СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2014 года по МПК G08B3/00 G01S13/82 

Предлагаемая система относится к области телеметрических систем и может использоваться для идентификации объектов, в том числе движущихся, в частности контейнеров железнодорожного и автомобильного транспорта.

Известны системы идентификации объектов (авт. свид. СССР №№498.197, 536.990; патенты РФ №№2.003.544, 2.065.174, 2.126.165, 2.191.127, 2.200.095, 2.222.030, 2.238.208, 2.242.392, 2.284.938, 2.314.957; патенты США №№3.771.119, 4.546.241, 4.551.725, 4.739.328; патенты Великобритании №№1.024.735, 1.047.933, 1.348.037 и другие).

Из известных систем и устройств наиболее близкой к предлагаемой является «Система идентификации объектов» (патент РФ №2.222.030, G01S 13/82, 2001), которая и выбрана в качестве прототипа.

Известная система обеспечивает повышение надежности идентификации объектов и расширение функциональных возможностей. Для этого система идентификации объектов состоит из считывателя, содержащего блок СВЧ и обработки информации, запускаемый по сигналу включения считывателя, и подключенных к нему приемопередающей антенны и линии передачи информации, и датчика телеметрической системы идентификации объектов, содержащего антенну, соединенную через ответвитель мощности с модулятором и со входом устройства питания, состоящего из последовательно соединенных выпрямителя и ограничителя напряжения, а также содержащего генератор кода, состоящий из последовательно соединенных устройства синхронизации, запоминающего устройства и кодера кодовых посылок, выход которого соединен со входом модулятора.

Недостатком известной системы идентификации объектов, в том числе движущихся, в частности контейнеров железнодорожного и автомобильного транспорта, является необходимость на указанных контейнерах иметь автономные источники питания, что снижает достоверность и надежность идентификации объектов.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности и надежности идентификации объектов, не имеющих автономных источников питания, путем использования радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что система идентификации объектов, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, считыватель, датчик и центральное устройство обработки информации, при этом считыватель состоит из блока СВЧ и обработки сигналов, устройства включения и линии передачи данных, блок СВЧ и обработки сигналов содержит последовательно подключенные к выходу устройства включения управляющее устройство, генератор несущей частоты, циркулятор, вход-выход которого через полосовой фильтр связан с приемопередающей антенной, смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора несущей частоты, усилитель, демодулятор, блок обработки сигналов, второй вход которого соединен с вторым выходом управляющего устройства, запоминающее устройство и устройство согласования, второй вход которого соединен с третьим выходом управляющего устройства, а выход подключен к линии передачи данных, отличается от ближайшего аналога тем, что датчик выполнен в виде радиочастотной метки на поверхностных акустических волнах, которая представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн, состоящим из двух гребенчатых систем электродов, соединенных между собой шинами, связанными с микрополосковой приемопередающей антенной, и набором отражателей, центральное устройство обработки информации выполнено в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока поиска, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фазового детектора и блока регистрации, причем управляющий вход блока поиска соединен с выходом порогового блока, к выходу удвоителя фазы последовательно подключены первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора.

Структурная схема считывателя 3 представлена на фиг.1. Функциональная схема датчика 6 изображена на фиг.2. Структурная схема центрального устройства 30 обработки информации показана на фиг.3.

Считыватель 3 содержит последовательно включенные устройство 4 включения, управляющее устройство 21, генератор 13 несущей частоты, циркулятор 14, вход-выход которого через полосовой фильтр 22 связан с приемопередающей антенной 2, смеситель 15, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора 13 несущей частоты, усилитель 16, демодулятор 17, блок 18 обработки сигнала, второй вход которого соединен со вторым выходом управляющего устройства 21, запоминающее устройство 19, устройство 20 согласования, второй вход которого соединен с третьим выходом управляющего устройства 21, и линию 5 передачи данных. Генератор 13 несущей частоты, циркулятор 14, полосовой фильтр 22, смеситель 15, усилитель 16, демодулятор 17, блок 18 обработки сигнала, запоминающее устройство 19, устройство 20 согласования и управляющее устройство 21 образуют блок 1 СВЧ и обработки сигналов.

Датчик 6 содержит пьезокристалл 7, микрополосковую приемопередающую антенну 8, электроды 9, шины 10 и 11, набор 12 отражателей.

Центральное устройство 30 обработки информации содержит последовательно включенные приемную антенну 23, усилитель 24 высокой частоты, смеситель 27, второй вход которого через гетеродин 26 соединен с выходом блока 25 поиска, усилитель 28 промежуточной частоты, удвоитель 32 фазы, второй анализатор 33 спектра, блок 34 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 31 спектра соединен с выходом усилителя 28 промежуточной частоты, пороговый блок 35, второй вход которого через линию 36 задержки соединен с его выходом, ключ 34, второй вход которого соединен с выходом усилителя 28 промежуточной частоты, фазовый детектор 41 и блок 42 регистрации. К выходу удвоителя 32 фазы последовательно подключены первый узкополосный фильтр 38, делитель 39 фазы на два и второй узкополосный фильтр 40, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора 41. Управляющий вход блока 25 поиска соединен с выходом порогового блока 35.

В качестве приемопередающей антенны 2 считывателя 3 может быть использована антенна любого типа соответствующего диапазона и имеющая широкую диаграмму направленности в азимутальной плоскости и узкую диаграмму направленности в угломестной плоскости.

Линия 5 передачи данных и устройство 20 согласования с линией передачи данных могут быть выполнены в виде стандартного канала связи, например RS-232C.

Устройство 4 включения считывателя может быть выполнено в виде устройства рельсовой цепи (http://nilatm. webzone.ru/ab-uc.htm).

Полосовой фильтр 22 может быть выполнен в виде LC-фильтра.

Циркулятор 14 может быть использован как стандартный циркулятор на соответствующую частоту, например (http://imped.vgts.ru/).

Генератор 13 смеситель 15, усилитель 16, демодулятор 17 могут быть использованы как стандартные на соответствующую частоту, например (http://www mey.ru).

Блок 18 обработки сигнала может быть выполнен в виде платы промышленного ПК. Запоминающее устройство 19 может быть выполнено на энергонезависимой памяти «Flash».

Устройство работает следующим образом.

Во время появления датчика 6 в зоне диаграммы направленности приемопередающей антенны 2 устройство 4 включения считывателя 3 выделяет сигнал на включение излучения.

При этом сигналом с первого выхода управляющего устройства 21 включается генератор 13 несущей частоты, который формирует гармоническое колебание

u_с(t)=U_сcos(ω_ct+φ_c), 0≤t≤£T_c,

где U_c, ω_с, φ_с, Т_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания.

Это колебание через циркулятор 14 и полосовой фильтр 22 поступает в приемопередающую антенну 2, излучается ею в эфир, улавливается микрополосковой приемопередающей антенной 8 датчика 6 и преобразуется встречно-штыревым преобразователем (ВШП) в акустическую волну. Последняя распространяется по поверхности пьезокристалла 7, отражается набором отражателей 12 и опять преобразуется в сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

u₁(t)=U₁cos[ω_ct+φ_k1(t)+φ_c], 0≤t≤T_c,

где φ_k1(t)={0,π}- манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t), причем φ_k(t)=const при kτ_Э<t<(k+1)τ_Э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=l,2,…,N), τ_Э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал, длительностью Т_с(Т_с=Nτ_Э).

Моделирующий код M₁(t) содержит информацию о идентификационном номере датчика 6, установленного на объекте, двигающегося мимо считывателя 3.

Сложный ФМн-сигнал u₁(t) излучается микрополосковой приемопередающей антенной 8 в эфир, улавливается приемопередающей антенной 2 считывателя 3 и через полосовой фильтр 22 и циркулятор 14 поступает на второй вход смесителя 15, на первый вход которого подается гармоническое колебание u_c(t) со второго выхода генератора 13 несущей частоты. Полосовой фильтр 22 обеспечивает подавление сигналов вне полосы полезного сигнала, с выхода смесителя 15 сигналы поступают на усилитель 16 и далее на демодулятор 17. Выделенный демодулятором 17 полезный сигнал поступает на вход блока 18 обработки сигнала. Блок 18 обработки сигнала принимает решение о достоверности идентификационного кода и записывает его в энергозависимое запоминающее устройство 19. Блок 18 обработки сигнала обрабатывает информацию при наличии сигнала со второго выхода управляющего устройства 21.

При необходимости, записанные в запоминающем устройстве идентификационные коды M₁(t) и М₂(t), где М₂(t) - идентификационный код считывателя 3, могут быть отправлены через устройство 20 согласования по линии 5 передачи данных в центральное устройство 30 обработки информации.

Для этого линией 5 передачи информации формируется сложный ФМн-сигнал

u₂(t)=U₂cos[ω₂t+φ_k2(t)+φ₂], 0≤t≤T_c

где φ_k2(t)={0,π}- манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующем кодом

M_∑(t)=M₁(t)+M₂(t),

который излучается в эфир, улавливается приемной антенной 23 и через усилитель 24 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 27, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 26 линейно-изменяющейся частоты

U_Г(t)=U_Гсos(ω_Гt+πγt²+φ_Г), 0≤t≤T_П,

где $$\gamma =\frac{Дf}{T_{П}}$$ скорость изменения частоты гетеродина.

Просмотр заданного диапазона частот Дf и поиск сложных ФМн-сигналов осуществляется с помощью блока 26 поиска, который периодически с периодом Т_П осуществляет перестройку частоты ω_Г гетеродина 26. В качестве блока 25 поиска может использоваться генератор пилообразного напряжения.

На выходе смесителя 27 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 28 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

u_пр(t)=U_прcos[ω_прt+φ_k2(t)-πγt²+φ_пр], 0≤t≤T_c

где $$U_{пр}=\frac{1}{2}{U}_2{U}_{Г}$$ ;

ω_пр=ω₂-ω_Г - промежуточная (разностная) частота;

φ_пр=φ₂-φ_Г,

которое поступает на вход обнаружителя (селектора) ФМн-сигналов, состоящего из первого 31 и второго 33 анализаторов спектра, удвоителя 32 фазы, блока 34 сравнения, порогового блока 35 и линии 36 задержки.

На выходе удвоителя 32 фазы образуется напряжение

u₃(t)=U₃cos(2ω_прt-2πγt²+2φ_пр] 0≤t≤T_C,

в котором фазовая манипуляция уже отсутствует.

Ширина спектра Δf₂ второй гармоники частоты сигнала определяется длительностью Т сигнала Δf_c=1/T_с, тогда как ширина спектра сложного ФМн-сигнала определяется длительностью τ_Э его элементарных посылок Δf_c=1/τ_Э, т.е. ширина спектра второй гармоники частоты сигнала в N раз меньше ширины спектра сложного ФМн-сигнала Δf_с/Δf₂=N.

Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его ширина спектра сворачивается в N раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить и отселектировать сложный ФМн-сигнал среди других сигналов и помех даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.

Ширина спектра Δf_c сложного ФМн-сигнала измеряется с помощью анализатора 31 спектра, а ширина спектра Δf₂ второй гармоники частоты сигнала - с помощью анализатора 33 спектра.

Напряжения U_I и U_II, пропорциональные Δf_c и Δf₂ соответственно, с выходов анализаторов 31 и 33 спектра поступают на два входа блока 34 сравнения. Так как U_I>>U_II, то на выходе блока 34 сравнения образуется постоянное напряжение, которое превышает пороговый уровень U_пор в пороговом блоке 25. Пороговое напряжение U_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового уровня U_пор в пороговом блоке 35 формируется постоянное напряжение, которое поступает на вход линии 36 задержки, на управляющий вход блока 25 поиска, выключая его, и на управляющий вход ключа 37, открывая его. В исходном состоянии ключ 37 всегда закрыт.

При выключении блока 25 поиска усилителем 28 промежуточной частоты выделяется напряжение

u_пр1(t)=U_прcos[ω_прt+φ_k2(t)+φ_пр],

которое через открытый ключ 37 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 41. На выходе удвоителя 32 фазы в этом случае выделяется гармоническое напряжение

u₄(t)=U₃cos(2ω_прt+2φ_пp), 0≤t≤T_с

которое выделяется узкополосным фильтром 38 и поступает на вход делителя 39 фазы на два. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение

u₅(t)=U₅cos(ω_прt+φ_пр), 0≤t≤T_c

которое выделяется узкополосным фильтром 40, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 41. На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение

u_H(t)=U_Hcosφ_k2(t), 0≤t≤T_c,

где $$U_H=\frac{1}{2}{U}_{пр}{U}_5$$ ;

пропорциональное модулирующему коду M_∑(t), которое фиксируется блоком 42 регистрации.

По истечении времени τ_З линии 36 задержки напряжение поступает на вход сброса порогового блока 35 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом ключ 37 закрывается, а блок 25 поиска включается, т.е. переводится в свои исходные состояния. При обнаружении следующего ФМн-сигнала на другой несущей частоте, излучаемого другим считывателем, работа системы идентификации объектов происходит аналогичным образом. При этом в центральном устройстве 30 обработки информации собирается информация со всех используемых в системе считывателей.

Таким образом, предлагаемая система идентификации объектов по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение достоверности и надежности идентификации объектов, не имеющих автономных источников питания. Это достигается использованием радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Характерной особенностью радиочастотных меток на ПАВ является малые размеры и отсутствие источников питания.

Сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Изобретение относится к области телеметрических систем, используется для идентификации объектов, в том числе движущихся, в частности контейнеров железнодорожного и автомобильного транспорта. Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности и надежности идентификации объектов, не имеющих автономных источников питания, путем использования радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Система идентификации объектов содержит блок 1 СВЧ и обработки сигналов, приемопередающую антенну 2, считыватель 3, устройство 4 включения, линию 5 передачи данных, датчик 6, пьезокристалл 7, микрополосковую приемопередающую антенну 8, электроды 9, шины 10 и 11, набор 12 отражателей, генератор 13 несущей частоты, циркулятор 14, смеситель 15, усилитель 16, демодулятор 17, блок 18 обработки сигнала, запоминающее устройство 19, устройство 20 согласования, управляющее устройство 21. Центральное устройство 30 обработки информации содержит приемную антенну 23, усилитель 24 высокой частоты, блок 25 поиска, гетеродин 26, смеситель 27, усилитель 28 промежуточной частоты, обнаружитель 29 ФМн-сигналов, анализаторы 31 и 33 спектра, удвоитель 32 фазы, блок 34 сравнения, пороговый блок 35, линию 36 задержки, ключ 37, узкополосные фильтры 38 и 40, делитель 39 фазы на два, фазовый детектор 41 и блок 42 регистрации. 3 ил.

Система идентификации объектов, содержащая считыватель, датчик и центральное устройство обработки информации, при этом считыватель состоит из блока СВЧ и обработки сигналов, устройство включения и линии передачи информации, блок СВЧ и обработки сигналов содержит последовательно подключенные к выходу устройства включения управляющее устройство, генератор несущей частоты, циркулятор, вход-выход которого через полосовой фильтр связан с приемопередающей антенной, смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора несущей частоты, усилитель, демодулятор, блок обработки сигналов, второй вход которого соединен с вторым выходом управляющего устройства, запоминающее устройство и устройство согласования, второй вход которого соединен с третьим выходом управляющего устройства, а выход подключен к линии передачи данных, отличающаяся тем, что датчик выполнен в виде радиочастотной метки на поверхностных акустических волнах, которая представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем поверхностных волн, состоящим из двух гребенчатых систем электродов, соединенных между собой шинами, связанными с микрополосковой приемопередающей антенной, и набором отражателей, центральное устройство обработки информации выполнено в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока поиска, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фазового детектора и блока регистрации, причем управляющий вход блока поиска соединен с выходом порогового блока, к выходу удвоителя фазы последовательно подключены первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазоворо детектора.