УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G08B13/00 

Изобретение относится к средствам обнаружения доплеровского типа и может использоваться в системах охранной сигнализации в качестве датчика.

Из уровня техники известны доплеровские радиоволновые извещатели для охранной тревожной сигнализации (патенты РФ №2117962, №2163743, №2167432, №2221260). Передающая часть (генератор и антенна) формирует СВЧ-излучение в охраняемой зоне. Приемная часть (антенна и смеситель) принимает отраженное излучение и выделяет доплеровский сигнал, возникающий при наличии движущегося объекта в охраняемой зоне.

Также известны доплеровские ультразвуковые извещатели, использующие для обнаружения в контролируемом объеме пространства движущихся объектов отражение от этих объектов ультразвуковых волн и возникающее при этом смещение частоты отраженного сигнала относительно частоты излученного сигнала, обусловленное эффектом Доплера. Например, из опубликованной заявки РФ №93025883 известен ультразвуковой обнаружитель движущихся объектов, содержащий излучающий и приемный преобразователи, предварительный усилитель, смеситель, тактовый генератор и блок логики.

Недостатками известных устройств являются ограничения по установке в помещениях, связанные с размерами помещений и расположенным в них оборудованием.

Решение указанной проблемы предложено в патенте РФ №2116673, из которого известно устройство для обнаружения объектов, движущихся в контролируемом пространстве, в пределах которых или вблизи них расположены на местности крупные предметы. Устройство экологически селектор принимаемого сигнала, преобразователь сигнала, усилитель, коммутационный (синхронный) фильтр, полосовой фильтр, два вычитателя, компаратор, блок выборки-хранения, сумматор и блок формирования и импульсов. Данное решение может быть принято за прототип.

Общими недостатками известных устройств являются ограниченная область применения, недостаточная информативность, а также низкая помехоустойчивость к акустическим шумам и турбулентным потокам воздуха.

Задача, на решение которой направлено предложенное устройство, заключается в создании доплеровского обнаружителя с высокой помехоустойчивостью, способного обеспечить охрану помещений большого объема (до 1000 м³), одновременно имеющего простоту изготовления, настройки и обслуживания.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для охранной сигнализации доплеровского типа с двухканальным алгоритмом обработки сигналов на основе вычисления взаимно корреляционной функции, содержащее генератор несущей частоты, выход которого соединен с излучателем сигнала и одновременно с управляющим входом синхронного детектора первого канала и входом фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора второго канала, приемник отраженного сигнала, соединенный со входом усилителя, выход которого соединен со входами синхронных детекторов первого и второго каналов. Выходы синхронных детекторов первого и второго каналов соединены с соответствующими входами полосовых фильтров на каждом канале, выходы которых соединены с двумя входами взаимно корреляционного преобразователя, обеспечивающего вычисление заданной взаимно корреляционной функции. Выход взаимно корреляционного преобразователя соединен с входом первого порогового устройства и одновременно с входом второго порогового устройства, соответствующие выходы которых соединены с входами счетчика положительных превышений порога и счетчика отрицательных превышений порога. При этом вход счетчика положительных превышений порога соединен с обнуляющим входом счетчика отрицательных превышений порога, вход которого соединен с обнуляющим входом счетчика положительных превышений порога, выходы обоих счетчиков подключены к входам формирователя сигнала тревоги.

Учитывая современную элементную базу целесообразно выполнять взаимно корреляционный преобразователь в составе микроконтроллера, обеспечивающего аналого-цифровое преобразование сигнала на входе и последующую его обработку. Кроме того, взаимно корреляционный преобразователь, первое и второе пороговые устройства, счетчики положительных и отрицательных превышений порога могут быть выполнены на одной микросхеме.

Синхронные детекторы, управляемые сдвинутыми фазовращателем на π/2 сигналами с выхода генератора несущей частоты, обеспечивают двухканальное выделение ортогональных составляющих полного вектора сигнала с выхода усилителя.

Сущность изобретения поясняется на чертежах:

фиг.1 - структурная схема предложенного устройства;

фиг.2 - графический вид напряжения на выходах синхронных детекторов (3, 5) при движении цели к устройству;

фиг.3 - графический вид напряжения на выходах синхронных детекторов (3, 5) при движении цели от устройства;

фиг.4 - графический вид взаимно корреляционной функции для разных скоростей движения (быстро, средне, медленно) при движении цели к устройству;

фиг.5 - графический вид взаимно корреляционной функции для разных скоростей движения (быстро, средне, медленно) при удалении цели от устройства.

На фиг.4, 5 под R(n) обозначена взаимно корреляционная функция сигналов с выходов полосовых фильтров, n - шаг итерации.

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.

От генератора несущей частоты (1) сигнал поступает на излучатель (2) и одновременно на управляющий вход синхронного детектора (3) первого канала и через фазовращатель (4) на управляющий вход синхронного детектора (5) второго канала.

Для возникновения эффекта Доплера можно использовать как ультразвуковые, так и микроволновые излучатели и приемники.

Поступивший на приемник (6) отраженный сигнал, усиливается усилителем (7), далее сигнал подвергается двухканальной синхронизации со сдвигом фазы π/2 на двух синхронных детекторах (3, 5).

На выходах синхронных детекторов сигналы представляют собой огибающие усиленного сигнала от цели со сдвигом фаз относительно друг друга на π/2. Сдвиг фаз обеспечивается фазовращателем (4).

Зависимость напряжения на выходе генератора (1) от времени описывается выражением:

U=Uген·Sin2πft,

где Uген - амплитуда напряжения генератора,

f - частота сигнала, излучаемого в эфир,

t - текущее время;

При движении цели к устройству напряжение на выходах синхронных детекторов имеет вид, изображенный на фиг.2:

Ucd1=А·cos2πΔf·t - первый канал,

Ucd2=А·sin2πΔf·t - второй канал, где

А - амплитуда сигнала, принятого приемником,

,

где V - тангенциальная составляющая скорости движения цели,

С - скорость распространения колебаний несущей частоты.

При движении цели от устройства напряжение на выходах синхронных детекторов имеет вид, изображенный на фиг.3:

Ucd1=А·cos2πΔf·t - первый канал,

Ucd2=-А·sin2πΔf·t - второй канал.

Таким образом, организовано два канала, формирующих сигналы со сдвигом фаз относительно друг друга таким образом, что при движении цели к прибору, сигнал в первом канале опережает сигнал во втором на π/2 и, наоборот, при движении цели от прибора, сигнал во втором канале опережает сигнал в первом канале на π/2.

Далее сигналы с выходов синхронных детекторов проходят полосовые фильтры (8 и 9). Минимальная частота, которую пропускают полосовые фильтры, выбирается исходя из минимальной скорости движения цели, а максимальная частота выбирается исходя из максимально возможной скорости движения цели.

Сигналы с выходов полосовых фильтров поступают на входы взаимно корреляционного преобразователя (10), задача которого вычислить взаимно корреляционную функцию за определенный интервал времени движения.

Время движения цели определяется исходя из скоростей движения и пути, пройдя который цель должна быть обнаружена.

Взаимно корреляционная функция считается за данный интервал времени.

Весь временной интервал делится на подинтервалы, на которых корреляционный преобразователь производит оценку взаимно корреляционной функции.

Вычисление взаимно корреляционной функции выполняется по известной формуле (см., например, Дж.Бендат, А.Пирсол. Прикладной анализ случайных данных. М., Мир, 1989, стр.399):

где r=0,1...m (m<N) - сдвиг между точками выборок первого и второго сигналов;

N - количество точек выборки;

х - выборка сигнала первого канала, состоящая из N точек;

у - выборка сигнала вторго канала, состоящая из N точек;

n - шаг итерации.

Взаимно корреляционная функция показывает степень зависимости двух процессов (сигналов) друг от друга.

В случае аддитивных помех (акустические шумы) сигналы возникают в обоих каналах обработки, но их взаимно корреляционная функция близка к нулю, что позволяет отстроиться от акустических шумов.

Если действует мультипликативная помеха (турбулентные потоки воздуха), то сигналы, возникающие в обоих каналах, соизмеримы с сигналами от движущейся цели, но взаимно корреляционная функция постоянно изменяет свой знак, что позволяет отличать помеху от движущейся цели.

С изменением скорости движения цели изменяется период взаимно корреляционной функции.

При движении цели к устройству взаимно корреляционная функция для разных скоростей движения имеет вид, изображенный на фиг.4.

При удалении цели от устройства взаимно корреляционная функция для разных скоростей движения имеет вид, изображенный на фиг.5.

Период взаимно корреляционной функции Т зависит от скорости движения следующим образом:

T=C/2Vf

Исходя из этого по виду корреляционной функции можно судить о направлении и скорости движения цели.

Взаимно корреляционный преобразователь работает с оцифрованными сигналами с выходов полосовых фильтров. Соответственно предпочтительней реализовать взаимно корреляционный преобразователь и всю дальнейшую логическую обработку на микроконтроллере, в состав которого входит АЦП.

Рассчитав взаимно корреляционную функцию производится вычисление ее максимального и минимального значений для сравнения с положительным и отрицательным пороговыми значениями.

Если превышен положительный порог, то пороговое устройство (11) дает команду счетчику положительных превышений порога (13) увеличить свое значение на единицу, и одновременно обнуляет счетчик отрицательных превышений порога (14).

Если превышен отрицательный порог, то пороговое устройство (12) дает команду счетчику отрицательных превышений (14) увеличить свое значение на единицу, и одновременно сбрасывает счетчик положительных превышений порога.

Если превышений порогов не наступает, то состояние счетчиков не изменяется.

По завершении временного интервала происходит анализ состояний счетчика, и, если какой-нибудь из счетчиков набирает заданное количество превышений пороговых значений, срабатывает формирователь сигнала тревоги (15) и все счетчики обнуляются.

Так как нарушитель не может двигаться хаотически, мгновенно меняя свое направление движения, то взаимно корреляционная функция будет одного знака, и, следовательно, один из счетчиков зафиксирует нужное для обнаружения цели количество превышений порогов и произойдет выдача сигнала тревоги.

В случае помехи взаимно корреляционная функция будет постоянно менять свой знак, или не превысит пороговых значений, а следовательно, не произойдет выдачи сигнала тревоги.

Таким образом, предлагаемое двухканальное устройство, построенное на оценке взаимно корреляционной функции, обеспечивает более высокую помехозащищенность по сравнению с предыдущими аналогичными средствами обнаружения доплеровского типа. При этом весь алгоритм обработки сигналов может быть реализован на одной микросхеме, что значительно удешевляет и упрощает производство.

Изобретение относится к средствам обнаружения доплеровского типа и может использоваться в системах охранной сигнализации в качестве датчика. Технический результат - высокая помехоустойчивость, способность обеспечить охрану помещений большого объема (до 1000 м³), простота изготовления, настройки и обслуживания. Устройство содержит генератор несущей частоты, соединенный с излучателем сигнала и одновременно с управляющим входом синхронного детектора первого канала и входом фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора второго канала, приемник отраженного сигнала. Также в состав устройства входят усилитель, синхронные детекторы первого и второго каналов, полосовые фильтры взаимно корреляционный преобразователь, пороговые устройства со счетчиками превышений порога. Устройство имеет выходы для подключения к формирователю сигнала тревоги. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для охранной сигнализации доплеровского типа с двухканальным алгоритмом обработки сигналов на основе вычисления взаимно-корреляционной функции, содержащее генератор несущей частоты, выход которого соединен с излучателем сигнала и одновременно с управляющим входом синхронного детектора первого канала и входом фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора второго канала, приемник отраженного сигнала, соединенный со входом усилителя, выход которого соединен со входами синхронных детекторов первого и второго каналов, выходы синхронных детекторов первого и второго каналов соединены с соответствующими входами полосовых фильтров на каждом канале, выходы которых соединены с двумя входами взаимно-корреляционного преобразователя, обеспечивающего вычисление заданной взаимно-корреляционной функции, выход взаимно-корреляционного преобразователя соединен с входом первого порогового устройства и одновременно с входом второго порогового устройства, соответствующие выходы которых соединены с входами счетчика положительных превышений порога и счетчика отрицательных превышений порога, при этом вход счетчика положительных превышений порога соединен с обнуляющим входом счетчика отрицательных превышений порога, вход которого соединен с обнуляющим входом счетчика положительных превышений порога, выходы обоих счетчиков служат для подключения к входам формирователя сигнала тревоги.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что взаимно-корреляционная функция имеет следующий вид:

,

где r=0,1...m (m<N) - сдвиг между точками выборок первого и второго сигналов;

N - количество точек выборки;

x - выборка сигнала первого канала, состоящая из N точек;

у - выборка сигнала вторго канала, состоящая из N точек;

n - шаг итерации.