УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ БИОРИТМА Российский патент 2013 года по МПК G01S13/56 

Предлагаемое изобретение относится к средствам радиолокационного обнаружения и может использоваться в охранных, поисковых, мониторинговых системах с наличием живого человека.

Известны устройства обнаружения: патенты РФ 2054960, 2384860, 2419812; патент США 5281953; патент Германии 4242973 и другие.

Известное устройство, содержащее передающую и приемную антенны, последовательно соединенные задающий генератор, доплеровский смеситель, малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор с блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения /1/. Недостатком устройства является слабая чувствительность.

Этот недостаток устраняется в другом известном устройстве /2/. Данное устройство содержит последовательно включенные опорный генератор, микроволновый балансный смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, микроволновый фильтр нижних частот и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну, доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом опорного генератора, к выходу фазового детектора последовательно подключены малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор с блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения. Для этого устройства характерно наличие чередующихся участков дальности, где пропадают сигналы сердцебиения или дыхания неподвижных людей.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому, выбранный за прототип, является «Доплеровский радиоволновый извещатель для охранной тревожной сигнализации» /3/. Устройство содержит задающий генератор, последовательно включенные опорный генератор, микроволновый балансный смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, микроволновый фильтр нижних частот и передающую антенну, выход приемной антенны подключен к последовательно соединенным первым доплеровским смесителем, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первым усилителем промежуточной частоты, первым перемножителем, первым фильтром удвоенной доплеровской частоты, выход приемной антенны также подключен к последовательно соединенным вторым доплеровским смесителем, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, вторым усилителем промежуточной частоты, фазовращателем на 90°, вторым перемножителем, вторым фильтром удвоенной доплеровской частоты, а выходы первого и второго фильтров удвоенной доплеровской частоты подключены к фазовому детектору, к выходу которого последовательно подключены малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор с блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения. При обнаружении человека в покое или не имеющего радиального движения этим устройством также присутствуют чередующиеся зоны дальности, где пропадают сигналы сердцебиения или дыхания.

Задачей изобретения является улучшение характеристик обнаружения неподвижных людей за счет устранения чередующихся участков дальности, где пропадают сигналы сердцебиения или дыхания.

Поставленная задача решается тем, что устройство обнаружения биоритма, содержащее передающую антенну, первый и второй микроволновые балансные смесители, делитель мощности пополам, фазовращатель на 90°, первый усилитель низкой частоты, первый компаратор с подключенным блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения, опорный генератор, соединенный с низкочастотным входом второго микроволнового балансного смесителя, последовательно соединенные приемную антенну, первый микроволновый преобразователь, усилитель первой промежуточной частоты, перемножитель, первый фазовый детектор, задающий генератор, первый выход которого соединен с первым входом второго микроволнового преобразователя, гетеродин, подключенный ко второму входу первого микроволнового преобразователя, снабжено первым и вторым счетчиками импульсов, формирователем интервала счета, подключенным к их первым входам, микроволновым фазовращателем на 90°, микроволновым сумматором мощности, последовательно соединенными усилителем второй промежуточной частоты, вторым фазовым детектором, вторым усилителем низкой частоты и вторым компаратором, к первому входу которого подключен блок опорного напряжения, второй выход гетеродина соединен со вторым входом второго микроволнового преобразователя, выход которого через перемножитель подключен к входу усилителя второй промежуточной частоты, его выход соединен с первым входом первого фазового детектора, выход которого через последовательно включенные первый усилитель низкой частоты, первый компаратор, первый счетчик импульсов соединен с первым входом формирователя сигнала обнаружения, ко второму входу которого подключен через второй счетчик импульсов выход второго компаратора, второй выход задающего генератора через делитель мощности пополам соединен с микроволновым входом первого микроволнового балансного смесителя, второй выход делителя мощности пополам через микроволновый фазовращатель на 90° соединен с микроволновым входом второго балансного смесителя, выход опорного генератора соединен со вторым входом первого фазового детектора и входом фазовращателя на 90°, выход которого подключен ко второму входу второго фазового детектора и низкочастотному входу первого микроволнового балансного смесителя, выходы первого и второго микроволновых балансных смесителей через сумматор мощности подключены к передающей антенне.

Новая совокупность признаков благодаря формированию второго канала обработки и квадратурному сдвигу фаз принятого сигнала позволяет улучшить характеристики обнаружения человека в покое за счет устранения участков дальности, где пропадают сигналы сердцебиения или дыхания.

Кроме того, введение счетчиков импульсов с формирователем интервала счета сокращает время обнаружения сигналов сердцебиения или дыхания, которое возникает в ограничителе, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, где приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство обнаружения биоритма (фиг.1) содержит передающую антенну 1, первый 2 и второй 3 микроволновые балансные смесители, делитель мощности пополам 4, фазовращатель 5 на 90°, первый усилитель низкой частоты 6, первый компаратор 7 с подключенным блоком опорного напряжения 8, формирователь сигнала обнаружения 9, опорный генератор 10, соединенный с низкочастотным входом второго микроволнового балансного смесителя 3, последовательно соединенные приемную антенну 11, первый микроволновый преобразователь 12, усилитель первой промежуточной частоты 13, перемножитель 14, первый фазовый детектор 15, задающий генератор 16, первый выход которого соединен с первым входом второго микроволнового преобразователя 17, гетеродин 18, подключенный ко второму входу первого микроволнового преобразователя 12, первый 19 и второй 20 счетчики импульсов, формирователь интервала счета 21, подключенный к их первым входам, микроволновый фазовращатель 22 на 90°, микроволновый сумматор мощности 23, последовательно соединенные усилитель второй промежуточной частоты 24, второй фазовый детектор 25, второй усилитель низкой частоты 26 и второй компаратор 27, к первому входу которого подключен блок опорного напряжения 10, второй выход гетеродина 18 соединен со вторым входом второго микроволнового преобразователя 17, выход которого через перемножитель 14 подключен к входу усилителя второй промежуточной частоты 24, его выход соединен с первым входом первого фазового детектора 15, выход которого через последовательно включенные первый усилитель низкой частоты 6, первый компаратор 7, первый счетчик импульсов 19 соединен с первым входом формирователя сигнала обнаружения 9, ко второму входу которого подключен через второй счетчик импульсов 20 выход второго компаратора 27, второй выход задающего генератора 16 через делитель мощности пополам 4 соединен с микроволновым входом первого микроволнового балансного смесителя 2, второй выход делителя мощности пополам 4 через микроволновый фазовращатель 22 на 90° соединен с микроволновым входом второго балансного смесителя 3, выход опорного генератора 10 соединен со вторым входом первого фазового детектора 15 и входом фазовращателя 5 на 90°, выход которого подключен ко второму входу второго фазового детектора 25 и низкочастотному входу первого микроволнового балансного смесителя 2, выходы первого 2 и второго 3 микроволновых балансных смесителей через сумматор мощности 23 подключены к передающей антенне 1.

Работа устройства происходит следующим образом.

Задающий генератор 16 вырабатывает сигнал с круговой частотой ω₀ (например, частота 3 ГГц), который поступает с его второго выхода на делитель мощности пополам 4, с первого выхода которого сигнал u_c1=A_ccos(ω₀t) поступает на микроволновый вход первого балансного смесителя 2, на низкочастотный вход которого приходит сигнал

u₀₁=A₀cos(Ω₀t+90°) через фазовращатель 5 на 90° с выхода опорного генератора 10 с круговой частотой Ω₀ (например, частота 1 кГц). С выхода первого микроволнового балансного смесителя 2 сигнал

u_s1=A_s{cos[(ω₀+Ω₀)t+90°]+cos[(ω₀-Ω₀)t-90°]}

приходит на один из входов микроволнового сумматора мощности 23. Со второго выхода делителя мощности пополам 4 через микроволновый фазовращатель 22 на 90° сигнал u_c2=A_ccos(ω₀t+90°) поступает на микроволновый вход второго микроволнового балансного смесителя 3, на низкочастотный вход которого поступает сигнал u₀₂=A₀cos(Ω₀t). В результате преобразования сигнал

u_s2=A_s{cos[(ω₀+Ω₀)t+90°]+cos[(ω₀-Ω₀)t+90°]}

с выхода второго микроволнового балансного смесителя 3 приходит на другой вход микроволнового сумматора мощности 23, откуда сигнал u_t=A_tcos[(ω₀+Ω₀)t+90°] через передающую антенну 1 излучается в пространство. Отраженный сигнал с приемной антенны 11 u_r=A_rcos[(ω₀+Ω₀)(t-τ)+90°], где τ=τ₀+δ(t) - задержка, τ₀=2R₀/c (с - скорость света) - постоянная составляющая задержки, определяемая средним расстоянием R₀ до колеблющегося объекта с периодом Т, δ(t)=2ΔR sin(2π t/T)/с - переменная составляющая задержки, поступает на первый вход первого микроволнового преобразователя 12, на второй вход которого с первого выхода гетеродина 18 приходит сигнал u_q=A_qcos[(ω₀+ω_q)t]. Так период сокращения сердечной мышцы лежит в диапазоне 0,4÷1,25 с (0,8-2,5)Гц, а амплитуда колебаний находится в диапазоне 0,1÷0,5 см. Дальность до колеблющегося органа может находиться от 0,3 м и более.

Следовательно постоянная составляющая задержки τ₀ находится в диапазоне 2 нс и более, амплитуда переменной составляющей задержки 0,005÷0,03 нс.

В результате преобразования с выхода первого микроволнового преобразователя 12 сигнал

u_i=A_icos[(ω_q-Ω₀)t+ω₀τ₀+ω₀δ(t)+Ω₀τ₀-90°]

через усилитель 13 первой промежуточной частоты ω_q-Ω₀ поступает на первый вход перемножителя 14 (составляющую Ω₀δ(t) ввиду малости можно не учитывать). С первого выхода задающего генератора 16 и со второго выхода гетеродина 18 сигналы поступают на микроволновые входы второго микроволнового преобразователя 17, на выходе которого формируется сигнал u_w=A_wcosω_qt. Этот сигнал приходит на второй вход перемножителя 14, поэтому на его выходе образуется сигнал

u_m=A_mcos[Ω₀t-ω₀τ₀-ω₀δ(t)-Ω₀τ₀+90°],

который через усилитель второй промежуточной частоты 24 поступает на первые входы первого 15 и второго 25 фазовых детекторов. На второй вход первого фазового детектора 15 с выхода опорного генератора 10 приходит сигнал u₀=A₀cos(Ω₀t), в результате чего на его выходе формируется напряжение

u_x1=A_xcos[ω₀τ₀+Ω₀τ₀-90°+ω₀δ(t)].

На второй вход второго фазового детектора 25 приходит с выхода фазовращателя 5 на 90° сигнал u₀₁=A₀cos(Ω₀t+90°), в результате чего на его выходе формируется напряжение

u_x2=A_x cos [ω₀τ₀+Ω₀τ₀+ω₀δ(t)].

При небольших значениях 2 ω₀ΔR/с (2°÷11° соответственно для амплитуд сердцебиения и используемой частоты) напряжение сигналов с выходов первого 15 и второго 25 фазовых детекторов определяются как

u_x1=A_xcos[ω₀τ₀+Ω₀τ₀-90°]-2A_xω₀(ΔR/c)sin[ω₀τ₀+Ω₀τ₀-90°]sin(2πt/T),

u_x2=A_xcos[ω₀τ₀+Ω₀τ₀]-2A_xω₀(ΔR/c)sin[ω₀τ₀+Ω₀τ₀]sin(2πt/T)

и имеют постоянную составляющую и переменную составляющую. Переменные составляющие с выходов первого 15 и второго 25 фазовых детекторов проходят через первый 6 и второй 26 усилители низкой частоты и поступают на вторые входы первого 7 и второго 27 компараторов соответственно. Амплитуда переменных составляющих зависит от постоянной составляющей задержки τ₀ по периодическому закону, что приводит к появлению участков пропадания сигналов пульсирующих органов человека. Так как на входах первого и второго компараторов 7 и 27 фазы сдвинуты на 90 градусов, то по крайней мере хотя бы на одном из них амплитуда сигнала превысит пороговое напряжение, определяемое блоком опорного напряжения 8 и на одном или на обоих выходах первого 7 и второго 27 компараторов появится импульсный сигнал. Появившиеся импульсы с выходов первого 7 и второго 27 компараторов поступают на вторые входы первого 19 и второго 20 счетчиков импульсов соответственно, на первые входы которых приходят импульсы сброса с формирователя интервала счета 21. Интервал счета выбирается равным произведению К Т_м, где К - заданное число считаемых импульсов (например, 5), Т_м - максимальный период обнаруживаемых колебаний (в случае сердцебиения около 1,2 с). Если количество импульсов, приходящее с выходов первого 7 или второго 27 компараторов, превышает К (=5) за интервал счета (6 с), то на выходах первого 19 или второго 20 счетчиков импульсов появляется сигнал, который запускает формирователь сигнала обнаружения 9.

Все узлы устройства обнаружения выполняются с применением широко выпускаемой номенклатуры аналоговых и цифровых микросхем.

Для предлагаемого устройства не требуется высокая долговременная стабильность частоты задающего генератора и микроволновый фильтр низких частот, что приводит к снижению его себестоимости.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2117962 МКИ G01S 13/56.

2. Патент Российской Федерации №2221260 МКИ G01S 13/56.

3. Патент Российской Федерации №2287841 МКИ G01S 13/56 - прототип.

Предлагаемое изобретение относится к средствам радиолокационного обнаружения и может использоваться в охранных, поисковых, мониторинговых системах с наличием живого человека. Достигаемый технический результат заключается в улучшении характеристик обнаружения людей по их дыханию или сердцебиению. Устройство обнаружения содержит первый, второй микроволновые балансные смесители, сумматор мощности, первый и второй микроволновые преобразователи, опорный генератор, передающую и приемные антенны, задающий генератор, гетеродин, усилитель первой промежуточной частоты, перемножитель, усилитель второй промежуточной частоты, фазовращатель на 90°, микроволновый фазовращатель на 90°, делитель мощности пополам, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй усилители низкой частоты, первый и второй компараторы с блоком опорного напряжения, первый и второй счетчики импульсов с формирователем интервала счета, формирователь сигнала обнаружения. 1 ил.

Устройство обнаружения биоритма, содержащее передающую антенну, первый и второй микроволновые балансные смесители, делитель мощности пополам, фазовращатель на 90°, первый усилитель низкой частоты, первый компаратор с подключенным блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения, опорный генератор, соединенный с низкочастотным входом второго микроволнового балансного смесителя, последовательно соединенные приемную антенну, первый микроволновый преобразователь, усилитель первой промежуточной частоты, перемножитель, а также содержащее первый фазовый детектор, задающий генератор, первый выход которого соединен с первым входом второго микроволнового преобразователя, гетеродин, подключенный ко второму входу первого микроволнового преобразователя, отличающееся тем, что оно снабжено первым и вторым счетчиками импульсов, формирователем интервала счета, подключенным к их первым входам, микроволновым фазовращателем на 90°, микроволновым сумматором мощности, последовательно соединенными усилителем второй промежуточной частоты, вторым фазовым детектором, вторым усилителем низкой частоты и вторым компаратором, к первому входу которого подключен блок опорного напряжения, второй выход гетеродина соединен со вторым входом второго микроволнового преобразователя, выход которого через перемножитель подключен к входу усилителя второй промежуточной частоты, его выход соединен с первым входом первого фазового детектора, выход которого через последовательно включенные первый усилитель низкой частоты, первый компаратор, первый счетчик импульсов соединен с первым входом формирователя сигнала обнаружения, ко второму входу которого подключен через второй счетчик импульсов выход второго компаратора, второй выход задающего генератора через делитель мощности пополам соединен с микроволновым входом первого микроволнового балансного смесителя, второй выход делителя мощности пополам через микроволновый фазовращатель на 90° соединен с микроволновым входом второго балансного смесителя, выход опорного генератора соединен со вторым входом первого фазового детектора и входом фазовращателя на 90°, выход которого подключен ко второму входу второго фазового детектора и низкочастотному входу первого микроволнового балансного смесителя, выходы первого и второго микроволновых балансных смесителей через сумматор мощности подключены к передающей антенне.