СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ПРИЕМНИК ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА АКУСТИЧЕСКИМ СИГНАЛОМ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01S11/00 

Изобретение относится к системам для измерения расстояния и может быть использовано для поиска и обнаружения местоположения приемопередатчика, передающего акустический сигнал в эфир, в электросеть, в эфир по электросети, акустический сигнал из соседнего помещения, сигнал из телефонной линии в эфир и из телефонной линии в электросеть.

Известна система измерения дальности, в которой дальность определяется путем вычислений, основанных на разности во времени поступления в место измерения двух сигналов с различными и известными скоростями их распространения. Система измеряет временную разность поступления электромагнитного и акустического сигнала в точку измерения и преобразует эту временную информацию в информацию расстояния (патент США N 3566348, G 01 S 11/00, опубл. 23.02.71).

Однако в такой системе измерения дальности возможно получение достоверной информации для объекта с априорно известным его местоположением и система не позволяет автоматически обнаружить скрытно установленный приемопередатчик, например, так называемую радиокапсулу для прослушивания разговоров в помещениях.

Известен способ измерения расстояния при воздействии на приемопередатчик акустическим сигналам путем сравнения в блоке анализа времени прохождения электромагнитного сигнала и акустического сигнала от источника акустического сигнала до приемопередатчика, принимающего акустический сигнал и передающего электромагнитный сигнал, причем источник акустического сигнала расположен на определенном расстоянии R₁ от приемной части приемопередатчика, а прием электромагнитного сигнала осуществляют на приемник электромагнитного сигнала (заявка Великобритании N 2170907, G 01 S 11/00, опубл. 13.08.86).

Известно также устройство для измерения расстояния, содержащее приемопередатчик для приема акустического сигнала и передачи электромагнитного сигнала, приемник электромагнитного сигнала, блок анализа, блок индикации, вход которого подсоединен к выходу блока анализа (заявка Великобритании N 2170907, G 01 S 11/00, опубл. 13.08.86).

Известно также устройство для измерения расстояния, содержащее приемопередатчик для приема акустического сигнала и передачи электромагнитного сигнала, приемник электромагнитного сигнала, источник акустического сигнала, блок анализа, блок индикации, вход которого подсоединен к выходу блока анализа (заявка Великобритании N 2170907, G 01 S 11/00, опубл. 13.08.86).

В этом техническом решении, как и в предыдущем (патент США N 3566348) не удается обнаружить скрытно установленный приемопередатчик, поскольку электромагнитный сигнал служит для запуска звукового или ультразвукового сигнала посредством преобразователя и передачу акустического сигнала обратно к приемопередатчику.

При измерении расстояния этим способом вносится собственный ультразвуковой шумовой сигнал, что снижает точность измерений, т.к. ультразвуковой сигнал влияет на устройства для анализа электромагнитного сигнала. В то же время устройство для измерения расстояния должно быть снабжено дополнительными блоками обработки и преобразования сигнала, формирования ответного акустического сигнала, что усложняет конструкцию.

Задача изобретения обеспечение обнаружения как факта наличия или отсутствия, так и местоположения приемопередатчика.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, упрощение способа обнаружения приемопередатчика и упрощение устройств для осуществления этого способа.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе измерения расстояния при воздействии на приемопередатчик акустическим сигналом, включающем сравнение в блоке анализа времени прохождения электромагнитного сигнала и акустического сигнала от источника акустического сигнала до приемопередатчика, принимающего акустический сигнал и передающего электромагнитный сигнал, причем источник акустического сигнала расположен на определяемом расстоянии R₁ от приемной части приемопередатчика, а прием электромагнитного сигнала осуществляют на приемник электромагнитного сигнала, согласно изобретению дополнительно введен приемник акустического сигнала, приемопередатчик выполнен для ретрансляции принимаемого акустического сигнала, приемник акустического сигнала располагают на расстоянии R₂ от источника акустического сигнала, измеряют степень статистической зависимости и разницу времени прихода сигналов к приемнику электромагнитного сигнала и к приемнику акустического сигнала, и по этой разнице определяют разницу расстояний R₁ - R₂, а расстояние R₂ выбирают известным.

Возможны варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы:
приемная часть и передающая часть приемо-передатчика были разнесены в пространстве;
в качестве источника акустического сигнала используют фоновый шум окружающей среды;
в качестве электромагнитного сигнала используют сигнал радиочастотного диапазона или сигнал инфракрасного диапазона.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известное устройство для измерения расстояния, содержащее приемо-передатчик акустического сигнала и передачи электромагнитного сигнала, приемник электромагнитного сгнала, блок индикации, вход которого подсоединен к выходу блока анализа, согласно изобретению, введен приемник акустического сигнала, выход приемника акустического сигнала и выход приемника электромагнитного сигнала подсоединены ко входам блока анализа.

Возможны варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
дополнительно был введен источник акустического сигнала, установленный на расстоянии R₂ от приемника акустического сигнала;
дополнительно введенный источник акустического сигнала был совмещен в пространстве с приемником акустического сигнала.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известное устройство для измерения расстояния, содержащее приемо-передатчик для приема акустического сигнала и передачи электромагнитного сигнала, приемник электромагнитного сигнала, источник акустического сигнала, блок анализа, блок индикации, вход которого подсоединен к выходу блока анализа, согласно изобретению, введен генератор электрического сигнала, выход которого подсоединен ко входу источника акустического сигнала и к одному из входов блока анализа, а к другому входу блока анализа подсоединен выход приемника электромагнитного сигнала.

За счет введения измерения степени статистической зависимости электромагнитного и акустического сигналов удалось решить задачу обнаружения приемопередатчика простыми средствами на расстояниях обнаружения в десятки-сотни раз превышающих расстояния обнаружения для устройства аналогичного назначения на основе методов измерения вектора напряженности и полного дифференциала напряженности электромагнитного поля во всей полосе частотного диапазона поиска.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 1 изображена обобщенная функциональная схема для реализации способа измерения расстояния; на фиг. 2 функциональная схема измерения степени статистической зависимости сигналов корреляционным методом; на фиг. 3 функциональная схема измерения степени статистической зависимости сигналов по величине их дисперсии и матожиданию; на фиг. 4 функциональная схема измерения степени статистической зависимости сигналов по регистрации пересечения определенного порога; на фиг. 5 функциональная схема измерения степени статистической зависимости сигналов через преобразование Фурье: на фиг. 6 первый вариант устройства для измерения расстояния согласно изобретению; на фиг. 7 второй вариант устройства для измерения расстояния согласно изобретению.

В соответствии с заявляемым способом (фиг.1), способ измерения расстояния для решаемой задачи обнаружения приемопередатчика 1 заключается в сравнении времени прохождения электромагнитного сигнала и акустического сигнала от источника 2 акустического сигнала до приемопередатчика 1, принимающего акустический сигнал (показан штрих-пунктирной стрелкой на фиг.1) и передающего электромагнитный сигнал (показан сплошной стрелкой на фиг.1). Источник 2 акустического сигнала расположен на определяемом расстоянии R₁ от приемной части приемопередатчика 1, а прием электромагнитного сигнала осуществляют на приемник 3 электромагнитного сигнала.

Согласно изобретению дополнительно вводят приемник 4 акустического сигнала, при этом приемопередатчик 1 выполнен для ретрансляции принимаемого акустического сигнала. Приемник 4 акустического сигнала располагают на расстоянии R₂ от источника 2 акустического сигнала, измеряют степень статистической зависимости и разницу времени прихода сигналов к приемнику 3 электромагнитного сигнала и к приемнику 4 акустического сигнала, например в блоке анализа 5 (фиг. 1), и затем по этой разнице определяют разницу расстояний R₁ R₂, а расстояние R₂ выбирают известным.

В отличие от прототипа, в котором наличие приемопередатчика 1 априорно задано, данный способ позволяет обнаружить и определить местонахождение скрыто установленного приемопередатчика 1, например, устройства для несанкционированного прослушивания разговоров.

В зависимости от выбранной методологии сравнения степени статистической зависимости электромагнитного и акустического сигналов возможны различные виды обработки принимаемых сигналов.

При корреляционном методе измерения (фиг.2) сигналы S₁(t) и S₂(t), один из которых ретранслированный приемопередатчиком 1 электромагнитный, а другой акустический, посредством приемника 3 электромагнитного сигнала и приемника 4 акустического сигнала поступают в блок анализа 5, на измерители 6 и 6¹ энергии сигнала, соответственно. Сигналы с измеренными величинами энергий поступают на входы блоков 7 и 7¹ нормирования сигналов (приведения энергии к единице), на другие входы которых поступают ненормированные сигналы S₁(t) и S₂(t). После нормирования в блоках 7 и 7¹ пронормированные сигналы подаются на вход блока 8 вычисления взаимоковариационной функции A (τ) по формуле:

τ задержка во времени;
нормированные по энергии сигналы S₁(t) и S₂(t).

Сигнал, соответствующий корреляционной функции K(τ), (т.к. сигналы S₁(t) и S₂(t) предварительно пронормированы, то взаимная ковариационная функция A(τ) равна корреляционной функции K(t)), подается на вход блока 9 вычисления значения максимума функции K(t) и на вход блока 10 вычисления положения максимума на оси временной задержки. Тогда степень статистической зависимости сигналов K(t) определяется как близость величины K к единице, а расстояние между источниками S₁(t) и S₂(t), т.е. между приемной частью приемопередатчика 1 и источника 2 акустического сигнала, определяют как произведение значения положения максимума K на оси временной задержки на скорость звука в воздухе (среде) R = V_зв•τ_max
При измерении степени статистической зависимости по величинам дисперсии и матожидания (фиг. 3) обнаруженных событий. Сигнал S₁(t) от приемника 4 (фиг. 1) акустического сигнала подается на вход блока 11 преобразования сигнала (например, выделения огибающей амплитуды). В то же время сигнал S₂(t) от приемника 3 электромагнитного сигнала подается на вход блока 11¹, осуществляющего ту же обработку, что и блок 11. Затем сигналы подаются на блоки 12 и 12¹ обнаружения событий, например, определения превышения огибающей амплитуды заданного порогового уровня. Если событие произошло на выходе блоков 12 и 12¹ появится информационный сигнал. Выходы блоков 12 и 12¹ подсоединены к входам блока 13, измеряющего временной интервал между событиями, происшедшими в блоках 12 и 12¹. Информационный сигнал с выхода блока 13 поступает на вход блока 14 вычисления матожидания и на вход блока 15 вычисления дисперсии, осуществляющих соответственно определение матожидания и дисперсии для временного интервала, измеренного блоком 13. С выходов блоков 14 и 15 получают величины матожидания дисперсии, по которым оценивают статистическую зависимость (дисперсия стремится к нулю) и расстояние (как произведение скорости звука на матожидание временной задержки), т.к. если дисперсия стремится к нулю, то статическая зависимость между сигналами есть, и тогда матожидание дает возможность определить расстояние R₁. Причем блоки 11 (11¹) и 12 (12¹) могут выполнить различные функции преобразования сигналов: умножения, возведения в квадрат, вычисление текущего спектра, автокорреляции, детектирования (выделение амплитудной огибающей) и т.п.

В частности на фиг. 4 показана функциональная схема в соответствии с фиг. 3 при регистрации пересечения некоторым измеренным значением заданного порога. Сигналы S₁(t) и S₂(t) поступают на детекторы огибающей 11 (11¹) с интегратором. С выходов детектора огибающей 11 (11¹) сигналы поступают на первые входы компараторов 12 (12¹), на второй вход которых подают опорный уровень (опорное напряжение). Блок 13 измерения временного интервала между событиями определяет временную задержку между переходом порога сигналами в блоках 12 (12¹). В частности блок 13 может быть выполнен как показано на фиг. 4 из RS триггера, выход которого подсоединен ко входу схемы логического умножения, второй вход которой подсоединен к генератору, а выход к счетчику. Счетчик подсоединен к блокам 14 и 15 для определения величин матожидания и дисперсии.

При измерении степени статистической зависимости сигналов посредством преобразования Фурье (фиг.5) сигналы S₁(ω) и S₂(ω) поступают на входы блоков 16 (16¹) измерения амплитудного спектра и на входы блоков 17 (17¹) измерения фазового спектра, соответственно. Далее сигналы поступают на блок 18 сравнения амплитудных спектров и на блок 19 вычитания фазовых величин для каждой частоты, т.е. вычитающий фазы сигнала S₂ из фаз сигнала S₁ на одинаковых частотах. Выход блока 19 соединен с входом блока 20, определяющим разницу расстояний из разницы фаз, как функцию вида

V_зв-скорость распространения звука в воздухе (среде);
Dv(ω) разность фаз ;
ω частота, на которой производится измерение.

Таким образом, степень статистической зависимости сигналов S₁ и S₂ получают с выхода блока 18, определяющим расстояние между нормированными амплитудными спектрами сигналов, чем меньше это расстояние, тем больше зависимость между сигналами S₁ и S₂, а разницу расстояний R₁ R₂ (фиг.1) определяют через преобразование Фурье по зависимости

Возможны и другие методы измерения статистический зависимости, например, статистическую зависимость между сигналами можно определять как разность между нормированными значениями инвариантов относительно циклического сдвига сигналов S₁(t) и S₂(t). Таким образом, измерение степени статистической зависимости является необходимым и достаточным условием для решения задачи обнаружения приемопередатчика 1, что обусловлено выполнением приемопередатчика 1 для ретрансляции принимаемого акустического сигнала и соответственно влияния последнего на передаваемый электромагнитный сигнал.

В отличие от способов обнаружения приемо-передающих устройств по энергетическим характеристикам электромагнитного сигнала, например пеленгационным методом, заявленный способ позволяет измерить расстояние R₁ именно до приемной части (микрофона) приемопередатчика 1, что особенно важно при пространственном разнесении приемной части и передающей части (антенны) приемопередатчика 1. Если вместо антенны используется электрическая или телефонная сеть и т.п. то данный способ позволяет также обнаружить непосредственное местоположение микрофона и нарушить несанкционированную работу приемопередатчика 1.

Кроме того, в качестве источника акустического сигнала можно использовать фоновый шум окружающей среды. Шум окружающей среды в этом случае позволяет определить расстояние R₁, если он происходит от сосредоточенного источника (мотор, какой-либо прибор, или говорящий человек, расстояние R₂ до которого известно). Если шум поступает с улицы в помещение через окно, то координаты источника 2 акустического сигнала совпадают с координатами окна, как вторичного акустического источника.

В качестве электромагнитного сигнала может быть использован сигнал радиочастотного диапазона или сигнал инфракрасного диапазона. Вид электромагнитного сигнала в принципе может быть любым. При этом для быстрого обнаружения приемопередатчика 1 целесообразно использовать широкополосный приемник 3, а для обнаружения в условиях сильных помех приемник 3 со сканированием по максимально возможному диапазону частот (от 30 мГц и ниже до инфракрасного излучения). Целесообразно использовать сигнал радиочастотного диапазона при сильных тепловых помехах, и, наоборот, тепловой сигнал при сильных радиопомехах.

Устройство для измерения расстояния (фиг. 6) содержит приемопередатчик 1 для приема акустического сигнала и передачи электромагнитного сигнала, приемник 3 электромагнитного сигнала, блок анализа 5, блок индикации 21, вход которого подсоединен к выходу блока анализа 5, согласно изобретению, введен приемник 4 акустического сигнала, при этом выход приемника 4 акустического сигнала и выход приемника 3 электромагнитного сигнала подсоединены ко входам блока анализа 5.

В этом случае в качестве источника 2 акустического сигнала используется в устройстве физический источник: говорящий человек работающий двигатель, сосредоточенный шум и т.п. расстояние R₂ до которого может быть непосредственно определено.

Работает устройство в соответствии с описанным выше способом измерения расстояния. Акустический сигнал поступает через приемопередатчик 1 на вход приемника 3 электромагнитного сигнала и далее на вход блока анализа 5. Этот не акустический сигнал поступает на вход приемника 4, и далее на второй вход блока анализа 5. В блоке анализа 5 измеряется степень статистической зависимости между поступающими сигналами и расстояние между приемником 4 акустического сигнала и приемопередатчиком 1 до источника звукового сигнала (физического, который как конструктивное устройство отсутствует). Расстояние R₂ выбирается известным или определяется по местоположению источника акустического сигнала и приемника 4 акустического сигнала.

Дальность действия устройства (т.е. измерение R₁ максимально возможных значений) увеличивается за счет измерения не энергетических параметров электромагнитного сигнала, а измерения информационных параметров.

В устройство может быть дополнительно введен источник 2 акустического сигнала, установленный на расстоянии R₂ от приемника 4 акустического сигнала. В этом случае источник 2 является конструктивным элементом и, если невозможно выделить какой-либо сосредоточенный физический источник акустического сигнала, то расстояние R₁ может быть измерено с большей точностью при дополнении устройства для измерения расстояния источником 2, в качестве которого может быть использован радиоприемник, магнитофон, громкоговоритель и т.п.

Источник 2 акустического сигнала пространственно может быть совмещен с приемником 4 акустического сигнала, тогда R₂ 0, и измеряется не разность расстояний R₁ и R₂ (фиг. 6), а непосредственно расстояние R₁ от источника 2 акустического сигнала до приемопередатчика 1.

Устройство для измерения расстояния (фиг. 7), содержит приемопередатчик 1 для приема акустического сигнала и передачи электромагнитного сигнала, приемник 3 электромагнитного сигнала, источник 2 акустического сигнала, блок анализа 5, блок индикации 21, вход которого подсоединен к выходу блока анализа, согласно изобретению введен генератор 22 электрического сигнала, выход которого подсоединен ко входу источника 2 акустического сигнала и к одному из входов блока анализа 5, а к другому входу блока анализа 5 подсоединен выход приемника 3 электромагнитного сигнала.

Работает это устройство в соответствии с заявленным способом, но функцию приемника 4 акустического сигнала выполняет связь 33 генератора 22 со входом блока анализа 5. Акустический сигнал от источника 2 непосредственно промодулирован сигналом генератора 22, поэтому сигнал, поступающий по связи 23 эквиваленте сигналу, принимаемому приемником 4 акустического сигнала. Таким образом связь 23 при подсоединении генератора 22 к источнику 2 акустических колебаний является по существу непосредственным приемником передаваемого акустического сигнала.

Устройство для измерения расстояния, содержащее приемник 4, лучше тем, что оно не вносит дополнительных шумов в ультразвуковом или звуковом диапазоне частот. Оно использует только существующие в окружающей среде акустические сигналы, не мешающие работе других устройств или людей. В тоже время это устройство хуже работает при слабом опорном акустическом сигнале (очень тихое помещение или существенно распределенный по пространству акустический фоновый шум). В этом случае устройство с генератором 22 гарантирует R₂ 0 при полной тишине в помещении и обеспечивается большая точность измерения расстояния R₁. При наличии же постороннего акустического шума качество обнаружения приемопередатчика 1 и точность измерения расстояния R₁ для устройства с генератором 22 уменьшается, а для устройства с приемником 4 растет.

В отличии от технических решений (патент США N 3566348 и заявка Великобритании N 2170907), которые ведут себя, с точки зрения измерения расстояния при наличии шумов подобно устройству с генератором 22, в заявленном устройстве измерения расстояния с приемником 4 акустического сигнала увеличение уровня шумов не ухудшает, а наоборот улучшает надежность обнаружения приемопередатчика 1, точность и качество измерения R₁, так как это устройство анализирует и измеряет не собственный сигнал, а реально существующий, модифицированный и искаженный шумами.

Наиболее успешно заявляемый способ измерения расстояния и устройства для его осуществления могут быть использованы для обнаружения установки приемопередатчиков и определения их местоположения.

Использование: способ измерения расстояния и устройства для его осуществления могут быть использованы для поиска и обнаружения местоположения приемопередатчика. Способ включает сравнение в блоке анализа времени прохождения электромагнитного и акустического сигнала от источника акустического сигнала до приемопередатчика. Источник акустического сигнала располагают на определяемом расстоянии R₁ от приемопередатчика, приемник акустического сигнала располагают на расстоянии R₂ от источника акустического сигнала, измеряют степень статистической зависимости и разницу времени прихода сигналов к приемнику электромагнитного сигнала и к приемнику акустического сигнала, и по этой разнице определяют разницу расстояний R₁- R₂, а расстояние R₂ выбирают известным. Один вариант устройства содержит приемопередатчик, приемник электромагнитного сигнала, блок анализа, блок индикации, приемник акустического сигнала, а другой вариант устройства содержит приемопередатчик, приемник электромагнитного сигнала, источник акустического сигнала, блок анализа, блок индикации, генератор электрического сигнала. 3 с. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ измерения расстояния при воздействии на приемник приемопередатчика акустическим сигналом путем сравнения в блоке анализа времени прохождения электромагнитного сигнала и акустического сигнала от источника акустического сигнала до приемопередатчика, принимающего акустический сигнал и передающего электромагнитный сигнал, причем источник акустического сигнала расположен на определяемом расстоянии R₁ от приемной части приемопередатчика, а прием электромагнитного сигнала осуществляют на приемник электромагнитного сигнала, отличающийся тем, что, дополнительно введен приемник акустического сигнала, прием акустического сигнала осуществляют на расстоянии R₂ от источника акустического сигнала, измеряют степень статистической зависимости и разницу времени прихода сигналов к приемнику электромагнитного сигнала и к приемнику акустического сигнала и по этой разнице определяют разность расстояний R₁ R₂ при известном R₂. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приемная и передающая части приемопередатчика разнесены в пространстве. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника акустического сигнала используют фоновый шум от сосредоточенного источника. 4. Устройство для измерения расстояния, содержащее приемопередатчик для приема акустического сигнала и передачи электромагнитного сигнала, приемник электромагнитного сигнала, блок анализа, блок индикации, вход которого подсоединен к выходу блока анализа, отличающееся тем, что в него введен приемник акустического сигнала, при этом выход приемника акустического сигнала и выход приемника электромагнитного сигнала подсоединены к входам блока анализа. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в него дополнительно введен источник акустического сигнала, установленный на расстоянии R₂ от приемника акустического сигнала. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в него дополнительно введен источник акустического сигнала, который совмещен с приемником акустического сигнала. 7. Устройство для измерения расстояния, содержащее приемопередатчик для приема акустического сигнала и передачи электромагнитного сигнала, приемник электромагнитного сигнала, источник акустического сигнала, блок сигнала, блок индикации, вход которого подсоединен к выходу блока анализа, отличающееся тем, что в него введен генератор электрического сигнала, выход которого подсоединен к входу источника акустического сигнала и к одному из входов блока анализа, а к другому входу блока анализа подсоединен выход приемника электромагнитного сигнала.