ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1998 года по МПК G01S13/52 

Изобретение относится к телеметрическим системам идентификации объектов и может быть использовано для идентификации контейнеров, железнодорожного и автомобильного транспорта.

Известна система запроса и обнаружения (патент США N 4075632, кл. G 01 S 9/56, H 04 B 1/59, НКИ 346/68R; 325/113, 1978), содержащая считывающее устройство, ответчик и идентифицируемый объект. В состав считывающего устройства входят генератор немодулированных колебаний, приемопередающая антенна, линия передачи, к входу которой подключен генератор, а к ее выходу - антенна, два направленных ответвителя, включенных в линию передачи навстречу друг другу, смеситель, фильтр нижних частот и демодулятор, включенные последовательно. Датчик включает приемопередающую антенну, выпрямитель, переменную нагрузку и генератор модулированных колебаний.

Известна также система для идентификации конкретных объектов, которая принята за прототип изобретения (патент США 4739328, кл. G 01 S 13/00, НКИ 342/44: 342/51, 1988), и содержит считывающее устройство и ответчик, которым оснащен идентифицируемый объект. Считывающее устройство включает генератор немодулированных колебаний, приемопередающую антенну, линию передачи, два направленных ответвителя, два смесителя, линию задержки на 90^o по высокой частоте, два усилителя низкой частоты и линию задержки НЧ и демодулятор. Направленные ответвители включены в линию передачи навстречу друг другу, а их выходы подключены к входам смесителей. К одному смесителю сигнал гетеродина подведен с задержкой 90^o. Сигнал со смесителей поступает на два усилителя НЧ. Сигналы НЧ сдвигаются по фазе на 90^o и после усилителей ограничителей поступают на вход демодулятора.

Считывающее устройство запрашивает объект, оснащенный датчиком, который выдает идентифицирующую последовательность "единиц" и "нулей" в двоичном коде, индивидуальную для конкретного объекта. Этим кодом модулируются отражения от антенны датчика.

В считывающее устройство аналога и прототипа поступает сумма двух сигналов, одного, промодулированного кодом объекта, и другого, существенного больше первого, отраженного от пассивных частей датчика и корпуса объекта и не несущего информации о конкретном объекте. Эти сигналы суммируются со случайной фазой, от которой зависит глубина модуляции суммарного сигнала. Вероятность того, что эти сигналы просуммируются в фазе или противофазе мала, так как этот параметр у аналога и прототипа изобретения не контролируются. От глубины модуляции суммарного сигнала зависит радиус действия системы, чем больше глубина модуляции суммарного сигнала, тем больше ее радиус действия.

Международный стандарт 10374 "Грузовые контейнеры. Автоматическая идентификация" предусматривает работу телеметрических систем идентификации в двух поддиапазонах частот 850 - 950 и 2400 - 2500 мГц.

Аналог и прототип могут работать только в одном из поддиапазонов, предусмотренных международным стандартом 10374.

Техническим результатом изобретения является возможность работы системы в нескольких диапазонах частот и увеличенный радиус действия таких систем. Эти результаты достигаются в разных вариантах исполнения изобретения, связанных одним изобретательским замыслом.

I вариант исполнения изобретения.

Телеметрическая система идентификации объекта содержит считывающее устройство и датчик, установленный на идентифицируемом объекте.

В состав считывающего устройства входят: генератор немодулированных электромагнитных колебаний, линия передачи, приемопередающая антенна, соединенные последовательно, несколько пар ответвителей, включенных в линию передачи, диоды и фильтры нижних частот (ФНЧ), включенные последовательно по одному к выходу каждого ответвителя, усилители низких частот (УНЧ), выполненные операционными, противофазные входы которых соединены с выходом соответствующего ФНЧ, и демодулятор с несколькими входами, к которым подключены выходы соответствующих УНЧ. Генератор выполнен многодиапазонным, генерирующим электромагнитные колебания со средней длиной волны в поддиапазоне в ± 20% полосе частот, определяемой по формуле

λ_n - средняя длина волны n-го поддиапазона рабочих длин волн системы;
Λ - средняя длина волны самого длинноволнового поддиапазона рабочих длин волн системы;
n - целые числа, включая ноль (0, 1, 2, 3, ...).

Расстояния между ответвителями вдоль линии передачи в паре равны λ/4, расстояния между парами ответвителей отличны от λ_n/4, выходы каждой пары ответвителей соединены через диод и ФНЧ с противофазными входами соответствующего операционного усилителя.

Датчик содержит приемопередающую антенну, модулятор и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), соединенные последовательно.

Датчик установлен на объекте так, что расстояние l_фц между фазовыми центрами отражений, промодулированных информацией о идентифицируемом объекте и отражений от частей датчика и объекта, не содержащих такой информации, отсчитанное вдоль линии визирования объекта со считывающего устройства, когда электрически оси антенн считывающего устройства и датчика перекрещиваются под рабочим углом, равны одному из значений расстояний, определенных по формуле
l_фц= nΛ/4
Работа системы в нескольких диапазонах (последовательно) обеспечивается за счет того, что расстояния между парами ответвителей не равны λ_n/4, что обеспечивает наличие сигнала с полезной информацией, хотя бы в одном паре, когда в другой полезный сигнал и сигнал гетеродина находятся в квадратуре и в тоже время благодаря тому, что в паре ответвителей, за счет того, что расстояния в паре равно Λ/4, на выходе операционных усилителей сигналы пар ответвителей суммируются синфазно, в любом рабочем поддиапазоне длин волн.

Глубина модуляции суммарного сигнала максимальна за счет того, что расстояния l_фц равны nΛ/4, это обеспечивает синфазное или противофазное суммирование сигналов несущих и не несущих информацию об идентифицируемом объекте.

II вариант исполнения изобретения.

Телеметрическая система идентификации объекта содержит считывающее устройство и датчик, установленный на идентифицируемом объекте.

В состав считывающего устройства входят: несколько генераторов немодулированных электромагнитных колебаний, светвитель к входам которого подключены выходы генераторов, линия передачи, приемопередающая антенна, к входу линии передачи подключен выход светвителя, а к ее выходу - антенна, несколько пар ответвителей, включенных в линию передачи, диоды и фильтры нижних частот (ФНЧ), включенные последовательно по одному к выходу каждого ответвителя, усилители низких частот (УНЧ), выполненные операционными, противофазные входы которых соединены с выходом соответствующего ФНЧ, и демодулятор с несколькими входами, к которым подключены выход соответствующих УНЧ. Каждый генератор генерирует в своем n-м поддиапазоне непрерывные электромагнитные колебания со средней длиной волны, определяемой по формуле

где λ_n - средняя длина волны n-го поддиапазона рабочих длин волн системы;
Λ - средняя длина волны самого длинноволнового поддиапазона рабочих длин волн системы;
n - целые числа, включая ноль (0, 1, 2, 3, ...).

Генераторы работают в ± 20% полосе частот.

Ответвители выполнены ненаправленными и включены в линию передачи попарно, расстояния между ответвителями вдоль линии передачи в паре равны λ/4, расстояния между парами ответвителей отличны от λ_n/4, выход каждой пары ответвителей соединены через диод и ФНЧ с противофазными входами соответствующего операционного усилителя.

Датчик содержит приемопередающую антенну, модулятор и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), соединенные последовательно.

Датчик установлен на объекте так, что расстояние l_фц между фазовыми центрами отражений, промодулированных информацией об объекте и отражений от частей датчика и объекта, не содержащих такой информации, отсчитанное вдоль линии визирования объекта со считывающего устройства, когда электрические оси антенн считывающего устройства и датчика перекрещиваются по рабочим углом, равны одному из значений расстояний, определенных по формуле
l_фц= nΛ/4
Работа системы одновременно на нескольких волнах обеспечивается параллельным включением выходов генераторов к входам светвителя, расстоянием между ответвителями в паре равным Λ/4 и расстоянием между парами ответвителей неравных λ_n/4. Такие расстояния между ответвителями обеспечивают синфазное сложение сигналов на выходе УНЧ и наличие полезного сигнала хотя бы в одной паре ответвителей при любых фазовых соотношениях сигнала гетеродина и полезного сигнала.

Глубина модуляции суммарного сигнала обеспечивается максимальной за счет того, что l_фц равны nΛ/4 (противофазное или синфазное сложение сигналов, несущих и не несущих информацию об идентифицируемом объекте) во всем диапазоне волн работы системы.

III вариант исполнения изобретения.

Телеметрическая система идентификации объектов содержит считывающее устройство и датчик с приемопередающими антеннами. Датчик установлен на идентифицируемом объекте, удаленном от считывающего устройства, так что электрические оси антенн считывающего устройства и датчика перекрещиваются в пространстве под острым углом β, определяемым из неравенства

где β_o - ширина главного лепестка диаграммы отражения корпуса идентифицируемого объекта (по нулям);
β_су - ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны (по нулям) считывающего устройства.

Кроме того, расстояние l_фц между фазовыми центрами отражений, промодулированных информацией об объекте, и отражений от частей датчика и объекта, не содержащих такой информации, отсчитанное вдоль линии визирования объекта со считывающего устройства, когда электрические оси антенн считывающего устройства и датчика находятся под углом β, равны одному из значений расстояний, определенных по формуле
l_фц= nΛ/4
Технический результат - увеличение глубины модуляции суммарного сигнала достигается за счет уменьшения принимаемых считывающим устройством отражений от корпуса объекта, и практически не уменьшением полезного сигнала из-за широкой диаграммы направленности антенны датчика и противофазности или синфазности сигналов, несущих и не несущих информацию об объекте.

Действительно сумма этих сигналов равна
A_Σ= Acos(ωt+θ)+A_м(t)cos(ωt+θ_м)
или

где A - амплитуда сигнала, не несущего информации об идентифицируемом объекте;
A_м(t) - амплитуда сигнала, несущая информацию об объекте и потому зависит от времени t;
ω - круговая частота колебаний генератора;
θ-θ_м - разность фаз сигналов, несущих и не несущих информацию об идентифицируемом объекте.

При условии

суммарный отраженный от датчика и корпуса объекта сигнал не несет информации об объекте. Действительно учитывая, что можно записать

Это равенство выполняется при условии, что n = 0,1,2,... При двухстороннем распространении радиоволн это усовие соблюдается, когда расстояние между фазовыми центрами отражений равно

Глубина модуляции суммарного сигнала будет максимальной, когда

т. е. θ-θ_м = nπ, n = 0,1,2,... Для выполнения этого условия во всех рабочих поддиапазонах волн расстояние между фазовыми центрами отражений должно быть равно

В этом случае суммарный сигнал получает максимальную глубину модуляции. Из этого равенства видно, что чем меньше амплитуда сигнала, не несущего информацию, тем тоже больше глубина модуляции суммарного сигнала, при прочих равных условиях увеличивается радиус действия системы.

Необходимо отметить, что система работает в полосе частот Δω_n в каждом поддиапазоне, определяемой по формуле

Максимальная полоса частот на самом длинном поддиапазоне рабочих длин волн системы равна ± 20%, так как в этой полосе значение максимальной амплитуды полезного сигнала уменьшается всего на 5%, [Cos(0 ± 18^o) = 1 - 0,95].

Отличительными признаками по I варианту являются: выполнение усилителя низкой частоты операционным, генератор выполнен многодиапазонным с длинами волн в каждом поддиапазоне, равными

ответвители выполнены ненаправленными и включены в линию передачи попарно, расстояния между ответвителями в паре равны Λ/4 , а между парами, отличными от λ_n/4 , расстояние между фазовыми центрами l_фц отражений от датчика и объекта, несущими и несущими информацию об объекте, равны одному из значений
l_фц = nΛ/4.
Отличительными признаками по II варианту являются: дополнение системы генераторами и светвителем, к входам которого подключены выходы генераторов, а выход светвителя подсоединен к входу линии передачи, средняя рабочая длина волны генераторов определяется по формуле

где ответвители выполнены ненаправленными и включены в линию передачи попарно, расстояния между ответвителями в паре равны Λ/4, а между парами отличны от λ_n/4, расстояние между фазовыми центрами отражений от датчикам и объекта, несущими и не несущими информацию об объекте, равны одному из значений nΛ/4.
Отличительными признаками по III варианту являются: перекрещивание под острым углом в пространстве электрических осей антенн считывающего устройства и датчика, определяемого из неравенства

На фиг. 1 представлена структурная схема системы по I варианту исполнения; на фиг. 2 - структурная схема системы по II варианту исполнения; на фиг. 3 - структурная схема системы по III варианту исполнения; на фиг. 4, 5 и 6 - зависимости от времени амплитуды суммарного сигнала при разных расстояниях между фазовыми центрами сигналов, отраженных от датчика и корпуса объекта, несущих и несущих информацию об идентифицируемом объекте, соответственно l_фц = nΛ/4; l_фц = (2n + 1) Λ /4; l_фц = nΛ/4 + Λ/8 (n = 0, 1, 2, . ..).

На фиг. 7 приведена структурная схема ПЗУ, на которой: 1 - считывающее устройство; 2 - генератор; 3 - светвитель; 4 - линия передачи; 5 - антенна считывающего устройства; 6 - пара ответвителей; 7 - детектор (смеситель); 8 - фильтр нижних частот (ФНЧ); 9 - операционный усилитель; 10 - демодулятор (ДМ); 11 - датчик; 12 - антенна датчика; 13 - модулятор (М); 14 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); 15 - корпус идентифицируемого объекта; 16 - фазовый центр отражений от антенны датчика, несущих полезную информацию об объекте; 17 - фазовый центр отражений, не несущих информацию об объекте; 18 - главный лепесток диаграммы направленности антенны считывающего устройства; 19 - диаграмма направленности антенны датчика; 20 - главный лепесток диаграммы отражения объекта; 21 и 22 - электрические оси антенн считывающего устройства и датчика; 23 - регистр A; 24 - дешифратор; 25 - матрица памяти; 26 - регистр данных.

По I варианту исполнения считывающее устройство содержит широкодиапазонный генератор немодулированных электромагнитных колебаний, линию передачи, приемопередающую антенну, несколько пар ответвителей, включенных в линию передачи, соединяющую генератор и антенну, детекторы и ФНЧ, включенные последовательно к выходу ответвителей, и операционные усилители НЧ, входы которых соединены с соответствующими парами ответвителей через детекторы и ФНЧ. На выходах усилителей подключен демодулятор.

По II варианту исполнения считывающего устройства I оно содержит несколько генераторов немодулированных колебаний, выходы которых подключены к светвителю, который в свою очередь своим выходом подсоединен к входу передающей линии. В остальном схемы двух вариантов устройств I аналогичные.

По III варианту считывающее устройство может быть выполнено по I или II варианту исполнения изобретения.

Генератор 2 по I варианту может быть выполнен в виде синтезатора частот, а по второму выполнен на диоде Гана или транзисторе.

Светвитель 3 может быть выполнен в виде гибридного кольца на полосковой линии (при двух генераторах).

Линия передачи 4 может быть выполнена на полосковой линии или коаксиальном кабеле.

Ответвители 6 могут быть выполнены с индуктивной или емкостной связью с линией передачи 4.

Антенна 5 считывающего устройства 1 может быть выполнена в виде вибратора.

Детектор 7 выполняется смесительным.

ФНЧ 8 может быть выполнен из сосредоточенных индуктивностей и емкостей по известным схемам.

Усилитель 9 должен быть выполнен операционным с двумя противофазными входами и одним суммирующим выходом.

Демодулятор 10 может быть выполнен по схеме, защищенной патентом США N 4739328 (прототип изобретения).

Датчик II содержит приемопередающую антенну, модулятор и ПЗУ, соединенные последовательно.

Антенна 12 датчика может быть выполнена в виде вибратора.

Модулятор 13 может быть собран на транзисторе, меняющий импеданс антенны 12.

ПЗУ 14 может быть собрано по схеме фиг. 7.

Статика (I вариант).

Считывающее устройство 1 располагается на удалении (до 10 м) от датчика 11 с идентифицируемым объектом 15, антеннами навстречу.

Выход генератора 2 подсоединен к входу линии передачи 4, а к выходу линии подсоединен вход антенны 5. К линии 4 подключены пары ответвителей на расстояниях, равных Λ/4 друг от друга в паре, а пары включены на расстояниях, не равных λ_n/4 между собой. Выход ответвителя одной пары 6 через детектор 7 и ФНЧ 8 подключен к одному входу усилителя 9, а к другому его входу, также через другой детектор и другой ФНЧ подсоединен к второму ответвителю этой же пары.

Выходы всех усилителей 9 подключены к входам ДМ 10.

Датчик 11 установлен на объекте 15, так что фазовые центры отражений от датчика и объекта, несущие и не несущие информацию о датчике, расположены на одном из расстояний, определяемом по формуле nΛ/4. Антенна 12 датчика 11 через модулятор 13 соединена с ПЗУ 14.

Статика (II вариант).

Считывающее устройство и датчик располагаются в пространстве, как и в I варианте исполнения изобретения.

Выходы генератора 2 (Г₁ и Г₂) подключены к входам светвителя 3, выход светвителя соединен со входом линии 4 передачи, все остальные связи считывающего устройства 1 и датчика 11 аналогичны связям I варианта.

Статика (III вариант).

Считывающее устройство, выполненное по I или II варианту исполнения, располагается на некотором удалении от датчика и идентифицируемого объекта, так что электрические оси антенн считывающего устройства и датчика перекрещиваются в пространстве под острым углом β определяемым из неравенства

где
β_o - ширина главного лепестка диаграммы отражения корпуса (по нулям) объекта на Λ;
β_су - ширина главного лепестка по нулям диаграммы направленности антенны считывающего устройства на Λ;
Динамика (I вариант).

Включают генератор 2 в режим самых низких рабочих частот (Λ). Излучаемый антенной 5 сигнал производит запрос датчика 11. Датчик модулирует выходной импеданс антенны 12 с помощью модулятора 13 кодом ПЗУ 14. Перемещают датчик 11 вдоль линии визирования со считывающего устройства 1 относительно корпуса объекта 15 на расстоянии в пределах Λ . Измеряют амплитуду сигнала на выходе усилителя 9 и отмечают (по осциллографу) максимальные и минимальные значения этих сигналов. Датчик укрепляют на объекте в положении ближайшего к корпусу объекта максимуме сигнала, это будет соответствовать одному из расстояний, определяемых по формуле
l_фц= nΛ/4
В таком положении закрепляют датчики на всех одинаковых объектах идентификации.

Суммарный сигнал, отраженный от датчика и корпуса объекта, поступает на вход антенны 5 и пары ответвителей 6. Сигналы на выходы пары ответвителей поступают в противофазе на всех рабочих частотах системы из-за того, что они разнесены вдоль линии передачи на λ/4, а на выходе усилителя 9 они складываются в фазе, так как входы усилителя инверсны. Пары разнесены вдоль линии передачи на расстояния, не равные λ_n/4, поэтому, если даже на одну пару ответвителей придут сигналы в квадратуре с сигналом гетеродина, на других всегда будут сигналы с фазами, отличными от квадратуры (90^o). С выходов усилителей сигналы поступают на входы демодулятора, где они суммируются и демодулируются.

При необходимости работы системы в другом поддиапазоне настройка не требуется, а просто включается необходимый диапазон частот на генераторе 2.

Динамика (II вариант).

Включают генератор 2 с наибольшей рабочей длиной волны λ (например Г₁). Излучаемый антенной сигнал 5 производит запрос датчика 11. Датчик модулирует выходной импеданс антенны 12 с помощью модулятора 13 и ПЗУ 14. Перемещают датчик 11 вдоль линии визирования со считывающего устройства 1 относительно корпуса объекта 15 на расстояние в переделах λ. Измеряют амплитуду сигнала на выходе усилителя 9 и отмечают (по осциллографу) максимальные и минимальные значения этих сигналов. Датчик укрепляют на объекте в положении ближайшего к корпусу объекта максимуме сигнала, это и будет соответствовать одному из расстояний, определяемым по формуле
l_фц= nΛ/4
и означать максимально возможную глубину модуляции суммарного отраженного от датчика и объекта сигнала.

В таком положении закрепляют датчики на всех одинаковых объектах идентификации.

Включают генераторы с более короткими рабочими длинами волн.

Суммарный сигнал, отраженный от датчика и корпуса объекта, поступает на вход антенны 5 и пары ответвителей 6 на всех волнах рабочих поддиапазонов. Сигналы на выходы любой пары ответвителей поступают в противофазе на всех рабочих волнах системы, так как они разнесены вдоль линии передачи на Λ/4, а на выходах усилителей 9 складываются в фазе, потому что входы усилителей инверсны. Пары разнесены вдоль линии передачи 4 на расстояния, не равные λ_n/4, поэтому, если даже на одну пару ответвителей придут сигналы в квадратуре с сигналом гетеродина, на других всегда будут сигналы с фазами, отличными от квадратуры (90^o). С выходов усилителей сигналы поступают на входы демодулятора, где они суммируются и демодулируются.

Система запрашивает и принимает сигналы одновременно от датчиков, работающих в разных поддиапазонах волн,
Динамика (III вариант).

Включают генератор 2 с наибольшей рабочей длиной волны Λ. В этом случае диаграммы направленности антенн считывающего устройства 1 и датчика 11 и диаграмма отражений корпуса объекта 15 наиболее широкие. Электрические оси антенн считывающего устройства и датчика ориентируют в пространстве под углом β. В этом и всех других поддиапазонах работы системы антенна считывающего устройства будет принимать отражения от корпуса лишь по боковым лепесткам его диаграммы отражения. В этом случае отношение будет больше, чем когда антенна считывающего устройства принимает сигнал от корпуса по его главному лепестку диаграммы отражения. Поэтому глубина модуляции суммарного сигнала увеличиться и увеличиться радиус действия системы.

Телеметрическая система идентификации объектов содержит считывающее устройство и датчик с приемопередающими антеннами. Датчик установлен на объекте, удаленным от считывающего устройства так, что фазовые центры сигналов несущих и не несущих информацию о конкретном объекте удалены друг от друга на расстояние, определяемое по формуле nΛ/4, где Λ - наибольшая рабочая длина волны системы, а n = 0, 1, 2 ... . Генератор считывающего устройства выполнен широкодиапазонным, средние длины волн поддиапазонов определяются по формуле λ_n= Λ / (2n + 1). Электрические оси антенн считывающего устройства и датчика перекрещиваются под острым углом, определяемым из неравенства β≥(β_o+β_су)/2, где β_o - ширина главного лепестка диаграммы отражения корпуса идентифицируемого объекта; β_су - ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны считывающего устройства. Такая система работает в нескольких поддиапазонах волн и имеет повышенную дальность действия за счет увеличения глубины модуляции суммарного сигнала, отраженного от датчика и корпуса объекта. иля

Телеметрическая система идентификации объектов, содержащая считывающее устройство и датчик с приемопередающими антеннами, причем датчик установлен на идентифицируемом объекте, удаленном от считывающего устройства, отличающаяся тем, что антенны датчика и считывающего устройства расположены так, что их электрические оси перекрещены в пространстве под углом β, определяемым из неравенства

где β_o - ширина главного лепестка диаграммы отражения корпуса идентифицируемого объекта по нулям;
β_с.у - ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны по нулям считывающего устройства.