СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЖИВЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01S13/52 

Устройство относится к радиолокации и может использоваться для обнаружения живых людей в завалах или укрытиях.

Известны способы и устройства обнаружения живых существ в завалах, описанные в патентах ЕПВ NN 0075199, 0082491, 0092600, 080185, 0288578.

Однако все эти способы и устройства обладают недостаточной вероятностью обнаружения живых людей в завалах.

Наиболее близким к изобретению по наличию существенных признаков является устройство для автоматической идентификации объектов и/или живых существ, в котором реализован способ обнаружения объектов, описанные в патенте ЕПВ N 0082491, кл. G 01 S 13/82, опублик. 1986).

Это устройство содержит задающий генератор, ответвитель, циркулятор, антенное устройство, последовательно соединенные фазовый генератор и блок обработки, а также усилитель, схему управления и фазовращатель.

Способ обнаружения раскрывается в описании работы устройства и заключается в следующем: излучают в пространство непрерывный конкретный зондирующий сигнал, принимают отраженный сигнал, состоящий из большого сигнала помехи, отраженного от местных предметов, а также из слабых сигналов, отраженных от живых существ, а затем, воздействуя на фазовращатель, производят компенсацию помехового сигнала с целью выделения полезного сигнала.

Однако полной компенсации сигналов помехи не происходит, так как одновременно принимаются сигналы, отраженные от всех окружающих предметов, в том числе и подвижных (транспорт, ветви деревьев, листва и т.д.). Кроме того, данные способ и устройство не позволяют определить местоположение живых существ.

Цель изобретения повышение вероятности обнаружения скрытых живых существ.

Сущность способа обнаружения живых объектов состоит в том, что в известном способе, предусматривающем формирование опорного сигнала, излучение зондирующего сигнала, прием отраженного сигнала, выделение сигнала биений принятого сигнала относительно опорного сигнала дополнительно выполняют следующие операции:
производят импульсную модуляцию зондирующего сигнала;
принятый отраженный сигнал перед формированием сигнала биений стробируют импульсами, согласованными по длительности с зондирующим импульсом и задержанным в соответствии с анализируемым (заданным) интервалом дальности;
выделяет спектр сигнала биений заданной дальности в течение интервала наблюдений;
сравнивают его с пороговыми значениями и по результатам сравнения принимают решение об обнаружении живых объектов.

Кроме того:
перед выделением спектра производят выделение сигналов низкочастотных биений одновременно относительно нескольких, последовательно сдвинутых на π/4, значений начальных фаз опорного сигнала;
определяют из них сигнал с наименьшей постоянной составляющей (для которого и производят выделение спектра).

Кроме того:
в качестве пороговых значений используют значения соответствующих спектральных компонент, выделенных в одной или нескольких предшествующих дальностях в текущем цикле зондирований;
в качестве пороговых значений используют значения соответствующих спектральных компонент, выделенных в одноименной дальности в предыдущем цикле зондирования.

Анализируемый сигнал многократно продлевают по времени в обе стороны и продление производят с убывающей амплитудой.

Сущность устройства состоит в том, что в известное устройство, содержащее генератор опорных колебаний, передатчик, антенную систему, приемник, блок формирования сигнала биений, второй вход которого подключен к генератору опорных колебаний, блок обработки, блок индикации, дополнительно введены между передатчиком и генератором опорных колебаний импульсный модулятор, между антенной системой и приемником стробирующий каскад, соединенный с генератором импульсов, второй выход которого соединен с импульсным генератором, а вход с блоком управления, выход блока формирования сигналов биений подключен к блоку обработки через аналого-цифровой преобразователь (АЦП), два выхода блока обработки подключены ко второму и третьему входам блока управления, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам блока обработки, третий, четвертый, пятый выходы блока управления соединены соответственно с индикатором, генератором импульсов и управляющим входом блока формирования сигналов биений.

Блок формирования сигнала биений содержит, например, четыре фазосдвигающие цепочки, смещающие фазу опорного колебания на π/4, четыре фазовых детектора, четыре фильтра низкой частоты и четырехканальный переключатель. Выходы каждой фазосдвигающей цепочки через последовательно соединенные фазовый детектор и фильтр низкой частоты подключены к одному из входов четырехканального переключателя соответственно. Входы всех фазосдвигающих цепочек объединены и подключены к выходу генератора опорных колебаний. Вторые входы фазовых детекторов подключены к выходу приемника. Выход переключателя подключен к входу АЦП, а управляющий вход к одному из выходов блока управления.

Блок обработки содержит запоминающее устройство (ЗУ), анализатор спектра, блок сравнения, анализатор постоянной составляющей. Первые входы анализатора постоянной составляющей, анализатора спектра и запоминающего устройства подключены к выходу АЦП. Вторые входы ЗУ и анализатора спектра подключены к первому и второму выходам блока управления соответственно. Первый выход ЗУ подключен к одному входу блока сравнения, другой вход которого подключен к первому выходу анализатора спектра, третий вход и второй выход которого соединены соответственно с вторым выходом и третьим входом ЗУ. Выход анализатора постоянной составляющей и выход блока сравнения подключены к первому и второму входам блока управления соответственно.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием новых операций над сигналом, заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и связей между ними. Это дает основание считать, что заявляемые способ и устройство соответствуют критерию "новизна".

Изобретательский уровень состоит в выделении полезного сигнала на фоне сильных мешающих факторов в ограниченных интервалах дальности путем формирования сигналов биений относительно фиксированных начальных фаз опорного сигнала, что дает возможность выделить сигнал биений с минимальной постоянной составляющей. Кроме того в качестве пороговых значений использованы спектральные компоненты соответствующих сигналов. Использованные приемы являются нетрадиционными и позволяют существенно повысить вероятность обнаружения объектов.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 схема блока обработки; на фиг. 3 и 4 диаграммы, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство обнаружения живых объектов содержит последовательно соединенные генератор 1 опорных сигналов, импульсных модулятор 2 (ИМ), передатчик 3, антенную систему 4 (АС), стробирующий каскад 5, приемник 6, генератор импульсов 7, аналого-цифровой преобразователь 8, подключенный к входу блока обработки 9. Выходы блока обработки соединены с входами блока управления 10, индикатор 11, блок формирования сигнала биений 12, включающий фазосдвигающие цепи 13 (13.1 13.4), входы которых соединены с выходом генератора 1 опорных сигналов, фазовые детекторы 14 (14.1 14.4), первые входы которых соединены с выходом приемника 6, а вторые с выходами соответствующих фазосдвигающих цепей 13. Выходы фазовых детекторов 14 через соответствующие фильтры 15 (15.1 15.4) подключены к четырехканальному переключателю 16.

Блок обработки (фиг. 2) содержит запоминающее устройство (ЗУ) 17, анализатор 18 спектра (Ан.Сп.), анализатор 19 постоянной составляющей (Ан.П.С.) и блок 20 сравнения. Первым выходом блока обработки являются соединенные между собой первые входы ЗУ 17, Ан.Сп. 18 и Ан.П.С. 19. Вторые входы ЗУ 17 и Ан. Сп. 18 подключены соответственно к первому и второму выходам блока управления 10. Третий вход ЗУ 17 подключен к второму выходу Ан.Сп. 18. Первый выход ЗУ 17 подключен к первому входу блока сравнения 20, второй вход которого подключен к первому выходу Ан.Сп. 18. Второй выход ЗУ 17 подключен к третьему входу Ан.Сп. 18. Выход блока 20 сравнения подключен к блоку 10 управления.

На фиг. 3:
а сигнал опорного колебания на выходе генератора 1 опорных колебаний;
б сигнал на выходе передатчика 3;
в сигнал управления модулятором 2 на выходе генератора 7 импульсов;
г принятый сигнал;
д стробирующий сигнал на выходе блока 5;
е сигнал на выходе приемника 6;
ж отфильтрованный сигнал на входе АЦП 8,
где ж' в общем виде,
ж'' сигнал в выбранном канале с минимальной постоянной составляющей.

На фиг. 4:
а спектральный состав принятого сигнала на выходе анализатора спектра, где а' при отсутствии полезного сигнала,
а'' при наличии сигнала от живого объекта,
б уровень, используемый в качестве порога на выходе ЗУ 17;
в сигнал сравнения на выходе блока 20 сравнения.

На фиг. 3 и 4 показаны фрагменты одного измерения в одном цикле.

Сущность способа обнаружения живых объектов заключается в том, что формируют опорный сигнал, излучают зондирующий, выделяют сигнал биений принятого сигнала относительно опорного, осуществляют импульсную модуляцию зондирующего сигнала. Принятый сигнал перед детектированием фазы стробируют импульсами, согласованными по длительности с зондирующим импульсом и задержанным в соответствии с заданным интервалом дальности. Кроме этого с целью ускорения процесса обнаружения полезного сигнала производят одновременное выделение низкочастотных биений принятого сигнала относительно нескольких фиксированных начальных фаз опорного сигнала, в частности, четырех последовательно сдвинутых на π/4.. Среди них определяют сигнал биений с минимальной постоянной составляющей, выделяют спектр полученного таким образом сигнала и сравнивают его с порогом. Пороговые значения для каждой спектральной составляющей выбирают либо при облучении заведомо безлюдной местности (предшествующий процесс облучения), либо путем сравнения с величинами спектральных компонент, полученными в предыдущих дальностях непосредственно в процессе поиска людей. В случае необнаружения полезного сигнала в некоторой дальности переходят к измерению на следующей дальности, повторяя все указанные операции и так далее до последней дальности. После этого, в случае необнаружения, производят возврат к начальной дальности с повторением всех операций, но теперь производят дополнительную операцию, сравнение параметров, например, фазы одноименных спектральных компонент в текущем цикле с полученными в предыдущем цикле. Данная процедура позволяет обнаружить очень медленные или слабые сигналы, например, при стесненном дыхании человека, зажатого в завале. Количество циклов (глубина сравнения фазы) определяется требуемой величиной повышения вероятности обнаружения и ограничена допустимым временем наблюдения в каждом направлении.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал (фиг. 3а) с выхода генератора 1 опорных сигналов поступает на импульсный модулятор 2. С выхода импульсного модулятора 2 сформированный импульсно-модулированный сигнал (фиг. 3б, в) через антенное устройство 4 излучается передатчиком 3. Принятый антенным устройством 4 отраженный сигнал (фиг. 3г) представляет собой набор амплитуд радиоимпульсов, отраженных от предметов с различных участков дальности. Динамический диапазон этих сигналов может быть значительным. Чтобы уменьшить уровень помеховых сигналов производят селекцию входных сигналов по дальности. Для этого включают стробирующий каскад 5, который пропускает сигналы только в течение длительности импульсов (фиг. 3д). Чем уже этот импульс, тем выше селекция входных импульсов и лучше подавление помеховых сигналов. С выхода приемника 6 сигнал (фиг. 3е) поступает на входы четырех параллельно включенных фазовых детекторов 14, на вторые входы которых поступают сигнал с генератора 1 опорных сигналов через фазосодержащие цепи 13. Вторая, третья и четвертая фазосдвигающие цепи 13 сдвигают фазу с выхода генератора 1 на π/4,, π/2 и 3π/4 соответственно. Получаемые на выходах фазовых детекторов 14 сигналы биений отфильтровываются в фильтрах 15 низкой частоты (фиг. 3ж), среди которых есть как сигналы с низким отношением сигнал/помеха (фиг. 3ж'), который может доходить до уровня ограничения, так и сигналы с лучшим соотношением (фиг. 3ж''), на котором могут визуально различаться сильные сигналы двигательной активности объекта. Такие сигналы с наилучшим отношением сигнал/помеха характеризуются наименьшей постоянной составляющей, что в предлагаемом способе и обеспечивается анализатором 19 постоянной составляющей. Сигнал с наименьшей постоянной составляющей (фиг. 3ж') через переключатель 16 поступает в АЦП 12, а затем в блок 9 обработки на время анализа в данной текущей дальности. Для другой дальности номер выбираемого канала может оказаться иным.

Отцифрованный сигнал с АЦП 8 поступает в ЗУ 17 блока обработки, где запоминается и в анализатор спектра 18 и анализатор 19 постоянной составляющей. Анализатор 18 и ЗУ 17 связаны между собой двухсторонней связью, при которой результаты спектрального анализа поступают в ЗУ 17, а также заполненные в ЗУ 17 данные могут быть подвергнуты спектральному анализу в анализаторе 18. Блок 10 управления управляют процессами модуляции в модуляторе 2, стробирования в блоке 5, выбирают, воздействуя на переключатель 16, рабочий канал с минимальным уровнем постоянной составляющей по сигналу от анализатора 19, и в момент обнаружения живого объекта, информация от блока 10 отображается на индикаторе 11. Генератор 7 импульсов обеспечивает временную синхронизацию работы всех элементов схемы. В анализаторе 18 спектра по входной реализации или по заполненному сигналу выделяется спектр (фиг. 4а) низкочастотных биений, который также запоминается в ячейке ЗУ 17 для соответствующей дальности и соответствующего цикла измерения.

Распределение ячеек ЗУ 17, их соответствие номеру цикла или дальности определяется алгоритмом работы блока 10 управления.

Результаты спектрального анализа поступают в блок 20 сравнения (цифровой компаратор), на второй вход которого поступают пороговые значения (фиг. 4б), содержащиеся в ЗУ 17 и соответствующие либо наперед заданному набору пороговых значений, либо результатам спектрального анализа в предыдущей дальности или в одноименной дальности в предыдущем цикле зондирования.

Сигналы превышения (фиг. 4в) спектральных компонент (фиг. 4а) над порогами (фиг. 4б) поступают в блок 14 управления, что приводит к соответствующей реакции индикатора 11. Отсутствие сигнала в этой дальности приводит к продлению обработки в соответствии с предложенным алгоритмом.

После получения сигнала (фиг. 4в) превышения компонент спектра (фиг. 4а) над порогом выдается сигнал, оповещающий оператора об обнаружении двигательной активности объекта и выдается информацию о том, какие именно спектральные компоненты превышены, что позволяет судить о состоянии объекта: дыхание, сердцебиение или дыхание.

Импульсный модулятор 2 и стробирующий каскад 5 выполнен на основе ключевых схем, управляемых генератором.

Анализатор спектра цифровое устройство на основе быстрого преобразования ряда Фурье. Блок 20 сравнения пороговое устройство, которое выполнено по схеме цифрового компаратора. Анализатор 19 постоянной составляющей может быть выполнен в виде интегрирующей цепи с пороговым блоком.

Блок 10 управления адаптивный автомат, управляющий функционированием узлов, может быть выполнен в виде микроЭВМ или микропрограммного контроллера, реализующего программу, соответствующую предлагаемому способу.

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться для обнаружения живых людей в завалах или укрытиях. Из известных способов и устройств наиболее близким по существенным признакам является устройство, которое содержит задающий генератор, ответвитель, циркулятор, антенное устройство, последовательно соединенные фазовый детектор и блок обработки, а также усилитель, схему управления и фазовращатель. Способ обнаружения раскрывается в описании работы устройства, однако, существующие способы и устройства обладают недостаточной вероятностью обнаружения живых людей в завалах. Сущность устройства состоит в том, что в известное устройство дополнительно введены между передатчиком и генератором опорных колебаний импульсный модулятор, между антенной системой и приемником - стробирующий каскад, соединенный с генератором импульсов, второй выход которого соединен с импульсным генератором, а вход - с блоком управления, выход блока формирования сигналов биений подключен к блоку обработки через аналого-цифровой преобразователь (АЦП), два выхода блока обработки подключены ко второму и третьему входам блока управления, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам блока обработки; третий, четвертый, пятый выходы блока управления соединены соответственно с индикатором, генератором импульсов и управляющим входом блока формирования сигналов биений. Блок формирования сигнала биений содержит, например, четыре фазосдвигающие цепочки, смещающие фазу опорного колебания на n/4, четыре фазовых детектора, четыре фильтра низкой частоты и четырехканальный переключатель. Выходы каждой фазосдвигающей цепочки через последовательно соединенные фазовый детектор и фильтр низкой частоты подключены к одному из входов четырехканального переключателя соответственно. Входы всех фазосдвигающих цепочек объединены и подключены к выходу приемника. Выход переключателя подключен к входу АЦП, а управляющий вход - к одному из выходов блока управления. Блок обработки содержит запоминающее устройство (ЗУ), анализатор спектра, блок сравнения, анализатор постоянной составляющей, связанные с остальными блоками. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обнаружения живых объектов, заключающийся в том, что формируют опорный сигнал, формируют зондирующий когерентный импульсный сигнал, осуществляют импульсную модуляцию зондирующего когерентного сигнала, принимают отраженный сигнал от живого объекта, вызванный стесненным дыханием, движением органов или объекта в целом, выделяют спектр сигнала биений, сравнивают его спектральные составляющие с пороговыми значениями и по результатам сравнения принимают решение об обнаружении живых объектов, отличающийся тем, что в принятом сигнале перед выделением сигнала биений дополнительно стробируют импульсами согласованными по длительности с зондирующим сигналом и задержанными в соответствии с интервалами дальности в течение интервала наблюдений, при этом формируют сигналы биений путем одновременного выделения низкочастотных биений принятого отраженного сигнала относительно нескольких фиксированных фаз опорного сигнала и выделяют из них сигнал постоянной составляющей. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нескольких фиксированных начальных фаз опорного сигнала используют четыре последовательно сдвинутых на π/4 опорных сигнала. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пороговых значений используют значение соответствующих уровню спектральных составляющих, полученных от одного или нескольких фрагментов сигнала в текущем цикле зондирования. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пороговых значений используют значения соответствующих уровню спектральных составляющих, полученных для одноименных фрагментов сигнала в предыдущем цикле зондирования. 5. Устройство для обнаружения живых объектов, содержащее когерентно импульсный передатчик, выход которого соединен с антенной системой, генератор опорных колебаний и стробируемый приемник, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирования сигналов биений, импульсный модулятор, выход которого соединен с входом передатчика, а первый вход с выходом генератора опорных колебаний, блок обработки и индикатор, отличающееся тем, что введены стробирующий каскад, генератор импульсов, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, при этом второй вход импульсного модулятора соединен с одним выходом генератора импульсов, другой выход которого через стробирующий каскад соединен с входом приемника, второй вход стробирующего каскада соединен с антенной системой, выход блока формирования сигналов биений через аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом блока обработки, два выхода которого соединены с соответствующими двумя входами блока управления, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы блока управления соединены соответственно с вторым и третьим входами блока обработки, входом индикатора, входом генератора импульсов и третьим входом блока формирования сигналов биений. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что блок формирования сигналов биений содержит первую, вторую, третью и четвертую фазосдвигающие цепочки, входы которых объединены и являются первым входом блока формирования сигнала биений, первый, второй, третий и четвертый фазовые детекторы, первый, второй, третий и четвертый фильтры низких частот и четырехканальный переключатель, выходы фазосдвигающих цепочек через соответствующие фазовые детекторы подключены к входам соответствующего фильтра низких частот, выходы фильтров низких частот соединены с соответствующими входами четырехканального переключателя, вторые входы фазовых детекторов объединены и являются вторым входом блока формирования сигналов биений, управляющий вход и выход четырехканального переключателя являются соответственно третьим входом и выходом блока формирования сигналов биений. 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что блок обработки содержит запоминающее устройство, анализатор спектра, анализатор постоянной составляющей и блок сравнения, первые входы запоминающего устройства, анализатор спектра и анализатора постоянной составляющей объединены между собой и являются первым входом блока обработки, вторые входы запоминающего устройства и анализатора спектра являются соответственно вторым и третьим входами блока обрабоки, первые входы запоминающего устройства и анализатора спектра соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения, второй выход запоминающего устройства соединен с третьим входом анализатора спектра, второй выход которого соединен с третьим входом запоминающего устройства, выходы анализатора постоянной составляющей и блока сравнения являются соответственно первым и вторым выходами блока обработки.