Система для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде
Изобретение относится к спасательным средствам и может быть использовано для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, и определения его местонахождения. Система для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, содержит надеваемый на человека спасательный жилет с двумя источниками света и передатчиками с передающими антеннами, а также приемник, расположенный на пункте контроля. Приемник содержит приемные антенны 23, 24 и 25, усилители 26, 27 и 28 высокой частоты, гетеродины 29 и 30, смесители 31, 32 и 33, усилители 34, 35 и 36 промежуточной частоты, перемножители 37, 39, и 40, узкополосные фильтры 38, 41 и 42, блоки 43 и 44 корреляторов, пороговые блоки 45, 46, 49 и 50, ключи 47, 48, 51 и 52, блок 55 регистрации. Такое выполнение системы обеспечивает повышение помехоустойчивости приемника, устранение неоднозначности измерения несущей частоты и повышение надежности обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам. 6 ил.
Предлагаемая система относится к спасательным средствам и может быть использована для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, и определения его местоположения.
Известны спасательные системы и устройства (авт. свид. СССР №№ 385819, 431063, 637298, 765113, 988655, 1348.256, 1505840, 15065841, 1588636, 1615054, 1643325, 1664653; патенты РФ № 2000995, 2038259, 2043259, 2051838, 2193990; патенты США № 3621501, 4889511; патент Великобритании №1145051; патент Дании №103118 и другие).
Из известных систем и устройств наиболее близкой к предлагаемой является “Система для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде” (патент РФ №2193990, В 63 С 9/20, 2000), которая и выбрана в качестве прототипа.
В указанной системе пункт контроля содержит измерительный канал, построенный на основе супергетеродинного приемника, в котором одно и то же значение промежуточной частоты 
пр может быть получено в результате приёма сигналов на двух частотах с и з.
Следовательно, если частоту настройки с принимать за основной канал приёма, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота з которого отличается от частоты с на удвоенное значение промежуточной частоты 2 пр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты г гетеродина. Преобразование по зеркальному каналу приёма происходит с тем же коэффициентом преобразования К пр, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехозащищенность приемника.
Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приёма, частоту которых можно определить из равенства
где i, m, n - целые числа.
Наиболее вредными комбинационными каналами приёма являются каналы, образующиеся при взаимодействии несущей частоты принимаемого сигнала со второй гармоникой частоты гетеродина, так как чувствительность этих каналов близка к чувствительности основного канала. Так, при m=2 и n=1 двум комбинационным каналам соответствуют частоты
ki=2 г- пр, К2=2 г+ пр,
где 2 г - вторая гармоника частоты гетеродина.
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости приёмника, неоднозначности измерения несущей частоты и снижению надёжности обнаружения человека, терпящего бедствие на воде.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости приёмника, устранение неоднозначности измерения несущей частоты и повышение надёжности обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам.
Поставленная задача решается тем, что система для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, включающая спасательный жилет, одетый на человека и содержащий два источника света, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, источник тока, два размыкателя электрической цепи, две сообщающиеся герметические емкости, каждая из которых отделена от окружающей среды мембраной, при этом одна из герметических емкостей расположена в грудной области спасательного жилета, а другая - в заспинной его области, мембрана каждой емкости связана с размыкателем электрической цепи соответствующего ей источника света посредством рычага, а оба источника света через размыкатели соединены с источником тока параллельно, и два миниатюрных передатчика с передающими антеннами, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, и приёмник, установленный на пункте контроля и содержащий последовательно включённые первую приёмную антенну, первый усилитель высокой частоты, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, и первый усилитель промежуточной частоты, последовательно включённые вторую приёмную антенну и второй усилитель высокой частоты, последовательно включенные третью приёмную антенну и третий усилитель высокой частоты, последовательно включённые первый перемножитель и первый узкополосный фильтр, последовательно включённые второй перемножитель и второй узкополосный фильтр, последовательно включённые третий перемножитель и третий узкополосный фильтр, последовательно включенные первый фазометр и блок регистрации, второй вход которого соединен с выходом второго фазометра, снабжена вторым гетеродином, вторым и третьим смесителями, вторым и третьим усилителями промежуточной частоты, двумя блоками корреляторов, четырьмя пороговыми блоками и четырьмя ключами, причём к выходу второго усилителя высокой частоты последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты, первый блок корреляторов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, первый пороговый блок, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и третий ключ, выход которого соединен с первым входом первого фазометра, к выходу третьего усилителя высокой частоты последовательно подключены третий смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, третий усилитель промежуточной частоты, второй блок корреляторов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй пороговый блок, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра, и четвертый ключ, выход которого соединен с первым входом второго фазометра, первый и второй входы первого перемножителя соединены со вторыми выходами первого и второго гетеродинов соответственно, вторые входы первого и второго фазометров соединены с выходом первого узкополосного фильтра, первый и второй входы второго перемножителя соединены с выходами первого и второго усилителей промежуточной частоты соответственно, первый и второй входы третьего перемножителя соединены с выходами первого и третьего усилителей промежуточной частоты соответственно, второй вход третьего ключа через третий пороговый блок соединен со вторым выходом первого блока корреляторов, второй вход четвертого ключа через четвертый пороговый блок соединен с вторым выходом второго блока корреляторов, частоты первого Г1 и второго Г2 гетеродинов разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты
Г2- Г1=2 пр
и выбраны симметричными относительно несущей частоты с принимаемого сигнала бедствия
с- Г1= Г2- с= пр.
На фиг.1 схематично изображён спасательный жилет, одетый на человека; на фиг.2 - то же, разрез.
Структурная схема приёмника, работающего на пункте контроля, представлена на фиг.3. Взаимное расположение приёмных антенн показано на фиг.5. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приёма, изображена на фиг.4. Геометрическая схема расположения летательного аппарата (ЛА) и человека показана на фиг.6.
Система содержит спасательный жилет с источниками 1 и 2 света, передатчиками 19 и 20 с передающими антеннами 21 и 22 соответственно и приёмник, установленный на пункте контроля.
Спасательный жилет, кроме того, содержит источник 3 энергии, кабели 4 и 5 подвода энергии к источникам света 1, 2 и передатчикам 19, 20, патроны 6 и 7, мембраны 8, 9 и связанные с ними рычаги 10 и 11 с контактами 12 и 13, а также герметичную пневмомагистраль 14, связывающую герметичные воздушные полости 15 и 16. Места ввода кабелей 4 и 5 от источника энергии 3 в полости 15 и 16 загерметизированы уплотнительными кольцами 17 и 18. Источник света 1 и передатчик 19, источник света 2 и передатчик 20 подключены параллельно к источнику энергии 3.
Приёмник, установленный на пункте контроля, содержит последовательно включённые первую приёмную антенну 23, первый усилитель 26 высокой частоты, первый смеситель 31, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина 29, первый усилитель 34 промежуточной частоты, второй перемножитель 39, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 35 промежуточной частоты, второй узкополосный фильтр 41, первый ключ 47, третий ключ 51, первый фазометр 53 и блок 55 регистрации, последовательно включенные вторую приёмную антенну 24, второй усилитель 27 высокой частоты, второй смеситель 32, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 30, и второй усилитель 35 промежуточной частоты, последовательно включенные третью приёмную антенну 25, третий усилитель 28 высокой частоты, третий смеситель 33, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 30, третий усилитель 36 промежуточной частоты, третий перемножитель 40, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 34 промежуточной частоты, третий узкополосный фильтр 42, второй ключ 48, четвертый ключ 52 и второй фазометр 54, выход которого соединен с вторым входом блока 55 регистрации, последовательно подключённые к второму выходу гетеродина 29 первый перемножитель 37, второй вход которого соединен с вторым входом гетеродина 30, и первый узкополосный фильтр 38, выход которого соединен с вторыми входами фазометров 53 и 54, последовательно подключённые к выходу усилителя 36 промежуточной частоты первый блок 43 корреляторов, второй вход которого соединен с выходом усилителя 34 промежуточной частоты, и первый пороговый блок 45, выход которого соединен с вторым входом ключа 47, последовательно подключенные к выходу усилителя 36 промежуточной частоты второй блок 44 корреляторов, второй вход которого соединен с выходом усилителя 34 промежуточной частоты, и второй пороговый блок 46, выход которого соединен с вторым входом ключа 52, второй вход ключа 51 через третий пороговый блок 49 соединен с вторым выходом блока 43 корреляторов, второй вход ключа 52 через пороговый блок 50 соединен с вторым выходом блока 44 корреляторов.
Система работает следующим образом.
В положении, показанном на фиг.1, давление окружающей среды Р2 на мембрану 9 больше, чем атмосферное давление P1 на мембрану 8. Мембрана 9 находится в поджатом, мембрана 8 - в отжатом состоянии. Следовательно, рычаг 11 отжимает контакт 13 от источника 2 света и передатчика 22, а рычаг 10 поджимает контакт 12 к источнику 1 света и передатчику 19. Источник 1 света горит, передатчик 19 излучает сигнал бедствия, источник 2 света не горит, передатчик 20 не работает.
Если человек совершает поворот относительно горизонтальной оси на 180° , тогда наверху оказывается источник 2 света и передатчик 20 с передающей антенной 22.
Давление среды на мембрану 8 становиться больше, чем на мембрану 9, мембрана 8 поджимается, рычаг 10 размыкает контакт 12 с источником 1 света и передатчиком 19 с передающей антенной 21. Цепь размыкается, источник 1 света гаснет, передатчик 19 выключается. Одновременно воздух из полости 15 перетекает через магистраль 14 в полость 16, мембрана 9 отжимается, рычаг 11 замыкает контакт 13 с источником 2 света и передатчиком 29 с передающей антенной 22. Источник 2 света загорается, а передатчик 20 излучает сигнал бедствия.
В ночное время и в хорошую погоду источник света может быть обнаружен визуально на значительном расстоянии. Однако в светлое время и в плохую погоду источник света обнаружить затруднительно.
Радиоизлучение является всепогодным и обеспечивает передачу сигнала бедствия на большие расстояния. При этом сигнал бедствия (SOS) излучается периодически с определенным периодом Тп и длительностью Тc на определенной частоте с, которая отводится именно для передачи сигнала бедствия и не занимается для передачи другой информации.
Приемник размещается на пункте контроля, который может быть размещён на суше, на кораблях различного назначения, в том числе и на кораблях поиска и спасения, а также на летательных аппаратах (вертолетах, самолетах и космических аппаратах).
Приемные антенны 23, 24 и 25, поднятые над поверхностью воды, например, с помощью летательного аппарата и расположенные в виде геометрического прямого угла (фиг.5), принимают сигнал бедствия:
u 1(t)=Uc· cos[( c± 
)t+
1],
u2(t)=Uc· cos[( c± )t+ 2],
u3(t)=Uc· cos[( c± )t+ 3], 0
t Tc,
где Uc, c, 1- 3, Тc - амплитуда, несущая частота, начальные фазы и длительность сигналов бедствия, принимаемых антеннами 23...25;
± - нестабильность несущей частоты сигнала бедствия, обусловленная эффектом Доплера и другими дестабилизирующими факторами.
Регистрация сигнала бедствия осуществляется приёмными антеннами 23-25. Указанные сигналы с выходов приёмных антенн 23-25 через усилители 26-28 высокой частоты поступают на первые входы смесителей 31-33, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродинов 29 и 30:
uГ1(t)=UГ1· cos( Г1t+ Г1),
uГ1(t)=UГ2· cos( Г2t+ Г2),
частоты которых разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты
Г2- Г1=2 пр
и выбраны симметричными относительно несущей частоты с
с- Г1= Г2- с= пр.
Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приёма, но создает благоприятные условия для их подавления корреляционной обработкой.
На выходах смесителей 31-33 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 34-36 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:
uпр1(t)=Uпр1· cos[( пр± )t+ пр1],
uпр2(t)=Uпр2· cos[( пр± )t+ пр2],
uпр3(t)=Uпр3· cos[( пр± )t+ пр3], 0 t Tc,
где 
K1 - коэффициент передачи смесителей;
пр= c- Г1= Г2- c - промежуточная частота;
пр1= 1- Г1; пр2= Г2- 2; пр3= Г2- 3.
Напряжения uГ1(t) и uГ2 (t) со вторых выходов гетеродинов 29 и 30 подаются на два входа перемножителя 37, на выходе которого образуется напряжение
uГ(t)=UГ· cos[( Г2- Г1)t+ Г]=UГ· cos(2 прt+ Г),
где 
K2 - коэффициент передачи перемножителя;
г= Г2- Г1,
которое выделяется узкополосным фильтром 39.
Напряжения uпр(t) и unp2(t), unp2(t) и uпр3(t) с выходов усилителей 34, 35 и 36 промежуточной частот подаются на входы перемножителей 39 и 40, на выходах которых образуются напряжения
где 
d1, d2 - измерительные базы;
- длина волны;
, 
- угловые координаты (азимут и угол места) источника излучения сигнала бедствия, которые выделяются узкополосными фильтрами 41 и 42.
Напряжения unp1(t) и unp2 (t), unp1(t) и uпр3(t) одновременно поступают на два входа блоков 43 и 44 корреляторов, на выходах которых образуются напряжения, пропорциональные корреляционным функциям R1(t) и R2(t). Указанные напряжения поступают на входы пороговых блоков 45 и 46, где сравниваются с пороговым напряжением Unop1.
Так как канальные напряжения unp1(t) и unp2(t), unp1(t) и uпр3(t) образуются одним и тем же сигналом бедствия, принимаемым на несущей частоте с, то между ними существует сильная корреляционная связь. Выходные напряжения достигают максимального значения и превышают пороговый уровень Unop1 в пороговых блоках 45 и 46.
При превышении порогового напряжения Unop1 в пороговых блоках 45 и 46 формируются постоянные напряжения, которые поступают на управляющие входы ключей 47 и 48, открывая их. В исходном состоянии ключи 47, 48, 51 и 52 всегда закрыты.
На вторых входах блоков 43 и 44 корреляторов формируются напряжения, пропорциональные корреляционным функциям R3 (
) и R4( ). Указанные напряжения достигают максимального значения только при истинных значениях угловых координат 0 и 0. И только при этих значениях в пороговых блоках 49 и 50 формируются постоянные напряжения, которые поступают на управляющие входы ключей 51 и 52, открывая их.
При этом напряжения u4(t) и u5(t) с выходов узкополосных фильтров 41 и 41 через открытые ключи 47, 51 и 48, 52 поступают на первые входы фазометров 53 и 54, на вторые входы которых подается напряжение uГ(t) с выхода узкополосного фильтра 38. Фазометры 53 и 54 измеряют фазовые сдвиги 1 и 2, которые регистрируются блоком 55 регистрации.
Зная высоту h полета летательного аппарата и измерив угловые координаты и , можно точно и однозначно определить координаты источника излучения сигнала бедствия (человека, терпящего бедствие на воде) (фиг.6).
Описанная выше работа приёмника соответствует случаю приёма полезного сигнала бедствия по основному каналу на частоте с.
Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте з1 или по второму зеркальному каналу на частоте з2, то на первых выходах блоков 43 и 44 корреляторов напряжения отсутствуют. Ключи 47 и 48 не открываются и указанные ложные сигналы (помехи) подавляются.
По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому комбинационному каналу на частоте к1, или по второму комбинационному каналу на частоте к2, или по любому другому дополнительному каналу.
Если ложные сигналы (помехи) одновременно принимаются по первому и второму зеркальным каналам на частотах з1 и з2, то на первых выходах блоков 43 и 44 корреляторов образуются напряжения. Однако ключи 47 и 48 в этом случае не открываются. Это объясняется тем, что канальные напряжения образуются разными ложными сигналами (помехами), принимаемыми на разных частотах з1 и з2. Поэтому между канальными напряжениями существует слабая корреляционная связь. Выходные напряжения блоков 43 и 44 корреляторов не достигают максимального значения и не превышают порогового напряжения Unop в пороговых блоках 45 и 46. Ключи 47 и 48 не открываются и указанные ложные сигналы (помехи) подавляются.
По аналогичной причине подавляются и все другие ложные сигналы (помехи), одновременно принимаемые по двум или более другим дополнительным каналам.
Приёмник инвариантен к нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов, так как пеленгация источника излучения сигнала бедствия осуществляется на стабильной частоте, равной разности частот гетеродинов г2- Г1. Приемник также инвариантен к виду модуляции принимаемых сигналов, если сигналы бедствия имеют модуляцию (манипуляцию) одного из параметров.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости приёмника, устранение неоднозначности измерения несущей частоты и повышение надёжности обнаружения человека, терпящего бедствие на воде. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам. Причём для подавления указанных каналов используется корреляционная обработка принимаемых сигналов бедствия. За счёт корреляционной обработки принимаемых сигналов бедствия устраняется и неоднозначность фазовых измерений.
Формула изобретения
Система для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, включающая спасательный жилет, одетый на человека и содержащий два источника света, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, источник тока, два размыкателя электрической цепи, две сообщающиеся герметичные емкости, каждая из которых отделена от окружающей среды мембраной, при этом одна из герметичных емкостей расположена в грудной области спасательного жилета, а другая - в заспинной его области, мембрана каждой емкости связана с размыкателем электрической цепи соответствующего ей источника света посредством рычага, а оба источника света через размыкатели соединены с источником тока параллельно, и два миниатюрных передатчика с передающими антеннами, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, и приемник, установленный на пункте контроля и содержащий последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, и первый усилитель промежуточной частоты, последовательно включенные вторую приемную антенну и второй усилитель высокой частоты, последовательно включенные третью приемную антенну и третий усилитель высокой частоты, последовательно включенные первый перемножитель и первый узкополосный фильтр, последовательно включенные второй перемножитель и второй узкополосный фильтр, последовательно включенные третий перемножитель и третий узкополосный фильтр, последовательно включенные первый фазометр и блок регистрации, второй вход которого соединен с выходом второго фазометра, отличающаяся тем, что она снабжена вторым гетеродином, вторым и третьим смесителями, вторым и третьим усилителями промежуточной частоты, двумя блоками корреляторов, четырьмя пороговыми блоками и четырьмя ключами, причем к выходу второго усилителя высокой частоты последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты, первый блок корреляторов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, первый пороговый блок, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и третий ключ, выход которого соединен с первым входом первого фазометра, к выходу третьего усилителя высокой частоты последовательно подключены третий смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, третий усилитель промежуточной частоты, второй блок корреляторов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй пороговый блок, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра, и четвертый ключ, выход которого соединен с первым входом второго фазометра, первый и второй входы первого перемножителя соединены со вторыми выходами первого и второго гетеродинов соответственно, вторые входы первого и второго фазометров соединены с выходом первого узкополосного фильтра, первый и второй входы второго перемножителя соединены с выходами первого и второго усилителей промежуточной частоты соответственно, первый и второй входы третьего перемножителя соединены с выходом первого и третьего усилителей промежуточной частоты соответственно, второй вход третьего ключа через третий пороговый блок соединен с вторым выходом первого блока корреляторов, второй вход четвертого ключа через четвертый пороговый блок соединен с вторым выходом второго блока корреляторов, частоты первого Г1 и второго Г2 гетеродинов разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты Г2- Г1=2 пр и выбраны симметричными относительно несущей частоты с принимаемого сигнала бедствия c- Г1= Г2- с= пр.
РИСУНКИ
