РАДИОВОЛНОВЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ КАНАЛ С СИСТЕМОЙ САМОКОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ОХРАННОГО ИЗВЕЩАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК G01S7/40 G01S13/56 

Изобретение относится к радиотехнике, более точно к радиолокации, в частности к устройствам контроля за перемещением объектов.

Изобретение может быть использовано в системах охранной тревожной сигнализации, в извещателях (датчиках), имеющих радиоволновый (РВ) доплеровский канал обнаружения.

В связи с широким использованием электронных средств охранной сигнализации возрастают требования к надежности их работы. Одной из актуальных задач построения современных охранных извещателей является задача выявления прибором собственных неисправностей и отклонений основных характеристик от номинальных непосредственно в процессе эксплуатации. Типовая структурная схема доплеровского РВ канала обнаружения охранного извещателя состоит из приемопередающего модуля (ППМ), который включает СВЧ-генератор, передающую антенну, приемную антенну и смеситель, и модуля обработки низкочастотного сигнала, в котором можно выделить низкочастотный (НЧ) фильтр, усилитель низкой частоты (УНЧ) и блок обработки сигнала. Блок обработки сигнала согласно ГОСТ 26342-84 именуется процессором. Сигнал СВЧ-генератора подается на передающую антенну и излучается в охраняемое (контролируемое) пространство. Отраженные от объектов сигналы через приемную антенну поступают на смеситель. В качестве гетеродинного используется сигнал СВЧ-генератора, поступающий на другой вход смесителя. Если в контролируемой зоне все объекты неподвижны, то низкочастотная переменная составляющая сигнала на выходе смесителя будет отсутствовать. При наличии в контролируемой зоне движущегося объекта на выходе смесителя появляется переменный низкочастотный сигнал с доплеровской частотой F_d, равной скорости изменения фазы сигнала, принятого от движущегося объекта. Доплеровский сигнал выделяется НЧ-фильтром, усиливается УНЧ и поступает на вход процессора. Процессор, как правило, содержит пороговый ограничитель сигнала и временной селектор (инерционный интегратор или счетчик периодов сигнала) [1] . При работе СВЧ-генератора в импульсном режиме питания НЧ-фильтр объединяется со схемой выборки и хранения, представляющей собой конденсатор, быстро перезаряжающийся в некоторый момент отсчета до уровня входного сигнала и удерживающий напряжение до следующего момента отсчета. При этом отсчеты совпадают по времени с импульсами напряжения питания СВЧ-генератора.

Описанное построение имеет, например, отечественный извещатель "Волна-5" (Руководство по среднему ремонту СПНК.437214.005 PC). Фактически, такая блок-схема извещателя описана в патенте РФ N 2117962, G 08 B 19/00, если все блоки, которые осуществляют помехоустойчивую обработку сигналов, объединить в одном процессоре.

Подобное объединение можно найти в извещателе по US Patent N 5237330, G 01 S 13/56. В патенте описан комбинированный извещатель, который имеет два обнаружительных канала - РВ и инфракрасный (ИК). Процессор извещателя представляет собой микроконтроллер (МК) MC68705R5 фирмы Motorola. В связи с тем, что указанный патент по существу заявляет приемопередающую часть РВ канала извещателя, функции МК, связанные с обработкой сигнала, в описании патента отсутствуют. Указано, что МК обеспечивает выход сигнала тревоги, выход ложного срабатывания, выход для звукового сигнала тревоги и присоединен к трем индикаторам. МК имеет два аналоговых входа, на один из которых поступает сигнал от усилителя доплеровского РВ канала, а на другой - сигнал от усилителя ИК канала. РВ канал обнаружения извещателя выполнен по типовой блок-схеме.

В связи с тем, что СВЧ-энергия частотного диапазона, используемого в охранных извещателях (от 2,4 ГГц до 24 ГГц), обладает заметной проникающей способностью, РВ канал обнаружения в большинстве случаев требует точной настройкой зоны обнаружения на объекте. Как правило, для этого применяются регуляторы коэффициента усиления (КУ) УНЧ или регуляторы порогового значения ограничителя. Для плавной регулировки зоны обнаружения применяются потенциометры, для дискретной - переключатели. Регулятор КУ входит в состав УНЧ, поэтому не указывается на блок-схемах.

Известен US Patent N 4710750, G 08 B 019/00, G 08 B 023/00, где описана система самоконтроля работоспособности комбинированного извещателя. Принцип действия описанной системы основан на раздельном подсчете числа срабатываний каждого из двух обнаружительных каналов - РВ и ИК. При этом осуществляется сравнение числа срабатываний по каналам. Полученный коэффициент сопоставляется с заранее заданным тестовым значением. Если полученный коэффициент превышает заданное значение, то формируется сигнал неисправность. Описанный способ самоконтроля является "пассивным", поэтому принципиально не может быть осуществлен в извещателях, имеющих один канал обнаружения, и требует присутствия движущихся объектов в зоне, контролируемой извещателем. Он эффективен только в период снятия режима охраны, то есть, когда выход сигнала тревоги извещателя не контролируется, и при условиях, что извещатель находится во включенном состоянии, а в охраняемом помещении находятся люди. В режиме охраны, когда в контролируемом помещении движений быть не должно, информация о работоспособности извещателя становится недоступной такой системе самоконтроля. Кроме того, при выдаче сигнала неисправности, например, по "молчанию" ИК канала, остается не выясненным, какой же из каналов неисправен - возбудился радиоволновый, потерял чувствительность или был замаскирован инфракрасный.

Известен доплеровский РВ канал охранного извещателя с системой контроля работоспособности по US Patent N 5416487, G 01 S 007/40, выбранный нами за прототип. Система является "активной". Блок-схема РВ (микроволнового) канала полностью соответствует типовой и включает СВЧ генератор, передающую и приемную антенны, смеситель (эти блоки представляют ППМ), согласующую цепь (НЧ-фильтр), схему выборки и хранения, УНЧ и микропроцессор (процессор). При этом СВЧ-генератор работает в импульсном режиме питания и в дежурном режиме работы схема выборки и хранения производит отсчеты напряжения на выходе смесителя во время включения СВЧ-генерации. Принцип работы системы, заявленной в указанном патенте, основан на различии уровней постоянного напряжения смещения на выходе смесителя во время генерации СВЧ-сигнала и в период его отсутствия. В тестовом режиме схема выборки и хранения производит отсчеты сигнала на выходе смесителя не только во время включения СВЧ-генератора, но и в паузе между импульсами питания генератора. В результате, на выходе схемы выборки и хранения появляется переменный сигнал малой амплитуды, частота которого равна частоте следования импульсов питания СВЧ-генератора. Для того чтобы эта частота попала в полосу усиления УНЧ, период следования импульсов питания в тестовом режиме уменьшается в необходимое число раз. Усиленный УНЧ тестовый сигнал контролируется микропроцессором. В течение режима тестирования микропроцессор запрограммирован для ожидания сигнала малой, но измеряемой амплитуды соответствующего нормальному функционированию РВ канала. Если этого сигнала нет, то микропроцессор фиксирует неисправность и выдает соответствующий сигнал. Переход работы РВ канала из дежурного режима работы в тестовый происходит периодически на время, примерно равное 0,5 с.

Рассмотренная система самоконтроля не требует введения в типовую схему построения РВ обнаружительного канала дополнительных радиотехнических элементов, если не считать принципиальную необходимость использования импульсного режима работы СВЧ-генератора. При этом, хотя бы только на качественном уровне, но контролируется работа СВЧ-генератора и цепей низкочастотного тракта. Все это можно отнести к достоинствам рассмотренной системы самоконтроля.

Однако РВ канал с рассмотренной системой самоконтроля не лишен недостатков. Один из недостатков вытекает из определенного противоречия, заложенного в самом используемом принципе. А именно, напряжение смещения на выходе смесителя при включенном СВЧ-генераторе отлично от нуля благодаря некоторому реально существующему разбалансу смесителя. При помещении в свободное пространство ППМ с идеально настроенным (сбалансированным) смесителем смещение на выходе последнего отсутствует. То же можно сказать и при наличии отражений от неподвижных распределенных объектов, которыми могут являться стены, пол и потолок, ограничивающие контролируемое пространство. В этом случае тестовый сигнал будет отсутствовать. Получается, что амплитуда тестового сигнала тем больше, чем хуже сбалансирован смеситель. Но чем больше он разбалансирован, тем меньше значения радиолокационного потенциала ППМ и отношения сигнал/шум на входе процессора. При серийном производстве возникает необходимость обеспечивать высокую стабильность оптимальной разбалансировки смесителей.

Во-вторых, представленная в US Patent N 5416487 система самоконтроля не контролирует тракт формирования доплеровского сигнала (СВЧ-генератор - передающая антенна - отражатель - приемная антенна - смеситель). При внесении в ближнюю зону ППМ распределенного отражателя (т.е. при осуществлении маскирования РВ канала) изменение сигнала на выходе смесителя не поддается прогнозированию. Как уже нами указывалось, при идеально сбалансированном смесителе отраженный от распределенного объекта сигнал не влияет на смещение на выходе смесителя. По этой причине, указанная в патенте система самоконтроля не определяет факт маскирования РВ канала.

В-третьих, заложенный принцип действия не позволяет точно контролировать изменения уровня тестового сигнала и только качественно оценивает работоспособность РВ канала по наличию или отсутствию сигнала. Таким образом, представленная система самоконтроля не позволяет фиксировать несанкционированное и самопроизвольное (вызванное неисправностью) изменение дальности действия РВ канала.

Задача, на решение которой направленно предлагаемое нами изобретение, заключается в устранении указанных недостатков.

Эта задача решена тем, что в радиоволновый доплеровский канал с системой самоконтроля работоспособности, который содержит СВЧ-генератор, один из выходов которого связан с передающей антенной, другой из выходов которого соединен с одним из входов балансного смесителя, другой вход которого соединен с приемной антенной, а выход балансного смесителя соединен с входом фильтра низких частот, выход которого соединен с входом усилителя низких частот, выход которого соединен с одним из входов процессора, один из выходов которого соединен с СВЧ-генератором, введен модулятор фазы отраженного СВЧ-сигнала, вход которого соединен с одним из выходов процессора.

В соответствии с п.2 формулы процессор включает в себя цифровой Фурье фильтр с частотой, равной частоте модулятора.

В соответствии с п.3 формулы включает в себя регулятор изменения дальности действия радиоволнового канала, который входит в состав усилителя и его выход через узел контроля положения регулятора дальности соединен с другим из входов процессора.

Сущность изобретения пояснена чертежом, где:
на фиг. 1 представлена структурная схема РВ доплеровского канала охранного извещателя,
на фиг. 2 - структурная схема РВ доплеровского канала охранного извещателя в соответствии с п.3 формулы.

РВ доплеровский канал содержит СВЧ-генератор 1, передающую антенну 2, приемную антенну 3, балансный смеситель 4, НЧ-фильтр 5, УНЧ 6, процессор 7, модулятор фазы отраженного СВЧ-сигнала 8. (СВЧ-генератор, передающая и приемная антенны и балансный смеситель представляют собой ППМ, описанный, например, в руководстве по среднему ремонту СПНК.437214.005 PC к отечественному извещателю "Волна-5"), регулятор изменения дальности действия радиоволнового канала 9, узел контроля положения регулятора дальности 10.

Процессор 7 выполнен в программируемом микроконтроллере (МК). Использование МК для обработки сигналов позволяет выделить часть его ресурсов для решения перечисленных задач контроля РВ канала. Для обеспечения этих функций МК должен дополнительно иметь один входной аналоговый порт, с возможностью аналогово-цифрового преобразования для измерения напряжения на выходе регулятора дальности или узла контроля положения регулятора дальности (фиг. 2) и один цифровой выходной порт для формирования меандра модулирующего напряжения. Программная реализация предлагаемого алгоритма самоконтроля в МК требует нескольких ячеек ОЗУ (оперативного запоминающего устройства) и не более 100 байт ПЗУ (постоянного запоминающего устройства) при условии, что таблица умножения для БПФ (быстрого преобразования Фурье) уже создана для использования в основном алгоритме обработки сигналов. Процессор 7 может быть выполнен, например, в микроконтроллерах серии PIC16C7^** фирмы MICROCHIP.

Модулятор фазы отраженного СВЧ-сигнала 8 предназначен для формирования отраженного СВЧ-сигнала, фаза которого изменяется с некоторой частотой F, имитируя, таким образом, появление движущегося объекта. Известно, что фаза отраженного от материального объекта СВЧ-сигнала в общем случае не равна фазе падающего на него СВЧ-сигнала. Величина изменения фазы отраженного сигнала зависит от свойств материала отражателя. Известно, например, что фазы отраженного СВЧ-сигнала от открытого и закрытого p-n перехода различаются. Поэтому модулятор выполнен, например, на диоде, который расположен в непосредственной близости с приемной и передающей антеннами, например на плате ППМ.

Регулятор изменения дальности действия РВ канала 9 является регулятором КУ и входит в состав УНЧ. Для плавной регулировки зоны обнаружения применяют потенциометры, для дискретной - переключатели.

Узел контроля положения регулятора дальности 10 предназначен для формирования электрического напряжения, значение которого соответствует положению регулятора. Этот узел обеспечивает электрическую развязку, предотвращающую его влияние на работу основной схемы, и представляет собой, например, эмиттерный повторитель напряжения на контакте движка потенциометра, если КУ изменяется при помощи потенциометра.

Работает радиоволновый канал охранного извещателя следующим образом. В дежурном режиме сигнал СВЧ-генератора 1 подается на передающую антенну 2 и излучается в охраняемое (контролируемое) пространство. Отраженные от объектов сигналы через приемную антенну 3 поступают на смеситель 4. В качестве гетеродинного используется сигнал СВЧ-генератора, поступающий на другой вход смесителя. Если в контролируемой зоне все объекты неподвижны, то низкочастотная переменная составляющая сигнала на выходе смесителя будет отсутствовать. При наличии в контролируемой зоне движущегося объекта на выходе смесителя появляется переменный низкочастотный сигнал с доплеровской частотой F_d, равной скорости изменения фазы сигнала, принятого от движущегося объекта. Доплеровский сигнал выделяется НЧ-фильтром 5, усиливается УНЧ 6 и поступает на вход процессора 7. Процессор содержит, например, пороговый ограничитель сигнала и временной селектор (инерционный интегратор или счетчик периодов сигнала). При достижении заданной длительности превышения доплеровским сигналом порогового уровня ограничителя формируется разрешение на выдачу тревожного извещения по радиоволновому каналу.

В режиме самоконтроля СВЧ-генератор 1 через передающую антенну 2 облучает диодный модулятор. Отраженный СВЧ-сигнал, в том числе и от диода, через приемную антенну 3 поступает на смеситель 4, на другой вход которого в качестве гетеродинного поступает сигнал СВЧ-генератора 1. Если p-n переход диода находится в стационарном состоянии (например, открыт или закрыт), то на выходе смесителя 4 переменный сигнал будет отсутствовать. Если p-n переход диода будет открываться-закрываться с некоторой частотой F, то и фаза отраженного от него сигнала будет меняться с частотой F. В этом случае на выходе смесителя 4 появится переменная составляющая напряжения с частотой F, амплитуда которой зависит от величины разности фаз отражения открытого и закрытого p-n перехода диода. Разница фаз отражения зависит от абсолютного значения фазы падения СВЧ-сигнала, а следовательно, от места установки диода. Поэтому место установки диода выбрано так, что на входе процессора обеспечивается уровень тестового сигнала, достаточный и необходимый для последующих его измерений и принятия решений при его изменении. Пусть, например, погрешность аналогово-цифрового преобразования процессора по входу измерения сигнала на выходе УНЧ равна 20 мВ, уровень собственных шумов РВ канала на выходе УНЧ не более 20 мВ. Если считать неисправностью, связанной со снижением дальности РВ канала, уменьшение амплитуды тестового сигнала более чем в 2 раза, то для корректности измерений уровень тестового сигнала исправного РВ канала должен иметь значение не менее 100 мВ.

Использование модулятора позволяет определить факт маскирования РВ канала. Если в ближнюю зону ППМ будет внесен отражатель, например металлический экран, то СВЧ-энергия поля, облучающего модулятор, увеличится. Увеличится при этом и уровень фазомодулированного сигнала на входе смесителя. Это приведет к возрастанию тестового сигнала на входе процессора, что можно использовать для выявления маскировки РВ канала. Если уровень ограничения выходного каскада УНЧ -2 В, а маскированием считать увеличение амплитуды тестового сигнала более чем в 2 раза, то уровень сигнала исправного РВ канала должен иметь значение менее 1 В. Таким образом, амплитуда тестового сигнала исправного РВ канала при указанных параметрах УНЧ и процессора может выбираться в диапазоне от 100 до 900 мВ.

В том случае, когда регулировка зоны обнаружения радиоволнового канала осуществляется посредством регулятора КУ 9 (фиг. 2), уровень тестового сигнала зависит от положения регулятора КУ. Изменение уровня тестового сигнала может быть вызвано не только неисправностью РВ канала или маскированием ППМ, но и изменением положения регулятора КУ. Для выявления последней причины в схему введен узел контроля положения регулятора 10.

Широкий диапазон (от 100 мВ до 900 мВ), в котором выбирают уровень тестового сигнала исправного РВ канала, позволяет контролировать многократное изменение положения регулятора КУ.

Рассмотрим работу системы самоконтроля РВ канала с регулятором дальности посредством изменения КУ (фиг. 2). Система самоконтроля периодически включается в процессе работы РВ канала и функционирует следующим образом.

На некоторое время прекращается подача питающего напряжения на СВЧ-генератор, обеспечивая отсутствие доплеровского сигнала на выходе смесителя, а следовательно, во всем тракте прохождения доплеровского сигнала. В конце этого интервала времени на выходе узла контроля положения регулятора дальности устанавливается постоянное напряжение, соответствующее, например, положению движка потенциометра. Это напряжение измеряется на одном из аналоговых входов процессора. После этого процессор подключает питание на СВЧ-генератор и формирует на другом выходе, к которому подключен модулятор (например, диод), переменное напряжение (например, меандр напряжений) с частотой F, попадающей в полосу доплеровского фильтра. Это напряжение подается на модулятор, открывая и закрывая его p-n переход с заданной частотой. Как было описано выше, на выходе смесителя появляется сигнал, частота которого равна частоте изменения фазы отраженного от модулятора СВЧ-сигнала, а уровень которого на выходе УНЧ зависит от положения движка потенциометра дальности. Этот уровень измеряется с необходимым усреднением на соответствующем аналоговом входе процессора. Если он не соответствует значению, рассчитанному по положению потенциометра, процессор выдает извещение о неисправности. Причем, если измеренный уровень меньше расчетного, это означает, что дальность действия РВ канала снизилась по сравнению с настроенной на объекте. Такая неисправность может быть связана с работой любого узла тракта формирования и прохождения доплеровского сигнала. Если измеренный уровень больше расчетного, то это, скорее всего, указывает на маскирование РВ канала.

Алгоритм самоконтроля канала также включается при подаче питающего напряжения. Измеренное при этом значение положения регулятора дальности (например, движка потенциометра, регулирующего КУ) хранится в запоминающем устройстве процессора. Если в процессе работы РВ канала положение регулятора (движка потенциометра) изменится (осуществлен несанкционированный доступ - к регулятору дальности РВ канала), выдается извещение о несанкционированном доступе.

Полное время, необходимое для проведения описанного тестирования, с учетом переходных процессов при выключении и включении питания СВЧ-генератора и времени усреднений измерений, может быть не более 3-х секунд. Такое время теоретически может привести к пропуску регистрации цели. При временном совпадении появления движения в контролируемой РВ каналом зоне с прохождением тестового сигнала сигнал на выходе смесителя 4 и усилителя 6 будет представлять суперпозицию доплеровского сигнала от объекта движения и тестового модуляционного сигнала. Но, во-первых, при измерении тестового сигнала контролируется не только его уровень, но и его фаза. Несоответствие фаз измеренного и ожидаемого сигналов может интерпретироваться не как неисправность, а как тревога. Другой путь - создание Фурье фильтра в соответствии с п. 2 формулы изобретения, реализованного в процессоре, - позволяет выделить тестовый сигнал с частотой F из суперпозиции сигналов и анализировать тестовый сигнал и сигнал от объекта раздельно, с дальнейшей выдачей соответствующих извещений. Таким образом, РВ канал остается "слепым" лишь в период выключения СВЧ-генератора, а это время не более одной секунды и не превышает минимально возможное время присутствия нарушителя в зоне обнаружения РВ канала. Кроме того, переход в режим контроля может допускаться только при отсутствии доплеровского сигнала с уровнем ниже значения порогового ограничителя, т. е. уровня сигнала, по которому принимается решение о выдаче РВ каналом разрешения на выдачу тревожного извещения.

Таким образом, рассмотренная схема самоконтроля работоспособности радиоволнового доплеровского канала, не снижая обнаружительную способность, обеспечивает следующие требования:
- является сквозной, т.е. полностью контролирует тракты формирования и прохождение доплеровского сигнала;
- контролирует изменение дальности действия относительно дальности, настроенной на объекте;
- определяет маскирование РВ канала;
- выявляет несанкционированное изменение положения регулятора изменения дальности действия РВ канала на объекте.

Литература
1. Коган И.М. Ближняя радиолокация. М. Сов. Радио, 1973 г.

Радиоволновый доплеровский канал с системой самоконтроля работоспособности, преимущественно для охранного извещателя, содержит СВЧ-генератор, один из выходов которого связан с передающей антенной, другой из выходов которого соединен с одним из входов балансного смесителя, другой вход которого соединен с приемной антенной, а выход балансного смесителя соединен с входом фильтра низких частот, выход которого соединен с входом усилителя низких частот, выход которого соединен с одним из входов процессора, один из выходов которого соединен с СВЧ-генератором, и модулятор фазы отраженного СВЧ-сигнала, вход которого соединен с СВЧ-генератором. Процессор может включать в себя цифровой Фурье фильтр с частотой, равной частоте модулятора. Канал может содержать также регулятор изменения дальности действия радиоволнового канала, который входит в состав усилителя низких частот, и его выход через узел контроля положения регулятора дальности соединен с другим входом процессора. Технический результат заключается в определении факта маскирования радиоволнового канала, фиксировании несанкционированного и самопроизвольного, вызванного неисправностью, изменения дальности действия этого канала. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Радиоволновый доплеровский канал с системой самоконтроля работоспособности, преимущественно для охранного извещателя, содержащий СВЧ-генератор, один из выходов которого связан с передающей антенной, другой из выходов которого соединен с одним из входов балансного смесителя, другой вход которого соединен с приемной антенной, а выход балансного смесителя соединен с входом фильтра низких частот, выход которого соединен с входом усилителя низких частот, выход которого соединен с одним из входов процессора, один из выходов которого соединен с СВЧ-генератором, отличающийся тем, что в его состав введен модулятор фазы отраженного СВЧ-сигнала, вход которого соединен с одним из выходов процессора. 2. Радиоволновый доплеровский канал по п.1, отличающийся тем, что процессор включает в себя цифровой Фурье фильтр с частотой, равной частоте модулятора. 3. Радиоволновый доплеровский канал по п.1, отличающийся тем, что включает в себя регулятор изменения дальности действия радиоволнового канала, который входит в состав усилителя низких частот, и его выход через узел контроля положения регулятора дальности соединен с другим из входов процессора.