ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1996 года по МПК G01S13/78 

Изобретение относится к телеметрическим системам идентификации объектов с использованием СВЧ-диапазона электромагнитных волн и может быть применено для идентификации рядом расположенных малотоннажных контейнеров, багажа в аэропортах, пунктах таможни для опознавания личности на контрольно-пропускных пунктах, в сельском хозяйстве для идентификации и отбора животных и т.п.

Известна система запроса и обнаружения (патент США N 4075632, кл. G 01 D 9/56, H 04 B 1/59, 346/6.8P, 325/113, 1978), содержащая считывающее устройство, ответчик, установленный на удаленном от считывающего устрйоства идентифицируемом объекте. В состав считывающего устройства входят генератор немодулированных колебаний, приемопередающая антенна, линия передачи, к входу которой подключен генератор, а к выходу антенна, два направленных ответвителя, включенных в линию передачи навстречу друг другу, к которым подключены последовательно соединенные смеситель, фильтр нижних частот (ФНЧ) и демодулятор. Датчик включает приемопередающую антенну, выпрямитель несущей, модулирующий генератор, на который подается питание с выпрямителя, измерительный преобразователь, включенный на управляющий вход модулирующего генератора, переменную нагрузку, на управляющий вход которой подается модулирующий сигнал, причем выход нагрузки через выпрямитель соединен с выходом антенны.

Также известна система для идентификации конкретных объектов, принятая за прототип (патент США N 4739328, кл. G 01 S 13/00, 342/44, 342/51, 1988), содержащая считывающее устройство и ответчик, которым оснащен идентифицируемый объект. Считывающее устройство содержит генератор немодулированных колебаний, приемопередающую антенну, линию передачи, два направленных ответвителя, два смесителя, фазосдвигатель на 90^о по высокой частоте, два усилителя низкой частоты (НЧ) и демодулятор. Направленные ответвители включены в линию передачи навстречу друг другу, а их выходы со сдвигом фазы между ними на 90^о подключены к входам смесителей. Выходы смесителей через усилители НЧ подключены к демодулятору.

Считывающее устройство немодулированным излучением запрашивает ответчик, который содержит последовательно включенные приемопередающую антенну, модулятор и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). ПЗУ выдает идентифицирующую последовательность "единиц" и "нулей" в двоичном коде, индивидуальном для конкретного объекта. Этим кодом модулируются отражения от антенны ответчика.

У аналога и прототипа угловая разрешающая способность системы определяется шириной главного лепестка диаграммы направленности (ДН) приемопередающей антенны считывающего устройства, поэтому датчики, установленные на рядом расположенных малоразмерных объектах, не могут быть считаны раздельно считывающими устройствами аналога и прототипа, так как импульсные сигналы одного датчика наложатся на сигналы другого. В лучшем случае правильно будут считаны данные с ближе расположенного датчика, имеющего большую амплитуду отраженного полезного сигнала, а сигналы другого датчика воспримутся как помеха.

Техническим результатом изобретения является способность предложенной системы идентифицировать несколько рядом распложенных объектов, когда в пределах главного лепестка ДН приемопередающей антенны считывающего устройства находится несколько датчиков, установленных на разных идентифицируемых объектах.

Этот результат достигается благодаря тому, что телеметрическая система идентификации объектов содержит считывающее устройство и по меньшей мере два датчика, установленных на рядом расположенных идентифицируемых объектах, удаленных от считывающего устройства. Считывающее устройство содержит генератор немодулированных электромагнитных колебаний, приемопередающую антенну, линию передачи, к входу которой подключен выход генератора, а к выходу антенна, несколько ответвителей, включенных в линию передачи, несколько смесителей, входы которых соединены с выходами ответвителей, несколько ФНЧ, входы которых соединены с выходами смесителей, несколько усилителей НЧ, входы которых соединены с выходами ФНЧ, и демодулятор-сумматор, входы которого соединены с выходами усилителей НЧ.

Датчики могут быть выполнены в двух вариантах, связанных единым изобретательским замыслом. В первом варианте датчик содержит приемопередающую антенну, выпрямитель несущей частоты сигнала антенны считывающего устройства, подключенный к выходу антенны, генераторы кода и коммутирующих импульсов, коммутатор, к сигнальному входу которого подключен генератор кода, а к управляющему входу генератор импульсов, модулятор, управляющий вход которого подключен к выходу коммутатора, а выход к выходу антенны. Схема датчика работает от выпрямителя несущей.

Во втором варианте датчик содержит приемопередающую антенну, модулятор, включенный на выход антенны, генераторы кода и коммутирующих импульсов, коммутатор, к сигнальному входу которого подключен генератор кода, а к управляющему входу генератор импульсов. Схема датчика получает электропитание от автономного источника батареи элементов.

Датчики расположены на рядом стоящих идентифицируемых объектах так, чтобы не затенять друг друга в главном лепестке ДН антенны считывающего устройства.

Система может быть оснащена датчиками первого или второго варианта исполнения или теми и другими вместе.

Для разрешения датчиков, находящихся на одной или разных дальностях в пределах главного лепестка ДН антенны считывающего устройства, используется режим разделения работы модуляторов датчиков во времени.

При несинхронной работе генераторов коммутационных импульсов и отличающихся частотах повторения двух датчиков вероятность их разрешения по времени составляет
Р_р 1 Р_с/М, где Р_с вероятность перекрытия коммутирующих импульсов, которая равна 1/Q, где Q скважность следования коммутирующих импульсов;
М число считываний за время измерения.

Скважность Q T_к/τ_м, где Т_к период коммутации;
τ_м длительность импульса коммутации.

Для известных систем идентификации длительность кодовых посылок τ _к составляет 10 мс (128 бит информации, поступающей с частотой 10 кГц, или 1024 суббит информации, следующих с частотой 100 кГц). При длительности импульса коммутации τ_м больше в два раза длительности кодовой посылки τ_к, периоде следования коммутационных импульсов Т_к 0,2 с и общем времени считывания 1 с (М 5) вероятность раздельного считывания датчиков составляет 0,99, что вполне достаточно для условий применения системы.

На фиг.1 представлены основные части системы и их взаимное расположение в пространстве; на фиг.2 структурные схемы блока считывания и датчиков двух вариантов исполнения; на фиг.3 приведена структурная схема генератора кода, где 1 блок считывания, 2 датчик в первом варианте исполнения, 3 датчик во втором варианте исполнения, 4 генератор немодулированных колебаний, 5 линия передачи, 6 приемопередающая антенна, 7 n пар ответвителей, 8 смесители, 9 ФНЧ, 10 усилители, 11 демодулятор-сумматор, 12,12' приемопередающие антенны датчиков, 13 ответвитель датчика 2, 14 трансформатор сопротивлений, 15 выпрямитель несущей частоты излучений антенны 6, 16 стабилизатор напряжения, 17 устройство электропитания схемы датчика 2, 18,18' генераторы кода объекта, 19,19' коммутаторы, 20,20' генераторы коммутирующих импульсов, 21,21' модуляторы, 22 батарея питания датчика 3, 23 ДН антенны 6, 24 кварц, 25 кварцевый генератор, 26 схема управления (синхронизации), 27 ПЗУ.

Блок 1 считывания может быть выполнен по схеме фиг.2 и включает генератор 4 немодулированных колебаний, линию 5 передачи, приемопередающую антенну 6, две пары ненаправленных ответвителей 7, смесители 8, ФНЧ 9, усилители 10 НЧ и демодулятор-сумматор 11. Генератор 4 может быть выполнен на клистроне, диоде Гана или СВЧ-транзисторах по известным схемам. Линия 5 передачи может быть выполнена на отрезках волновода, коаксиального кабеля или на полосковой линии. Антенна 6 может быть выполнена в виде рупора, полуволнового вибратора или спиральной антенны. Ответвители 7 могут быть выполнены ненаправленными в виде отводов от линии 5 с емкостной или индуктивной связью. Смесители 8 выполняются на смесительных диодах. ФНЧ 9 могут быть выполнены из RС-цепочек. Усилители 10 выполнены операционными, имеющими противофазные входы, так как пары ответвителей включены в линию 5 на расстоянии λ/4 (λ рабочая длина волны генератора 4), и, следовательно, отраженные сигналы на них находятся в противофазе. Другая пара ответвителей находится от первой на расстоянии, не равном λ/4, поэтому при любом сочетании фаз сигнала гетеродина и отраженного по меньшей мере на одной паре ответвителей всегда будет отраженный сигнал, не равный нулю. Демодулятор-сумматор 11 может быть выполнен на НЧ-диодах и ответвителе.

Антенны 12 и 12' датчиков 2 и 3 могут быть выполнены в виде полуволнового вибратора. Ответвитель 13 может быть выполнен с емкостной или индуктивной связью на полосковой линии. Трансформатор 14 сопртивлений может быть выполнен в виде шлейфов, соизмеримых с длиной волны генератора 4. Выпрямитель 15 несущей может быть собран на диоде и RC-цепочках. Стабилизатор 16 напряжения может быть собран по известным схемам на транзисторах. Генератор 18 кода может быть собран по схеме фиг.3. Коммутатор 19 может быть выполнен на pin-диоде. Генератор 20 коммутирующих импульсов может быть собран на кварцевом генераторе. Модулятор 21 может быт собран на резонансном фильтре с модуляцией фазы отраженного от его входа сигнала путем изменения его собственной резонансной частоты с помощью варикапа, управляемого сигналами генератора 18 кода. Батарея 22 питания может быть набрана из литиевых элементов питания.

Ширина главного лепестка 23 ДН антенны 6 определяется как отношение λ/D, где D диаметр раскрыва антенны. Датчики 2 и 3 размещаются на удаление от блока 1 считывания в главном лепестке ДН антенны 6 так, что один датчик не затеняет другой.

Блок 1 считывания содержит генератор 4, линию 5 передачи, подключенную к выходу генератора, антенну 6, подключенную к второму концу линии, две пары ненаправленных ответвителей 7, включенных в линию передачи и расположенных в ней на расстоянии λ/4 между ответвителями одной пары и на расстоянии, не равном λ/4 между парами, причем ответвители одной пары через смесители 8 и ФНЧ 9 соединены с входами одного усилителя 10, и демодулятор-сумматор 11, входы которого соединены с выходами усилителей.

Датчик 2 (фиг.2) содержит антенну 12, овтетвитель 13, включенный на выходе антенны, блок 17 питания, генераторы кода 18 и коммутирующих импульсов 20 и коммутатор 19, к сигнальному входу которого подключен генератор 18, а к управляющему входу генератор 20 и модулятор 21, вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход с вторым выходом ответвителя 13.

Датчик 3 (фиг.2) может быть выполнен по схеме датчика 2 или оба датчика могут быть выполнены по схеме датчика 3. Для примера датчик 3 выполнен по другой схеме, которая содержит антенну 12', модулятор 21', включенный на выход антенны, генераторы 18' и 20' кода и коммутирующих импульсов и коммутатор 19', к сигнальному входу которого подключен выход генератора 18', а к управляющему входу генератор 20', кроме того, выход коммутатора соединен с входом модулятора 21'. Схема датчика запитывается батареей 22 питания.

Система работает следующим образом.

Генератор 4 генерирует колебания, а антенна 6 излучает их в направлении датчиков 2 и 3. Антенны 12 и 12' датчиков 2 и 3 одновременно принимают излучения антенны 6. Излучение запускает схему датчика 2, которая работает от блока 17 питания. Включаются генераторы 18 и 20 и модулятор 21, который модулирует отражение от антенны в соответствии с кодом генератора 18 в моменты времени, когда импульсы генератора 20 открывают коммутатор 19. Схема датчика 3 работает всегда, пока не разрядится батарея 22 питания. Поэтому отраженный от ее антенны сигнал модулируется кодом генератора 18' в моменты времени, когда импульсы генератора 20' открывают коммутатор 19' датчика 3. Генераторы 20 импульсов датчиков 2 и 3 не синхронизированы, поэтому посылки кодов также не синхронизированы и с вероятностью 0,99 не совпадают по времени. Антенна 6 блока считывания устройства последовательно принимает сигналы двух датчиков. Блок считывания преобразует сигналы, отраженные от антенн 12, 12', фильтрует их, усиливает и демодулирует. Таким образом система идентифицирует сигналы двух близко расположенных датчиков.

Использование: для идентификации рядом расположенных объектов - контейнеров, багажа в аэропортах, для опознавания личности и т.д. Сущность изобретения: система содержит блок 1 считывания, датчики 2,3, приемопередающие антенны 6,12,12′ генератор 4 немодулированных колебаний, линию 5 передачи, n ответвителей 7, n смесителей 8, n фильтров 9 нижних частот, n/2 усилителей 10, демодулятор-сумматор 11, модуляторы 21,21′ блок 22 питания, генераторы 18,18′ кода, коммутаторы 19,19′ генераторы 20,20′ коммутирующих импульсов, что позволяет идентифицировать сигналы двух близко расположенных датчиков. 3 ил.

ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ, содержащая блок считывания и не менее двух датчиков, установленных на разных идентифицируемых объектах, удаленных от блока считывания, причем блок считывания состоит из последовательно соединенных генератора немодулированных колебаний, линии передачи, приемопередающей антенны, кроме того к n выходам линии передачи подключены n пар ответвителей, каждый из ответвителей через соответвующие последовательно соединенные смеситель и фильтр нижних частот соединен с соответствующим входом n/2 усилителей, причем первый и второй входы каждого усилителя являются противофазными, выходы n/2 усилителей подключены к входам демодулятора-сумматора, выход которого является выходом системы, кроме того, каждый из датчиков состоит из приемопередающей антенны, соединенной с модулятором, последовательно соединенных блока питания и генератора кода объекта, при этом оба датчика расположены в главном лепестке диаграммы направленности, отличающаяся тем, что в каждый из датчиков введены генератор коммутирующих импульсов и коммутатор, причем выход блока питания в каждом из датчиков соединен с входом генератора коммутирующих импульсов, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом генератора кода объекта, выход каждого коммутатора соединен с входом соответствующего модулятора.