Спосіб дистанційного виявлення персоналу у поглинаючих та екрануючих середовищах

Реферат: Спосіб належить до пошуково-рятувальних засобів і може бути використаний для дистанційного пошуку людей, потерпілих під завалами в гірничих виробках, під сніговими та гірськими лавинами, уламками будинків та споруд. Спосіб дистанційного виявлення персоналу у поглинаючих та екрануючих середовищах шляхом випромінювання магнітних сигналів та їх реєстрації приймачем. Випромінюються магнітні сигнали у діапазоні 0,1-1 Гц обертаючим навколо власної осі симетрії магнітним диполем, що закріплений в екіпіровці людини. Реєстрація магнітних сигналів здійснюється векторним магнітометром, чутливий елемент якого виконано на феритовій плівці з переважним напрямком чутливості до магнітного поля в площині плівки. Випромінювач магнітного сигналу може вмикатися дистанційно зондуючим магнітним UA 104776 C2 (12) UA 104776 C2 імпульсом. Винахід дозволяє збільшити дальність виявлення і ефективність роботи пошуковорятувальних служб. UA 104776 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до пошуково-рятувальних засобів і може бути використаний для дистанційного пошуку людей, потерпілих під завалами в гірничих виробках, під сніговими та гірськими лавинами, уламками будинків та споруд, перебуваючих в тунелях, печерах, водних середовищах, герметичних металевих конструкціях. Рівень техніки. Відомі технології дистанційного виявлення персоналу під завалами в гірничих виробках, які базуються на принципах електромагнітної локації (Hind, D J… Applications of Radio Frequency Identification Systems in the Mining Industry// Mining Systems, 1995 July, p. 219-225). Суть цих технологій полягає в випромінюванні електромагнітних сигналів розшукуваним об'єктом та реєстрації їх спеціальним високочутливим приймачем. Основним недоліком способів, які базуються на цих технологіях, є суттєва залежність дальності пошуку від електричних властивостей навколишнього середовища. Це пов'язано з тим, що в провідному середовищі виникають струми, які перешкоджають проникненню електромагнітного поля вглиб середовища. Явище затухання електромагнітного поля по мірі його проникнення від межі між провідним і непровідним середовищами вглиб провідного називається скін-ефектом. Внаслідок скін-ефекту електромагнітне поле розподіляється переважно в поверхневому шарі провідного середовища, який називається скін-шаром. На товщині скін-шару амплітуда електромагнітної хвилі зменшується приблизно в 3 рази. Товщина скін-шару залежить від електропровідності середовища та частоти електромагнітної хвилі:   0 f1\ 2 , де  - відносна магнітна проникність,  0 - магнітна константа, f - частота хвилі,  електропровідність середовища. -8 Наприклад, для міді питомий електричний опір ρ = 1,7 10 ом·м. На частоті f=60 Гц δ = 8 мм, на частоті 10 кГц δ = 0,1 мм. Питомий електричний опір вугілля може змінюватися в дуже -5 4 3 6 широких межах від 10 до 10 ом·м, гірничих порід від 10 до 10 ом·м. Тому, в гірничих виробках δ може змінюватись від декількох до сотень метрів. Таким чином, для електромагнітної локації дальність пошуку принципово обмежена. В залежності від вологості гірничих порід, сортів вугілля вона коливається в дуже широких межах. Сучасні виробники пошукової апаратури декларують максимальну дальність пошуку 30-40 м, однак очевидно, що ці відстані не можуть бути гарантованими. Серед сучасних систем навігації відомі системи магнітного позиціювання (Желамский М. Электромагнитное позиционирование.// Электроника: НТБ. – 2007. - №3. - С. 96.). Типова система магнітного позиціювання містить закріплений у реперній точці випромінювач низькочастотного магнітного поля та приймач магнітного поля, розташований в позиційованому об'єкті. В відзнаку від електромагнітного поля магнітне поле практично не залежить від електричних властивостей середовища розповсюдження. Напруженість магнітного поля в залежності від відстані зменшується згідно з формулою: H  2 0M / 4R3 , 40 45 50 55 де M - магнітний момент, R - відстань. Таким чином, дальність розповсюдження магнітного поля та відстань його реєстрації визначаються тільки потужністю випромінювача та порогом чутливості приймача. Перші зразки систем магнітного позиціювання були створені в 70-х роках минулого століття для систем посадки літаків. В подальшому цей напрямок активно розвивався і залишається актуальним до цього часу. Крім магнітних систем посадки літаків магнітне позиціювання використовується в інвазивній медицині, біомеханіці, анімації, системах віртуальної та доповненої реальності. Як прототип, який по технічній суті є найбільш близьким до заявлюваного способу, вибрано спосіб підземної навігації USA, № 4710708, GО1B 7/14, Develco, San Jose, Calif. 1987. Згідно з цим способом для позиціювання інструмента, який знаходиться під землею, та запобігання його зіткнення з підземною перешкодою під землею розташовується випромінююча антена в вигляді соленоїда з феромагнітною серцевиною. Антена може функціонувати безпосередньо під час проведення робіт і живитися від аккумулятора. Частота магнітних сигналів, випромінюваних антеною, знаходиться в діапазоні 1-1000 Гц. Приймачем магнітних сигналів служить одно- або трикомпонентний магнітометр. Для визначення місця положення випромінювача використовують один рухомий або три стаціонарних магнітометра. До недоліків відомого способу слід віднести наступне: 1 UA 104776 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - неоптимальний діапазон частот магнітного поля 1-1000 Гц. Цей діапазон повністю перетинає діапазони частот найбільш сильних магнітних перешкод: міський шум (0,5-50 Гц), мережеві перешкоди (50 Гц, 60 Гц та їх гармоніки) атмосферні шуми (2-1000 Гц.); - складність у визначенні місця знаходження випромінювача сигналу: необхідність переміщення приймача або наявність трьох стаціонарних приймачів; - громіздкість та велике енергоспоживання випромінювача сигналів: зростання кількості витків котушки соленоїда та сили споживаного струму для отримання необхідної амплітуди магнітних сигналів і, як наслідок, зростання ваги всього пристрою. Суть винаходу. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу виявлення людей в поглинаючих та екрануючих середовищах шляхом випромінювання магнітних сигналів обертаючим магнітним диполем та їх реєстрацію векторним магнітометром, також спрощення процесу пошуку, що дозволить збільшити дальність та швидкість пошуку. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі дистанційного виявлення людей, який включає випромінювання магнітного сигналу та його реєстрацію приймачем, відповідно до винаходу випромінюють магнітні сигнали в діапазоні частот 0,1-1 Гц розташованим в екіпіровці обертаючим навколо власної осі симетрії магнітним диполем, а приймають векторним магнітометром, чутливий елемент якого виконано на феритовій плівці, з переважним напрямком чутливості до магнітного поля в площині плівки; для економії ресурсу акумулятора випромінювача його включають дистанційно зондуючим магнітним імпульсом. Причинно-наслідковий зв'язок між ознаками винаходу та досягнутим технічним результатом обґрунтовується наступним чином. Суттєва ознака, пов'язана з випромінюванням магнітних сигналів в діапазоні 0,1-1 Гц необхідна для зменшення впливу на сигнал електричних властивостей навколишнього середовища та магнітних шумів. На відміну від прототипу, в діапазоні 0,1-1 Гц відсутні мережні перешкоди та атмосферні шуми. Ця дія забезпечує зростання дальності пошуку. Суттєва ознака, пов'язана з тим, що сигнали випромінюють обертаючим магнітним диполем, необхідна для зменшення розмірів, ваги та енергоспоживання випромінювача сигналу, тому що, для отримання низькочастотного магнітного поля шляхом обертання постійного магніту необхідно значно менші затрати електричної енергії ніж для отримання такого ж поля за допомогою соленоїда. Суттєва ознака, пов'язана з використанням як первинного перетворювача феритової плівки, яка має переважний напрямок чутливості до магнітного поля в площині плівки, необхідний для спрощення визначення азимута випромінювача сигналу. На відміну від прототипу, де необхідно переміщення магнітометра або наявність трьох стаціонарних магнітометрів, в винаході напрямок сигнала визначається за рахунок обертання на 360° плівкового перетворювача. Суттєва ознака, пов'язана з тим, що випромінювач сигналу включають зондуючим магнітним імпульсом необхідна для економії витрати енергії акумуляторів та збільшення часу роботи випромінювача. Відомості, які підтверджують можливість реалізації винаходу. Пропонований спосіб реалізується наступним чином. Випромінювач, який являє собою герметичний контейнер з розмірами 5×5×3 см та вагою 150 г, закріплюється в одежі або екіпіровці людини. В контейнері знаходяться магнітний диполь, мікродвигун, магнітний сенсор та електронна плата управління. Живлення здійснюється від власного джерела або від рудничного світильника. Приймачем споряджається пошуковорятувальна команда. Приймач являє собою герметичний контейнер з розмірами 20×6×10 см та вагою 2 кг. В контейнері знаходяться векторний магнітометр, електронні плати управління та елементи живлення. Первинний перетворювач магнітометра виконано на феритовій плівці, наприклад на плівці залізо-ітрієвого гранату, яка має переважний напрямок чутливості до магнітного поля в площині плівки, що дозволяє сформувати гостру діаграму напрямку первинного перетворювача. Обертаючи перетворювач на 360°, визначають напрямок випромінювання сигналу та відстань до його джерела по величині амплітуди прийнятого сигналу. На корпусі приймача знаходяться тумблер та індикатор ввімкнення приймача, гнізда для підключення навушників та компьютера. Крім того, команда рятувальників має портативний генератор зондуючих магнітних імпульсів. Процес пошуку здійснюється наступним чином. Рятівник вмикає генератор зондуючих магнітних імпульсів. За рахунок того, що у рятівників немає особливих обмежень на енергоспоживання та габарити апаратури, амплітуда цих імпульсів може бути достатньо великою для регестрації їх на великій відстані звичайним (наприклад магніторезистивним) магнітним сенсором, який знаходиться в випромінювачі. Цей сенсор приймає зондуючий магнітний імпульс та за допомогою електронного реле запускає роботу випромінювача. 2 UA 104776 C2 5 10 15 20 25 30 Випромінювач працює встановлений проміжок часу (4-5 хвилин). Впродовж цього проміжку часу він випромінює магнітні сигнали, наприклад на частоті 0,5 Гц, після чого автоматично вимикається. Приймач, який знаходиться у рятівника, визначає напрямок випромінювання магнітного сигналу і тональним сигналом у навушниках вказує рятівнику напрямок на розшукуваний об'єкт. Відстань до розшукуваного об'єкту визначається по гучності аудіосигналу у навушниках. При підключенні до приймача комп'ютера можлива візуалізація процессу пошуку на екрані монітора, обробка сигналів програмними засобами та архівація даних. У разі необхідності, описані вище дії, повторяются до успішного завершення пошукових робіт. Дальність виявлення визначається напруженістю магнітного поля на полюсах магнітного диполя, його розмірами та порогом чутливості магнітометра. При використанні постійних Nd магнітів з напруженістю магнітного поля на полюсах 0,3 Т, довжині диполя 5 см і порозі -9 чутливості магнітометра 10 Т дальність виявлення досягає 40 метрів. При порозі чутливості 10 10 Т ця відстань зростає до 80 метрів, а при використанні постійних магнітів з напруженістю 2-3 Т досягає 160 метрів. Пропонований спосіб дозволяє суттєво збільшити дальність виявлення за рахунок використання для магнітної локації магнітних сигналів з частотою 0,1-1 Гц; зменшити габарити, вагу та енергоспоживання прикріпленого до об'єкту пошуку випромінювача сигналу за рахунок магнітного диполя, що обертається; спростити процедуру пошуку за рахунок використовування первинного магнітного перетворювача виконаного на базі феритової плівки з переважним напрямком чутливості до магнітного поля в площині плівки; збільшити ресурс роботи випромінювача магнітних сигналів за рахунок його дистанційного ввімкнення зондуючим магнітним імпульсом. Все разом дозволяє суттєво збільшити ефективність роботи пошуковорятувальних служб. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб дистанційного виявлення персоналу у поглинаючих та екрануючих середовищах шляхом випромінювання магнітних сигналів та їх реєстрації приймачем, який відрізняється тим, що випромінюються магнітні сигнали у діапазоні 0,1-1 Гц обертаючим навколо власної осі симетрії магнітним диполем, що закріплений в екіпіровці людини, а їх реєстрація здійснюється векторним магнітометром, чутливий елемент якого виконано на феритовій плівці з переважним напрямком чутливості до магнітного поля в площині плівки. 2. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що випромінювач магнітного сигналу вмикають дистанційно зондуючим магнітним імпульсом. 35 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3