t)+2φ_с],

u_∑2(t)=-U_∑·Cosφ_к(t)-U_∑·Cos[2ω_ct+φ_к(t)+2φ_с], 0≤t≤T_c,

где .

Фильтрами 37 и 41 выделяются низкочастотные напряжения соответственно:

u_н1(t)=U_∑·Cosφ_к(t),

u_н2(t)=-U_∑·Cosφ_к(t), 0≤t≤Т_с,

пропорциональные модулирующему коду M(t) (фиг.7, б). Указанные низкочастотные напряжения подаются на два входа блока 45 вычитания. При вычитании одного из другого указанных низкочастотных напряжений с учетом их противоположной полярности на выходе блока 45 вычитания образуется удвоенное (суммарное) низкочастотное напряжение

u_н(t)=u_н1(t)-u_н2(t)=U_н·Cosφ_к(t),

где U_н=2U_∑,

т.е. получается сложение по абсолютной величине напряжений u_н1(t) и u_н2(t). При этом аддитивные амплитудные помехи проходят через два демодулятора 14 и 44 одинаково, изменяя амплитуды выходных продетектированных напряжений в одну и ту же сторону. Но в блоке 45 вычитания они вычитаются, оставаясь однополярными, т.е. подавляются, взаимно компенсируются.

Напряжение u_н(t) поступает на вход регистратора 16.

Следовательно, направление на источник радиоизлучений (ИРИ) (собаку) (истинный азимут βи) определяется по положению рамочной антенны 27 в момент поступления сигнала на регистратор 16.

Низкочастотное напряжение u_н2(t) с выхода фильтра 41 нижних частот поступает на вход фазоинвертора 43, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение

u_н3(t)=U_∑·Cosφ_к(t), 0≤t≤Т_с.

Низкочастотные напряжения u_н1(t) и u_н3(t) с выхода фильтра 37 нижних частот и фазоинвертора 43 поступают на второй вход перемножителей 34 и 38 соответственно, на выходе которых образуются гармонические колебания:

u₀₁(t)=U₁·Cos(ω_ct+φ_с)+U₁·Cos[ω_ct+2φ_к(t)+φ_с]=U₀·Cos(ω_ct+φ_с),

u₀₃(t)=U₁·Cos(ω_ct+φ_с)+U₁·Cos[ω_ct+2φ_к(t)+φ_с]=U₀·Cos(ω_ct+φ_с),

где , U₀=2U_l, 2φ_к(t)={0,2 π}.

Данные колебания выделяются узкополосными фильтрами 36 и 40 соответственно. Колебание U₀₁(t) используется в качестве опорного напряжения и с выхода узкополосного фильтра 36 подается на второй вход перемножителя 35. Колебание U₀₃(t) выделяется узкополосным фильтром 40 и поступает на вход фазоинвертора 42, на выходе которого образуется колебание

u₀₂(t)=-U₀·Cos(ω_ct+φ_с), которое используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй вход перемножителя 39.

В условиях крупного мегаполиса на значительных расстояниях между служебной собакой и кинологом достоверное определение местоположения собаки у обнаруженного субъекта (человек, наркотик, взрывчатое вещество) обеспечивается радиоканалом с использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией и приемных антенн с круговой и кардиоидной диаграммами направленности.

Сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Демодуляторы сложных ФМн-сигналов, построенные по схеме «самообслуживания», выделяют необходимое опорное напряжение из самого принимаемого ФМн-сигнала и свободны от явления «обратной работы», присущей известным демодуляторам сложных ФМн-сигналов (схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Костаса Д.Ф. и Травина Г.А.).

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности приема и демодуляции сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Это достигается путем подавления узкополосных помех и повышением отношения сигнал/шум на выходе блока вычитания с помощью двух универсальных демодуляторов, инверсные выходные напряжения которых складываются по абсолютной величине, а униполярные помеховые напряжения взаимно вычитаются.