PL222769B1 - Sposób i układ kompensacji zmian czułości sensora mikrofalowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ kompensacji zmian czułości sensora mikrofalowego, zwłaszcza sensora mikrofalowego stosowanego do monitorowania parametrów życiowych ludzi w sposób bezkontaktowy i bezinwazyjny.

Znany jest sposób kompensacji zmian czułości sensora mikrofalowego polegający na tym, że sygnał odbity od monitorowanej osoby przetwarza się w dwukanałowym odbiorniku kwadraturowym. Przetwarzanie kwadraturowe kompensuje zmianę czułości sensora powodowaną zmianą poziomu mocy sygnału odbitego oraz odległości od monitorowanej osoby, która się porusza, czyli zmienia się położenia monitorowanego obiektu (człowieka) względem anten sensora mikrofalowego.

Znany jest w układ jednokanałowego sensora mikrofalowego na bazie radaru Dopplera, który używany jest do pomiaru częstości oddechu i rytmu serca człowieka. Układ ten zawiera antenę nadawczą i odbiorczą skierowane w kierunku klatki piersiowej monitorowanego człowieka. Antena nadawcza emituje sygnał mikrofalowy bardzo wielkiej częstotliwości (b. w. cz) w kierunku badanej osoby, a antena odbiorcza odbiera sygnał odbity od człowieka. W urządzeniu tego typu konstrukcja anteny jest zoptymalizowana ze względu na założoną częstotliwość generowanego i emitowanego sygnału b. w. cz., tzn. dla ustalonej częstotliwości pracy antena nadawcza i odbiorcza posiada minimum współczynnika odbicia mierzonego w swoich wrotach wejściowych/wyjściowych. Sensor mikrofalowy tego typu działa poprawnie w przypadku zachowania odległości kilkudziesięciu centymetrów pomiędzy sensorem mikrofalowym i badaną osobą (praca poza strefą bliską anteny nadawczej i odbiorczej).

Wadą tego sposobu jest to, że w sytuacji konieczności zbliżenia anten do powierzchni ciała badanej osoby lub umocowania na ubraniu następuje przestrojenie charakterystyk częstotliwościowych współczynnika odbicia anten w kierunku niższych częstotliwości z powodu pojawienia się materii tkanek ludzkich o wartości względnej przenikalności elektrycznej równej ok. 50, w polu bliskim anten. Efekt ten ulega dodatkowemu nasileniu w sytuacji intensywnego pocenia się badanej osoby (np. w skutek wysiłku fizycznego) przez co ubranie nasiąka stanowiąc warstwę o przenikalności elektrycznej dążącej do wartości 80 (znacznie odbiegającej od wartości przenikalności elektrycznej powietrza równej jedności) w polu bliskim anteny.

Przestrojenie anten w kierunku niższych częstotliwości w sytuacji ustalonej częstotliwości nadawanego sygnału powoduje wzrost modułu współczynnika odbicia we wrotach anteny dla tej częstotliwości. W efekcie spada moc emitowanego sygnału, co za tym idzie moc odbieranego sygnału oraz spada czułość całego sensora mikrofalowego.

W zgłoszeniu patentowym US nr 2005/0 143 667 A1 został opisany sensor mikrofalowy do monitorowania rytmu serca, który składa się ze źródła sygnału mikrofalowego pracującego na fali ciągłej, dzielnika mocy dokonującego podziału sygnału z oscylatora, anteny nadawczej pobudzanej sygnałem z pierwszego wyjścia dzielnika mocy emitującej sygnał w stronę klatki piersiowej monitorowanego człowieka, anteny odbiorczej odbierającej sygnał odbity przenoszący informacje o parametrach biomedycznych oraz układu demodulacji. Funkcje demodulatora realizuje mieszacz, który miesza sygnał odebrany z sygnałem z drugiego wyjścia dzielnika mocy. Sygnał różnicowy na wyjściu mieszacza poddawany jest przetwarzaniu, w wyniku którego wyznaczany jest rytm serca. Niedogodnością tego rozwiązania jest występowanie dwóch oddzielnych anten, jednej nadawczej oraz jednej odbiorczej, co powoduje występowanie szkodliwego sprzężenia ograniczającego czułość przetwornika analogowocyfrowego w układzie przetwarzania sygnałów. Układ według opisu charakteryzuje się strukturą odbiornika homodynowego w układzie jednokanałowym. Takie rozwiązanie uzależnia czułość detekcji sygnału rytmu serca od odległości między monitorowaną osobą a sensorem mikrofalowym (tzw. efekt zera detekcyjnego).

Celem wynalazku jest stworzenie sposobu oraz układu kompensacji czułości sensora mikrofalowego poprzez przestrajanie źródła sygnału mikrofalowego w zależności od wartości modułu współczynnika odbicia wyznaczanego we wrotach wejściowych anteny nadawczej.

Cel ten osiągnięto w rozwiązaniu według wynalazku, w którym sposób kompensacji czułości sensora mikrofalowego pracującego w układzie radaru dopplerowskiego, polega na tym, że sygnał mikrofalowy wytwarzany w generatorze sygnału b. w. cz. poprzez układ podziału mocy mikrofalowej podawany jest na wejście wzmacniacza mocy a z jego wyjścia sygnał mikrofalowy doprowadzany jest do cyrkulatora i do anteny nadawczej. Sygnał mikrofalowy odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej poprzez cyrkulator doprowadzany jest do wejścia detektora mocy. Detektor ten dokonuje pomiaru

PL 222 769 B1 mocy sygnału odbitego i wypracowuje sygnał sterujący przesyłany do wejścia układu korekcji, który wytwarza sygnał korygujący częstotliwość i przesyła go do wejścia sterującego generatora sygnały b. w. cz. W miarę wzrostu wartości sygnału sterującego z detektora mocy częstotliwość sygnału b. w. cz. wytwarzanego w generatorze sygnału b. w. cz. powinna być zmniejszana aż do uzyskania minimalnej wartości mocy odbitej od wrót wejściowych anteny nadawczej. Detektor mocy dokonuje pomiaru w sposób ciągły.

Detektor mocy sygnału mikrofalowego odbitego od wrót wejściowych anteny nadawczej dokonuje pomiaru mocy bądź amplitudy sygnału odbitego od wrót wejściowych anteny nadawczej.

Sygnał korygujący częstotliwość wypracowywany przez korekcję może być sygnałem cyfrowym, bądź analogowym.

Przestrojenie anteny nadawczej (zmiana charakterystyki częstotliwościowej modułu współczynnika odbicia) w kierunku niższych częstotliwości dla ustalonej częstotliwości sygnału mikrofalowego powoduje wzrost modułu współczynnika odbicia we wrotach anteny dla tej częstotliwości. W efekcie spada moc emitowanego sygnału, co za tym idzie moc odbieranego sygnału oraz spada czułość całego sensora mikrofalowego. Układ stanowiący przedmiot zgłoszenia pozwala na kompensację tego efektu. Zasada działania polega na pomiarze wartości mocy odbitej od anteny nadawczej poprzez detektor mocy podłączony w torze nadawczym za pomocą cyrkulatora mikrofalowego lub sprzęgacza kwadraturowego. W przypadku wzrostu wartości mocy odbitej od anteny nadawczej następuje wzrost sygnału wyjściowego detektora amplitudy. Sygnał ten jest wykorzystany do sterowania częstotliwości nadawanego sygnału w układzie generacji.

Korzystne jest użycie oscylatora VCO oraz użycie sygnału wyjściowego z detektora do zmiany napięcia przestrajania generatora. W miarę wzrostu wartości sygnału wyjściowego z detektora, częstotliwość sygnału nadawanego powinna być zmniejszana aż do uzyskania minimalnej wartości mocy odbitej od wrót wejściowych anteny nadawczej.

Sposób kompensacji czułości sensora mikrofalowego pracującego w układzie radaru dopplerowskiego, charakteryzujący się tym, że sygnał mikrofalowy wytwarzany w generatorze sygnału b. w. cz. poprzez układ podziału mocy mikrofalowej podawany jest na wejście wzmacniacza mocy, a z jego wyjścia sygnał mikrofalowy doprowadzany jest do cyrkulatora i do anteny nadawczej, a sygnał mikrofalowy odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej poprzez cyrkulator doprowadzany jest do wejścia detektora mocy, który dokonuje pomiaru mocy sygnału odbitego i wypracowuje sygnał sterujący przesyłany do wejścia układu korekcji, który wytwarza sygnał korygujący częstotliwość i przesyła go do wejścia sterującego generatora sygnały b. w. cz.

Korzystnie, gdy detektor mocy dokonuje pomiaru w sposób ciągły.

Korzystnie, gdy detektor mocy dokonuje pomiaru amplitudy sygnału odbitego od wrót wejściowych anteny nadawczej.

Korzystnie, gdy sygnał korygujący częstotliwość jest sygnałem analogowym.

Korzystnie, gdy sygnał korygujący częstotliwość jest sygnałem cyfrowym.

Układ kompensacji czułości sensora mikrofalowego pracującego w układzie radaru dopplerowskiego zawierający cześć nadawczą i część odbiorczą z układem detektora fazy, gdzie w części nadawczej sygnał mikrofalowy wytwarzany w generatorze sygnału b. w. cz. podawany jest na wejście układu podziału mocy, w którym z pierwszego wyjścia tego układu sygnał przesyłany jest wzmacniacza mocy i kolejno przez cyrkulator do anteny nadawczej. Sygnał odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej poprzez cyrkulator przesyłany jest do wejścia detektora mocy, który wytwarza sygnał sterujący przesyłany do wejścia układu korygującego, którego wyjście połączone jest w wejściem sterującym wartość częstotliwości wyjściowej generatora sygnału b. w. cz.

Korzystne jest, gdy generatorem sygnału b. w. cz jest oscylator przestrajany napięciem (VCO).

Korzystne, gdy sygnał mikrofalowy odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej przesyłany jest do detektora mocy za pomocą sprzęgacza kwadraturowego.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia schemat blokowy sensora mikrofalowego do monitorowania parametrów życiowych człowieka, gdzie sygnał odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej jest przesyłany do wejścia detektora mocy za pomocą cyrkulatora, a fig. 2 przedstawia schemat blokowy sensora mikrofalowego do monitorowania parametrów życiowych człowieka, gdzie sygnał odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej jest przesyłany do wejścia detektora mocy za pomocą sprzęgacza kwadraturowego.

Zgodnie z pierwszym przykładem wykonania sposób kompensacji czułości sensora mikrofalowego pracującego w układzie radaru dopplerowskiego polega na tym, że sygnał mikrofalowy wytwa4

PL 222 769 B1 rzany w oscylatorze przestrajanym napięciem (VCO) 5 poprzez dzielnik mocy mikrofalowej 4 podawany jest na wejście wzmacniacza mocy 3, a z jego wyjścia sygnał mikrofalowy doprowadzany jest do cyrkulatora 2 i do anteny nadawczej 1. Sygnał mikrofalowy odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej 1 poprzez cyrkulator 2 doprowadzany jest do wejścia detektora mocy 6, który dokonuje pomiaru mocy sygnału odbitego i wypracowuje sygnał sterujący (w postaci napięcia stałego) który dalej przesyłany jest do wejścia układu korekcji 7. Układ korekcji 7 wytwarza właściwy sygnał korygujący częstotliwość i przesyła go wejścia sterującego oscylatora przestrajanego napięciem (VCO) 5. Detektor mocy 6 dokonuje pomiaru w sposób ciągły i w sposób ciągły przestrajany jest oscylator VCO 5. W miarę wzrostu wartości sygnału wyjściowego z detektora mocy 6 częstotliwość sygnału mikrofalowego generowanego przez oscylator VCO 5 jest zmniejszana aż do uzyskania minimalnej wartości mocy odbitej od wrót wejściowych anteny nadawczej.

Zgodnie z drugim przykładem wykonania układ kompensacji czułości sensora mikrofalowego pracującego w układzie radaru dopplerowskiego zawierający cześć nadawczą i część odbiorczą z anteną odbiorczą 8, wzmacniaczem niskoszumowym 9 i układem detektora fazy w postaci mieszacza 10, sygnał mikrofalowy wytwarzany w oscylatorze przestrajanym napięciem (VCO) 5 podawany jest na wejście dzielnika podziału mocy 4, w którym z pierwszego wyjścia tego układu sygnał przesyłany jest do wzmacniacza mocy 3 i kolejno przez cyrkulator 2 do anteny nadawczej (1). Sygnał odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej 1 poprzez cyrkulator 2 przesyłany jest do wejścia detektora mocy 6. Sygnał sterujący z detektora mocy 6 przesyłany do wejścia układu korygującego 7, którego wyjście połączone jest z wejściem sterującym oscylatora przestrajanego napięciem (VCO) 5.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób kompensacji czułości sensora mikrofalowego pracującego w układzie radaru dopplerowskiego, znamienny tym, że sygnał mikrofalowy wytwarzany w generatorze sygnału b. w. cz. (5) poprzez układ podziału mocy mikrofalowej (4) podawany jest na wejście wzmacniacza mocy (3), a z jego wyjścia sygnał mikrofalowy doprowadzany jest do cyrkulatora (2) i do anteny nadawczej (1), a sygnał mikrofalowy odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej (1) poprzez cyrkulator (2) doprowadzany jest do wejścia detektora mocy (6), który dokonuje pomiaru mocy sygnału odbitego i wypracowuje sygnał sterujący przesyłany do wejścia układu korekcji (7), który wytwarza sygnał korygujący częstotliwość i przesyła go do wejścia sterującego generatora sygnałów b. w. cz (5).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że detektor mocy dokonuje pomiaru w sposób ciągły.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 i zastrz. 2, znamienny tym, że detektor mocy dokonuje pomiaru amplitudy sygnału odbitego od wrót wejściowych anteny nadawczej (1).
4. 4. Sposób według zastrz. 1 i zastrz. 2, znamienny tym, że sygnał korygujący częstotliwość jest sygnałem analogowym.
5. 5. Sposób według zastrz. 1 i zastrz. 2, znamienny tym, że sygnał korygujący częstotliwość jest sygnałem cyfrowym.
6. 6. Układ kompensacji czułości sensora mikrofalowego pracującego w układzie radaru dopplerowskiego zawierający cześć nadawczą i część odbiorczą z układem detektora fazy, znamienny tym, że w części nadawczej sygnał mikrofalowy wytwarzany w generatorze sygnału b. w. cz. (5) podawany jest na wejście układu podziału mocy (4), w którym z pierwszego wyjścia tego układu sygnał przesyłany jest do wzmacniacza mocy (3) i kolejno przez cyrkulator (2) do anteny nadawczej (1), a sygnał odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej (1) poprzez cyrkulator (2) przesyłany jest do wejścia detektora mocy (6), który wytwarza sygnał sterujący przesyłany do wejścia układu korygującego (7), którego wyjście połączone jest w wejściem sterującym generatora sygnału b. w. cz. (5).
7. 7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że generatorem sygnału b. w. cz jest oscylator przestrajany napięciem (VCO).
8. 8. Układ według zastrz. 6 i zastrz. 7, znamienny tym, sygnał mikrofalowy odbity od wrót wejściowych anteny nadawczej przesyłany jest do detektora mocy (6) za pomocą sprzęgacza kwadraturowego (2A).