СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ РАЗЫСКИВАЕМЫХ ТРАНСПОНДЕРОВ ИЗ МНОЖЕСТВА ПАССИВНЫХ ТРАНСПОНДЕРОВ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/75 

Предлагаемые способ и система относятся к системам радиочастотной идентификации подвижных и неподвижных объектов (RFID-системы).

Известны способы и системы обнаружения и идентификации разыскиваемых транспондеров (авт. свид. СССР №№1.054.887, 1.228.722, 1.627.832, 1.769.216, 1.773.191; патенты РФ №№2.057.334, 2.176.092, 2.336.539, 2.344.437, 2.350.982, 2.388.157, 2.410.716; патенты США №№4.051.057, 4.605.208, 5.691.698, 6.061.614; патент Великобритании №2.165.424; патент Германии №4.336.898; патент Франции №2.630.236; Бурлаков В. Радиочастотная идентификация. Электронные компоненты. 2005, №5, с.55-60 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ обнаружения и идентификации разыскиваемых транспондеров из множества пассивных транспондеров и система для осуществления способа» (патент РФ №2.336.539, G01S 13/75, 2006), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Известные технические решения обеспечивают повышение надежности и достоверности обнаружения и идентификации одного из множества пассивных транспондеров, каждый из которых имеет свой идентификационный код. Способ обнаружения и идентификации транспондеров включает передачу кодированного радиосигнала опроса, прием и оценку ответных радиосигналов пассивных транспондеров, принятие решения об обнаружении. Идентификационный код каждого транспондера отличается от кодов других транспондеров не менее чем в четырех знаках и имеет автокорреляционную функцию кнопочного типа. Радиосигнал опроса модулируют сигналом, инверсным коду разыскиваемого транспондера. Ответные сигналы сравнивают с пороговым уровнем. При внесении решения подают команду к выполнению следующего цикла обнаружения.

Система для обнаружения и идентификации транспондеров содержит множество пассивных транспондеров 1.1-1.n, антенное устройство 2, кодирующее устройство 3, содержащее блок 7 базы идентификационных кодов транспондеров и блок 8 преобразования кодов, передающее устройство 4, приемное устройство 5, блок 6 оценки, содержащий пороговый модуль 9 и модуль 10 регистрации.

Однако известные технические решения не полностью реализуют свои потенциальные возможности. Они обеспечивают только обнаружение и идентификацию разыскиваемых транспондеров, но не позволяют определять их местоположение. Используя замечательное свойство автокорреляционной функции R(τ) кнопочного типа, которая имеет главный ярко выраженный лепесток и сравнительно низкий уровень боковых лепестков, можно автоматически измерять азимут и дальность до каждого разыскиваемого транспондера, т.е. определять его местоположение.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей известных технических решений путем автоматического определения местоположения разыскиваемых транспондеров.

Поставленная задача решается тем, что способ обнаружения и идентификации разыскиваемых транспондеров из множества пассивных транспондеров, каждый из которых имеет свой идентификационный код, включающий, в соответствии с ближайшим аналогом, передачу кодированного радиосигнала опроса, направляемого на множество пассивных транспондеров, находящихся в зоне опроса, прием и оценку, ответных радиосигналов, сформированных пассивными транспондерами, и вынесение решения о присутствии разыскиваемого транспондера в множестве пассивных транспондеров, при этом идентификационный код каждого пассивного транспондера множества выбирают отличающимся от идентификационных кодов других пассивных транспондеров не менее чем в четырех знаках и имеющим автокорреляционную функцию кнопочного типа, кодированный радиосигнал опроса модулируют сигналом инверсным по времени сигналу с кодом разыскиваемого транспондера, ответные сигналы оценивают сравнением с пороговым уровнем, превышающим максимальные значения функций взаимной корреляции идентификационных кодов пассивных транспондеров с возможностью выделения пика автокорреляционной функции кнопочного типа, решение о присутствии разыскиваемого транспондера выносят по выделенному пику автокорреляционной функции кнопочного типа, при вынесении решения подают команду к выполнению следующего цикла обнаружения и идентификации очередного пассивного транспондера, отличается от ближайшего аналога тем, что при превышении порогового уровня разрешают перемножение ответного радиосигнала с кодированным радиосигналом опроса, предварительно пропущенным через первый блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное первой автокорреляционной функции R₁(τ), где τ - текущая временная задержка, изменением текущей временной задержки τ обеспечивают максимальное значение первой автокорреляционной функции, поддерживают ее на максимальном уровне, что соответствует временной задержке τ, равной τ_з1, определяют и фиксируют дальность R до разыскиваемого транспондера

,

где с - скорость распространения радиоволн,

одновременно перемножают ответные радиосигналы, принятые двумя антеннами, разнесенными в азимутальной плоскости на расстояние d, предварительно пропустив один из них через второй блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное второй автокорреляционной функции R₂(τ), изменением текущей временной задержки τ обеспечивают максимальное значение второй автокорреляционной функции, поддерживают ее на максимальном уровне, что соответствует временной задержке τ, равной τ_з2, определяют и фиксируют азимут β на разыскиваемый транспондер

Поставленная задача решается тем, что система для обнаружения и идентификации разыскиваемых транспондеров из множества пассивных транспондеров, каждый из которых имеет свой идентификационный код, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, приемопередающую антенну, последовательно включенные кодирующее устройство и передающее устройство, последовательно включенные первое приемное устройство и блок оценки, выполненный с возможностью вынесения решения о присутствии разыскиваемого транспондера в множестве пассивных транспондеров, при этом идентификационный код каждого пассивного транспондера множества отличается от идентификационных кодов других пассивных транспондеров не менее чем в четырех знаках и имеет автокорреляционную функцию кнопочного типа, кодирующее устройство содержит последовательно включенные блок базы идентификационных кодов пассивных транспондеров и блок преобразования кодов для формирования кодированного радиосигнала опроса, инверсного по времени сигналу с идентификационным кодом разыскиваемого транспондера, выход которого соединен с входом передающего устройства, блок оценки содержит последовательно подключенные к выходу первого приемного устройства пороговый модуль для выделения пика автокорреляционной функции кнопочного типа от разыскиваемого транспондера и модуль регистрации, выполненный с возможностью подачи команды к выполнению следующего цикла поиска очередного пассивного транспондера, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена дуплексером, приемной антенной, вторым приемным устройством, ключом, двумя блоками регулируемой задержки, двумя перемножителями, двумя фильтрами нижних частот, двумя экстремальными регуляторами, индикатором дальности и индикатором азимута, причем выход передающего устройства через дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, соединен с входом первого приемного устройства, к выходу передающего устройства последовательно подключены первый блок регулируемой задержки, первый перемножитель, второй вход которого через ключ соединен с выходами первого приемного устройства и порогового модуля, первый фильтр нижних частот, первый экстремальный регулятор, первый блок регулируемой задержки и индикатор дальности, выход которого соединен с вторым входом модуля регистрации, к выходу приемной антенны последовательно подключены второе приемное устройство, второй перемножитель, второй вход которого через второй блок регулируемой задержки соединен с выходом ключа, второй фильтр нижних частот, второй экстремальный регулятор, второй блок регулируемой задержки и индикатор азимута, выход которого соединен с третьим входом модуля регистрации, приемопередающая и приемная антенны разнесены в азимутальной плоскости на расстояние d.

Структурная схема системы для обнаружения и идентификации одного из множества пассивных транспондеров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), реализующий предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Система содержит 1.i (i=1,2, … ,n) пассивные транспондеры, находящиеся в зоне опроса, и считыватель (ридер), содержащий последовательно включенные блок 7 базы кодов транспондеров, блок 8 преобразования кодов, передающее устройство 4, дуплексер 11, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 2, первое приемное устройство 5, пороговый модуль 9 и модуль 10 регистрации, последовательно подключенные к выходу передающего устройства 4 первый блок 13 регулируемой задержки, первый перемножитель 14, второй вход которого через ключ 17 соединен с выходом первого приемного устройства 5 и порогового модуля 9, первый фильтр 15 нижних частот, первый экстремальный регулятор 16, первый блок 13 регулируемой задержки и индикатор 18 дальности, выход которого соединен с вторым входом модуля 10 регистрации, последовательно включенные приемную антенну 19, второе приемное устройство 20, второй перемножитель 23, второй вход которого через второй блок 22 регулируемой задержки соединен с выходом ключа 17, второй фильтр 24 нижних частот, второй экстремальный регулятор 25, второй блок 22 регулируемой задержки и индикатор 26 азимута, выход которого соединен с третьим входом модуля 10 регистрации. При этом блок 7 базы кодов транспондеров и блок 8 преобразования кодов образуют кодирующее устройство 3. Пороговый модуль 9 и модуль 10 регистрации образуют блок 6 оценки. Первый блок 13 регулируемой задержки, первый перемножитель 14, первый фильтр 15 нижних частот и первый экстремальный регулятор 16 образуют первый коррелятор 12. Второй блок 22 регулируемой задержки, второй перемножитель 23, второй фильтр 24 нижних частот и второй экстремальный регулятор 25 образуют второй коррелятор 21. Приемопередающая антенна 2 и приемная антенна 19 разнесены в азимутальной (горизонтальной) плоскости на расстояние d (измерительная база).

Система, реализующая предлагаемый способ, работает следующим образом.

Из блока 7 базы транспондеров выдается сигнал одного из транспондеров 1.i (i=1,2,…,n), который требуется определить из множества находящихся в зоне опроса. Под его воздействием блок 8 вырабатывает инверсный по времени сигнал M₁(t), который поступает в передающее устройство 4, где манипулирует по фазе гармоническое колебание

u_c(t)=U_c·cos(w_ct+ψ_с), 0≤t≤Т_с.

На выходе передающего устройства 4 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

u₁(t)=U_c·cos[w_ct+φ_к1(t)+φ_с], 0≤t≤Т_с,

где φ_к1(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t),

который через дуплексер 11 поступает в приемопередающую антенну 2, излучается ею в пространство и облучает транспондеры 1.i (i=1,2,…,n).

В каждом транспондере электромагнитный сигнал u₁(t) преобразуется встречно-штыревым преобразователем (ВШП) в акустическую волну, которая распространяется по поверхности звукопровода, отражается от набора отражателей и опять преобразуется в сложный ФМн-сигнал, внутренняя структура которого определяется структурой ВШП. При этом структура ВШП разыскиваемого транспондера аналогична структуре модулирующего кода M₁(t) и отличается от структуры ВШП других пассивных транспондеров не менее чем в четырех знаках.

Переизлученные от транспондеров сигналы принимаются антеннами 2 и 19 и поступают в приемные устройства 5 и 20 через дуплексер 11 непосредственно. Принятые сигналы пропорциональны огибающим функций автокорреляции и взаимной корреляции транспондеров. В том случае, если в рассматриваемом множестве имеется транспондер, код которого совпадает с кодом M₁(t), выбранным из базы данных, то данный транспондер переизлучает сигнал, пропорциональный его автокорреляционной функции, а остальные транспондеры переизлучают сигналы, пропорциональные функциям взаимной корреляции. Так как сигнал от разыскиваемого транспондера во много раз превышает сигналы от остальных транспондеров, то его можно выделить в пороговом модуле 9 с высокой достоверностью.

Если в рассматриваемом множестве имеется транспондер, код которого совпадет с кодом M₁(t), выбранным из базы данных, то указанный транспондер переизлучает сложный ФМн-сигнал, который принимается приемопередающей 2 и приемной 19 антеннами:

u₂(t)=U₂·cos[w_c(t-τ_з1)+φ_к1(t-τ_з1)+φ_с],

u₃(t)=U₃·cos[w_c(t-τ_з2)+φ_к1(t-τ_з2)+φ_с], 0≤t≤Т_с,

где - время запаздывания ретранслированного сигнала от разыскиваемого транспондера относительно опросного сигнала;

R - дальность от считывателя (ридера) до разыскиваемого транспондера;

с - скорость распространения электромагнитных волн;

;

t₁, t₂ - время прохождения ретранслированного сигнала от разыскиваемого транспондера до приемопередающей 2 и приемной 19 антенн соответственно;

d - расстояние в азимутальной (горизонтальной) плоскости между приемопередающей 2 и приемной 19 антеннами;

β - азимут на разыскиваемый транспондер.

Сложный ФМн-сигнал u₂(t) с выхода приемопередающей антенны 2 через дуплексер 11 и первое приемное устройство поступает на вход порогового модуля 9, где превышает пороговый уровень U_пор в пороговом модуля 9 формируется постоянное напряжение, которое поступает на первый вход модуля 10 регистрации, что свидетельствует об обнаружении разыскиваемого транспондера, и на управляющий вход ключа 17, открывая его. В исходном состоянии ключ 17 всегда закрыт.

При этом ФМн-сигнал u₂(t) с выхода первого приемного устройства 5 через открытый ключ 17 поступает на первый вход перемножителя 14, на второй вход которого через блок 13 регулируемой задержки подается сложный ФМн-сигнал u₁(t) с выхода передающего устройства. Полученное на выходе перемножителя 14 напряжения пропускается через фильтр 15 нижних частот, на выходе которого формируется первая автокорреляционная функция R₁(τ), где τ - текущая временная задержка. Экстремальный регулятор 16, предназначенный для поддержания максимального значения автокорреляционной функции R₁(τ) и подключенный к выходу фильтра 14 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 13 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ, равной τ_з1(τ=τ_з1), что соответствует максимальному значению автокорреляционной функции R₁(τ). Индикатор 18 дальности, связанный со шкалой блока 13 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное расстояние R между ридером и разыскиваемым транспондером

,

которое поступает на второй вход модуля 10 регистрации.

Напряжение u₃(t) с выхода приемной антенны 19 через приемное устройство 20 поступает на первый вход перемножителя 23, на второй вход которого через блок 22 регулируемой задержки подается напряжение u₂(t) с выхода приемного устройства 5 через открытый ключ 17. Полученное на выходе перемножителя 23 напряжение пропускается через фильтр 24 нижних частот, на выходе которого формируется автокорреляционная функция R₂(τ). Экстремальный регулятор 25, предназаначенный для поддержания максимального значения автокорреляционной функции R₂(τ) и подключенный к выходу фильтра 24 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 22 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ, равной τ_з2 (τ=τ₃₂), что соответствует максимальному значению автокорреляционной функции R₂(τ). Шкала блока 22 регулируемой задержки (индикатор 26 азимута) проградуирована непосредственно в значении угловой координаты β разыскиваемого транспондера

,

где β - азимут разыскиваемого транспондера.

Следовательно, задача измерения угловой координаты (азимута β) разыскиваемого (обнаруженного) транспондера сводится к измерению относительной временной задержки τ_з2 между ретранслированными сигналами, принимаемыми антеннами 2 и 19.

Основными преимуществами RFID-технологий являются:

- отсутствие физического контакта с RFID-меткой (транспондером);

- высокая достоверность и скорость определения кода транспондера;

- RFID-система может использоваться даже в агрессивных средах, а транспондеры могут читаться через грязь, краску, пар, воду, пластмассу, древесину;

- транспондеры не имеют источников питания, отличаются длительным сроком эксплуатации;

- транспондеры несут большое количество информации, их практически невозможно подделать;

- RFID-системы применяются в разнообразных случаях, когда требуется оперативный и точный контроль, отслеживание и учет многочисленных перемещений различных объектов;

- электронный контроль доступа и перемещения персонала на территории предприятий;

- автоматизация и управление производством, выдачей и перемещением товаров и материальных ценностей на товарных и таможенных складах, крупных магазинах;

- автоматический сбор данных о перемещении транспортных средств и крупногабаритных грузов на железных и автомобильных дорогах, на грузовых станциях и терминалах;

- оплата услуг на платных стоянках и скоростных автомагистралях;

- контроль, планирование и управление движением транспорта, оптимизация графика движения и выбор оптимальных маршрутов;

- управление движением общественного транспорта, контроль оплаты проезда, оптимизация пассажиропотоков.

Наряду с достоинствами радиочастотным меткам (транспондерам) присущи и некоторые недостатки. К ним относятся:

- относительно высокая стоимость;

- взаимные коллизии;

- подверженность помехам в виде электромагнитных полей.

Таким образом, предлагаемые технические решения по сравнению с базовыми объектами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают автоматическое измерение дальности (расстояния) и азимута разыскиваемого (обнаруженного) транспондера, т.е. обеспечивают определение местоположения обнаруженного транспондера. Тем самым функциональные возможности известных способа и системы расширены.

Предлагаемые способ и система относятся к системам радиочастотной идентификации подвижных и неподвижных объектов (RFID-системы). Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей известных технических решений путем автоматического определения местоположения разыскиваемых транспондеров. Система, реализующая предлагаемый способ, содержит пассивные транспондеры, находящиеся в зоне опроса, и считыватель (ридер), содержащий приемопередающую антенну, кодирующее устройство, передающее устройство, первое и второе приемные устройства, блок оценки, блок базы кодов транспондеров, блок преобразования кодов, пороговый модуль, модуль регистрации, дуплексер, первый и второй корреляторы, первый и второй блоки регулируемой задержки, первый и второй перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, первый и второй экстремальные регуляторы, ключ, индикатор дальности, приемную антенну и индикатор азимута. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обнаружения и идентификации разыскиваемых транспондеров из множества пассивных транспондеров, каждый из которых имеет свой идентификационный код, включающий передачу кодированного радиосигнала опроса, направляемого на множество пассивных транспондеров, находящихся в зоне опроса, прием и оценку ответных радиосигналов, сформированных пассивными транспондерами, и вынесение решения о присутствии разыскиваемого транспондера в множестве пассивных транспондеров, при этом идентификационный код каждого пассивного транспондера множества выбирают отличающимся от идентификационных кодов других пассивных транспондеров не менее чем в четырех знаках и имеющим автокорреляционную функцию кнопочного типа, кодированный радиосигнал опроса модулируют сигналом инверсным по времени сигналу с кодом разыскиваемого транспондера, ответные сигналы оценивают сравнением с пороговым уровнем, превышающим максимальное значение функции взаимной корреляции идентификационных кодов пассивных транспондеров с возможностью выделения пика автокорреляционной функции кнопочного типа, решение о присутствии разыскиваемого транспондера выносят по выделенному пику автокорреляционной функции кнопочного типа, при вынесении решения подают команду к выполнению следующего цикла обнаружения и идентификации очередного пассивного транспондера, отличающийся тем, что при превышении порогового уровня разрешают перемножение ответного радиосигнала с кодированным радиосигналом опроса, предварительно пропущенным через первый блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное первой автокорреляционной функции R₁(τ), где τ - текущая временная задержка, изменением текущей временной задержки τ обеспечивают максимальное значение первой автокорреляционной функции, поддерживают ее на максимальном уровне, что соответствует временной задержке τ, равной τ_з1, определяют и фиксируют дальность R до разыскиваемого транспондера
$$R=\frac{c{\tau }_{з1}}{2}$$
где с - скорость распространения радиоволн,
одновременно перемножают ответные радиосигналы, принятые двумя антеннами, разнесенными в азимутальной плоскости на расстояние d, предварительно пропустив один из них через второй блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное второй автокорреляционной функции R₂(τ), изменением текущей временной задержки τ обеспечивают максимальное значение второй автокорреляционной функции, поддерживают ее на максимальном уровне, что соответствует временной задержке τ, равной τ_з2, определяют и фиксируют азимут β на разыскиваемый транспондер
$$\beta =arccos\frac{c\tau {}_{з2}}{d}$$

2. Система для обнаружения и идентификации разыскиваемых транспондеров из множества пассивных транспондеров, каждый из которых имеет свой идентификационный код, содержащая приемопередающую антенну, кодирующее устройство, передающее устройство, первое приемное устройство и блок оценки, выполненный с возможностью вынесения решения о присутствии разыскиваемого транспондера в множестве пассивных транспондеров, при этом идентификационный код каждого пассивного транспондера множества отличается от идентификационных кодов других пассивных транспондеров не менее чем в четырех знаках и имеет автокорреляционную функцию кнопочного типа, кодирующее устройство содержит последовательно включенные блок базы идентификационных кодов пассивных транспондеров и блок преобразования кодов для формирования кодированного радиосигнала опроса, инверсного по времени сигналу с идентификационным кодом разыскиваемого транспондера, выход которого соединен с входом передающего устройства, блок оценки содержит последовательно подключенные к выходу первого приемного устройства пороговый модуль для выделения пика автокорреляционной функции кнопочного типа от разыскиваемого транспондера и модуль регистрации, выполненный с возможностью подачи команды к выполнению следующего цикла поиска очередного пассивного транспондера, отличающаяся тем, что она снабжена дуплексером, приемной антенной, вторым приемным устройством, ключом, двумя блоками регулируемой задержки, двумя перемножителями, двумя фильтрами нижних частот, двумя экстремальными регуляторами, индикатором дальности и индикатором азимута, причем выход передающего устройства через дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, соединен с входом первого приемного устройства, к выходу передающего устройства последовательно подключены первый блок регулируемой задержки, первый перемножитель, второй вход которого через ключ соединен с выходами первого приемного устройства и порогового модуля, первый фильтр нижних частот, первый экстремальный регулятор, первый блок регулируемой задержки и индикатор дальности, выход которого соединен с вторым входом модуля регистрации, к выходу приемной антенны последовательно подключены второе приемное устройство, второй перемножитель, второй вход которого через второй блок регулируемой задержки соединен с выходом ключа, второй фильтр нижних частот, второй экстремальный регулятор, второй блок регулируемой задержки и индикатор азимута, выход которого соединен с третьим входом модуля регистрации, приемопередающая и приемная антенны разнесены в азимутальной плоскости на расстояние d.