УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ 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, содержащее передающую антенну, первый микроволновый балансный смеситель, делитель мощности пополам, первый усилитель низкой частоты, первый компаратор с подключенным блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения, выход опорного генератора соединен с низкочастотным входом второго микроволнового балансного смесителя, последовательно соединенные приемную антенну, третий микроволновый балансный смеситель, усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен к первым входам первого и второго перемножителей, ко второму входу первого перемножителя подсоединен выход фазовращателя на 90°, задающий генератор, первый выход которого соединен со вторым входом третьего микроволнового балансного смесителя, снабжено первым и вторым счетчиками импульсов, формирователем интервала счета, подключенным к их первым входам, микроволновым фазовращателем на 90°, микроволновым сумматором мощности, 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, второй вход которого и вход фазовращателя на 90° подключены к выходу опорного генератора, второй выход задающего генератора соединен с входом делителя мощности пополам, первый выход которого соединен с микроволновым входом первого микроволнового балансного смесителя, а второй его выход через микроволновый фазовращатель на 90° соединен с микроволновым входом второго микроволнового балансного смесителя, выход фазовращателя на 90° соединен с низкочастотным входом первого микроволнового балансного смесителя, выходы первого и второго микроволновых балансных смесителей через микроволновый 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 обнаружения.

Предлагаемое устройство обнаружения (Фиг.1) содержит передающую антенну 1, первый микроволновый балансный смеситель 2, делитель мощности пополам 3, первый усилитель низкой частоты 4, первый компаратор 5 с подключенным блоком опорного напряжения 6, формирователь сигнала обнаружения 7, выход опорного генератора 8 соединен с низкочастотным входом второго микроволнового балансного смесителя 9, последовательно соединенные приемную антенну 10, третий микроволновый балансный смеситель 11, усилитель промежуточной частоты 12, выход которого подключен к первым входам первого 13 и второго 14 перемножителей, ко второму входу первого перемножителя 13 подсоединен выход фазовращателя на 90° 15, задающий генератор 16, первый выход которого соединен со вторым входом третьего микроволнового балансного смесителя 11, первый 17 и второй 18 счетчики импульсов, формирователь интервала счета 19, подключенный к их первым входам, микроволновый фазовращатель на 90° 20, микроволновый сумматор мощности 21, последовательно соединенный со вторым усилителем низкой частоты 22 и вторым компаратором 23, к первому входу которого подключен блок опорного напряжения 6, выход первого перемножителя 13 через последовательно включенные первый усилитель низкой частоты 4, первый компаратор 5, первый счетчик импульсов 17, соединенный с первым входом формирователя сигнала обнаружения 7, ко второму входу которого подключен через второй счетчик импульсов 18 выход второго компаратора 23, вход второго усилителя низкой частоты 22 соединен с выходом второго перемножителя 14, второй вход которого и вход фазовращателя на 90° 15 подключены к выходу опорного генератора 8, второй выход задающего генератора 16 соединенный с входом делителя мощности пополам 3, первый выход которого соединен с микроволновым входом первого микроволнового балансного смесителя 2, а второй его выход через микроволновый фазовращатель на 90° 20 соединен с микроволновым входом второго микроволнового балансного смесителя 9, выход фазовращателя на 90° 15 соединен с низкочастотным входом первого микроволнового балансного смесителя 2, выходы первого 2 и второго 9 микроволновых балансных смесителей через микроволновый сумматор мощности 21 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 3, с первого выхода которого сигнал u_cl=А_с cos(ω₀t) поступает на микроволновый вход первого балансного смесителя 2, на низкочастотный вход которого приходит сигнал u₀₁=А₀ cos (Ω₀t+90°) через фазовращатель на 90° 15 с выхода опорного генератора 8 с круговой частотой Ω₀ (например, частота 10 МГц). 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 21. С второго выхода делителя мощности пополам 3 через микроволновый фазовращатель на 90° 20 сигнал u_c2=А_с cos (ω₀t+90°) поступает на микроволновый вход второго микроволнового балансного смесителя 9, на низкочастотный вход которого поступает сигнал u₀₂=А₀ cos (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 9 приходит на другой вход микроволнового сумматора мощности 21, откуда сигнал u_t=A_t cos [(ω₀+Ω₀)t+90°] через передающую антенну 1 излучается в пространство. Отраженный сигнал с приемной антенны 10 u_r=A_r cos [(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(2 π-t/T) /с - переменная составляющая задержки, поступает на первый вход третьего микроволнового балансного смесителя 11, на второй вход которого с первого выхода задающего генератора 16 приходит сигнал u_g=A_g cos (ω₀t). 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 не и более, амплитуда переменной составляющей задержки 0,005÷0,03 не. В результате преобразования с выхода третьего микроволнового балансного смесителя 11 сигнал:

u_m=A_m cos [Ω₀t-ω₀τ₀-ω₀δ(t)]-Ω₀τ₀-90°]

через усилитель 12 промежуточной частоты Ω₀ поступает на первые входы первого 13 и второго 14 перемножителей (составляющую Ω₀δ(t) ввиду малости можно не учитывать). На второй вход первого перемножителя 13 с выхода фазовращателя на 90° 15 поступает сигнал u₀₁=А₀ cos (Ω₀t+90°), в результате чего на его выходе формируется напряжение:

u_x1=A_x cos [ω₀τ₀+Ω₀τ₀+ω₀δ(t)].

На второй вход второго перемножителя 14 с выхода опорного генератора 8 поступает сигнал u₀=А₀ cos (Ω₀t), в результате чего на его выходе формируется напряжение:

u_x2=A_x cos [ω₀τ₀+Ω₀τ₀+ω₀δ+90°+ω₀δ(t)].

При небольших значениях 2ω₀ΔR/с (2°÷11° соответственно для амплитуд сердцебиения и используемой частоты) напряжение сигналов с выходов первого 13 и второго 14 перемножителей определяются как:

u_x1=A_x cos [ω₀τ₀+Ω₀τ₀]-2A_xω₀(ΔR/c)sin[ω₀τ₀+Ω₀τ₀]sin(2πt/T),

u_x2=A_x cos [ω₀τ₀+Ω₀τ₀+90°]-2A_xω₀(ΔR/c)sin[ω₀τ₀+Ω₀τ₀+90°]sin(2πt/T),

и имеют постоянную составляющую и переменную составляющую. Переменная составляющая с выходов первого 13 и второго 14 перемножителей проходят через первый 4 и второй 22 усилители низкой частоты и поступают на вторые входы первого 5 и второго 23 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 23 фазы сдвинуты на 90 градусов, 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 23 компараторов появится импульсный сигнал. Появившиеся импульсы с выходов первого 5 и второго 23 компараторов поступают на вторые входы первого 17 и второго 18 счетчиков импульсов соответственно, на первые входы которых приходят импульсы сброса с формирователя интервала счета 19. 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 23 компараторов, превышает К(=5) за интервал счета (6 с), то на выходах первого 17 или второго 18 счетчиков импульсов появляется сигнал, 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 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.

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, третий микроволновый балансные смесители, опорный генератор, передающую и приемные антенны, задающий генератор, усилитель промежуточной частоты, первый и второй перемножители, фазовращатель на 90°, микроволновый фазовращатель на 90°, делитель мощности пополам, 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, содержащее передающую антенну, первый микроволновый балансный смеситель, делитель мощности пополам, первый усилитель низкой частоты, первый компаратор с подключенным блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения, выход опорного генератора соединен с низкочастотным входом второго микроволнового балансного смесителя, последовательно соединенные приемную антенну, третий микроволновый балансный смеситель, усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен к первым входам первого и второго перемножителей, ко второму входу первого перемножителя подсоединен выход фазовращателя на 90°, задающий генератор, первый выход которого соединен со вторым входом третьего микроволнового балансного смесителя, 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 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, второй вход которого и вход фазовращателя на 90° подключены к выходу опорного генератора, второй выход задающего генератора соединен с входом делителя мощности пополам, первый выход которого соединен с микроволновым входом первого микроволнового балансного смесителя, а второй его выход через микроволновый фазовращатель на 90° соединен с микроволновым входом второго микроволнового балансного смесителя, выход фазовращателя на 90° соединен с низкочастотным входом первого микроволнового балансного смесителя, выходы первого и второго микроволновых балансных смесителей через микроволновый сумматор мощности подключены к передающей антенне.