УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ СЛАБОКОЛЕБЛЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/56 

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

Известны подобные устройства: 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 ход 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 слабоколеблющихся объектов, содержащее передающую антенну, задающий генератор, подключенный к микроволновому входу микроволнового балансного смесителя, первый усилитель низкой частоты, первый компаратор с подключенным блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения, последовательно соединенные приемную антенну, микроволновый преобразователь, усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен к первому и второму перемножителям, гетеродин, выход которого соединен со вторым входом микроволнового преобразователя, первый опорный генератор, при этом устройство снабжено первым и вторым счетчиками импульсов, формирователем интервала счета, подключенным к их первым входам, вторым опорным генератором, фазовращателем на -45° и фазовращателем на +45° последовательно включенными третьим перемножителем и делителем частоты на два, последовательно соединенным вторым усилителем низкой частоты и вторым компаратором, к первому входу которого подключен блок опорного напряжения, выход первого перемножителя 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, вход второго усилителя низкой частоты соединен с выходом второго перемножителя, выход первого опорного генератора соединен со вторым входом первого перемножителя и через фазовращатель на -45° с первым входом третьего перемножителя, выход второго опорного генератора соединен со вторым входом второго перемножителя и через фазовращатель на +45° со вторым входом третьего перемножителя, делитель частоты на два подключен к низкочастотному входу микроволнового балансного смесителя, выход которого соединен с передающей антенной.

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 чертежом, где приведена структурная схема предлагаемого устройства обнаружения слабоколеблющихся объектов.

Предлагаемое устройство обнаружения слабоколеблющихся объектов (Фиг.1) содержит передающую антенну 1, задающий генератор 2, подключенный к микроволновому входу микроволнового балансного смесителя 3, первый усилитель низкой частоты 4, первый компаратор 5 с подключенным блоком опорного напряжения 6, формирователь сигнала обнаружения 7, последовательно соединенные приемную антенну 8, микроволновый преобразователь 9, усилитель промежуточной частоты 10, выход которого подключен к первому 11 и второму 12 перемножителям, гетеродин 13, выход которого соединен со вторым входом микроволнового преобразователя 9, первый опорный генератор 14, первый 15 и второй 16 счетчики импульсов, формирователь интервала счета 17, подключенный к их первым входам, второй опорный генератор 18, фазовращатель 19 на -45° и фазовращатель 20 на +45°, последовательно включенные третий перемножитель 21 и делитель частоты на два 22, последовательно соединенные второй усилитель низкой частоты 23 и второй компаратор 24, к первому входу которого подключен блок опорного напряжения 6, выход первого перемножителя 11 через последовательно включенные первый усилитель низкой частоты 4, первый компаратор 5, первый счетчик импульсов 15 соединен с первым входом формирователя сигнала обнаружения 7, ко второму входу которого подключен через второй счетчик импульсов 16 выход второго компаратора 24, вход второго усилителя низкой частоты 19 соединен с выходом второго перемножителя 12, выход первого опорного генератора 14 соединен со вторым входом первого перемножителя 11 и через фазовращатель 19 на -45° с первым входом третьего перемножителя 21, выход второго опорного генератора 18 соединен со вторым входом второго перемножителя 12 и через фазовращатель 20 на +45° со вторым входом третьего перемножителя 21, делитель частоты на два 22 подключен к низкочастотному входу микроволнового балансного смесителя 3, выход которого соединен с передающей антенной 1.

Работа устройства происходит следующим образом.

Первый опорный генератор 14 вырабатывает сигнал u_g1=A_gcosΩ₁t (например, частотой 9,9 МГц), а второй опорный генератор 18 вырабатывает сигнал u_g2=A_gcosΩ₁t (например, частотой 10,1 МГц). Сигналы с их выходов соответственно через фазовращатель 19 на -45° и фазовращатель 20 на +45° приходят на первый и второй входы третьего перемножителя 21, в результате чего на его выходе формируется сигнал u_x3=A_x3cos[(Ω₂-Ω₁)t+90°] (частотой 0,2 МГц). При прохождении его через делитель частоты на два 22 сигнал u₀=A₀cos[(Ω₂-Ω₁)t/+45°] (частотой 0,1 МГц) приходит на низкочастотный вход микроволнового балансного смесителя 3, на микроволновый вход которого поступает с задающего генератора 2 сигнал u_z=A_zcos(ω₀t) с круговой частотой ω₀ (например, частотой 3 ГГц). В результате преобразования с его выхода сигнал u_t=A_tcos{[ω₀+(Ω₂-Ω₁)/2]t+45°}+A_tcos{[ω₀-(Ω₂-Ω₁)/2]t-45°} излучается в пространство. Отраженный от объекта сигнал с приемной антенны 8 u_r=A_rcos{[ω₀+(Ω₂-Ω₁)/2](t-τ)+45°}+A_rcos{[ω₀-(Ω₂-Ω₁)/2](t-τ)-45°}, 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)=2ΔRsin(2πt/T)/с - переменная составляющая задержки, поступает на первый вход второго микроволнового балансного смесителя 9. 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 до 3 м. Следовательно, постоянная составляющая задержки τ₀ находится в диапазоне от 2 нс до 20 нс, амплитуда переменной составляющей задержки 0,005÷0,03 нс. На второй вход второго микроволнового балансного смесителя 9 с выхода гетеродина 13 приходит сигнал u_g=A_gcos[ω₀+(Ω₂+Ω₁)/2]t (частотой 3,01 ГГц).

В результате преобразования с выхода микроволнового преобразователя 9 сигнал u_m=A_mcos{Ω₁t+[ω₀+(Ω₂-Ω₁/2]τ-45°}+A_m cos{Ω₂t+[ω₀-(Ω₂-Ω₁)/2]τ+45°} через усилитель промежуточной частоты 10 (Ω₂+Ω₁)/2(=10 МГц) поступает на первые входы первого 11 и второго 12 перемножителей, на вторые входы которых соответственно приходят сигналы с выходов первого 14 и второго 18 опорных генераторов u_g1=A_gcosΩ₁t и u_g2=A_gcosΩ₂t. На их выходах соответственно образуются сигналы:

u_x1=A_xcos{[ω₀+(Ω₂-Ω₁)/2]τ₀+ω₀δ(t)-45°},

u_x2=A_xcos{[ω₀-(Ω₂-Ω₁)/2]τ₀+ω₀δ(t)+45°}.

При небольших значениях 2ω₀ΔR/с (2°÷11° соответственно для амплитуд сердцебиения и используемой частоты) напряжение сигналов с выходов первого 11 и второго 12 перемножителей определяются как

u_x1=A_xcos{[ω₀+(Ω₂-Ω₁)/2]τ₀-45°}-2A_xω₀(ΔR/c)sin{[ω₀+(Ω₂-Ω₁)/2]τ₀-45°}sin(2πt/T),

u_x2=A_xcos{[ω₀-(Ω₂-Ω₁)/2]τ₀+45°}-2A_xω₀(ΔR/c)sin{[ω₀-(Ω₂-Ω₁)/2]τ₀+45°}sin(2πt/T)

и имеют постоянную и переменную составляющие. Переменные составляющие с выходов первого 11 и второго 12 перемножителей проходят через первый 4 и второй 23 усилители низкой частоты и поступают на вторые входы первого 5 и второго 24 компараторов соответственно. Амплитуда переменных составляющих зависит от постоянной составляющей задержки τ₀ по периодическому закону, что приводит к появлению участков пропадания сигналов колеблющихся органов человека. Так как на входах первого и второго компараторов 5 и 24 фазы сдвинуты практически на 90 градусов ((Ω₂-Ω₁)τ₀<3,6°), то по крайней мере хотя бы на одном из них амплитуда сигнала превысит пороговое напряжение, определяемое блоком опорного напряжения 6, и на одном или на обоих выходах первого 5 и второго 24 компараторов появится импульсный сигнал. Появившиеся импульсы с выходов первого 5 и второго 24 компараторов поступают на вторые входы первого 15 и второго 16 счетчиков импульсов соответственно, на первые входы которых приходят импульсы сброса с формирователя интервала счета 17. 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 5 или второго 24 компараторов, превышает К (=5) за интервал счета (6 с), то на выходах первого 15 или второго 16 счетчиков импульсов появляется сигнал переполнения, который запускает формирователь сигнала обнаружения 7.

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

Для предлагаемого устройства не требуется 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 слабоколеблющихся объектов содержит микроволновый балансный смеситель, гетеродин, микроволновый преобразователь, передающую и приемные антенны, задающий генератор, первый и второй опорные генераторы, усилитель промежуточной частоты, первый, второй и третий перемножители, делитель частоты на два, фазовращатель на -45°, фазовращатель на +45°, 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, определенным образом соединенные между собой. 1 ил.

Устройство обнаружения слабоколеблющихся объектов, содержащее передающую антенну, задающий генератор, подключенный к микроволновому входу микроволнового балансного смесителя, первый усилитель низкой частоты, первый компаратор с подключенным блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения, последовательно соединенные приемную антенну, микроволновый преобразователь, усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен к первому и второму перемножителям, гетеродин, выход которого соединен со вторым входом микроволнового преобразователя, первый опорный генератор, отличающееся тем, что оно снабжено первым и вторым счетчиками импульсов, формирователем интервала счета, подключенным к их первым входам, вторым опорным генератором, фазовращателем на -45° и фазовращателем на +45°, последовательно включенными третьим перемножителем и делителем частоты на два, последовательно соединенным вторым усилителем низкой частоты и вторым компаратором, к первому входу которого подключен блок опорного напряжения, выход первого перемножителя 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, вход второго усилителя низкой частоты соединен с выходом второго перемножителя, выход первого опорного генератора соединен со вторым входом первого перемножителя и через фазовращатель на -45° с первым входом третьего перемножителя, выход второго опорного генератора соединен со вторым входом второго перемножителя и через фазовращатель на +45° со вторым входом третьего перемножителя, делитель частоты на два подключен к низкочастотному входу микроволнового балансного смесителя, выход которого соединен с передающей антенной.