ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2011 года по МПК G01S13/78 

Предлагаемая система относится к телеметрическим системам идентификации объектов с использованием СВЧ-диапазона электромагнитных волн и может быть применена для идентификации рядом расположенных малотоннажных контейнеров, багажа в аэропортах, пунктах таможни для опознавания личности на контрольно-пропускных пунктах, в сельском хозяйстве для идентификации и отбора животных и т.п.

Известны телеметрические системы идентификации объектов (авт.свид. СССР №1054887, 1627832, 1769217; патенты РФ №2054694, 2057334, 2105993, 2183033, 2267158, 2292587, 2326404, 2378661; патенты США №4075632, 4096477, 4739328, 4779076, 6483427, 6639509; патент Великобритании №2165424; патент Франции №2630236; патенты Германии №4231800, 4336898; патенты ЕР №0242906, 0469769; Обзор автоматической идентификации. Доклады конференции. М.: Совинцентр, 20-21 сентября 1988; Гот Дж. ПАВ-прибор - основа системы идентификации автомобилей. Электроника, 1990, вып.3 и др.

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Телеметрическая система идентификации объектов» (патент РФ №2054694, G01S 13/78, 1992), которая и выбрана в качестве прототипа.

Известная система содержит блок 1 считывания, датчики 2, 3, приемопередающие антенны 6, 12, 12', генератор 4 немодулированных колебаний, линию 5 передачи, n ответвителей 7, n смесителей 8, n фильтров 9 нижних частот, n/2 усилителей 10, демодулятор-сумматор 11, модуляторы 21, 21', блок 22 питания, генераторы 18, 18' кода, коммутаторы 19, 19', генераторы 20, 20' коммутирующих импульсов, что позволяет идентифицировать сигналы двух близко расположенных датчиков.

В известной системе для разрешения датчиков, находящихся на одной или разных дальностях в пределах главного лепестка диаграммы направленности антенны блока 1 считывания, используется режим разделения работы модуляторов датчиков во времени.

Блок 1 считывания содержит две пары направленных ответвителей, включенных в линию передачи и расположенных в ней на расстоянии λ/4 между ответвителями одной пары и на расстоянии, не равном λ/4 между парами, λ - рабочая длина волны генератора немодулированных колебаний.

Все это снижает эффективность идентификации двух близко расположенных объектов.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности идентификации двух близко расположенных объектов путем использования радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что телеметрическая система идентификации объектов, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, блок считывания и не менее двух датчиков с приемопередающими антеннами, установленных на разных идентифицируемых объектах, удаленных от блока считывания и расположенных в главном лепестке диаграммы направленности антенны блока считывания, при этом блок считывания содержит генератор немодулированных колебаний, приемопередающую антенну и два смесителя, отличается от ближайшего аналога тем, что блок считывания снабжен тремя перемножителями, узкополосным фильтром, сумматором, усилителем мощности, дуплексером, усилителем высокой частоты, четырьмя полосовыми фильтрами, гетеродином, двумя усилителями промежуточной частоты, двумя фазовыми детекторами и блоком регистрации, причем к выходу генератора немодулированных колебаний последовательно подключены первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом генератора немодулированных колебаний, узкополосный фильтр, сумматор, второй вход которого соединен с выходом генератора немодулированных колебаний, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилитель высокой частоты и два канала обработки, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу усилителя высокой частоты первого полосового фильтра, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, перемножителя, второго полосового фильтра фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и блока регистрации, при этом второй вход перемножителя первого канала обработки соединен с выходом генератора немодулированных колебаний, а второй вход перемножителя второго канала обработки соединен с выходом узкополосного фильтра, каждый датчик выполнен в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, при этом встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, приемопередающая антенна выполнена микрополосковой также на поверхности пьезокристалла и связана с шинами, датчики имеют разные расстояния между электродами и настроены на разные частоты.

На фиг.1 представлены основные части системы и их взаимное расположение в пространстве. На фиг.2 изображены структурные схемы блока считывания и датчиков.

Датчики 2 и 3 расположены на рядом стоящих идентифицируемых объектах так, чтобы не затенять друг друга в главном лепестке диаграммы направленности антенны 6 считывателя 1. Ширина главного лепестка 2 антенны 6 определяется как отношение λ/D, где D - диаметр раскрыва антенны. Датчики 2 и 3 размещаются на удалении от блока 1 считывания.

Считыватель 1 содержит последовательно включенные генератор 4 немодулированных колебаний, первый перемножитель 5, второй вход которого соединен с выходом генератора 4 немодулированных колебаний, узкополосный фильтр 7, сумматор 8, второй вход которого соединен с выходом генератора 4 немодулированных колебаний, усилитель 9 мощности, дуплексер 10, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 6, усилитель 11 высокой частоты и два канала обработки, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу усилителя 11 высокой частоты первого полосового фильтра 13.1 (13.2), смесителя 8.1 (8.2), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 14, усилителя 15.1 (15.2) промежуточной частоты, перемножителя 16.1 (16.2), второй вход которого соединен с выходом генератора 4 немодулированных колебаний (узкополосного фильтра 7), второго полосового фильтра 17.1 (17.2), фазового детектора 18.1 (18.2), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 14, и блока 19 регистрации.

Каждый датчик 2(3) выполнен в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП) и набором отражателей 24.1 (24.2). При этом ВШП содержит две гребенчатые системы электродов 20.1 (20.2), электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 21.1 (21.2) и 22.1 (22.2). Приемопередающая антенна 12.1 (12.2.) выполнена в виде микрополосковой также на поверхности пьезокристалла и связана с шинами 21.1 (21.2) и 22.1 (22.2). Датчики 2 и 3 имеют разные расстояния между электродами 20.1 и 20.2, настроены на разные частоты и представляют собой радиочастотные метки.

Приемопередающая антенна 6 может быть выполнена в виде рупора, полуволнового вибратора или спиральной антенны.

Телеметрическая система идентификации объектов работает следующим образом.

Генератором 4 немодулированных колебаний формируется высокочастотное колебание

u₁(t)=U₁·Cos(w₁t+φ₁), 0≤t≤Т₁,

где U₁, w₁, φ₁, T₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.

которое поступает на первый вход сумматора 8 и на два входа перемножителя 5. На выходе последнего образуется высокочастотное колебание

u₂(t)=U₂·Cos(w₂t+φ₂), 0≤t≤T₁,

где U₂=¹/₂U₁ ²;

w₂=2w₁; φ₂=2φ₁,

которое выделяется узкополосным фильтром 7 и поступает на второй вход сумматора 8. На выходе сумматора 8 образуется суммарное напряжение

U_∑(t)=U₁(t)+U₂(t),

которое усиливается в усилителе 9 мощности и через дуплексер 10 поступает в приемопередающую антенну 6, излучается ею в эфир, принимается микрополосковыми приемопередающими антеннами 12.1 и 12.2 датчиков 2 и 3 соответственно. Последние представляют собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн (ПАВ), который состоит из двух гребенчатых систем электродов 20.1 (20.2), нанесенных на поверхность пьезокристалла. Электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 21.1 (21.2) и 22.1 (22.2). Шины, в свою очередь, связаны с микрополосковой приемопередающей антенной 12.1 (12.2). Датчик 2 настроен на несущую частоту w₁, а датчик 3 настроен на несущую частоту w₂.

Принимаемое гармоническое колебание u₁(t) [u₂(t)] преобразуется встречно-штыревым преобразователем в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла, отражается от набора отражателей 24.1 (24.2) и опять преобразуется в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМН):

u₃(t)=U₃·Cos[w₁t+φ_к1(t)+φ₁],

u₄(t)=U₄-Cos[w₂t+φ_к2(t)+φ₂], 0≤t≤T₁,

где φ_к1(t)={0, π}, φ_к2(t)={0, π} - манипулируемые составляющие фазы, отображающие закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующими кодами M₁(t) и M₂(t), причем φ_к1(t)=const, φ_к2(1)=const при Кτ_э<1<(К+1)τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N₁-1);

τ_э, N₁ - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T₁(T₁=N·τ_э);

При этом внутренняя структура сформированных ФМн-сигналов определяется топологией ВШП, имеет индивидуальный характер и содержит всю уникальную информацию об идентифицируемых объектах, например номер, тип контейнера, багажа, его цвет и другие характерные признаки.

Сформированные ФМн-сигналы u₃(t) и u₄(t) излучаются микрополосковыми антеннами 12.1 и 12.2 соответственно в эфир, принимаются приемопередающей антенной 6 считывателя 1 и через дуплексер 10, усилитель 11 высокой частоты и полосовые фильтры 13.1 и 13.2 поступают на первые входы смесителей 8.1 и 8.2 соответственно. При этом частоты настройки w_н1 и w_н2 полосовых фильтров 13.1 и 13.2 выбираются равными w_н1=w₁, w_н2=w₂.

На вторые входы смесителей 8.1 и 8.2 подается напряжение гетеродина 14

u_г(t)=U_г·Cos(w_гt+φ_г).

На выходе смесителей 8.1 и 8.2 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителями 15.1 и 15.2 выделяются напряжения промежуточных частот:

u_up1(t)=U_пр1·Cos[w_up1t+φ_к1(t)+φ_up1],

u_up2(t)=U_пр2·Cos[w_up2t+φ_к2(t)+φ_up2], 0≤t≤T₁,

где U_пр1=¹/₂U₃·U_г; U_пр2=¹/₂U₄·U_г;

w_up1=w₁-w_г - первая промежуточная частота;

w_up2=w₂-w_г - вторая промежуточная частота;

φ_up1=φ₁-φ_г; φ_up2=φ₂-φ_г,

которые поступают на первые входы перемножителей 16.1 и 16.2 соответственно.

На вторые входы перемножителей 16.1 и 16.2 подаются напряжения u₁(t) и u₂(t) с выходов генератора 4 немодулированных колебаний и узкополосного фильтра 7 соответственно. На выходе перемножителей 16.1 и 16.2 образуются напряжения:

u₅(t)=U₅·Cos[w_гt-φ_к1(t)+φ_г],

u₆(t)=U₆·Cos[w_гt-φ_к2(t)+φ_г], 0≤t≤T₁,

где U₅=^l/₂U_up1·U₁;

U₆=¹/₂U_up2·U₂;

которые выделяются полосовыми фильтрами 17.1 и 17.2 соответственно и поступают на первые входы фазовых детекторов 18.1 и 18.2 соответственно, на вторые выходы которых подается напряжение u_г(t) гетеродина 14. На выходе фазовых детекторов 18.1 и 18.2 образуются низкочастотные напряжения:

u_н1(t)=U_н1·Cosφ_к1(t),

u_н2(t)=U_н2·Cosφ_к2(t), 0≤t≤T₁,

где U_н1=¹/₂U₅·U_г;

U_н2=¹/₂U₆·U_г;

пропорциональные модулирующим кодам M1(t) и M2(t), несущим информацию об идентифицируемых объектах.

Низкочастотные напряжения u_н1(t) и u_н2(1) фиксируются блоком 19 регистрации.

Таким образом, предлагаемая телеметрическая система идентификации объектов по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение эффективности идентификации двух близко расположенных объектов. Это достигается использованием радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Основными особенностями радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах являются малые габариты и отсутствие источников питания, что значительно повышает эффективность и надежность идентификации близко расположенных объектов.

Сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена их высокой снижаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложного ФМн-сигнала обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемного устройства.

Предлагаемая система относится к телеметрическим системам идентификации объектов с использованием сверхвысокочастотного диапазона электромагнитных волн и может быть применена для идентификации рядом расположенных малотоннажных контейнеров, багажа в аэропортах, пунктах таможни для опознавания личности на контрольно-пропускных пунктах, в сельском хозяйстве для идентификации и отбора животных и т.п. Достигаемый технический результат - повышение эффективности идентификации двух близко расположенных объектов путем использования радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Телеметрическая система идентификации объектов содержит блок считывания и два датчика, установленных на разных идентифицируемых объектах. Блок считывания содержит генератор немодулированных колебаний, три перемножителя, приемопередающую антенну, узкополосный фильтр, сумматор, усилитель мощности, дуплексер, усилитель высокой частоты, четыре полосовых фильтра, два смесителя, гетеродин, два усилителя промежуточной частоты, два фазовых детектора, блок регистрации, соединенные между собой определенным образом. Каждый датчик содержит пьезокристалл, на поверхность которого нанесен алюминиевый тонкопленочный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и набор отражателей. ВШП содержит электроды, шины, соединенные с микрополосковой приемопередающей антенной. 2 ил.

Телеметрическая система идентификации объектов, содержащая блок считывания и не менее двух датчиков с приемопередающими антеннами, установленных на разных идентифицируемых объектах, удаленных от блока считывания и расположенных в главном лепестке диаграммы направленности антенны блока считывания, при этом блок считывания содержит генератор немодулированных колебаний, приемопередающую антенну и два смесителя, отличающаяся тем, что блок считывания снабжен тремя перемножителями, узкополосным фильтром, сумматором, усилителем мощности, дуплексером, усилителем высокой частоты, четырьмя полосовыми фильтрами, гетеродином, двумя усилителями промежуточной частоты, двумя фазовыми детекторами и блоком регистрации, причем к выходу генератора немодулированных колебаний последовательно подключены первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом генератора немодулированных колебаний, узкополосный фильтр, сумматор, второй вход которого соединен с выходом генератора немодулированных колебаний, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилитель высокой частоты и два канала обработки, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу усилителя высокой частоты первого полосового фильтра, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, перемножителя, второго полосового фильтра, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и блока регистрации, при этом второй вход перемножителя первого канала обработки соединен с выходом генератора немодулированных колебаний, а второй вход перемножителя второго канала обработки соединен с выходом узкополосного фильтра, каждый датчик выполнен в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, при этом встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, приемопередающая антенна выполнена микрополосковой также на поверхности пьезокристалла и связана с шинами, датчики имеют разные расстояния между электродами и настроены на разные частоты.