Способ мониторинга состояния подземных сооружений и система для его реализации Российский патент 2020 года по МПК G01S5/14 G01S13/88 G01C21/30 

Предлагаемый способ и система относятся к автоматике и вычислительной технике и могут быть использованы при построении систем автоматизированного контроля состояния подземных сооружений метрополитена.

Известны способы определения координат подвижного объекта в закрытых помещениях (патенты РФ №2.013.785, 2.105.993, 2.248.235, 2.284.542, 2.286.486, 2.350.982, 2.231.945, 2.425.396; патенты США №4.916.455, 6.044.256, 7.151.447; патент Великобритании №2.256.730; патент Франции №2.630.565; патент WO №98/53.431; Бурлаков В. Радиочастотная идентификация. Электронные компоненты, 2005, №5, с. 50-60 и другие).

Из известных способов и систем наиболее близкими к предлагаемым является «Способ определения координат подвижного объекта в закрытых помещениях и система для его реализации» (патент РФ №2.425.396, GO1 S 13/75, 2009), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Известные технические решения обеспечивают повышение достоверности и надежности мониторинга подвижного объекта и подземных сооружений метрополитена путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и надежных радиочастотных идентификаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Следует отметить, что решение транспортной задачи в крупных мегаполисах возможна только путем создания разветвленной сети метрополитена. При этом, чем более сложней и разветвленной становится сейчас метро, чем масштабнее становится строительство подземных сооружений, чем дольше становится количество пассажиров, чем плотнее движение подвижного подземного состава, тем более и более важной становится проблема обеспечения безопасности как пассажиров, так и подземных сооружений метрополитена как на этапе строительства, так и на этапе эксплуатации.

Аварии в эксплуатируемых туннелях, связанных с внезапным общим или частичным повреждением конструкций и оборудованием, пожарами и взрывами, загазованностью воздуха, затоплением водой, частично приводят к длительному прекращению их функционирования, приводят к значительным затратам на восстановление функционирования, а в некоторых случаях приводит к травматизму и гибели людей.

В настоящее время, когда вопросами технической безопасности уделяется все больше внимания, необходимо оснащать ответственные объекты системами постоянного контроля.

При этом приемник считывателя 2 и приемный радиомодем 5 выполнены по схеме приемки прямого усиления и имеют относительно низкую чувствительность (Рξх=10^-3 Вт), а следовательно, и незначительную дальность действия. Выполнение приемника считывателя и приемного радиомодема по супергетеродинной схеме обеспечивает более высокую чувствительность (Рξх=10^-6 Вт) и дальность действия. Но при этом снижается помехоустойчивость за счет образования дополнительных каналов приема (зеркального и комбинационных).

Кроме того, необходимым условием фазового детектора 10 является наличие опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте принимаемого ФМн-сигнала:

U₂(t)=U₂*cos[ω₁t+ϕ_k1(t)+ϕ₁+Δϕ], 0≤t≤Т

В приемнике считывателя 2 опорное напряжение выделяется непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала. Для этого используются удвоитель 30 фазы, делитель 31 фазы на два и узкополосный фильтр 32.

На выходе удвоителя 30 фазы, в качестве которого используется перемножитель, на два входа которого подается один и тот же принимаемый ФМн-сигнал U₂(t), образуется гармоническое колебание:

U₃(t)=U₃*cos(2ω₁t+2ϕ₁+2Δϕ), где

Так как 2ϕ_k1(t)={0, 2π}, то в данном колебании манипуляцию фазы уже отсутствует. Это колебание делится по фазе на два в делителе 31 фазы и выделяется узкополосным фильтром 32

U₄(t)=ϑ₄*cos(ω₁+ϕ₁+Δϕ), 0≤t≤Т₁

Полученное гармоническое колебание используется опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 10. На первый (информационный) вход последнего поступает принимаемый ФМн-сигнал U₂(t) с выхода усилителя 9 высокой частоты. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 10 образуется низкочастотное напряжение

U_н1(t)=U_н1*cosϕ_k1(t), 0≤t≤T₁, где

иррациональное модулирующему коду M₁(t).

Однако указанному устройству присуще явление обратной работы, которое обусловлено неопределенностью начальной фазы ϕ₁ опорного напряжения U₄(t), выделяемого непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала U₂(t). При равновероятных значениях манипулированной составляющей фазы сигнала ϕ_k1(t)={0, π} отсутствует признак, который позволил бы привязать фазу ϕ₁ опорного напряжения к одной из фаз сигнала. Поэтому фаза опорного напряжения всегда имеет два устойчивых состояния: ϕ₁ и ϕ₁+π. Это легко показать аналитически. Если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, что после деления фазы на два получим напряжение, сдвинутое по фазе на π.

Следовательно, двузначность фазы полученного напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность фазы объясняется неустойчивой работой делителя фазы на два.

Явление «обратной работы» обусловлено скачкообразными переходами фазы опорного напряжения из одного состояния ϕ₁ в другое ϕ₁+π под воздействием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов. Эти переходы за время приема ФМн-сигнала происходят в случайные моменты времени. При этом на выходе фазового детектора 10 будет выделятся искаженный аналог модулирующего кода M₁(t). Явление «обратной работы» является весьма вредным при синхронном детектировании ФМн-сигнала и значительно снижающей достоверность указанной процедуры. Именно из-за явления «обратной работы» классическая фазовая манипуляция долгое время не находила широкого применения, несмотря на ряд своих преимуществ.

От указанных выше недостатков можно избавится, если совместить две операции: преобразование принимаемых ФМн-сигналов по частоте и их детектирование с помощью схемной конструкции, состоящей из смесителя, гетеродина и фильтра нужной частоты. При этом частота гетеродина выбирается равной частоте принимаемого ФМн-сигнала и поддерживается это равенство с помощью системы ФАПУ.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности приема и детектирования сложных ФМн-сигналов путем совмещения двух операций: преобразования принимаемых сложных ФНм-сигналов по частоте и их детектирования.

Поставленная задача решается тем, что способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена с использованием электронных идентификаторов и считывателей, согласно которому, в соответствии с ближайшим аналогом, считыватель закрепляют на подвижном объекте, а электронные идентификаторы закрепляют на элементах конструкции помещения, при приближении к электронному идентификатору подвижного объекта его считывателем считывающий код электронного идентификатора и вместе с кодом подвижного объекта передают через радиомодем электронных вычислительной машины (ЭВМ), при этом положение электронных идентификаторов определяется сеткой с постоянным шагом, нанесенной на план помещения, коды электронных идентификаторов и кода координат их положения запоминают в ЭВМ, в которой определяют координаты подвижного объекта, и отображают его положение на мониторе совместно с планом помещения, в качестве электронного идентификатора используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым ветрено-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, при приближении к электронному идентификатору подвижного объекта его считывателем облучают электронный идентификатор гармоническим колебанием несущей частоты ω₁, принимают его на электронном идентификаторе, преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну, опять в сложный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре ветрено-штыревого преобразователя, переизлучают его в эфир, принимают считывателем подвижного объекта, усиливают по амплитуде, умножают и делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте ω₁ и используют его для сравнения по фазе с зондирующим гармоническим колебанием несущей частоты ω₁, измеряют фазовый сдвиг, обусловленный воздействием параметров внешней среды на чувствительный элемент электронного идентификатора, преобразуют его в код, сравнивают с эталонным кодом и по результатам сравнения формируют управляющее напряжение, которое используют для разрешения дальнейшей обработки кодов подвижного объекта, электронного идентификатора и фазового сдвига, задерживают код фазового сдвига на время, равное сумме длительности кодов подвижного объекта и электронного идентификатора, суммируют задержанный кодом электронного идентификатора и кодом подвижного объекта, запоминают суммарный код, перемножают перемножают гармоническое колебание несущей частоты ω₁ само на себя, выделяют гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁, и в момент остановки электропоезда на конечной станции метро манипулируют суммарным кодом по фазе гармоническое колебание несущей частоты ω_y2=2ω₁, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией излучают в эфир и принимают радиомодемом ЭВМ, причем в качестве помещения используют транспортный тоннель метрополитена, а в качестве подвижного объекта используют кабину машиниста электропоезда, приемный радиомодем и ЭВМ размещают на конечной станции метро, электронные идентификаторы снабжают чувствительным элементом, который размещают на пьезокристале между ветрено-штыревого преобразователя и набором отражателей, отличается от ближайшего аналога тем, что усиленный по амплитуде сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω₁ преобразуют по частоте с использованием частоты ω_r1 гетеродина, которую выбирают равной частоте ω₁ и принимаемой сигнала, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное коду электронного идентификатора, перемножают его с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое колебание на частоте ω₁, сравнивают его по фазе с напряжением гетеродина и если нарушается равенство ω_r1≠ω₁ формируют управляющее напряжение, амплитуда и полярность которого определяются степенью и направлением отклонения частоты ω_r1 гетеродина от частоты ω₁ и принимаемого сигнала, воздействуют им на управляющей вход гетеродина, изменяя его частоту ω_r1 так, чтобы сохранилось равенство ω_r1=ω₁, сложный сигнал с фазовой манипуляцией на несущей частоте ω₂=2ω₁ принимают радиомодемом ЭВМ, усиливают по амплитуде, преобразуют по частоте с использованием частоты ω_r2 гетеродина, которую выбирают равной частоте ω₂ принимаемого сигнала, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное суммарному коду, фиксируют его в ЭВМ и перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое колебание на частоте ω₂, сравнивают его по фазе с напряжением гетеродина и если нарушается равенство ω_r2=ω₂ формируют управляющее напряжение, амплитуда и полярность которого определяются степенью и направлением отключения частоты ω₂ принимаемого сигнала, воздействуют им на управляющий вход гетеродина, изменяя его частоту ω_r2 так, чтобы сохранилось равенство ω_r2=ω₂.

Поставленная задача решается тем, что система для мониторинга состояния подземный сооружений метрополитена, содержащаяся, в соответствии с ближайшим аналогом, электронные идентификаторы, размещенные на элементах конструкции помещения, считыватель, закрепленный на подвижном объекте, передающий радиомодем, связанный со считывателем, и приемный радиомодем, подключенный к электронно-вычислительной машине ЭВМ, при этом положение электронных идентификаторов определяется сеткой с постоянным шагом, нанесенной на план помещения, коды электронных идентификаторов и коды координат их положения запоминают в ЭВМ, в которой определяют координаты подвижного объекта и отражают его положение на мониторе совместно с планом помещения, считыватель выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, циркулятора, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты удвоителя фазы, делителя фазы на два и второго узкополосного фильтра, а также фазового детектора, передающий радиомодем выполнен в виде последовательно подключенных к выходу задающего генератора фазометра, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, аналого-цифрового преобразователя, блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного фазового сдвига, первого ключа, второй вход которого соединен с выходом блока аналого-цифрового преобразователя, второй линии задержки, сумматора, блока памяти и переключателя, выход которого соединен с вторым входом фазового манипулятора, последовательно подключенных к выходу блока сравнения кодов второго ключа и первой линии задержки, выход которой соединен с вторым входом сумматора, третий вход которого через третий ключ соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности и блока сравнения кодов, электронный идентификатор выполнен в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электроводов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, связанными с микрополосковой антенной, приемный радиомодем выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны и усилителя высокой частоты, последовательно включенных фильтра нижних частот, перемножителя и узкополостного фильтра, к выходу фильтра нижних частот подключена ЭВМ, электронный идентификатор снабжен чувствительным элементом, который размещается на пьезокристалле, между встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, в качестве помещений использован транспортный тоннель метрополитена, а в качестве подвижного объекта кабина машиниста электропоезда, приемный радиомодем размещен на конечной станции метр, отличается от ближайшего аналога тем, что считыватель снабжен гетеродином, смесителем, фильтром нижних частот, вторым перемножителем и третьим узкополосным фильтром, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключен смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, фильтр нижних частот, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, третий узкополосной фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина, а выход подключен к управляющему входу гетеродина, выход фильтра нижних частот подключен ко второму входу второго ключа, приемный радиомодем снабжен смесителем, гетеродином и фазовым детектором, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина, гетеродин, смеситель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, а выход подключен к входу фильтра нижних частот, второй вход перемножителя соединен с выходом усилителя высокой частоты.

Структурная схема системы, реализующей предлагаемый способ, представлена на фиг. 1. Функциональная схема электронного идентификатора изображена на фиг. 2. Структурная схема считывателя 2 и передающего радиомодема 3 представлена на фиг. 3. Структурная схема приемного радиомодема 5 представлена на фиг. 4.

Система для мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена содержит электронные идентификаторы l.i (i=1, 2, … (n), считыватель 2, передающий радиомодем 3 с приемопередающей антенной 8, приемный радиомодем 5 с приемной антенной 23, подключенный к ЭВМ 4 (фиг. 1)

Электронные идентификаторы l.i(i=1, 2, … n) закрепляют на элементах конструкции подземных сооружений метрополитена, считыватель 2 и передающий радиомодем 3 с приемопередающей антенной 8 размещают в кабине машиниста электропоезда, приемный радиомодем 5 с приемной антенной 23 и ЭВМ 4 размещают на конечной станции метрополитена.

Электронный идентификатор l.i(i=1, 2, … n) выполнен в виде пъезокристалла 18 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП), связанным с микрополосковой антенной 19, набором отражателей 22.1-й чувствительным элементом 22.2. ВШП поверхностных акустических волн (ПАВ) содержит две гребенчатые системы электродов 20, шины 21.1 и 21.2, которые соединяют электроды 20 каждой из гребенок между собой. Шины 21.1 и 21.2 в свою очередь связаны с микрополосковой антенной 19 (фиг. 2)

Считыватель 2 выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 6, циркулятора 7, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 8, усилителя 9 высокой частоты, удвоителя 30 фазы, делителя 31 фазы на два, второго узкополосного фильтра 32 и фазометра 33, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 6.

К выходу усилителя 9 высокой частоты последовательно подключены смеситель 48, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 43, фильтр 44 нижних частот, второй перемножитель 46, второй вход которого соединен с выходом усилителя 9 высокой частоты, третий второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина 3, а выход подключен к управляющему входу гетеродина 43.

Передающий радиомодем 3 выполнен в виде последовательно подключенных к выходу задающего генератора 6 перемножителя 14, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 6, первого узкополосного фильтра 15, фазового манипулятора 16 и усилителя 17 мощности, выход которого соединен с вторым входом циркулятора 7, последовательно подключенных к выходу задающего генератора 6 фазометра 33, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 32, аналого-цифрового преобразователя 34, блока 36 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока 35 формирования эталонного фазового сдвига, первого ключа 37, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 34, второй линии задержки 40, сумматора 13, блока 41 памяти и переключателя 42, выход которого соединен с вторым входом фазового манипулятора 16. К выходу фильтра 44 нижних частот последовательно подключены второй ключ 38, второй вход которого соединен с выходом блока 36 сравнения кодов, и первая линия 11 задержки, выход которой соединен с вторым входом сумматора 13, третий вход которого через третий ключ 39 соединен с выходом генератора 12 псевдослучайной последовательности и блока 36 сравнения кодов.

Приемный радиомодем 5 выполнен в виде последовательно подключенных к выходу приемной антенны 23 усилителя 24 высокой частоты, перемножителя 26, второй вход которого соединен с выходом фильтра 29 нижних частот, узкополосного фильтра 28, фазового детектора 49, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина 50, гетеродина 50, смесителя 27, второй вход которого соединен с выходом усилителя 24 высокой частоты, и фильтра 29 нижних частот, выход которого подключен к ЭВМ 4.

Способ мониторинга состояния подземных сооружений реализуется следующим образом.

Составляется (или берется готовый) план транспортного тоннеля между станциями метро. Замеряются расстояния по этому плану между электронными идентификаторами l.i(i=1, 2, … n), которые должны служить отметками координат.

При движении электропоезда по транспортному тоннелю (фиг. 1) задающим генератором 6 считывателя 2 формируется высокочастотное колебание

u₁(t)=U₁⋅Cos(w₁t+ϕ₁), 0≤t≤T₁,

где U₁, w₁, ϕ₁, T₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое через циркулятор 7 поступает в антенну 8, излучается ею в эфир и облучает ближайший электронный идентификатор 1.i(i=1, 2, … n). Высокочастотное гармоническое колебание на частоте w₁ улавливается микрополосковой антенной 19, настроенной на частоту w₁, преобразуется встречно-штыревым преобразователем в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пъезокристалла 18 со скоростью V, которая примерно на пять порядков меньше скорости С распространения электромагнитных волн (V<<C). Акустическая волна проходит через чувствительный элемент 22.2, отражается от отражателей 22.1 и опять преобразуется в сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

u₂(t)=U₂⋅Cos[w₁t+ϕ_к1(t)+ϕ₁+Δϕ], 0≤t≤T₁,

где ϕ_к1(t)={0, π} - манипулированная составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом Ml(t), отражающим координаты электронного идентификатора, причем ϕ_к1(t)=Const при кτ_э<1<(к+1) τэ и может изменяться скачками при t=кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (к=1, 2, … N-1);

τэ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T₁(T₁=N τ_э);

Δϕ - фазовый сдвиг, обусловленный воздействием на чувствительный элемент внешней среды.

В качестве чувствительного элемента 22.2 может быть использован датчик какой-либо физической величины (давления, деформации, температуры, освещенности и загазованности), который отражает воздействие различных параметров внешней среды на подземные сооружения метрополитена. Например, в качестве чувствительного элемента 22.2 может использоваться тонкая мембрана, на которую воздействует внешнее давление вызывающее ее деформацию. Вследствие деформации скорость V ПАВ в области мембраны изменится и фаза отраженной от отражающей решетки 22.1 волны также изменится. Это изменение может быть измерено и использовано для получения полезной переменной информации о состоянии подземных сооружений метрополитена. Реально в настоящее время таким образом могут быть реализованы датчики давления, деформации, температуры, освещенности, загазованности и др.

При этом внутренняя структура сформированного сложного ФМн-сигнала u₂(t) определяется топологией встречно-штыревого преобразователя, имеет индивидуальный характер и содержит информацию о местоположении электронного идентификатора в соответствующем сооружении.

Таким образом, предложенная пассивная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах с чувствительным элементом является устройством для совместного измерения параметров внешней среды и идентификации самого устройства.

Сформированный сложный ФМн-сигнал u₂(t) излучается микрополоковой антенной 19 в эфир, улавливается приемопередающей антенной 8 и через циркулятор 7 и усилитель 9 высокой частоты поступает на первый вход перемножителя 46 и на вход удвоителя 30 фазы.

На выходе последнего образуется гармоническое колебание.

u₃(t)=U₃⋅Cos(2w₁t+2ϕ₁+2Δϕ), 0≤t≤T₁

где

Так как 2ϕ_k1(t)={0,2 π}, то в данном колебании манипуляция фазы уже отсутствует. Это колебание делится по фазе на два в делители 31 фазы и выделяется узкополосным фильтром 32

u₄(t)=U₄⋅Cos(w₁t+ϕ₁+Δϕ), 0≤t≤T₁

Гармоническое колебание u4(t) поступает на первый вход фазометра 33, на второй вход которого подается высокочастотное колебание u₁(t) с выхода задающего генератора 6. Фазометр 33 измеряет фазовый сдвиг Δϕ, пропорциональный, например, внешнему давлению Р, который преобразуется аналого-цифровым преобразователем 34 в соответствующий код М₃(t) и поступает на первый вход блока 36 сравнения кодов, на второй вход которого подается код M_э(t), соответствующий эталонному фазовому сдвигу Δϕ_э, с выхода блока 35 формирования эталонного фазового сдвига.

Эталонный код M_э(t) соответствует условиям нормальной эксплуатации, когда параметры внешней среды, воздействующие на чувствительный элемент, не выходят за допустимые пределы.

Если коды М₃(t) и M_э(t) равны [М₃(t)≠М_э(1)], то на выходе блока 36 сравнения кодов напряжение отсутствует. Это обстоятельство соответствует условию нормальной эксплуатации подземных сооружений метрополитена.

Если коды М₃(t) и M_э(t) не равны то на выходе блока 36 сравнения кодов формируется управляющее напряжение, которое поступает на управляющие входы ключей 37, 38 и 39, открывая их. В исходном состоянии указанные ключи всегда закрыты.

Данная ситуация соответствует условию зарождения дефектов в подземных сооружениях метрополитена, которые могут привести к аварии, и требует проведения профилактических мероприятий с целью обеспечения конструкционной, газовой, пожарной и других видов безопасности.

Сложный ФМн-сигнал U₂(t) с выхода усилителя 9 высокой частоты одновременно поступает на первый вход смесителя 48, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 43

U_r1(t)=ϑ_r1*cos(ω_r1t+ϕ_r2),

Частота ω_r1 которого выбирается равной частоте ω₁ принимаемого согнала (ω_r1=ω₁). На выходе смесителя 48 образуется низкочастотное напряжение

U_н1(t)=ϑ_н1*cosϕ_k1(t), 0≤t≤T₁, где

пропорциональное модулирующему коду M₁(t), которое выделяется фильтром 44 нижних частот.

Следует отметить, что выбор частоты ω_r1 гетеродина 43 равной частоте ω₁ принимаемого ФМн-сигнала (ω_r1=ω₁). На выходе смесителя 48 образуются низкочастотное напряжение

U_н1(t)=ϑ_н1*cosϕ_k1(t), 0≤t≤T₁, где

пропорциональное модулирующему коду М₁(t), которое выделяется фильтром 44 нижних частот.

Следует отметить, что выбор частоты ω_r1 гетеродина 43 равной частоте ω₁ принимаемого ФМн-сигнала (ω_r1=ω₁) обеспечивает совмещение двух операций: преобразование принимаемого ФМн-сигнала на нулевую частоту и выделение низкочастотного напряжения, пропорционального модулирующему коду M(t), с помощью смесителя 48, гетеродина 43 и фильтра 44 нижних частот. Такая схемная конструкция позволяет избавиться от дополнительных каналов приема (зеркального и комбинационных).

Так как частота ω₁ принимаемого ФМн-сигнала U₂(t) может измениться под воздействием различных детализирующих факторов, в том числе и эффекта Доплера, то для выполнения и поддержания равенства ω_r1=ω₁ используется система ФАПУ 45, состоящая из перемножителя 46, узкополосного фильра 47 и фазового детектора 10.

На выходе перемножителя 46 образуется гармоническое напряжение:

U₈(t)=ϑ₈*cos(ω_1t+ϕ₁+Δϕ), 0≤t≤T₁, где

которое выделяется узкополосным фильтром 47 и поступает на первый вход фазового детектора 10, на второй вход которого подается напряжение U_r1(t) гетеродина 43. Если нарушается равенство ω_r1=ω₁, то на выходе фазового детектора 10 образуется управляющее напряжение, амплитуда и полярность которого определяются степенью и стороной отклонения частоты ω_r1 гетеродина 43 от частоты ω₁ принимаемого ФМн-сигнала U₂(t). Управляющее напряжение воздействует на управляющий вход гетеродина 43, изменяя его частоту так, чтобы сохранялось равенство ω_r1=ω₁.

Низкочастотное напряжение u_н1(t), пропорционально модулирующему коду M₁(t), с выхода фильтра 44 нижних частот через открытый ключ 38 поступает на вход линии 11 задержки, где задерживается на время τ_з1, равное длительности τ₁ модулирующего кода M₁(t) (τ_з1=τ₁), и поступает на первый вход сумматора 13. На второй вход последнего подается код М₂(1) подвижного объекта с выхода генератора 12 псевдослучайной последовательности (ПСП) длительностью τ₂ через открытый ключ 39. Код М₃(t) фазового сдвига Δϕ с выхода аналого-цифрового преобразователя 34 через открытый ключ 37 поступает на вход линии 40 задержки, где задерживается на время τ_з3, равное сумме длительностей кодов электронного идентификатора M₁(t) (τ₁) и подвижного объекта M₂(t) (τ₂) (τ_з3=τ₃=τ₁+τ₂), и поступает на третий вход сумматора 13. На входе сумматора 13 формируется суммарный модулирующий код M_Σ(t):

M_Σ(t)=M₁(t)+M₂(t)+M₃(t),

длительностью τ_Σ

τΣ=τ₁+τ₂+τ₃,

который запоминает в блоке 41 памяти.

Высокочастотное колебание u₁(t) с выхода задающего генератора 6 одновременно поступает на два входа перемножителя 14, на выходе которого образуется следующее колебание

u₅(t)=U₅-Cos(w₂t+ϕ₂), 0≤t≤T₁,

где

w₂=2w₁; ϕ₂=2ϕ₁.

Это колебание выделяется узкополосным фильтром 15 и поступает на первый вход фазового манипулятора 16. При остановке электропоезда на конечной станции по окончании рабочего дня замыкается переключатель 42 и суммарный код M_Σ(t) с выхода блока 41 память через замкнутый переключатель 42 подается на второй вход фазового манипулятора 16. На выходе манипулятора 16 формируется сложный ФМн-сигнал

u₆(t)=U₆⋅Cos[w₂t+ϕ_к2(t)+ϕ₂], 0≤t≤T₁,

где ϕ_к2(t)={0, π} - манипулированная составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M_Σ(t), который после усиления в усилителе 17 мощности через церкулятор 7 поступает в приемопередающую антенну 8, излучается ею 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 50

U_r2(t)=ϑ_r2*cos(ω_r2t+ϕ_r2),

частота ω_r2 которого выбирается равной частоте ω₂ принимаемого сигнала (ω_r2=ω₂). На выходе смесителя 27 образует низкочастотное напряжение

U_н2(t)=ϑ_н2*cosϕ_k2(t), 0≤t≤T₁, где

пропорциональное суммарному коду M_Σ(t), которое выделяется фильтром 29 нижних частот и поступает в ЭВМ 4. Для выполнения и поддержания равенства ω_r2=ω₂ используется система ФАПУ 25, состоящая из перемножителя 26, узкополосного фильтра 28 и фазового детектора 49.

На мониторе ЭВМ 4, установленной вместе с приемным радиомодемом 5 и приемной антенной 23 на конечной станции метро, отображаются код подвижного объекта и только те электронные индентификаторы, установленные на подземных сооружениях метрополитена, у которых развиваются дефекты, приводящие к аварии.

Сложные сигналы с фазовой манипуляцией открывают большие возможности в технике передачи сообщений. Они позволяют применять структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

С точки зрения обнаружения сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработки, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскирован шумами и помехами. Причем энергия ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемного устройства.

Для развязки радиочастотных идентификаторов выбраны разные частоты w₁ и w₂=2w₁.

Предлагаемый способ и система обеспечивают повышение достоверности и надежности постоянного мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена. Это достигается использованием электронных идентификаторов на поверхностных акустических волнах с чувствительным элементом. В качестве чувствительного элемента могут быть использованы датчики каких-либо физических величин (давления, деформации, температуры, освещенности и загазованности).

Указанные датчики, установленные на подземных сооружениях метрополитена, позволяют вести постоянный контроль за их состоянием с целью обеспечения конструкционной, газовой, пожарной и других видов безопасности. Причем контроль осуществляется визуально на мониторе ЭВМ, размещенной на конечной станции метро.

Таким образом, предлагаемый способ и система по сравнению с базовыми объектами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости и достоверности приема и детектирования сложных ФМн-сигналов по частоте и их детектирования.

Совмещение двух указанных процедур обеспечивается схемными конструкциями, каждая из которых состоит из смесителя, гетеродина и фильтра нижних частот при условии равенства частот гетеродинов и принимаемых сигналов (ω_r1=ω₁, ω_r2=ω₂). При этом указанные схемные конструкции свободные от дополнительных каналов приема и явления обратной работы, а системы ФАПУ обеспечивают автоматическое слежение за изменением несущих частот ω₁ и ω₂, которые могут возникать под воздействием различных детализирующих факторов, в том числе и эффект Доплера.

Предлагаемый способ и система позволяют своевременно обнаружить зарождающиеся дефекты в подземных сооружениях метрополитена, заблаговременно провести соответствующие профилактические мероприятия и в существенной степени сократить количество аварий, случаев травматизма и гибели людей.

Заявленные способ и система относятся к области автоматики и вычислительной техники и могут быть использованы при построении систем автоматизированного контроля состояния подземных сооружений метрополитена. Техническим результатом группы изобретений является повышение помехоустойчивости и достоверности приема и детектирование сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) совмещения двух операций: преобразования принимаемых сложных ФМн-сигналов по частоте и их детектирования. Система для мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена, реализующая предлагаемый способ, содержит электронные идентификаторы 1.j (j=1, 2, …, 4), считыватель 2, передающий радиомодем 3 с приемопередающей антенной 8, приемный радиомодем 5 с приемной антенной 23, подключенный к ЭВМ 4. Электронные идентификаторы 1.j закрепляют на элементах конструкции подземных сооружений метрополитена, считыватель 2 и передающий радиомодем 3 с приемопередающей антенной 8 размещают в кабине машиниста электропоезда, приемный радиомодем 5 с приемной антенной 23 и ЭВМ 4 размещают на конечной станции метрополитена. Электронный идентификатор 1.j содержит пьезокристалл, микрополосковую антенну, электроды, шины, набор отражателей и чувствительный элемент. Считыватель 2 содержит задающий генератор 6, циркулятор 7, приемопередающую антенну 8, усилитель высокой частоты, фазовый детектор, удвоитель фазы на два, делитель фазы на два, второй узкополосный фильтр, гетеродин, фильтр нижних частот, систему ФАП4, перемножитель, третий узкополосный фильтр и смеситель. Передающий радиомодем 3 содержит первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, фазовый манипулятор, усилитель мощности, линии задержки, генератор псевдослучайной последовательности, сумматор, фазометр, аналого-цифровой преобразователь, блок формирования эталонного фазового сдвига, блок сравнения кодов, ключи, блок памяти и переключатель. Приемный радиомодем 5 содержит приемную антенну, усилитель высокой частоты, систему ФАП4, перемножитель, смеситель, узкополосный фильтр, фильтр нижних частот, фазовый детектор и гетеродин. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ мониторинга состояния подземных сооружений с использованием электронных идентификаторов и считывателей, согласно которому считыватель закрепляют на подвижном объекте, а электронные идентификаторы закрепляют на элементах конструкции помещения, при приближении к электронному идентификатору подвижного объекта его считывателем считывают код электронного идентификатора и вместе с кодом подвижного объекта передают через радиомодем на радиомодем электронно-вычислительной машины (ЭВМ), при этом положение электронных идентификаторов определяется сеткой с постоянным шагом, нанесенной на план помещения, коды электронных идентификаторов и коды координаты их положения запоминают в ЭВМ, в которой определяют координаты подвижного объекта и отображают его положение на мониторе совместно с планом помещения, в качестве электронного идентификатора используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, при приближении к идентификатору подвижного объекта его считывателем облучают электронный идентификатор гармоническим колебанием несущей частоты w₁, принимают его на электронном идентификаторе, преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну опять в сложный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, переизлучают его в эфир, принимают считывателем подвижного объекта, усиливают по амплитуде, умножают и делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте ω₁ и используют его для сравнения по фазе с зондирующим гармоническим колебанием несущей частоты ω₁, измеряют фазовый сдвиг, обусловленный воздействием параметров внешней среды на чувствительный элемент электронного идентификатора, преобразуют его в код, сравнивают с эталонным кодом и по результатам сравнения формируют управляющее напряжение, которое используют для разрешения дальнейшей обработки кодов подвижного объекта, электронного идентификатора и фазового сдвига, задерживают код фазового сдвига на время, равное сумме длительности кодов подвижного объекта и электронного идентификатора, суммируют задержанный код фазового сдвига с задержанным кодом электронного идентификатора и кодом подвижного объекта, запоминают суммарный код, перемножают гармоническое колебание несущей частоты ω₁ само на себя, выделяют гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁, и в момент остановки электропоезда на конечной станции метро манипулируют суммарным кодом по фазе гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией излучают в эфир и принимают радиомодемом ЭВМ, причем в качестве помещения используют транспортный тоннель метрополитена, а в качестве подвижного объекта используют кабину машиниста электропоезда, приемный радиомодем и ЭВМ размещают на конечной станции метро, электронные идентификаторы снабжают чувствительным элементом, который размещают на пьезокристалле между встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, отличающийся тем, что усиленный по амплитуде сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω₁ преобразуют по частоте с использованием частоты ω_r1 гетеродина, которую выбирают равной частоте ω₁ принимаемого сигнала, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное коду электронного идентификатора, перемножают его с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое колебание на частоте ω₁, сравнивают его по фазе с напряжением гетеродина и, если нарушается равенство ω_r1=ω₁, формируют управляющее напряжение, амплитуда и полярность которого определяются степенью и направлением отклонения частоты ω_r1 гетеродина от частоты ω₁ принимаемого сигнала, воздействуют им на управляющий вход гетеродина, изменяя его частоту ω_r1 так, чтобы сохранялось равенство ω_r1=ω₁, принимают радиомодемом ЭВМ, усиливают по амплитуде, преобразуют по частоте с использованием частоты ω_r2 гетеродина, которую выбирают равной частоте ω₂ принимаемого сигнала, выделяют низкочастотные напряжения, пропорциональные суммарному коду, фиксируют их в ЭВМ и перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое колебание на частоте ω₂, сравнивают его по фазе с напряжением гетеродина и, если нарушается равенство ω_r2≠ω₂, формируют управляющее напряжение, амплитуда и полярность которого определяются степенью и направлением отклонения частоты ω_r2 гетеродина от частоты ω₂ принимаемого сигнала, воздействуют им на управляющий вход гетеродина, изменяя его частоту ω_r2 так, чтобы сохранялось равенство ω_r2=ω₂.

2. Система для мониторинга состояния подземных сооружений, содержащая электронные идентификаторы, размещенные на элементах конструкции помещения, считыватель, закрепленный на подвижном объекте, передающий радиомодем, связанный со считывателем, и приемный радиомодем, подключенный к электронно-вычислительной машине (ЭВМ), при этом положение электронных идентификаторов определяется сеткой с постоянным шагом, нанесенной на план помещения, коды электронных идентификаторов и коды координат их положения запоминаются в ЭВМ, в которой определяются координаты подвижного объекта и отображается его положение на мониторе совместно с планом помещения, считыватель выполнен в виде последовательно включенного задающего генератора, циркулятора, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты удвоителя фазы, делителя по фазе на два и второго узкополосного фильтра, а также фазового детектора, передающий радиомодем выполнен в виде последовательно подключенных к выходу задающего генератора первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого узкополосного фильтра, фазового манипулятора и усилителя мощности, выход которого соединен со вторым входом циркулятора, последовательно подключенных к выходу задающего генератора фазометра, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, аналого-цифрового преобразователя, блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного фазового сдвига, первого ключа, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй линии задержки, сумматора, блока памяти и переключателя, выход которого соединен со вторым входом фазового манипулятора, последовательно подключенных к выходу блока сравнения кодов второго ключа и первой линии задержки, выход которой соединен со вторым входом сумматора, третий вход которого через третий ключ соединен с выходами генератора псевдослучайной последовательности и блока сравнения кодов, электронный идентификатор выполнен в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, связанными с микрополосковой антенной, приемный радиомодем выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны и усилителя высокой частоты, последовательно включенных фильтра нижних частот, перемножителя и узкополосного фильтра, к выходу фильтра нижних частот подключена ЭВМ, электронный идентификатор снабжен чувствительным элементом, который размещается на пьезокристалле между встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, в качестве помещения использован транспортный тоннель метрополитена, а в качестве подвижного объекта использована кабина машиниста электропоезда, приемный радиомодем размещен на конечной станции метро, отличающаяся тем, что считыватель снабжен гетеродином, смесителем, фильтром нижних частот, вторым перемножителем и третьим узкополосным фильтром, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, фильтр нижних частот, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, третий узкополосный фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина, а выход подключен к управляющему входу гетеродина, выход фильтра нижних частот подключен ко второму входу второго ключа, приемный радиомодем снабжен смесителем, гетеродином и фазовым детектором, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина, гетеродин, смеситель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, а выход подключен к входу фильтра нижних частот, второй вход перемножителя соединен с выходом усилителя высокой частоты.