Краткий обзор и анализ перспектив развития акустических приборов поиска пострадавших в неоднородных средах
А.К. Алимурадов, Ю.С. Квитка
Аннотация
Исследуются способы ведения поисковых работ в неоднородных средах, в особенности способ с использованием специальных приборов поиска. Предмет исследования - принцип действия специальных приборов поиска и условия их применения.
Целью работы является определение перспектив развития поисковых устройств акустического класса, позволяющих повысить эффективность определения местоположения пострадавшего под завалами. Проводится обзор способов ведения поисковых работ в неоднородных средах. Рассматриваются принципы действия и условия применения существующих приборов поиска, отмечаются их достоинства и недостатки. Выявляются проблемы фильтрации полезных акустических сигналов, оказывающие негативное воздействие на работоспособность и эффективность акустических приборов на территории проведения поисковых работ. Предлагается способ субполосной адаптивной фильтрации на основе разложения акустического сигнала на несколько частотных составляющих посредством метода декомпозиции на эмпирические моды в качестве перспективы развития поисковых устройств акустического класса, позволяющий повысить порог работоспособности в условиях интенсивных помех и точности определения местоположения пострадавшего в неоднородных средах.
Ключевые слова: акустические приборы поиска, поиск пострадавших, декомпозиция на эмпирические моды, акустический сигнал.
Введение
Согласно данным МЧС России уже за первые шесть месяцев 2019 г. при сравнительно одинаковом количестве пострадавших под завалами число погибших по сравнению с 2018 г. возросло на 25 % [1].
Основная причина этого - текущий уровень технического оснащения поисково-спасательных подразделений.
Эффективным решением задачи поиска пострадавшего в неоднородных средах является комплексное применение всех способов ведения поисковых работ.
Поисковые работы в неоднородных средах представляют собой ряд действий поисково-спасательных подразделений (групп, звеньев, расчетов), направленных на выявление точного местоположения людей под завалами и обеспечение связи с ними, определение их функционального состояния, объема необходимой помощи и наличия опасности воздействия на них вторичных поражающих факторов.
Существует четыре способа ведения поисковых работ: по свидетельствам очевидцев, сплошное визуальное обследование участка, кинологический (с использованием специально подготовленных собак) и технический (с использованием специальных приборов поиска). Данная статья посвящена краткому обзору специальных приборов поиска и анализу перспектив развития приборов акустического класса для поиска пострадавших в неоднородных средах. Научная работа является продолжением ранее опубликованных трудов авторов [2, 3] и выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ, проект № СП-246.2018.5.
Типы поисковых приборов
Наиболее оперативным способом поиска является технический, который основан на распознавании и регистрации техническими устройствами признаков живого человека под завалами. Анализ данных предварительной инженерной разведки местности позволяет подобрать необходимое оборудование и провести поисковые работы с помощью технических устройств, что не только уменьшает вероятность совершения ошибок, но и сокращает время поиска до 30-60 мин. Эффективность зависит как от технических характеристик применяемых приборов, так и от параметров завала и ряда других факторов. По физическому принципу действия поисковые приборы подразделяются на следующие типы: оптические, или телевизионные, акустические, или сейсмические, радиолокационные, тепловизионные, химические и биолокационные.
Первый тип устройств обеспечивает визуальный осмотр наиболее труднодоступных мест проведения поисковых работ.
Второй и третий типы применимы при определенной физической активности пострадавшего: фиксируют различные шумы и колебания, формируемые в окружающем пространстве; выделяют определенные спектральные характеристики, присущие живому человеку.
Четвертый тип приборов особенно востребован в ночное время суток.
Пятый тип устройств основан на химическом анализе продуктов жизнедеятельности человека.
Шестой тип - на психофизиологических и лептонных свойствах человеческого организма.
На рис. 1 структурно представлено оснащение поисково-спасательных подразделений МЧС России [4].
Рис. 1. Оснащение поисково-спасательных подразделений МЧС России
Этапы проведения поисковых работ
Поисковые работы условно делятся на два этапа:
- обнаружение сигналов пострадавшего;
- поиск местонахождения (координат) пострадавшего (в то же время составляется схема завала, состоящая из пронумерованных квадратов поверхности).
Первый этап. В условиях отсутствия информации о местонахождении пострадавшего обнаружение сигналов осуществляется по индикаторной шкале приборов в точках измерения уровня сигнала при последовательном обходе квадратов несколькими операторами.
На рис. 2 представлены маршруты движения операторов, проходящие через центры квадратов поиска. Последовательность прохождения квадратов устанавливается с учетом вероятности обнаружения пострадавшего.
Рис. 2. Первый этап поиска с помощью технических устройств: обнаружение сигналов пострадавшего
Второй этап. В локации, где зафиксированы сигналы пострадавшего, измеряются новые уровни сигналов в четырех точках (в различных направлениях и удаленных на 1,5-3 м). Далее из четырех точек определяется точка максимального уровня сигнала, после чего действия повторяются относительно новой точки измерения (рис. 3).
Рис. 3. Второй этап поиска с помощью технических устройств: определение координат пострадавшего
Сравнение поисковых приборов
Соответственно если уровни сигналов в новых точках измерения меньше, чем в исходной точке, то пострадавший находится под завалом в данной локации. Рассмотрим конструктивные особенности, условия применения и недостатки таких приборов поиска пострадавших, которые изготовлены и приняты на снабжение аварийноспасательных формирований (табл. 1, 2).
Таблица 1
Принципы действия и конструкция поисковых приборов и систем
|
Тип |
Принцип действия |
Конструкция |
|
|
Телевизионные приборы |
Сплошное визуальное обследование участка посредством дистанционного осмотра полостей завалов, доступ к которым ограничен |
Блок поиска: датчик с видеокамерой, микрофоном и акустическим излучателем, телескопическая досмотровая штанга и механизм управления поворотом датчика. Блок монитора с встроенным автономным питанием. Элементы встроенной подсветки, сетевого зарядного устройства, соединительных кабелей и укладки |
|
|
Акустические приборы |
Регистрация акустических и сейсмических сигналов, подаваемых пострадавшими. Усилитель, имеющий фильтры низких и высоких частот, позволяет установить необходимую громкость и частоту прослушиваемых акустических сигналов, а через головные телефоны и с помощью индикаторов, регистрирующих максимальные показания в точках измерения, осуществляется получение информации. В случае, когда пострадавший не имеет возможности двигаться и способен подавать сигнал о помощи только голосом, используется прибор, оснащенный микрофонным зондом, который для снижения наружных помех опускается в пустоты завала |
Приемное устройство (акустический или сейсмический датчик). Усилитель преобразователя. Выходное устройство (головные телефоны, индикаторы) |
|
|
Тепловизионные приборы |
Регистрации инфракрасного электромагнитного излучения тела человека в спектральном диапазоне средневолновой области (3-20 мкм) |
Неохлаждаемые микроболометры (оптические тепловые приемники излучения) в противоударном влагонепроницаемом корпусе |
|
|
Радио-локационные приборы |
В зоне поиска создается электромагнитное поле, а именно зондирующий сверхширокополосный сигнал, отражения которого принимаются, обрабатываются и регистрируются в виде данных о подповерхностной структуре |
Радиоблок поиска с антенным устройством, блок монитора, пульт управления и индикации, штатив, акустическая гарнитура, передающее устройство, приемник, комплект соединительных кабелей |
Таблица 2
Основные технические характеристики приборов поиска
|
Технические характеристики |
Тип прибора |
||||
|
Телевизионные |
Акустические |
Тепловизионные |
Радиолокационные |
||
|
Дальность обнаружения, м |
2,85-6,5 |
5-10 |
850-1400 |
1-8. |
|
|
Время непрерывной работы, ч |
1,8-2,5 |
5-10 |
4-5 |
2-4 |
|
|
Масса, кг |
4,3 |
2,2-6 |
0,9-1,2 |
3,1 |
|
|
Рабочая температура, °С |
-50...+ 50 |
-40...+ 50 |
-20...+ 45 |
-20...+ 50 |
|
|
Время развертывания, подготовки и замера, с |
- |
110 |
30 |
350-360 |
|
|
Скорость обследования поверхности завала, м2/ч |
- |
300 |
- |
600 |
Несмотря на малую дальность обнаружения, телевизионные приборы обеспечивают обследование недоступных областей под завалами с возможностью панорамного обзора зоны осмотра на дальности до 10-12 м с требуемой четкостью изображения и работы при нулевом уровне освещенности в зоне объекта за счет встроенной подсветки. Однако они требуют наличия отверстия не менее 35-45 мм для проникновения в завал [5]. Акустические приборы предназначены для обнаружения живых людей, не способных двигаться под завалами. Основными недостатками акустических приборов являются необходимость нахождения пострадавшего в сознании для формирования акустической или сейсмической волны; несовершенство микрофонных датчиков, не позволяющих точно определить местонахождение пострадавшего в завале; сложность выделения полезного акустического сигнала в шумовой обстановке [6].
Тепловизионные приборы дают изображение высокого качества, они эргономичны, ударостойки и защищены от влаги. К недостаткам тепловизионных приборов можно отнести невозможность ведения всех типов поисковых работ, так как инфракрасное излучение практически полностью поглощается твердыми предметами [7, 8].
Радиолокационные приборы, несмотря на их защищенность от попадания воды, малопригодны для работы во влажных средах и в областях, содержащих большое количество металлических конструкций, из-за возможного экранирования.
Однако они обладают высокой скоростью составления объемных изображений подповерхностной структуры завала (требует жесткой привязки к местности), что важно при проведении предварительной инженерной разведки местности [9-12].
Эффективным решением задачи поиска пострадавшего в неоднородных средах является комплексное применение всех способов ведения поисковых работ. Однако в первый час проведения поисковых работ наиболее эффективными являются акустические приборы, позволяющие обнаружить под завалами находящегося в сознании человека.
Современные акустические приборы «Delsar LifeDetector LD3», «Пеленг-1» и «Спрут- АПП» оснащаются всенаправленными микрофонами с частотным диапазоном от 3000 до 15 000 Гц. Для наиболее эффективного проведения поисковых работ требуется обеспечение приборов данного класса микрофонными датчиками, обладающими оптимальными направленными свойствами с динамическим диапазоном от 20 до 20 000 Гц. Главным недостатком акустических приборов поиска, существенным для практического применения, является неприспособленность к работе в условиях интенсивных помех.
Перспективы развития поисковых акустических приборов
Наиболее характерными помехами, оказывающими негативное воздействие на работоспособность акустических приборов, являются эхо-сигналы, ухудшающие разборчивость полезного сигнала и приводящие к погрешностям обнаружения пострадавших под завалами. Эффективная фильтрация эхо-сигналов возможна за счет разделения зарегистрированного акустического сигнала на несколько частотных составляющих - субполосной адаптивной фильтрации [13, 14]. На рис. 4 представлена структурная схема субполосной адаптивной фильтрации.
Рис. 4. Структура субполосного адаптивного фильтра
В данной схеме опорный сигнал x(n) и сигнал, прошедший через неизвестную среду d(n), разделены на определенное количество субполос посредством банка фильтра анализа H(z) = [H0(z),H1(z), …,HN-1(z)]. Из-за своей простоты в качестве алгоритма адаптивной фильтрации в субполосах используется нормализованный метод наименьших квадратов (Normalised least meansquares filter, NLMS). Весовые функции набора адаптивных фильтров каждой субполосы определяются по следующим формулам:
где xi,D и di,d(n) - опорные и входные сигналы субполосного адаптивного фильтра; yi,d - выходные сигналы субполосного адаптивного фильтра; м- размер шага; N - число субполос; е- параметр регуляризации, который близок к нулю; еi,d {п) - ошибка прореженной субполосы; п - индекс последовательностей дискретных отсчетов времени. Обзор литературы [15-17] и собственные исследования [2, 3] позволили выявить перспективность использования в поисковых акустических приборах субполосной адаптивной фильтрации на основе метода обработки в частотно-временной области - декомпозиции на эмпирические моды (ДЭМ) [18]. ДЭМ представляет собой уникальную адаптивную технологию анализа нестационарных данных, не требующую никакой априорной информации для разложения сигнала на частотные составляющие.