СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЖИВЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01S13/52 

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться для обнаружения живых людей в завалах, укрытиях, под снегом, а также для дистанционного бесконтактного определения частоты дыхания и частоты сердечных сокращений в медицинских учреждениях. Известны способы и устройства дистанционного обнаружения людей, находящихся за радиопрозрачными преградами, а также дистанционного измерения частоты дыхания и частоты сердечных сокращений, использующие монохроматический радиочастотный зондирующий сигнал. Устройство, описанное в [1], содержит высокочастотный генератор, первый направленный ответвитель, циркулятор, антенну, балансный смеситель, а также цепь компенсации, включающую второй направленный ответвитель, регулируемый аттенюатор, регулируемый фазовращатель, сумматор. Непрерывное электромагнитное излучение направляется в зону поиска. Отраженный от тела человека и окружающих предметов сигнал принимается антенной и поступает на балансный смеситель. Часть мощности излучаемого сигнала поступает на смеситель в качестве опорного сигнала. Сигналы, вызванные отражениями от неподвижных объектов, маскирующие полезный сигнал, устраняются с помощью цепи компенсации. Устройство реагирует на изменения амплитуды и фазы принимаемого сигнала, вызванные перемещениями, дыханием и сердечными сокращениями. Описываемое устройство не осуществляет селекцию сигналов по дальности, что не позволяет исключить помехи от объектов, находящихся на иных, чем искомый, дальностях, например влияние оператора, влияние удаленных подвижных объектов и т. п.

В способе и устройстве, описанном в пат. США N 4958638 применяется линейная частотная модуляция зондирующего сигнала, что позволяет осуществить пространственное разрешение и повысить помехоустойчивость. Однако данный способ не позволяет устранить сигналы, вызванные отражениями зондирующего излучения от неподвижных объектов. Эти сигналы могут многократно превосходить сигналы, вызванные дыханием и сердцебиением, и затрудняют обнаружение.

Известны способы обработки широкополосных сигналов, пат. США N 5479120, основанные на стробировании сигнала в последовательные моменты времени, запоминании значений сигнала на электрической емкости, аналого-цифрового преобразования и последующей параллельной цифровой обработке с помощью сравнительно низкочастотных цифровых устройств. Однако эти способы не обеспечивают должного динамического диапазона при обработке сигналов в реальном масштабе времени.

Наиболее близким к изобретению по наличию существенных признаков является способ и устройство, описанные в патенте Российской Федерации N 2076336. В данном способе для осуществления пространственного разрешения применяется импульсная модуляция зондирующего сигнала, а для снижения уровня сигналов, вызванных отражениями от неподвижных объектов, формируются сигналы биений относительно нескольких опорных сигналов, различающихся по фазе, и выбирается сигнал биений с наименьшей постоянной составляющей. Однако полной компенсации постоянной составляющей, вызванной отражениями от неподвижных объектов, не происходит, чувствительность к малым перемещениям объекта как функция расстояния имеет осциллирующий характер, кроме того, способ требует отдельного цикла измерений для каждой заданной дальности, что снижает его быстродействие.

Целью изобретения является повышение вероятности обнаружения скрытых живых существ. Цель достигается осуществлением пространственного разрешения и подавлением сигналов от неподвижных объектов, что позволяет устранить помехи, вызванные присутствием подвижных объектов в облучаемой зоне, увеличить динамический диапазон приемного устройства и повысить вероятность обнаружения слабых сигналов, вызванных дыхательной и сердечной деятельностью.

Сущность способа обнаружения живых объектов заключается в том, что в известном способе, предусматривающем излучение модулированного зондирующего сигнала, прием отраженного сигнала, перемножение принимаемого и опорного сигналов, выделение сигнала разностной частоты, осуществление селекции по дальности, выделение спектральных составляющих сигнала разностной частоты, вызванных дыханием и сердечной деятельностью, дополнительно выполняются следующие операции: принимаемый сигнал умножается на два квадратурных опорных сигнала для извлечения информации о его амплитуде и фазе, два образующихся квадратурных сигнала разностной частоты в последовательные моменты времени направляют с помощью мультиплексоров на входы двух многоканальных полосовых фильтров для устранения постоянного принимаемого сигнала, вызванного отражениями от неподвижных объектов и накопления полезного сигнала, производят опрос выходов многоканальных полосовых фильтров с помощью демультиплексоров с частотой, обеспечивающей обработку образующихся сигналов в реальном масштабе времени, производят обработку сигналов, действующих на выходах демультиплексоров, соответствующую виду модуляции зондирующего сигнала и реализующую пространственное разрешение (в случае линейно-частотно-модулированных зондирующих сигналов это может быть быстрое преобразование Фурье), формируют первый и второй сигналы, несущие информацию об изменениях амплитуды и фазы отраженного сигнала, соответствующего определенной дальности, выделяют информацию о перемещениях, дыхании и сердцебиении путем анализа этих сигналов. Способ допускает применение различных видов модуляции зондирующего сигнала, в том числе импульсную, частотную, фазово-кодовую.

Кроме того, для выделения характерных спектральных составляющих принимаемого сигнала и исключения потери информации суммируют амплитудные спектры первого и второго сигналов для каждой конкретной дальности. Кроме того, для улучшения пространственной селекции производят взаимное вычитание амплитудных спектров низкочастотных сигналов, соответствующих разным дальностям, для чего спектры умножаются на весовые коэффициенты, зависящие от дальности, выбирается спектр с максимальным значением, данный спектр умножается на нормирующий коэффициент и вычитается из остальных, нормирующий коэффициент определяется для каждой операции вычитания из условия равенства нулю спектральной составляющей результирующего спектра, соответствующей максимальной составляющей в вычитаемом спектре.

Сущность устройства состоит в том, что в известное устройство, включающее высокочастотный генератор, соединенный через направленный ответвитель и модулятор с антенным блоком, генератор модулирующих импульсов, соединенный с модулятором, блок индикации, соединенный через блок цифровой обработки с аналого-цифровым преобразователем, дополнительно введены квадратурный демодулятор, радиочастотный вход которого соединен с приемным выходом антенного блока, а гетеродинный вход соединен через направленный ответвитель с выходом высокочастотного генератора, первый и второй предварительные усилители, входы которых соединены с выходами квадратурного демодулятора, первый и второй полосовые фильтры, входы которых соединены с выходами предварительных усилителей, первый и второй мультиплексоры, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров, а входы управления соединены через блок управления мультиплексорами с генератором модулирующих импульсов, первый и второй многоканальные полосовые фильтры, входы которых соединены с выходами мультиплексоров, первый и второй демультиплексоры, входы которых соединены с выходами многоканальных полосовых фильтров, а входы управления соединены через блок управления демультиплексорами с генератором модулирующих импульсов, первый и второй короткозамыкающие электронные ключи, входы которых соединены с выходами демультиплексоров, а входы управления соединены с блоком цифровой обработки, первый и второй низкочастотные усилители, входы которых соединены с выходами электронных короткозамыкающих ключей, а выходы соединены со входами аналого-цифрового преобразователя, мультиплексоры включают линию задержки с отводами, нагруженную на согласованную нагрузку, вход которой соединен с блоком управления мультиплексорами, а отводы соединены с управляющими входами электронных ключей.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием новых операций над сигналом, заявляемое устройство отличаются наличием новых блоков и связей между ними. Это дает основание считать, что заявляемые способ и устройство соответствуют критерию "новизна". Указанные выше отличительные признаки обеспечивают появление нового свойства, которое состоит в осуществлении пространственного разрешения при одновременном подавлении сигналов, вызванных отражениями от неподвижных объектов и предопределяющего положительный эффект, сформулированный в цели изобретения. Указанное свойство не проявляется ни в одном из известных автору объектов, содержащем признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого устройства, что дает основание считать, что заявляемые способ и устройство соответствуют критерию "существенные отличия".

Достоинством способа является то, что он позволяет проводить параллельную обработку сигналов, соответствующих различным дальностям с помощью стандартных цифровых устройств в реальном масштабе времени, что снижает стоимость устройства, увеличивает возможности обработки и повышает скорость обнаружения.

На фиг. 1: структурная схема устройства.

На фиг. 2: предварительный усилитель, полосовой фильтр, мультиплексор, многоканальный полосовой фильтр, демультиплексор, электронный короткозамыкающий ключ, низкочастотный усилитель.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства. Устройство содержит высокочастотный генератор 1, соединенный через направленный ответвитель 2 и модулятор 3 с антенным блоком 4, квадратурный демодулятор 5, радиочастотный вход которого соединен с приемным выходом антенного блока, а гетеродинный вход соединен через направленный ответвитель с выходом высокочастотного генератора, первый и второй предварительные усилители 6а, 6б, входы которых соединены с выходами квадратурного демодулятора, первый и второй полосовые фильтры 7а, 7б, входы которых соединены с выходами предварительных усилителей, первый и второй мультиплексоры 8а, 8б, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров, а входы управления соединены через блок управления мультиплексорами 14 с генератором модулирующих импульсов 16, первый и второй многоканальные полосовые фильтры 9а, 9б, входы которых соединены с выходами мультиплексоров, первый и второй демультиплексоры 10а, 10б, входы которых соединены с выходами многоканальных полосовых фильтров, а входы управления соединены через блок управления демультиплексорами 15 с генератором модулирующих импульсов, первый и второй короткозамыкающие электронные ключи 11а, 11б, входы которых соединены с выходами демультиплексоров, а входы управления соединены с блоком цифровой обработки 17, первый и второй низкочастотные усилители 12а, 12б, входы которых соединены с выходами электронных короткозамыкающих ключей, а выходы соединены со входами аналого-цифрового преобразователя 13, блок индикации 18, соединенный с блоком цифровой обработки. На фиг. 2 показано устройство мультиплексора, который включает линию задержки с отводами 19, нагруженную на согласованную нагрузку 20, вход линии задержки соединен с блоком управления мультиплексорами, а отводы соединены с управляющими входами электронных ключей 21.

Устройство работает следующим образом. Сигнал от высокочастотного генератора 1 через направленный ответвитель 2, импульсный модулятор 3, поступает в антенный блок 4 и излучается в зону поиска. Отраженный сигнал принимается антенной системой и поступает на квадратурный демодулятор (I&Q-демодулятор) 5. В качестве гетеродинного сигнала на этот демодулятор через направленный ответвитель 2 подается часть мощности высокочастотного генератора. Квадратурные сигналы разностной частоты, действующие на выходах демодулятора 5, усиливаются предварительными усилителями 6а, 6б и поступают на входы полосовых фильтров 7а, 7б. Нижняя частота полосы пропускания полосовых фильтров определяется частотой следования зондирующих импульсов, а верхняя частота определяется шириной спектра зондирующего сигнала. Сигналы с выходов полосовых фильтров поступают на входы мультиплексоров 8а, 8б. Мультиплексоры осуществляют последовательную во времени подачу квадратурных сигналов разностной частоты на входы многоканальных полосовых фильтров 9а, 9б. Блок управления мультиплексорами 14 формирует стробирующий импульс, задержанный относительно зондирующего на время, определяющее начало отсчета дальности, длительность стробирующего импульса равна либо меньше длительности зондирующего импульса. Стробирующий импульс распространяется по линии задержки 19 и формирует на ее отводах управляющие импульсы, которые последовательно поступают на управляющие входы электронных ключей 21. Многоканальные полосовые фильтры 9а, 9б подавляют составляющую квадратурных сигналов разностной частоты, вызванную отражениями от неподвижных объектов, и выделяют переменную составляющую, вызванную перемещениями, дыханием и сердцебиением. Нижняя частота полосы пропускания каждой ячейки многоканального фильтра, которая определяется параметрами элементов фильтра и входным сопротивлением низкочастотного усилителя, выбирается порядка 0.1 Гц для пропускания спектральных составляющих, вызванных дыханием. Сигналы с выходов многоканальных полосовых фильтров поступают на демультиплексоры 10а, 10б, выполненные на стандартных аналоговых микросхемах, с помощью которых производится опрос выходов ячеек многоканальных полосовых фильтров 9а,9б с частотой, задаваемой блоком управления демультиплексорами 15. Частота опроса каналов многоканальных полосовых фильтров выбирается такой, чтобы обеспечить возможность проведения цифровой обработки сигналов, действующих на выходах демультиплексоров в реальном масштабе времени. Действующие на выходах демультиплексоров сигналы представляют собой растянутые во времени копии переменных составляющих квадратурных сигналов, поступающих на входы мультиплексоров. Выходы демультиплексоров соединены с входами короткозамыкающих электронных ключей 11а, 11б, осуществляющих программно-управляемый разряд ячеек многоканальных полосовых фильтров для устранения переходных процессов, связанных с воздействием сильных кратковременных сигналов, возникающих при перемещении объектов в облучаемой зоне. Сигналы с выходов короткозамыкающих электронных ключей поступают на низкочастотные усилители 12а, 12б и далее на входы аналого-цифрового преобразователя 13, работа которого синхронизована с работой демультиплексоров. Сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя поступает на блок цифровой обработки 17. В блоке цифровой обработки проводится спектральный анализ квадратурных составляющих сигналов, соответствующих заданной дальности на временном интервале порядка 10-100 с. Суммируются амплитудные спектры квадратурных сигналов, соответствующих каждой конкретной дальности, и выделяются спектральные составляющие, соответствующие дыханию и сердечным сокращениям, амплитуда выбранных спектральных составляющих сравнивается с пороговыми значениями и принимается решение о наличии объектов в облучаемой зоне. С выхода блока цифровой обработки сигналы поступают в блок индикации 18.

Источники информации, использованные при выявлении изобретения и составлении его описания
1. Kun-Mu Chen, Misra D., Chuang H.-R., An X-band microwave Life-Detection system. IEEE Transactions on BME, -v.33, 7, July, 1986.

2. Патент США N 4958638, кл. 128/653 R (A 61 B 5/02).

3. Патент США N 5479120, кл. 397/091 (H 03 K 005/06).

4. Патент РФ N 2076336 C1, кл. G 01 S 13/52.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения живых людей в завалах, под снегом и пр. Достигаемый технический результат - повышение вероятности обнаружения слабых сигналов, вызванных дыхательной и сердечной деятельностью. Согласно способу широкополосный зондирующий сигнал излучают в зону поиска, принимают отраженный сигнал, подавляют сигналы от неподвижных объектов мультиплексированием и фильтрацией квадратурных составляющих принимаемого сигнала на промежуточной частоте, осуществляют пространственное разрешение, регистрируют изменения амплитуды и фазы отраженного сигнала, вызванные. перемещениями поверхности тела. Устройство содержит СВЧ- генератор, направленный ответвитель, импульсный модулятор, антенный блок, квадратурный демодулятор, предварительные усилители, полосовые фильтры, мультиплексоры, многоканальные дифференцирующие-интегрирующие фильтры, демультиплексоры, короткозамыкающие электронные ключи, НЧ-усилители, формирователь стробирующих импульсов, блок управления демультиплексорами, генератор модулирующих импульсов, АЦП, блоки обработки и индикации. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обнаружения живых объектов, заключающийся в том, что излучают модулированный зондирующий сигнал в зону поиска, принимают отраженный сигнал, изменения амплитуды и фазы которого несут информацию о перемещениях, дыхании и сердцебиении искомого объекта, регистрируют изменения амплитуды и фазы принимаемого сигнала, выделяют информацию о перемещениях, дыхании и сердцебиении, принимают решение о наличии объектов в зоне поиска, отличающийся тем, что принимаемый сигнал перемножают с двумя квадратурными опорными сигналами, образующиеся квадратурные сигналы разностной частоты в последовательные моменты времени направляют на входы двух наборов фильтров, подавляющих постоянную составляющую, вызванную отражениями от неподвижных объектов, производят опрос выходов фильтров, производят обработку образующихся сигналов, соответствующую виду модуляции зондирующего сигнала и реализующую пространственное разрешение, формируют первый и второй сигналы, несущие информацию об изменениях амплитуды и фазы отраженного сигнала, соответствующего определенной дальности, выделяют информацию о перемещениях, дыхании и сердцебиении путем анализа этих сигналов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для выделения характерных спектральных составляющих принимаемого сигнала, соответствующего определенной дальности, суммируют амплитудные спектры первого и второго сигналов. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для улучшения пространственной селекции производят взаимное вычитание амплитудных спектров сигналов, соответствующих разным дальностям, для чего спектры сигналов, соответствующих разным дальностям, умножаются на весовые коэффициенты, зависящие от дальности, выбирается спектр с максимальным значением, данный спектр умножается на нормирующий коэффициент и вычитается из остальных, нормирующий коэффициент определяется для каждой операции вычитания из условия равенства нулю спектральной составляющей результирующего спектра, соответствующей максимальной составляющей в вычитаемом спектре. 4. Устройство для обнаружения живых объектов, включающее высокочастотный генератор, соединенный через направленный ответвитель и импульсный модулятор с антенным блоком, генератор модулирующих импульсов, соединенный с импульсным модулятором, блок индикации, соединенный через блок цифровой обработки с аналого-цифровым преобразователем, отличающееся тем, что дополнительно содержит квадратурный демодулятор, радиочастотный вход которого соединен с приемным выходом антенного блока, а гетеродинный вход соединен через направленный ответвитель с выходом высокочастотного генератора, первый и второй предварительные усилители, входы которых соединены с выходами квадратурного демодулятора, первый и второй полосовые фильтры, входы которых соединены с выходами предварительных усилителей, первый и второй мультиплексоры, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров, а входы управления через блок управления мультиплексорами - с генератором модулирующих импульсов, первый и второй многоканальные полосовые фильтры, входы которых соединены с выходами мультиплексоров, первый и второй демультиплексоры, входы которых соединены с выходами многоканальных полосовых фильтров, а входы управления через блок управления демультиплексорами - с генератором модулирующих импульсов, первый и второй короткозамыкающие электронные ключи, входы которых соединены с выходами демультиплексоров, а входы управления - блоком цифровой обработки, первый и второй низкочастотные усилители, входы которых соединены с выходами электронных короткозамыкающих ключей, а выходы - с входами аналого-цифрового преобразователя. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что мультиплексор представляет собой линию задержки с отводами, нагруженную на согласованную нагрузку, вход которой соединен с блоком управления мультиплексорами, отводы соединены с управляющими входами быстродействующих ключей, входы быстродействующих ключей объединены и являются входом мультиплексора, а выходы быстродействующих ключей являются выходами мультиплексора.