Устройство обнаружения слабопульсирующих объектов

Устройство обнаружения слабопульсирующих объектов

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к средствам радиолокационного обнаружения, и может использоваться в охранных, поисковых, мониторинговых системах с наличием живого человека.

Известны подобные устройства: патенты РФ 2054960, 2384860, 2419812; патент США 5281953; патент Германии 4242973 и другие.

Известное устройство, содержащее передающую и приемную антенны, последовательно соединенные задающий генератор, доплеровский смеситель, малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор с блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения [1]. Недостатком устройства является слабая чувствительность.

Этот недостаток устраняется в другом известном устройстве [2]. Данное устройство содержит последовательно включенные опорный генератор, микроволновый балансный смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, микроволновый фильтр нижних частот и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну, доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом опорного генератора, к выходу фазового детектора последовательно подключены малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор с блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения. Для этого устройства характерно наличие чередующихся участков дальности, где пропадают сигналы сердцебиения или дыхания неподвижных людей.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому, выбранный за прототип, является «Доплеровский радиоволновый извещатель для охранной тревожной сигнализации» [3]. Устройство содержит задающий генератор, последовательно включенные опорный генератор, микроволновый балансный смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, микроволновый фильтр нижних частот и передающую антенну, выход приемной антенны подключен к последовательно соединенным первым доплеровским смесителем, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первым усилителем промежуточной частоты, первым перемножителем, первым фильтром удвоенной доплеровской частоты, выход приемной антенны также подключен к последовательно соединенным вторым доплеровским смесителем, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, вторым усилителем промежуточной частоты, фазовращателем на 90°, вторым перемножителем, вторым фильтром удвоенной доплеровской частоты, а выходы первого и второго фильтров удвоенной доплеровской частоты подключены к фазовому детектору, к выходу которого последовательно подключены малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор с блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения. При обнаружении человека в покое или не имеющего радиального движения этим устройством также присутствуют чередующиеся зоны дальности, где пропадают сигналы сердцебиения или дыхания.

Задачей изобретения является улучшение характеристик обнаружения неподвижных людей за счет устранения чередующихся участков дальности, где пропадают сигналы сердцебиения или дыхания.

Поставленная задача решается тем, что устройство обнаружения слабопульсирующих объектов, содержащее передающую антенну, задающий генератор, подключенный к первому микроволновому смесителю, первый усилитель низкой частоты, первый компаратор с подключенным блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения, последовательно соединенные приемную антенну, второй микроволновый смеситель и усилитель промежуточной частоты, гетеродин, первый выход которого соединен со вторым входом второго микроволнового смесителя, первый и второй перемножители снабжено первым и вторым счетчиками импульсов, формирователем интервала счета, подключенным к их первым входам, фазовращателем на -45° и фазовращателем на +45°, включенными между выходом усилителя промежуточной частоты и соответственно первым и вторым перемножителями, вторые входы которых подключены к выходу первого микроволнового смесителя, последовательно соединенным вторым усилителем низкой частоты и вторым компаратором, к первому входу которого подключен блок опорного напряжения, выход первого перемножителя через последовательно включенные первый усилитель низкой частоты, первый компаратор, первый счетчик импульсов соединен с первым входом формирователя сигнала обнаружения, ко второму входу которого подключен через второй счетчик импульсов выход второго компаратора, вход второго усилителя низкой частоты соединен с выходом второго перемножителя, второй выход гетеродина соединен со вторым входом первого микроволнового смесителя, второй выход задающего генератора подключен к передающей антенне.

Новая совокупность признаков благодаря формированию второго канала обработки и квадратурному сдвигу фаз принятого сигнала позволяет улучшить характеристики обнаружения человека в покое за счет устранения участков дальности, где пропадают сигналы сердцебиения или дыхания.

Кроме того, введение счетчиков импульсов с формирователем интервала счета сокращает время обнаружения сигналов сердцебиения или дыхания, которое возникает в ограничителе, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, где приведена структурная схема предлагаемого устройства обнаружения слабопульсирующих объектов.

Предлагаемое устройство обнаружения слабопульсирующих объектов (фиг.1) содержит передающую антенну 1, задающий генератор 2, подключенный к первому микроволновому смесителю 3, первый усилитель низкой частоты 4, первый компаратор 5 с подключенным блоком опорного напряжения 6, формирователь сигнала обнаружения 7, последовательно соединенные приемную антенну 8, второй микроволновый смеситель 9 и усилитель промежуточной частоты 10, гетеродин 11, первый выход которого соединен со вторым входом второго микроволнового смесителя 9, первый 12 и второй 13 перемножители, первый 14 и второй 15 счетчики импульсов, формирователь интервала счета 16, подключенным к их первым входам, фазовращатель17 на -45° и фазовращатель 18 на +45°, включенные между выходом усилителя промежуточной частоты 10 и соответственно первым 12 и вторым 13 перемножителями, вторые входы которых подключены к выходу первого микроволнового смесителя 3, последовательно соединенные второй усилитель низкой частоты 19 и второй компаратор 20, к первому входу которого подключен блок опорного напряжения 6, выход первого перемножителя 12 через последовательно включенные первый усилитель низкой частоты 4, первый компаратор 5, первый счетчик импульсов 14 соединен с первым входом формирователя сигнала обнаружения 7, ко второму входу которого подключен через второй счетчик импульсов 15 выход второго компаратора 20, вход второго усилителя низкой частоты 19 соединен с выходом второго перемножителя 13, второй выход гетеродина 11 соединен со вторым входом первого микроволнового смесителя 3, второй выход задающего генератора 2 подключен к передающей антенне 1.

Работа устройства происходит следующим образом.

Задающий генератор 2 вырабатывает сигнал u_z=A_z cos (ω₀ t) с круговой частотой ω₀ (например, частотой 3 ГГц), который с его второго выхода через передающую антенну 1 излучается в пространство. Отраженный сигнал с приемной антенны 8

u_r=A_rcos[(ω₀(t-τ)],

где τ=τ₀+δ(t) - задержка, τ₀=2R₀/c (с - скорость света) постоянная составляющая задержки, определяемая средним расстоянием R₀ до колеблющегося объекта с периодом T, δ(t)=2ΔR sin(2π t/T)/с - переменная составляющая задержки, поступает на первый вход второго микроволнового балансного смесителя 9. Так период сокращения сердечной мышцы лежит в диапазоне 0,4-1,25 с (0,8-2,5)Гц, а амплитуда колебаний находится в диапазоне 0,1-0,5 см. Дальность до колеблющегося органа может находиться от 0,3 м и более. Следовательно постоянная составляющая задержки τ₀ находится в диапазоне 2 нс и более, амплитуда переменной составляющей задержки 0,005-0,03 нс. На второй вход второго микроволнового балансного смесителя 9 с первого выхода гетеродина 11 приходит сигнал u_g=A_g cos (ω₀+Ω₀)t. В результате преобразования с выхода второго микроволнового балансного смесителя 9 сигнал u_m=А_m cos[Ω₀t+ω₀τ₀+ω₀δ (t)] через усилитель 10 промежуточной частоты Ω₀ (например, 10 МГц) поступает на входы фазовращателя 17 на -45° и фазовращателя 18 на +45°, откуда сигналы соответственно поступают на первые входы первого 12 и второго 13 перемножителей. На входы микроволнового смесителя 3 поступают сигналы с первого выхода задающего генератора 2 частотой ω₀ и со второго выхода гетеродина 11 частотой ω₀+Ω₀, в результате чего на его выходе формируется сигнал u₀=A₀ cos (Ω₀t), который поступает на вторые входы первого 12 и второго 13 перемножителей. На их выходах соответственно образуются сигналы:

u_x1=A_x cos [ω₀τ₀ -45° + ω₀δ(t)],

u_x2=A_x cos [ω₀τ₀ +45° + ω₀δ(t)].

При небольших значениях 2ω₀ΔR/c (2°-11° соответственно для амплитуд сердцебиения и используемой частоты) напряжение сигналов с выходов первого 12 и второго 13 перемножителей определяются как

u_x1=A_x cos [ω₀τ₀-45°]-2A_xω₀(ΔR/c)sin[ω₀τ₀-45°]sin(2πt/T),

u_x2=A_x cos [ω₀τ₀+45°]-2A_xω₀(ΔR/c)sin[ω₀τ₀+45°]sin(2πt/T)

и имеют постоянную и переменную составляющую. Переменные составляющие с выходов первого 12 и второго 13 перемножителей проходят через первый 4 и второй 19 усилители низкой частоты и поступают на вторые входы первого 5 и второго 20 компараторов соответственно. Амплитуда переменных составляющих зависит от постоянной составляющей задержки τ₀ по периодическому закону, что приводит к появлению участков пропадания сигналов колеблющихся органов человека. Так как на входах первого и второго компараторов 5 и 20 фазы сдвинуты на 90 градусов, то по крайней мере хотя бы на одном из них амплитуда сигнала превысит пороговое напряжение, определяемое блоком опорного напряжения 6 и на одном или на обоих выходах первого 5 и второго 20 компараторов появится импульсный сигнал. Появившиеся импульсы с выходов первого 5 и второго 20 компараторов поступают на вторые входы первого 14 и второго 15 счетчиков импульсов соответственно, на первые входы которых приходят импульсы сброса с формирователя интервала счета 16. Интервал счета выбирается равным произведению К Т_м, где К - заданное число считаемых импульсов (например, 5), Т_м - максимальный период обнаруживаемых колебаний (в случае сердцебиения около 1,2 с). Если количество импульсов, приходящее с выходов первого 5 или второго 20 компараторов, превышает К (=5) за интервал счета (6 с), то на выходах первого 14 или второго 15 счетчиков импульсов появляется сигнал переполнения, который запускает формирователь сигнала обнаружения 7.

Все узлы устройства обнаружения выполняются с применением широко выпускаемой номенклатуры аналоговых и цифровых микросхем.

Для предлагаемого устройства не требуется высокая долговременная стабильность частот задающего генератора и гетеродина, а также отсутствует микроволновый фильтр низких частот, что приводит к снижению его себестоимости.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2117962 МКИ G01S 13/56.

2. Патент Российской Федерации №2221260 МКИ G01S 13/56.

3. Патент Российской Федерации №2287841 МКИ G01S 13/56 - прототип.

Устройство обнаружения слабопульсирующих объектов, содержащее передающую антенну, задающий генератор, подключенный к первому микроволновому смесителю, первый усилитель низкой частоты, первый компаратор с подключенным блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения, последовательно соединенные приемную антенну, второй микроволновый смеситель и усилитель промежуточной частоты, гетеродин, первый выход которого соединен со вторым входом второго микроволнового смесителя, первый и второй перемножители, отличающееся тем, что оно снабжено первым и вторым счетчиками импульсов, формирователем интервала счета, подключенным к их первым входам, фазовращателем на -45° и фазовращателем на +45°, включенными между выходом усилителя промежуточной частоты и соответственно первым и вторым перемножителями, вторые входы которых подключены к выходу первого микроволнового смесителя, последовательно соединенным вторым усилителем низкой частоты и вторым компаратором, к первому входу которого подключен блок опорного напряжения, выход первого перемножителя через последовательно включенные первый усилитель низкой частоты, первый компаратор, первый счетчик импульсов соединен с первым входом формирователя сигнала обнаружения, ко второму входу которого подключен через второй счетчик импульсов выход второго компаратора, вход второго усилителя низкой частоты соединен с выходом второго перемножителя, второй выход гетеродина соединен со вторым входом первого микроволнового смесителя, второй выход задающего генератора подключен к передающей антенне.