Система автоматического опознавания объектов контроля

Система автоматического опознавания объектов контроля

Реферат

 

Использование: для автоматического опознавания объектов контроля по маркерам устанавливаемым на полотне дороги или подвижном объекте. Сущность изобретения: устройство содержит две антенны, передатчик, приемник фазовый демодулятор, блок обработки информации и преобразователь принятого радиосигнала в кодовый сигнал, который включает в себя тринадцать линий задержки и шесть разветвителей, линии задержки замкнуты накоротко или не нагружены для отражения поступающего на их вход сигнала. 4 з.п.ф-лы., 3 ил.

Изобретение относится к области транспорта и может быть использовано для автоматического опознавания объектов контроля по маркерам, устанавливаемым на полотне дороги или на подвижном составе, в частности локомотивах, вагонах, контейнерах и автомобилях.

Известны системы типа JD, SJCARJD, Jdentifier, Railocator REJS и ACI с излучением сверхвысоких частот (СВЧ) для автоматической идентификации подвижного состава с бортовыми маркерами (приемо-ответчиками) и напольными (неподвижными наземными) антеннами с опрашивающими устройствами (Дж.Армстронг. Развитие систем считывания номеров вагонов. Железные дороги мира, N 6, 1985, Т. Юге Автоматическая идентификация вагонов на Японских национальных железных дорогах. Железные дороги мира, N 12, 1983). При прохождении подвижного состава в пунктах учета (контроля) напольные антенны опрашивающих устройств излучают СВЧ сигналы и принимают ответные сигналы от маркеров с информацией о подвижных объектах ( их номерах). Опрашивающие устройства в этих системах состоят из передатчика, приемника, устройства синхронизации (управления) и связи с центром учета работы транспорта (с центральной ЭВМ). Приемо-ответчик (маркер), как правило, состоит из приемной и передающей антенн и микроэлектронной схемы с запоминающим устройством. Различные типы систем идентификации имеют конструктивные различия ввиду использования разных видов модуляции (AM в AVI, а ЧМ в АСI), кодирования и селекции передаваемых и принимаемых сигналов (частотная в Jdentifier и по поляризации в ACI). Однако маркеры во всех системах состоят из сравнительно большего количества электрорадиоэлементов и их соединений. Так в системе Jdentifier кроме передающей и приемной антенн в маркере имеются: резонансный фильтр, выпрямитель, программная логическая схема, генератор СВЧ и др. (Д.Дж.Рейтц. Система автоматической идентификации подвижного состава (материалы 35 конференции инженеров Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. 1985, Нью-Йорк). Железные дороги мира, N 6, 1987).

В системе ACI (М.Тодораки и др. Система автоматического считывания информации с вагонов. Железные дороги мира. N 11, 1985) кроме передающей и двух приемных антенн в маркере имеются: выпрямитель, частотный модулятор, ПЗУ с информацией о вагоне и смеситель. Поэтому надежность маркеров не высока, а стоимость сравнительно большая. А так как в системе используется большое количество маркеров (может достигать млн.шт.), то их надежность и стоимость определяют не высокую эффективность всей системы.

Из известных систем автоматического опознавания объектов контроля (по маркерам) наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является система идентификации находящихся в зоне действия опрашивающего устройства единиц подвижного состава, содержащая установленные на опрашивающем устройстве передатчик с делителем частоты и приемник, связанные с передающей и приемной антеннами, фазовый демодулятор, подключенный к приемнику и блоку обработки данных, и установленные на транспортном средстве приемной антенны, связанной с выпрямителем, делителем частоты и преобразователем принятого радиосигнала в кодовый сигнал, подключенным через фазовый модулятор к передающей антенне (Заявка ФРГ N 1813319, B 61 L 25/02 от 07.12.68, опубликовано в 1980 г.).

При подходе подвижного состава (вагонов, локомотива и т.п.) в зону действия опрашивающего устройства включается передатчик опрашивающего устройства, который начинает передавать непрерывный СВЧ сигнал через передающую антенну в сторону подвижного состава. Переменное напряжение с выхода приемной антенны, установленной на вагоне (любой единице подвижного состава) выпрямляется и используется для электропитания электронной схемы, расположенной на вагоне. Кроме того, переменное напряжение с антенны после делителя частоты поступает на фазовый модулятор и модулируется импульсно-кодовым сигналом, содержащим информацию о данном вагоне (например о его номере). Сформированный ответный ФМ сигнал через передающую антенну передается в сторону опрашивающего устройства. В результате принимаемый опрашивающим устройством сигнал отличается по несущей частоте на коэффициент деления делителя частоты маркера. С приемной антенны опрашивающего устройства сигнал ответа поступает на фазовый демодулятор, на который одновременно подается переменное напряжение генератора, деленное по частоте во столько же раз, что и на подвижном составе (в маркере, ответчике). Продетектированный сигнал с информацией о вагоне подается для дальнейшей обработки.

Задачей изобретения является повышение надежности и уменьшение стоимости системы автоматического опознавания объектов контроля.

Технический результат состоит в том, что в результате использования для передачи информации о номере маркера (установленного на объекте контроля) кодовых групп OФM импульсов и разделения сигналов передачи (опроса) и приема (ответа) во времени, маркеры выполнены без полупроводниковых приборов, электрорадиоэлементов и соединений, выполненных методом пайки.

Сущность изобретения состоит в том, что импульс сигнала опроса, принимаемый антенной маркера, с помощью нескольких линий задержки задерживается во времени и преобразуется в последовательность переизлучаемых импульсов, причем каждый последующий переизлучаемый импульс кодируется по фазе относительно предыдущего. Для этого в системе автоматического опознавания объектов контроля, содержащей размещенную в пункте опроса первую антенну, связанную с выходом передатчика и входом приемника, выход которого подключен к входу фазового демодулятора, выходом связанного с входом блока обработки информации, и установленный на объекте контроля маркер, содержащий вторую антенну, связанную с входом преобразователя принятого радиосигнала в кодовый сигнал, последний выполнен на линиях задержки и разветвителях, последовательно включенных через первые из упомянутых линий задержки, каждая из которых входом и выходом соединена соответственно с первым выходом предыдущего и входом последующего разветвителей, вход первого и первый выход последнего разветвителей соединены соответственно с выходом второй и входом третьей линий задержки, а второй выход каждого из разветвителей соединен со входом каждой из четвертых линий задержки, выходы которых и выход третьей линий задержки замкнуты накоротко или не нагружены для отражения поступающего на вход сигнала, при этом входом второй линии задержки образован вход преобразователя принятого радиосигнала в кодовый сигнал. Количество линий задержки с открытым (не нагруженным) выходом равно количеству импульсов в кодовой группе, а время задержки в каждой линии задержки с открытым выходом определяет фазу модуляции (ОФМ) импульса в группе. Разветвитель и линии задержки преобразователя принятого радиоимпульса в кодовый сигнал выполнены в виде печатного монтажа на диэлектрической плате. Фазовый демодулятор содержит линии задержки, элемент фазовой автоподстройки, элементы определения суммы и разности ( напряжений), формирователь кода элемента принятого сигнала и делители мощности, первый выход одного из которых соединен с входом одной из линий задержки, а второй выход с входом второго делителя мощности, один из выходов которого подключен к одному из входов первого элемента определения суммы и разности, а другой выход через другую линию задержки подключен к одному из входов второго элемента определения суммы и разности, другой вход которого подключен к первому выходу третьего делителя мощности, второй выход которого подключен ко второму входу первого элемента определения суммы и разности, а вход к выходу элемента фазовой автоподстройки, один вход которого подключен к выходу первой линии задержки, а другой вход к первому выходу формирователя кода элемента принятого сигнала, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго элементам определения суммы и разности, при этом вторыми выходами формирователя кода элемента принятого сигнала образован выход демодулятора, а входом первого делителя мощности образован вход демодулятора.

На фиг.1 представлена блок-схема системы автоматического опознавания объектов контроля; на фиг.2 приведена функциональная схема фазового демодулятора; на фиг. 3 приведена функциональная схема преобразователя принятого радиосигнала в кодовый сигнал.

Система автоматического опознавания объектов контроля, блок-схема которой приведена на фиг.1, содержит размещенную в пункте опроса 1 первую антенну 2, связанную с выходом передатчика 3 и входом приемника 4, выход которого подключен к входу фазового демодулятора 5, выходом связанного с входом блока обработки информации 6, и установленный на объекте контроля маркер (приемоответчик) 7, содержащий вторую антенну 8, связанную с входом преобразователя принятого радиосигнала в кодовый сигнал 9. Первая антенна 2 предназначена для излучения направленного в сторону маркера 7 радиоимпульсного СВЧ сигнала опроса, генерируемого передатчика 3, и приема ответного сигнала облучаемого маркера и передачи его на приемник 4. Первая антенна 2 состоит из направленной антенны и циркулятора, либо разветвителя. Через циркулятор (либо разветвитель) направленная антенна подключена к выходу передатчика 3 и к входу приемника 4. Передатчик 3 предназначен для генерирования радиоимпульсов СВЧ (в конкретном исполнении на частотах от 1 до 2,5 ГГц с длительностью импульса около 10 нс). Передатчик может быть выполнен на транзисторах.

Приемник 4 предназначен для усиления и селекции по частоте ответного сигнала. К выходу приемника подключен фазовый демодулятор 5, предназначенный для демодуляции ОФМ-4 ответного сигнала (состоящего в данном случае из семи импульсов). Фазовый демодулятор 5, функциональная схема которого приведена на фиг.2, содержит линии задержки 10,11, элемент фазовой автоподстройки 12, элементы определения суммы и разности 13, 14, формирователь кода принятого сигнала 15 и делители мощности 16,17,18, первый выход одного 16 из которых соединен с входом одной из линий задержки 10, а второй выход с входом второго делителя мощности 17, один из выходов которого подключен к одному из входов первого элемента определения суммы и разности 13, а другой выход через другую линию задержки 11 подключен к одному из входов второго элемента определения суммы и разности 14, другой вход которого подключен к первому выходу третьего делителя мощности 18, второй выход которого подключен ко второму входу первого элемента определения суммы и разности 13, а вход к выходу элемента фазовой автоподстройки 12, один вход которого подключен к выходу первой линии задержки 10, а другой вход к первому выходу формирователя кода принятого сигнала 15, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго элементам определения суммы и разности 13 и 14, при этом вторыми выходами формирователя кода принятого сигнала 15 образован выход демодулятора 5, входом первого делителя мощности 16 образован вход демодулятора 5. Первая линия задержки 10 предназначена для задержки ответного сигнала на время приблизительно равное длительности радиоимпульса опроса (в данном случае около 10 нc). Вторая линия задержки 11 предназначена для поворота фазы ответного СВЧ сигнала на 90^o. Элемент фазовой автоподстройки 12 предназначен для управляемого поворота фазы напряжения ответного сигнала на частоте передатчика 3 в пределах 45^o. Элемент фазовой автоподстройки 12 выполнен с варикапами в качестве регулируемых емкостей. Функции элементов определения суммы и разности 13, 14 выполняют гибридные кольца к выходам которых подключены детекторы и следующие за ними дифференциальные усилители. Формирователь кода принятого сигнала 15 предназначен для управления элементом фазовой автоподстройки 12 по результату демодуляции разности фаз между первым и вторым импульсом в ответном сигнале для фазовой автоподстройки, а также для выработки параллельного 4-позиционного кода принятого сигнала. Блок обработки информации 6 предназначен для приема демодулированных сигналов (в виде кодов) с выхода фазового демодулятора 5, накопления, усреднения полученной информации и преобразования в удобный код для вывода на центр контроля. Вторая антенна 8 (в маркере 7) предназначена для приема радиоимпульсов СВЧ сигнала опроса, излучения кодовых групп фазомодулированных импульсов сигнала ответа, несущего информацию о номере маркера. Преобразователь принятого радиосигнала в кодовый сигнал 9 предназначен для выработки группы импульсов с ОФМ-4, несущей информацию о номере маркера, в ответ на радиоимпульс СВЧ сигнала опроса. Преобразователь принятого радиосигнала в кодовый сигнал 9 (при семи импульсах в ответном сигнале, для конкретного случая), функциональная схема которого приведена на фиг.3, содержит последовательно включенные через первые линии задержки 19, 20,21,22,23, каждая из которых входом и выходом соединена соответственно с первым выходом предыдущего и входом последующего разветвителей 24,25,26,27,28,29, вход первого разветвителя 24 и первый выход последнего разветвителя 29 соединены соответственно с выходом второй линии задержки 30 и входом третьей линии задержки 31, а второй выход каждого из разветвителей 24,25,26,27,28,29 соединен со входом каждой из четвертых линий задержки 32,33,34,35,36,37, выходы которых и выход третьей линии задержки 31 замкнуты накоротко или ненагружены для отражения поступающего на вход сигнала, при этом входом второй линии задержки 30 образован вход преобразователя принятого радиосигнала в кодовый сигнал 9.

Время задержки во всех первых линиях 19,20,21,22,23 одинаково и приблизительно равно (или несколько больше) длительности импульса сигнала опроса. Удвоенное время задержки третьей линии задержки 32 и четвертых линий задержки 32,33,34,35,36,37 равны 1/4, 1/2, 3/4 периода СВЧ сигнала опроса, либо целому периоду и определяют ОФМ-4 каждого радиоимпульса в группе ответного сигнала. Линии задержки и разветвители преобразователя принятого радиосигнала в кодовый сигнал 9 выполнены печатным способом на диэлектрической плате Вторая антенна 8 и преобразователь 9 заключены в прочный диэлектрический корпус маркера 7, который устанавливается либо на подвижном составе, либо на полотне дороги (вообще на контролируемом объекте).

Система автоматического опознавания объектов контроля работает следующим образом. Передатчик 3 генерирует радиоимпульсы мощностью не более 10 Вт, длительностью около 10 нс при скважности около 1000 на частоте около 1 ГГц (может также работать на любой фиксированной частоте до 2,5 ГГц). Этот радиоимпульс проходит через циркулятор (или разветвитель в виде гибридного кольца) и излучается направленной антенной первой антенны 2 в сторону маркера 7. Циркулятор ослабляет мощность радиоимпульса на входе приемника 4 при использовании общей приемо-передающей антенны в первой антенне 2 на месте опроса 1. СВЧ сигнал опроса принимается второй антенной 8, установленной в маркере 7 и передается на вход преобразователя принятого радиосигнала в кодовый сигнал 9, функциональная схема которого приведена на фиг.3. Принятый радиоимпульс через вторую линию задержки 30, время задержки которой более половины длительности импульса СВЧ сигнала опроса. Задержанный на линии задержки 30 импульс поступает на вход первого разветвителя 24 и часть его энергии после отражения от открытого выхода одной из четвертых линий задержки 32, включенной к одному из выходов разветвителя 24, излучается второй антенной 8 маркера 7. Другая часть энергии импульса опроса с другого выхода разветвителя 24 поступает на одну из первых линий задержки 19.

Время задержки первых линий задержки 19,20,21,22,23 одинаково и не менее половины длительности импульса сигнала опроса. Задержанный на линии задержки 19 импульс поступает на разветвитель 25 и часть его энергии отражается от открытого выхода линии задержки 33, включенной к одному из выходов разветвителя 25, и, пройдя через линию задержки 33, разветвитель 25, линию задержки 19, разветвитель 24 и линию задержки 19 излучается антенной 8 маркера 7. Другая часть энергии импульса с другого выхода разветвителя 25 поступает через линию задержки 20 на вход следующего разветвителя 26, и так далее до последнего разветвителя 29. Задержанный импульс поступает на разветвитель 29 и часть его энергии отражается от открытого выхода линии 37, включенной к одному из выходов разветвителя 29, и, пройдя через линию задержки 37, разветвитель 29, и последовательно линии задержки с разветвителями 23,28,22,27,21,26,20,25,19,24 и линию задержки 30, после чего задержанный на время, равное удвоенной сумме времен задержки всех указанных линий задержки, радиоимпульс излучается антенной 8. С другого выхода разветвителя 29 оставшаяся часть энергии импульса опроса поступает на третью линию задержки 31 и после отражения от открытого выхода, пройдя через линию задержки 31, и последовательно разветвители с линиями задержки 29,23,28,22,27,21,26,20,25,19,24,30 после чего задержанный на максимальное время (равное удвоенной сумме времен задержки линий задержки 19,20,21,22,23,30 и 31) последний (в приведенной схеме седьмой) радиоимпульс излучается антенной 8. Время задержки третьей линии задержки равно сумме времен задержки одной первой и одной четвертой линий задержки. Таким образом формируется ответный сигнал.

Положение каждого СВЧ импульса в группе определяется временем задержки линий задержки, через которые проходит отраженный импульс. Линии задержки имеют потери. Для выравнивания уровней радиоимпульсов в ответном сигнале в разветвителях устанавливается соответствующее деление мощностей.

Подстраивая (укорачивая) линии задержки 32,З3,34,35,36,37 и третью линию задержки 31, можно получить сдвиг по фазе СВЧ О,90,180 и 270^o между следующими в группе ответного сигнала друг за другом радиоимпульсов. Для обеспечения возможности подстройки системы по фазе при приеме ответного сигнала от конкретного маркера (которые имеют разброс параметров, вызванных старением, изменением внешних климатических условий и т.п.) разность фазы между первым и вторым радиоимпульсами группы ответного сигнала устанавливается равной нулю. В группе пяти следующих импульсов ОФМ-4 позволяет передать информацию 1024 числами. Сформированный таким образом ответный сигнал излучается второй антенной 8 маркера 7 в направление первой антенны 2, расположенной в месте опроса 1. Принятый ответный сигнал с первой антенны 2 (через цир- кулятор) поступает на приемник 4. Усиленный и отселектированный по частоте ответный сигнал, в виде группы ОФМ импульсов с приемника 4 поступает на фазовый демодулятор 5, функциональная схема которого приведена на фиг.2.

Радиоимпульсы после первого делителя мощности 16 поступают на первую линию задержки 10 и второй делитель мощности 17. Задержанный на линии задержки 10 на время, приблизительно равное длительности излучаемого импульса сигнала опроса, радиоимпульс принятого сигнала после элемента фазовой авто- подстройки 12 поступает на третий делитель мощности 18. С одного выхода делителя мощности 18 задержанный радиоимпульс поступает на вход элемента определения суммы и разности 13. На другой вход этого элемента 13 поступает незадержанный радиоимпульс с выхода второго делители 17.

Таким образом, на первый элемент определения суммы и разности 13 (гибридное кольцо) одновременно поступают два радиоимпульса следующим в ответном сигнале друг за другом. При разности фаз несущей частоты этих импульсов около 0^o с одного из выходов первого элемента определения суммы и разности 13 (последовательно соединенных гибридного кольца детектора и дифференциального усилителя) сигнал поступает на один из входов формирова- теля кода элемента принятого сигнала 15, а при разности фаз 180^o сигнал поступает на второй вход формирователя кода элемента принятого сигнала 15. Со второго делителя мощности 17 радиоимпульсы после сдвига по фазе на 90^o на второй линии задержки 11 подаются на один из входов второго элемента определения суммы и разности 14, на другой вход которого подается задержанный ответный сигнал с третьего делителя мощности 18. Аналогично, как было описано выше, с одного из выходов второго элемента определения суммы и разности при разности фаз, равной 90^o, несущей частоты импульсов, следующих друг за другом в сигнале ответа, импульсное напряжение поступает на третий вход формирователя кода элемента принятого сигнала 15, а при разности фаз 270^o сигнал поступает на четвертый вход формирователя кода элемента принятого сигнала 15. С формирователя кода элемента принятого сигнала 15 полученный параллельный 4-разрядный код поступает на вход блока обработки информации 6. Одновременно по сигналу разности фаз несущей частоты между первым и вторым импульсами ответного сигнала осуществляется со второго выхода формирователя 15 подстройка элемента фазовой автоподстройки 12 до получения разности фаз, равной 0^o. В блоке обработки информации 6 4-разрядный код накапливается, усредняется и преобразуется к виду, удобному для передачи в линию связи и ЭВМ на пункт контроля.

Основным преимуществом предлагаемого изобретения является отсутствие в маркере электрорадиоэлементов. В результате этого повышена надежность и уменьшена стоимость маркера, а учитывая большое количество маркеров в системе, повышена эффективность всей системы автоматического опознавания объектов контроля.

Формула изобретения

1. Система автоматического опознавания объектов контроля, содержащая размещенную в пункте опроса первую антенну, связанную с выходом передатчика и входом приемника, выход которого подключен к входу фазового демодулятора, выходом связанного с входом блока обработки информации, и установленный на объекте контроля маркер, содержащий вторую антенну, связанную с входом преобразователя принятого радиосигнала в кодовый сигнал, отличающаяся тем, что преобразователь принятого радиосигнала в кодовый сигнал содержит линии задержки и разветвители, последовательно включенные через первые из линий задержки, каждая из которых входом и выходом соединена соответственно с первым выходом предыдущего и входом последующего разветвителей, вход первого и первый выход последнего разветвителей соединены соответственно с выходом второй и входом третьей линий задержки, а второй выход каждого из разветвителей соединен с входом каждой из четвертых линий задержки, выходы которых и выход третьей линии задержки замкнуты накоротко или ненагружены для отражения поступающего на вход сигнала, при этом входом второй линии задержки образован вход преобразователя принятого радиосигнала в кодовый сигнал.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что фазовый демодулятор содержит линии задержки, элемент фазовой автоподстройки, элементы определения суммы и разности, формирователь кода элемента принятого сигнала и делители мощности, первый выход одного из которых соединен с входом одной из линий задержки, а второй выход с входом второго делителя мощности, один из выходов которого подключен к одному из входов первого элемента определения суммы и разности, а другой выход через другую линию задержки подключен к одному из входов второго элемента определения суммы и разности, другой вход которого подключен к первому выходу третьего делителя мощности, второй выход которого подключен к второму входу первого элемента определения суммы и разности, а вход к выходу элемента фазовой автоподстройки, один вход которого подключен к выходу первой линии задержки, а другой вход к первому выходу формирователя кода элемента принятого сигнала, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго элементов определения суммы и разности, при этом вторыми выходами формирователя кода элемента принятого сигнала образован выход демодулятора, а входом первого делителя мощности образован вход демодулятора.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в преобразователе принятого радиосигнала в кодовый сигнал количество линий задержки с ненагруженным или закороченным выходом выбрано равным количеству импульсов в кодовой группе, а время задержки в каждой из указанных линий задержки соответствующим фазе модуляции импульсов в группе ответного сигнала.

4. Система по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что разветвители и линии задержки в преобразователе принятого радиосигнала в кодовый сигнал выполнены в виде дорожек печатного монтажа на диэлектрической плате.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3