RU2159942C1 - Procedure detecting location of living objects and microwave locator for realization of procedure - Google Patents
Procedure detecting location of living objects and microwave locator for realization of procedure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2159942C1 RU2159942C1 RU99125218A RU99125218A RU2159942C1 RU 2159942 C1 RU2159942 C1 RU 2159942C1 RU 99125218 A RU99125218 A RU 99125218A RU 99125218 A RU99125218 A RU 99125218A RU 2159942 C1 RU2159942 C1 RU 2159942C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- output
- input
- modulator
- microwave
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к поисково-спасательной службе и может быть использовано для активного зондирования завалов, образовавшихся в результате аварий и стихийных бедствий, для объективного определения наличия в них человека с признаками жизни: дыханием, сердцебиением, шевелением. The invention relates to a search and rescue service and can be used for active sensing of debris formed as a result of accidents and natural disasters, for an objective determination of the presence of a person with signs of life: breathing, palpitations, movement.
Известны различные устройства, использующие принцип действия радиоволнового интерферометра с применением канала компенсации для выделения модулированной составляющей радиочастотного сигнала, соответствующей частоте пульса человека или его дыхания. Various devices are known that use the principle of operation of a radio wave interferometer using a compensation channel to isolate the modulated component of the radio frequency signal corresponding to the pulse rate of a person or his breath.
Эти устройства служат для бесконтактной диагностики, а также могут использоваться для обнаружения живого объекта в завалах, например, образовавшихся в результате землетрясений, аварий или при сходе снежных лавин. Основным ограничением использования подобных устройств для целей обнаружения живых людей в завалах является невозможность селекции зоны поиска по дальности, высокая чувствительность к присутствию оператора, работающего с устройством. These devices are used for non-contact diagnostics, and can also be used to detect a living object in the rubble, for example, formed as a result of earthquakes, accidents or during avalanches. The main limitation of the use of such devices for the purpose of detecting living people in the rubble is the inability to select a range search range, high sensitivity to the presence of an operator working with the device.
Известна электронная система для обнаружения живого объекта, содержащая модулятор и передатчик, состоящий из генератора, делителя мощности, передающей антенны, приемник, состоящий из приемной антенны, СВЧ приемника, предусилителя/демодулятора, блока обработки сигнала, причем второй сигнальный выход делителя мощности соединен с управляющим входом СВЧ приемника, при этом один из управляющих выходов модулятора соединен с управляющим входом СВЧ приемника. (DE, A, 4241664). A known electronic system for detecting a living object, comprising a modulator and a transmitter consisting of a generator, a power divider, a transmitting antenna, a receiver consisting of a receiving antenna, a microwave receiver, a preamplifier / demodulator, a signal processing unit, the second signal output of the power divider is connected to the control the input of the microwave receiver, while one of the control outputs of the modulator is connected to the control input of the microwave receiver. (DE, A, 4241664).
В этом устройстве компенсация постоянной составляющей в отраженном сигнале происходит на входе СВЧ приемника до усиления, что приводит к дополнительным шумам, вносимым средствами компенсации, а модулятор служит только для обеспечения возможности усиления модулированной живым объектом составляющей сигнала вне области шумов 1/f. Таким образом, в устройстве на входе присутствует дополнительный источник амплитудного и фазового шума, что ограничивает минимальный уровень принимаемого сигнала и снижает чувствительность, и таким устройством нельзя определить дальность до живого объекта. In this device, the DC component is compensated in the reflected signal at the input of the microwave receiver before amplification, which leads to additional noise introduced by the compensation means, and the modulator serves only to provide the possibility of amplification of the signal component modulated by a living object outside the 1 / f noise region. Thus, in the device at the input there is an additional source of amplitude and phase noise, which limits the minimum level of the received signal and reduces the sensitivity, and such a device cannot determine the distance to a living object.
Наиболее близким является способ обнаружения местоположения живого объекта, включающий излучение радиочастотного сигнала, прием отраженного радиочастотного сигнала в месте излучения радиочастотного сигнала, выделение составляющей принятого радиочастотного сигнала, модулированной по амплитуде и фазе, соответствующим частоте пульса и/или дыхания живого неподвижного объекта, суждение по выделенной составляющей об обнаружении живого объекта. (IEEE TRANSACTIONS ON BME, V. 33, 7, July, 1986, KUN-MU CHEN, D.MISRA, H.-R. CHUANG, "An X-band microwave Life-Detection system"). The closest is a method for detecting the location of a living object, which includes emitting a radio frequency signal, receiving a reflected radio frequency signal at the site of emission of the radio frequency signal, isolating a component of the received radio frequency signal, modulated in amplitude and phase, corresponding to the pulse rate and / or respiration of a living stationary object, judging by the selected component about the detection of a living object. (IEEE TRANSACTIONS ON BME, V. 33, 7, July, 1986, KUN-MU CHEN, D.MISRA, H.-R. CHUANG, "An X-band microwave Life-Detection system").
Способ предусматривает компенсацию отраженного СВЧ сигнала от массы неподвижных объектов, выделение и анализ переменной составляющей отраженного сигнала, связанной с упомянутыми признаками жизненной активности человека, на основе сравнения его амплитуды и фазы с их постоянными значениями излученного сигнала. Причиной использования компенсации является специфика реализующего этот способ устройства. При наличии отраженного СВЧ сигнала от светонепроницаемой преграды и других сильно отражающих неподвижных объектов в зоне диаграммы направленности приемопередающей антенны устройства, а также вследствие прямого проникновения части сигнала из тракта передатчика в тракт приемника, в последний поступает фоновый сигнал высокого уровня мощности с постоянной амплитудой и фазой, способный выйти из диапазона линейности коэффициента усиления приемника. С другой стороны, отраженный от живого объекта радиочастотный сигнал дважды ослабляется преградой при прямом прохождении излученного и обратном прохождении отраженного радиочастотного сигнала. Ослабление сигналов происходит также вследствие удаления живого объекта, находящегося за преградой, пропорционально 4-й степени расстояния до него. Кроме того, уровень мощности модулированной составляющей полезного сигнала, несущей информацию о жизнедеятельности объекта, в 10...1000 раз меньше мощности суммарного отраженного от объекта сигнала. The method provides for the compensation of the reflected microwave signal from the mass of stationary objects, the selection and analysis of the variable component of the reflected signal associated with the mentioned signs of human vital activity, based on a comparison of its amplitude and phase with their constant values of the emitted signal. The reason for using compensation is the specificity of the device implementing this method. In the presence of a reflected microwave signal from a lightproof barrier and other strongly reflecting stationary objects in the area of the radiation pattern of the device’s transceiver antenna, as well as due to the direct penetration of part of the signal from the transmitter path to the receiver path, the latter receives a high-level background signal with a constant amplitude and phase, able to go beyond the linearity range of the receiver gain. On the other hand, a radio frequency signal reflected from a living object is twice attenuated by an obstacle during the direct passage of the radiated signal and the return path of the reflected RF signal. The attenuation of signals also occurs due to the removal of a living object located behind the barrier, in proportion to the 4th power of the distance to it. In addition, the power level of the modulated component of the useful signal that carries information about the life of the object is 10 ... 1000 times less than the power of the total signal reflected from the object.
Эти обстоятельства приводят к требованию обеспечения пропускания приемным трактом очень большого динамического диапазона энергий отраженного радиочастотного сигнала, достигающего 100-150 дБ. При этом динамический диапазон энергии полезного сигнала обычно не превышает 90 дБ. Отсюда возникает необходимость еще до первого усилителя приемника изъять всю бесполезную информацию о неподвижных объектах, посредством удаления фонового сигнала. Это достигается введением компенсирующей СВЧ цепи, на выходе которой, с помощью управления ее параметрами, подбирается сигнал примерно равный по амплитуде фоновому и противоположный ему по фазе. Компенсирующий сигнал суммируется с принятым на входе приемника в пассивном сумматоре. С выхода сумматора поступает мощность приблизительно равная разности мощностей принятого и фонового сигналов. Качество же работы устройства во многом определяется качеством этой компенсации, ее глубиной, флуктуациями в ее цепях и цепях управления ее параметрами. These circumstances lead to the requirement to ensure that the transmission path of the very large dynamic energy range of the reflected RF signal reaches 100-150 dB. In this case, the dynamic energy range of the useful signal usually does not exceed 90 dB. Hence, the need arises, before the first amplifier of the receiver, to remove all useless information about stationary objects by removing the background signal. This is achieved by introducing a compensating microwave circuit, the output of which, by controlling its parameters, selects a signal approximately equal in amplitude to the background and opposite in phase. The compensating signal is summed with the received at the input of the receiver in the passive adder. The output of the adder receives power approximately equal to the difference in power of the received and background signals. The quality of the device’s work is largely determined by the quality of this compensation, its depth, fluctuations in its circuits and control circuits of its parameters.
Известный способ позволяет эффективно выделять информацию, связанную с жизненной активностью человека, однако имеет ограниченные возможности при проведении поисково-спасательных работ. Способ не ограничивает зону поиска человека по дальности с целью определения его местоположения, имеет высокую чувствительность к присутствию оператора, работающего с устройством. Причиной этих недостатков является излучение непрерывного немодулированного во времени СВЧ сигнала, который, отражаясь, суммирует всю информацию об объектах, расположенных как в зоне диаграммы направленности антенны от плоскости ее раскрыва до максимальной дальности обнаружения, так и в зоне ее боковых и обратного лепестков при близком расположении оператора. The known method allows you to effectively isolate information related to the vital activity of a person, however, it has limited capabilities when conducting search and rescue operations. The method does not limit the range of a person’s search in order to determine his location, has a high sensitivity to the presence of an operator working with the device. The reason for these shortcomings is the emission of a continuous time-unmodulated microwave signal, which, reflecting, summarizes all the information about objects located both in the area of the antenna pattern from its aperture plane to the maximum detection range, and in the area of its side and reverse lobes at close proximity the operator.
Невозможность ограничения зоны поиска, то есть задания минимальной и максимальной дальности обнаружения, приводит к помехам от работающих на месте аварии вблизи зоны поиска людей и техники, а также от самого оператора, поскольку высокая чувствительность для выделения модулированной составляющей оказывается достаточной, чтобы реагировать на все живые объекты, расположенные в воздушном пространстве на значительном удалении или реагировать на оператора из-за наличия боковых и обратного лепестков диаграммы направленности антенны. Кроме этого, при расчистке завала и извлечении живого объекта возможно его травмирование используемыми техническими средствами, так как известный способ не позволяет определить расстояние до местоположения живого объекта. The impossibility of limiting the search zone, that is, setting the minimum and maximum detection range, leads to interference from people and equipment working at the scene of the accident near the search zone, as well as from the operator himself, since the high sensitivity to isolate the modulated component is sufficient to respond to all living objects located in airspace at a considerable distance or respond to the operator due to the presence of side and reverse lobes of the antenna pattern. In addition, when clearing the blockage and removing a living object, it is possible to be injured by the used technical means, since the known method does not allow determining the distance to the location of a living object.
Наиболее близким является микроволновый локатор, содержащий модулятор и передатчик, состоящий из генератора, делителя мощности, передающей антенны, соединенных своими сигнальными входами с сигнальными выходами последовательно, и выполненный с возможностью излучения радиочастотного сигнала с модуляцией, приемник, состоящий из приемной антенны, СВЧ приемника, предусилителя/демодулятора, блока обработки сигнала, соединенных своими сигнальными выходами со входами последовательно, и выполненный с возможностью приема отраженного радиочастотного сигнала, модулированного составляющей пульса и/или дыхания живого объекта, и выделения этой составляющей на выходе предусилителя/демодулятора, причем второй сигнальный выход делителя мощности соединен с управляющим входом СВЧ приемника, первый управляющий выход модулятора соединен с передатчиком, а второй и третий выход модулятора соединены с первым и вторым управляющим входом предусилителя/демодулятора. (US, A, 4958638). The closest is a microwave locator containing a modulator and transmitter, consisting of a generator, a power divider, a transmitting antenna connected in series with its signal inputs and signal outputs and configured to emit a radio frequency signal with modulation, a receiver consisting of a receiving antenna, a microwave receiver, a preamplifier / demodulator, a signal processing unit, connected by their signal outputs to the inputs in series, and configured to receive a reflected radio a frequency signal modulated by the component of the pulse and / or respiration of a living object, and the selection of this component at the output of the preamplifier / demodulator, the second signal output of the power divider connected to the control input of the microwave receiver, the first control output of the modulator connected to the transmitter, and the second and third output of the modulator connected to the first and second control input of the preamplifier / demodulator. (US, A, 4958638).
Преимуществом этого устройства по сравнению с указанным выше техническим решением является высокая чувствительность для определения параметров модулированной составляющей из-за отсутствия высокого уровня собственных шумов приемника СВЧ вследствие неидеальности компенсации на его входе, вносящей дополнительные флуктуации амплитуды и фазы усиливаемого скомпенсированного сигнала, однако это устройство может использоваться только для целей бесконтактной диагностики. В устройстве не предусмотрена возможность произвольно выбирать зону поиска и определить расстояние до живого объекта, а также при зондировании радиочастотным сигналом протяженных участков пространства обладает мертвыми зонами чувствительности, связанными с используемым одноканальным фазовым детектированием. The advantage of this device compared to the above technical solution is its high sensitivity for determining the parameters of the modulated component due to the absence of a high level of microwave noise inherent noise due to non-ideal compensation at its input, introducing additional fluctuations in the amplitude and phase of the amplified compensated signal, however, this device can be used For non-contact diagnostic purposes only. The device does not provide the ability to arbitrarily select a search zone and determine the distance to a living object, and when probing extended sections of space with an RF signal, it has dead sensitivity zones associated with the single-channel phase detection used.
Решаемая изобретением задача - повышение качества обнаружения и помехозащищенности. The problem solved by the invention is to improve the quality of detection and noise immunity.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, - обеспечение селекции зоны обнаружения по дальности, сжатия динамического диапазона принимаемых сигналов, а также уменьшение чувствительности к присутствию других живых объектов вне зоны поиска. The technical result that can be obtained by implementing the method is the selection of the detection zone in range, compression of the dynamic range of the received signals, as well as a decrease in sensitivity to the presence of other living objects outside the search zone.
Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - обеспечение фиксирования излучаемого радиочастотного сигнала и прием отраженного радиочастотного сигнала в определенные временные интервалы относительно излученного радиочастотного сигнала, обработка этих сигналов с привязкой по задним фронтам для измерения уровня модулированной составляющей и расстояния до местоположения живого объекта. The technical result that can be obtained by performing the device is to fix the emitted radio frequency signal and receive the reflected radio frequency signal at certain time intervals relative to the emitted radio frequency signal, process these signals with reference to the trailing edges to measure the level of the modulated component and the distance to the location of a living object .
Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения местоположения живого объекта, включающем излучение радиочастотного сигнала, прием отраженного радиочастотного сигнала в месте излучения радиочастотного сигнала, выделение составляющей принятого радиочастотного сигнала, модулированной по амплитуде и фазе, соответствующим частоте пульса и/или дыхания живого неподвижного объекта, суждение по выделенной составляющей об обнаружении живого объекта, согласно изобретению излучают радиочастотный сигнал с фиксированной длительностью Tи, принимают отраженный радиочастотный сигнал в фиксированный промежуток времени Tп, равный по длительности фиксированной длительности Tи излученного радиочастотного сигнала с задержкой τз между окончанием излучения радиочастотного сигнала и началом приема отраженного радиочастотного сигнала, при обнаружении модулированной составляющей измеряют ее уровень, затем изменяют длительность приема Tп отраженного радиочастотного сигнала до уменьшения уровня модулированной составляющей относительно ее уровня для отраженного радиочастотного сигнала, принятого с фиксированной длительностью Tи, и до момента окончания прихода отраженного радиочастотного сигнала, а дальность до местоположения живого объекта определяют в соответствии с выражением
D ≅ c(τз+Tпу)/2,
где c - скорость распространения радиочастотного сигнала,
τз- длительность задержки между окончанием излучения и началом приема радиочастотного сигнала,
Tпу - длительность приема отраженного радиочастотного сигнала, при которой уменьшился уровень модулированной составляющей, соответствующая интервалу от начала приема отраженного радиочастотного сигнала до момента окончания его прихода.The problem is solved in that in a method for detecting the location of a living object, including emitting a radio frequency signal, receiving a reflected radio frequency signal at the site of emission of the radio frequency signal, isolating a component of the received radio frequency signal, modulated in amplitude and phase, corresponding to the pulse rate and / or respiration of a living stationary object , judgment on the selected component about the detection of a living object, according to the invention emit a radio frequency signal with a fixed duration with a T and receive a reflected RF signal in a fixed period of time T p equal in duration to a fixed duration T and an emitted RF signal with a delay of τ s between the end of the emission of the RF signal and the beginning of reception of the reflected RF signal, when it detects a modulated component, measure its level, then the reception time T p of the reflected RF signal is changed until the level of the modulated component decreases relative to its level for the reflected a frequency signal received with a fixed duration T and until the end of arrival of the reflected radio frequency signal, and the distance to the location of a living object is determined in accordance with the expression
D ≅ c (τ s + T pu ) / 2,
where c is the propagation speed of the radio frequency signal,
τ s - the duration of the delay between the end of the radiation and the beginning of reception of the radio frequency signal,
T PU - the duration of the reception of the reflected RF signal, at which the level of the modulated component decreased, corresponding to the interval from the beginning of reception of the reflected RF signal to the end of its arrival.
Возможны дополнительные варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы:
- уменьшали длительность приема отраженного радиочастотного сигнала равными промежутками;
- изменяли длительность приема отраженного радиочастотного сигнала путем последовательных приближений;
- радиочастотный сигнал излучали с частотой, определяемой
где коэффициент затухания, а tgδ и ε - соответственно тангенс угла диэлектрических потерь и действительная часть относительной диэлектрической проницаемости преграды на частоте 1 ГГц; d - предполагаемая максимальная толщина преграды, м.There are additional options for implementing the method, in which it is advisable that:
- reduced the duration of the reception of the reflected RF signal at regular intervals;
- changed the duration of the reception of the reflected RF signal by successive approximations;
- the radio frequency signal was emitted with a frequency determined by
Where attenuation coefficient, and tanδ and ε are the dielectric loss tangent and the real part of the relative dielectric constant of the obstacle at a frequency of 1 GHz, respectively; d is the estimated maximum thickness of the barrier, m
Поставленная задача решается также тем, что в микроволновом локаторе, содержащем модулятор и передатчик, состоящий из генератора, делителя мощности, передающей антенны, соединенных своими сигнальными входами с сигнальными выходами последовательно, и выполненный с возможностью излучения радиочастотного сигнала с модуляцией, приемник, состоящий из приемной антенны, СВЧ приемника, предусилителя/демодулятора, блока обработки сигнала, соединенных своими сигнальными выходами со входами последовательно, и выполненный с возможностью приема отраженного радиочастотного сигнала, модулированного составляющей пульса и/или дыхания живого объекта, и выделения этой составляющей на выходе предусилителя/демодулятора, причем второй сигнальный выход делителя мощности соединен с управляющим входом СВЧ приемника, первый управляющий выход модулятора соединен с передатчиком, а второй и третий выход модулятора соединены с первым и вторым управляющим входом предусилителя/демодулятора, согласно изобретению модулятор выполнен перестраиваемым с возможностью изменения длительности управляющих импульсов и их фиксации, введены первый импульсный модулятор передатчика и второй импульсный модулятор СВЧ приемника, первый сигнальный выход делителя мощности соединен со входом передающей антенны через сигнальный вход и сигнальный выход первого импульсного модулятора, а второй сигнальный выход делителя мощности соединен с управляющим входом СВЧ приемника через сигнальный вход и сигнальный выход второго импульсного модулятора, управляющий вход первого импульсного модулятора соединен с первым управляющим выходом модулятора для фиксации времени излучения радиочастотного сигнала, модулятор снабжен четвертым управляющим выходом, связанным с управляющим входом второго импульсного модулятора для приема отраженного радиочастотного сигнала приемником с задержкой относительно окончания излучения радиочастотного сигнала передатчиком и изменения времени открывания СВЧ приемника, при этом блок обработки сигнала выполнен с возможностью измерения уровня модулированной составляющей. The problem is also solved by the fact that in a microwave locator containing a modulator and transmitter, consisting of a generator, a power divider, a transmitting antenna connected in series with its signal inputs and signal outputs, and configured to emit a radio frequency signal with modulation, a receiver consisting of a receiver antennas, microwave receiver, preamplifier / demodulator, signal processing unit, connected by their signal outputs to inputs in series, and configured to receive a reflected RF signal, a modulated component of the pulse and / or respiration of a living object, and the selection of this component at the output of the preamplifier / demodulator, the second signal output of the power divider connected to the control input of the microwave receiver, the first control output of the modulator connected to the transmitter, and the second and third output the modulator is connected to the first and second control input of the preamplifier / demodulator, according to the invention, the modulator is made tunable with the possibility of changing the duration of the control important pulses and their fixation, the first pulse modulator of the transmitter and the second pulse modulator of the microwave receiver are introduced, the first signal output of the power divider is connected to the input of the transmitting antenna through the signal input and signal output of the first pulse modulator, and the second signal output of the power divider is connected to the control input of the microwave receiver through the signal input and signal output of the second pulse modulator, the control input of the first pulse modulator is connected to the first control output of the modulator and to fix the time of radiation of the radio frequency signal, the modulator is equipped with a fourth control output connected to the control input of the second pulse modulator for receiving the reflected radio frequency signal by the receiver with a delay relative to the end of the radiation of the radio frequency signal by the transmitter and changing the opening time of the microwave receiver, while the signal processing unit is configured to measuring the level of the modulated component.
Дополнительные варианты выполнения устройства описаны при раскрытии лучшего варианта осуществления изобретения. Additional embodiments of the device are described with the disclosure of a better embodiment of the invention.
За счет привязки времени излучения радиочастотного сигнала и времени приема отраженного радиочастотного сигнала с задержкой τз между временем окончания излучения и временем начала приема, измерения уровня модулированной составляющей и определения длительности Tпу приема отраженного радиочастотного сигнала, при которой уменьшился уровень модулированной составляющей, соответствующая интервалу от начала приема отраженного радиочастотного сигнала до момента окончания его прихода, удалось решить поставленную задачу.By linking the time of emission of the radio frequency signal and the time of reception of the reflected radio frequency signal with a delay τ s between the time of the end of radiation and the time of the start of reception, measuring the level of the modulated component and determining the duration T pu of receiving the reflected radio frequency signal, at which the level of the modulated component decreased, corresponding to the interval from the beginning of the reception of the reflected radio frequency signal until the end of its arrival, it was possible to solve the problem.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенных ниже лучших вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. These advantages, as well as features of the present invention will become apparent during a subsequent review of the following best embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings.
Фиг. 1 изображает функциональную схему микроволнового локатора для осуществления заявленного способа;
Фиг. 2 - временную диаграмму, поясняющую заявленный способ, в случае уменьшения длительности интервала приема отраженного радиочастотного сигнала;
Фиг. 3 - то же, что фиг. 2, в случае изменения интервала приема методом последовательных приближений, когда часть отраженного сигнала занимает меньшую часть области приема;
Фиг. 4 - то же, что фиг. 3, когда часть отраженного сигнала занимает большую часть области приема;
Фиг. 5 - функциональную схему микроволнового локатора с двухканальным фазовым детектированием;
Фиг. 6 - то же, что фиг. 5, другой вариант с одной приемопередающей антенной;
Фиг. 7 - временную диаграмму излученного радиочастотного сигнала (на выходе первого импульсного модулятора передатчика);
Фиг. 8 - временную диаграмму радиочастотного синхронизирующего сигнала на выходе второго импульсного модулятора приемника;
Фиг. 9 - временную диаграмму принятых радиочастотных сигналов на входе СВЧ приемника;
Фиг. 10 - временную диаграмму продетектированного суммарного сигнала на выходах первого и второго фазовых детекторов СВЧ приемника;
Фиг. 11 - временную диаграмму синхронизирующих импульсов, подаваемых от синхронизатора на первый и третий низкочастотный фазовый детектор;
Фиг. 12 - то же, что фиг. 11, импульсов, подаваемых от синхронизатора, второй и четвертый низкочастотный фазовый детектор;
Фиг. 13 - функциональную схему усилителя, установленного на выходе вычитателя или сумматора блока низкочастотного фазового детектирования;
Фиг. 14 - то же, что фиг. 13, двухканальный вариант;
Фиг. 15 - то же, что фиг. 13, трехканальный вариант;
Фиг. 16 - функциональную схему блока измерений.FIG. 1 depicts a functional diagram of a microwave locator for implementing the inventive method;
FIG. 2 is a timing chart explaining the claimed method, in the case of reducing the length of the reception interval of the reflected RF signal;
FIG. 3 is the same as FIG. 2, in the case of changing the reception interval by the method of successive approximations, when a part of the reflected signal occupies a smaller part of the reception area;
FIG. 4 is the same as FIG. 3, when a portion of the reflected signal occupies most of the reception area;
FIG. 5 is a functional diagram of a microwave locator with two-channel phase detection;
FIG. 6 is the same as FIG. 5, another embodiment with one transceiver antenna;
FIG. 7 is a time diagram of the emitted radio frequency signal (at the output of the first pulse modulator of the transmitter);
FIG. 8 is a timing diagram of a radio frequency clock signal at the output of a second pulse modulator of a receiver;
FIG. 9 is a timing chart of the received RF signals at the input of the microwave receiver;
FIG. 10 is a timing chart of the detected total signal at the outputs of the first and second phase detectors of the microwave receiver;
FIG. 11 is a timing chart of clock pulses supplied from the synchronizer to the first and third low-frequency phase detector;
FIG. 12 is the same as FIG. 11, pulses supplied from the synchronizer, the second and fourth low-frequency phase detector;
FIG. 13 is a functional diagram of an amplifier installed at the output of a subtractor or adder of a low-frequency phase detection unit;
FIG. 14 is the same as FIG. 13, a two-channel option;
FIG. 15 is the same as FIG. 13, a three-channel version;
FIG. 16 is a functional diagram of a measurement unit.
Способ может быть реализован устройством (фиг. 1), работа которого поясняется временными диаграммами (фиг. 2, 3, 4). Передатчик 2 за счет синхронизации сигнала модулятором 1 и первым импульсным модулятором 11 излучает радиочастотный сигнал СВЧ на интервале излучения Tи. Приемник СВЧ 8 открывается с задержкой τз1 через интервал времени τз от начала излучения радиочастотного сигнала за счет его синхронизации модулятором 1 и вторым импульсным модулятором 12. Поскольку завал в реальности имеет ограниченную протяженность, то длительность излучения Tи легко может быть определена из уравнения Tи = 2(Dmax + Dmin)/c, в котором Dmax, Dmin - соответственно дальняя и ближняя граница зоны поиска, а c - скорость распространения радиоволн в среде. Время задержки выбирается равным τз= 2Dmin/c.
Отраженный радиочастотный сигнал принимается СВЧ приемником 8 в интервале Tп, равном интервалу Tи, что обусловлено его открыванием на эту длительность вторым импульсным модулятором 12. При выборе таких длительностей интервалов Tи, Tп, τз часть пришедшего суммарного отраженного радиочастотного сигнала отсекается СВЧ приемником 8, так как он открыт на интервале Tп (на фиг. 2, 3, 4 отраженный радиочастотный сигнал от живого объекта упрощенно показан вертикальной штриховкой).The method can be implemented by the device (Fig. 1), the operation of which is illustrated by timing diagrams (Fig. 2, 3, 4). The
The reflected RF signal is received by the microwave receiver 8 in the interval T p equal to the interval T and , due to its opening for this duration by the
При обнаружении модулированной составляющей в результате обработки радиочастотного сигнала приемником 6, предусилителем/демодулятором 9 и блоком обработки сигнала 10 дальность до живого объекта легко может быть определена по времени задержки Tх прихода отраженного радиочастотного сигнала относительно излученного. Однако поскольку передняя часть пришедшего сигнала отсекается, то эта задержка может быть определена по задним фронтам излученного и отраженного сигналов. Для этого определяют длительность Tпу приема отраженного радиочастотного сигнала, при которой уменьшился уровень модулированной составляющей, соответствующую интервалу от начала приема отраженного радиочастотного сигнала до момента окончатся его прихода (фиг. 2-4).When a modulated component is detected as a result of processing the RF signal by the receiver 6, preamplifier / demodulator 9 and
Измерение длительности Tпу можно производить различными путями в зависимости от алгоритма, принятой обработки изменения интервала открывания СВЧ приемника 6. Можно уменьшать длительность Tп приема отраженного радиочастотного сигнала равными промежутками Δ (фиг. 2) до тех пор, пока уровень модулированной составляющей в принятом сигнале не уменьшится. Тогда Tx ≅ τз+T5= τз+Tпу дальность D = cTx/2 ≅ (τ3+Tпу)/2. Однако в этом случае для получения удовлетворительной погрешности дискретность Δ необходимо выбирать достаточно малой в интервале точности измерения заднего фронта, что является достаточно длительной операцией и, хотя упрощает алгоритм обработки, но при этом уменьшается скорость определения дальности устройством.The duration T p can be measured in various ways, depending on the algorithm adopted for processing the change in the opening interval of the microwave receiver 6. You can reduce the time T p for receiving the reflected RF signal at equal intervals Δ (Fig. 2) until the level of the modulated component in the received signal will not decrease. Then Tx ≅ τ s + T s 5 = τ + T ny distance D = cTx / 2 ≅ (τ 3 + T ny) / 2. However, in this case, to obtain a satisfactory error, the discreteness Δ must be chosen sufficiently small in the interval of accuracy of the measurement of the trailing edge, which is a rather lengthy operation and, although it simplifies the processing algorithm, the speed of determining the range of the device decreases.
Для увеличения скорости определения дальности D целесообразно изменять длительность Tп приема отраженного радиочастотного сигнала путем последовательных приближений (фиг. 3, 4). При обнаружении модулированной составляющей интервал приема Tп уменьшают в два раза (фиг. 3) и измеряют ее уровень на интервале T1. Если уровни модулированной составляющей для Tп и T1 равны, то уменьшают ее длительность T1 в два раза, T2 = T1/2. При уменьшении уровня частотной составляющей, увеличивают интервал приема T3 = (T1 + T2)/2. Процедуру уменьшения интервала в два раза при равенстве уровней модулированной составляющей и увеличения интервала приема при уменьшении уровня модулированной составляющей путем сложения длительности временного интервала, соответствующей неизменному уровню модулированной составляющей для последнего интервала, с длительностью временного интервала, соответствующему уменьшенному уровню модулированной составляющей, и деления полученной суммы пополам проводят до достижения необходимой заданной точности. Практически достаточно проведение пяти - семи шагов измерений, чтобы определить интервал Tпу, соответствующий в пересчете на погрешность измерения дальности D до одного метра, что в полной мере удовлетворяет требованиям проведения поисково-спасательных работ и извлечения пострадавшего из-под завала.To increase the speed of determining the range D, it is advisable to change the duration T p the reception of the reflected RF signal by successive approximations (Fig. 3, 4). When a modulated component is detected, the reception interval T p is reduced by half (Fig. 3) and its level is measured on the interval T 1 . If the levels of the modulated component for T p and T 1 are equal, then reduce its duration T 1 in half, T 2 = T 1/2 . When reducing the level of the frequency component, increase the reception interval T 3 = (T 1 + T 2 ) / 2. The procedure for halving the interval by equal levels of the modulated component and increasing the reception interval when decreasing the level of the modulated component by adding the duration of the time interval corresponding to an unchanged level of the modulated component for the last interval with the duration of the time interval corresponding to the reduced level of the modulated component and dividing the resulting amount carried out in half until the required specified accuracy is achieved. Practically enough, five to seven measurement steps are needed to determine the interval T PU corresponding in terms of the measurement error of the range D to one meter, which fully meets the requirements of conducting search and rescue operations and removing the victim from under the rubble.
При получении промодулированного отраженного сигнала из дальней зоны обнаружения (фиг. 4) также проводят вышеописанную процедуру. T1 = Tп/2. При уменьшении уровня модулированной составляющей T2 = (T1+ Tп)/2. Если уровень модулированной составляющей вновь меньше предыдущего ее уровня, то T3 = (Tп + T2)/2 и т.д. Таким образом, сущность заявленного способа заключается в постоянном отслеживании уровня модулированной составляющей для различных дальностей Di, где i - шаг измерения, и нахождение именно той величины дальности D, которая соответствует границе уменьшения модулированной составляющей и ее постоянного значения.Upon receipt of the modulated reflected signal from the far detection zone (Fig. 4), the above procedure is also carried out. T 1 = T p / 2. With a decrease in the level of the modulated component, T 2 = (T 1 + T p ) / 2. If the level of the modulated component is again less than its previous level, then T 3 = (T p + T 2 ) / 2, etc. Thus, the essence of the claimed method consists in constantly monitoring the level of the modulated component for different ranges D i , where i is the measurement step, and finding exactly the magnitude of the range D, which corresponds to the border of decrease of the modulated component and its constant value.
Для проведения таких измерений необходимо определять уровень модулированной составляющей с высокой точностью. Как показали многочисленные исследования, качество выделения модулированной составляющей зависит не только от качества приемника, уровня его собственных шумов, идентичности канала гетеродина излучаемому радиочастотному сигналу, чувствительности и тому подобное, но и от частоты излучаемого радиочастотного сигнала. Так, на различных частотах излучения антеннами с равными эффективными поверхностями для одного и того же объекта зондирования можно получить различные значения уровней выделенных модулированных составляющих в зависимости от свойств преграды. В результате аппроксимирована зависимость, позволяющая выделить те частоты сигналов, на которых уровень модулированной составляющей принимает максимальные значения при применении антенн с равными эффективными поверхностями. To carry out such measurements, it is necessary to determine the level of the modulated component with high accuracy. As shown by numerous studies, the quality of the selection of the modulated component depends not only on the quality of the receiver, the level of its own noise, the identity of the local oscillator channel of the emitted radio frequency signal, sensitivity and the like, but also on the frequency of the emitted radio frequency signal. So, at different radiation frequencies by antennas with equal effective surfaces for the same sensing object, one can obtain different values of the levels of the selected modulated components depending on the properties of the obstacle. As a result, the dependence is approximated, which makes it possible to isolate those signal frequencies at which the level of the modulated component takes maximum values when using antennas with equal effective surfaces.
где коэффициент затухания, а tgδ и ε - соответственно тангенс угла диэлектрических потерь и действительная часть относительной диэлектрической проницаемости преграды на частоте 1 ГГц; d - предполагаемая максимальная толщина преграды, м.
Where attenuation coefficient, and tanδ and ε are the dielectric loss tangent and the real part of the relative dielectric constant of the obstacle at a frequency of 1 GHz, respectively; d is the estimated maximum thickness of the barrier, m
Так, например, для завала, образованного железобетонными конструкциями при d = 2 м наилучшая частота f излучения равна 0,7 ГГц, а для кирпичной стены при d = 0,5 м наилучшая частота f ≈ 6,2 ГГц при любой дальности до объекта обнаружения в свободном пространстве. So, for example, for a blockage formed by reinforced concrete structures at d = 2 m, the best radiation frequency f is 0.7 GHz, and for a brick wall at d = 0.5 m, the best frequency f ≈ 6.2 GHz at any distance to the object to be detected in free space.
Для обеспечения работы на частоте, соответствующей максимальной эффективности обнаружения, устройство может иметь широкополосные тракты передатчика 2 и приемника 6, генератор 3 с переключением или перестройкой частоты и сменные передающие и приемные антенны 5, 7, на различные диапазоны частот. При этом рабочая частота выбирается в зависимости от толщины и электрических параметров преграды в соответствии с полученной авторами указанной эмпирической зависимостью. To ensure operation at a frequency corresponding to the maximum detection efficiency, the device may have broadband paths of the
Для реализации заявленного способа микроволновый локатор (фиг. 1) имеет модулятор 1 и передатчик 2. Передатчик 2 состоит из генератора 3, делителя мощности 4, передающей антенны 5, соединенных последовательно. Передатчик 2 выполнен с возможностью излучения радиочастотного сигнала с модуляцией, задаваемой модулятором 1. Приемник 6 состоит из приемной антенны 7, СВЧ приемника 8, предусилителя/демодулятора 9, блока обработки сигнала 10, соединенных последовательно. Второй сигнальный выход делителя мощности 4 соединен с управляющим входом СВЧ приемника 8, первый управляющий выход модулятора 1 соединен с передатчиком 2, а второй и третий выход модулятора 1 соединены соответственно с первым и вторым управляющим входом предусилителя/демодулятора 9. To implement the inventive method, the microwave locator (Fig. 1) has a
Модулятор 1 выполнен перестраиваемым с возможностью изменения длительности управляющих импульсов и их фиксации. В устройство введены первый импульсный модулятор 11 и второй импульсный модулятор 12. Первый сигнальный выход делителя мощности 4 соединен со входом передающей антенны 5 через первый импульсный модулятор 11, а второй сигнальный выход делителя мощности 4 соединен с управляющим входом СВЧ приемника 8 через второй импульсный модулятор 12. Управляющий вход первого импульсного модулятора 11 соединен с первым управляющим выходом модулятора 1 для фиксации времени излучения радиочастотного сигнала. Модулятор 1 снабжен четвертым управляющим выходом, связанным с управляющим входом второго импульсного модулятора 12 для приема отраженного радиочастотного сигнала, приемником 6 с задержкой относительно окончания излучения радиочастотного сигнала, передатчиком 2 и изменения времени открывания СВЧ приемника 8. Блок обработки сигнала 10 выполнен с возможностью измерения уровня модулированной составляющей. The
Для устранения мертвых зон чувствительности приемника 6 может быть применено двухканальное квадратурное фазовое детектирование, что отражено на фиг. 1 двумя связями от СВЧ приемника 8 через предусилитель/демодулятор 9 к блоку об работки сигнала 10. To eliminate the dead zones of sensitivity of the receiver 6, two-channel quadrature phase detection can be applied, which is reflected in FIG. 1 by two connections from the microwave receiver 8 through the preamplifier / demodulator 9 to the
При технической реализации устройства (фиг. 1) могут использоваться отдельные блоки из известных технических решений, однако за счет введения новых функциональных элементов образуются новые связи между функциональными элементами. В передатчик 2 может быть введен усилитель мощности 13 (фиг. 5) и выход импульсного модулятора 11 соединен со входом передающей антенны 5 через усилитель мощности 13. In the technical implementation of the device (Fig. 1), individual blocks from known technical solutions can be used, however, due to the introduction of new functional elements, new relationships are formed between the functional elements. A
Может быть также введен циркулятор 14 (фиг. 6), передающая антенна 5 и приемная антенна 7 (фиг. 1) выполнены в виде единой приемопередающей антенны 15 (фиг. 6). Первый импульсный модулятор 11 соединен с приемопередающей антенной 15 через первое плечо и второе плечо циркулятора 14 по направлению циркуляции, а СВЧ приемник 8 соединен с приемопередающей антенной 15 через второе и третье плечо циркулятора 14. Circulator 14 (Fig. 6) can also be introduced, the transmitting
Модулятор 1 (фиг. 5, 6) выполняется на базе тактового генератора 16 и синхронизатора 17, соединенного своим тактовым входом с выходом тактового генератора 16. Выходы синхронизатора 17 соответственно служат первым, вторым, третьим и четвертым выходом модулятора 1 (фиг. 1). Блок обработки сигнала 10 выполнен из блока измерений 18, блока управления 19 и индикатора 20. Вход блока измерений 18 служит входом блока обработки сигнала 10, информационный управляющий выход блока измерении 18 соединен со входом блока управления 19, а сигнальный выход с сигнальным входом индикатора 20. Первый управляющий выход блока управления 19 соединен с управляющим входом синхронизатора 17, а второй управляющий выход блока управления 19 соединен с управляющим входом индикатора 20. Блок правления 19 реализует все необходимые функции, связанные с переключением отдельных блоков и задания параметров изменения интервала приема Tп по выбранному алгоритму в зависимости от измеренного уровня модулированной составляющей в блоке измерений 18. Поэтому он непосредственно подключен к управляющему входу синхронизатора 17.The modulator 1 (Fig. 5, 6) is based on the
Для обеспечения двухканального квадратурного фазового детектирования СВЧ приемник 8 (фиг. 5, 6) выполнен из первого и второго фазовых детекторов 21, 22, квадратурного делителя 23 мощности пополам, синфазного делителя 24 мощности пополам, сигнальный вход которого соединен с выходом приемной антенны 7 или приемопередающей антенны 15 через циркулятор 14. Первый выход синфазного делителя 24 соединен с первым входом первого фазового детектора 21, а второй - с первым входом второго фазового детектора 22. Выход второго импульсного модулятора 12 соединен со входом квадратурного делителя 23, который служит управляющим входом СВЧ приемника 8. Первый выход квадратурного делителя 23 соединен со вторым входом первого фазового детектора 21, а второй выход - со вторым входом второго фазового детектора 22. To ensure two-channel quadrature phase detection, the microwave receiver 8 (Fig. 5, 6) is made of the first and
В СВЧ приемник 8 (фиг. 5, 6) может быть введен усилитель 25 высокой частоты, и сигнальный вход синфазного делителя 24 соединен с выходом приемной антенны 7 через усилитель 25. Усилитель 25 может быть выполнен малошумящим. A high-
В СВЧ приемник 8 (фиг. 6) может быть также введен ограничитель мощности 26 и сигнальный вход усилителя высокой частоты 25 соединен с выходом приемной антенны 7 или приемопередающей антенны 15 через ограничитель мощности 26. A
В случае больших значений излучаемой мощности, необходимой для обеспечения высокой дальности обнаружения, целесообразно использовать вариант с приемной антенной 7 (фиг. 5) и ограничителем мощности 26 (на фиг. 5 не показан), включаемый между выходом приемной антенны 7 и входом усилителя 25. In the case of large values of the radiated power necessary to ensure a high detection range, it is advisable to use the option with a receiving antenna 7 (Fig. 5) and a power limiter 26 (not shown in Fig. 5), included between the output of the receiving antenna 7 and the input of the
Для выделения полезного сигнала предусилитель/демодулятор 9 (фиг. 5, 6) выполнен из первого и второго полосового фильтра 27, 28, первого и второго усилителя 29, 30 тактовой частоты, первого, второго, третьего и четвертого низкочастотного фазового детектора 31, 32, 33, 34, первого и второго усилителя 35, 36 низкой частоты, сумматора 37 и вычитателя 38. Вход первого полосового фильтра 27 соединен с выходом первого фазового детектора 21, а его выход - со входом первого усилителя 29 тактовой частоты. Вход второго полосового фильтра 28 соединен с выходом второго фазового детектора 22, а его выход со входом второго усилителя 30 тактовой частоты. Выход первого усилителя 29 соединен с сигнальными входами первого и второго низкочастотного фазового детектора 31, 32, а сигнальный выход второго усилителя 30 соединен с сигнальными входами третьего и четвертого низкочастотного фазового детектора 33, 34. Второй выход модулятора 1 соединен с управляющими входами второго и четвертого низкочастотного фазового детектора 32, 34, а третий управляющий выход модулятора 1 соединен с управляющими входами первого и третьего низкочастотного фазового детектора 31, 33. Фаза управляющей импульсной последовательности тактовой частоты третьего выхода модулятора 1 сдвинута на четверть периода относительно фазы последовательности тактовой частоты на его втором выходе. Выходы первого и четвертого низкочастотного фазового детектора 31, 34 соединены с первым и вторым входом вычитателя 38, а выходы второго и третьего низкочастотного фазового детектора 32, 33 соединены с первым и вторым входом сумматора 37. Выход сумматора 37 соединен со входом первого усилителя 35, а выход вычитателя 38 соединен со входом второго усилителя 36. Выходы первого и второго усилителя 35, 36 соединены с блоком обработки сигнала 10. To select a useful signal, the preamplifier / demodulator 9 (Fig. 5, 6) is made of the first and second band-
Работает устройство (фиг. 5, 6) следующим образом. The device operates (Fig. 5, 6) as follows.
Модулятор 1 формирует четыре управляющие импульсные последовательности с тактовой частотой F = 1/T. С первого выхода синхронизатора 17 на управляющий вход первого импульсного модулятора 11 однополярную последовательность длительностью Tи (огибающая на фиг. 7), со второго и третьего выхода синхронизатора 17 на управляющие входы первого, второго, третьего и четвертого низкочастотных фазовых детекторов 31-34 в соответствии со схемой (фиг. 5, 6) разнополярную последовательность равной амплитуды и длительностью T/2, со сдвигом T/4 (фиг. 11, 12), последовательность, подаваемая на управляющие входы первого и третьего низкочастотных фазовых детекторов 31, 33 опережает на время, равное T/4, последовательность, подаваемую на опорные входы второго и четвертого низкочастотных фазовых детекторов 32, 34. С четвертого выхода синхронизатора 17 на управляющий вход второго импульсного модулятора 12 однополярную последовательность с длительностью Tи = Tп с задержкой τз1= τз+Tи относительно последовательности, подаваемой на управляющий вход первого импульсного модулятора 11 (огибающая на фиг. 8). Тактовая частота выбирается в соответствии с выражением T = 2Dmax/c, где Dmax - предельная дальность границы зоны поиска, c - скорость распространения электромагнитной волны, Tи = 2Dтр/c, где Dтр - возможная дальность обнаружения, которая всегда может быть оценена по размерам завала. Выбираемое время задержки τз= 2Dmin/c (фиг. 7, 8) определяется необходимой областью нечувствительности вблизи приемной антенны 7 для устранения ближнего сигнала от преграды и влияния оператора. Dmin < Dтр < Dmax. Tи < T.
Первая последовательность с длительностью импульса Tи подается на управляющий вход первого импульсного модулятора 11, который открывает тракт передатчика 2 на время действия импульса и излучается радиочастотный сигнал Um1 (фиг. 7). Отраженные радиочастотные сигналы Uс от объектов, расположенных на различных дальностях (фиг. 9), поступают на приемную антенну 7 (фиг. 5) или приемопередающую антенну 15 (фиг. 6) на вход усилителя 25 высокой частоты. Усиленный сигнал СВЧ поступает на сигнальный вход синфазного делителя 24 СВЧ приемника 8. На сигнальный вход второго импульсного модулятора поступает гетеродинный сигнал со второго выхода делителя мощности 4. На сигнальный вход квадратурного делителя 23 поступает радиочастотный импульс Um2, сформированный вторым импульсным модулятором 12 (фиг. 8). Синфазный делитель 24 и квадратурный делитель 23 имеют сдвиг фаз 90 градусов между сигналами на своих выходах. Импульсный модулятор 12 под управлением второй последовательности с длительностью импульса Tи синхронизатора 17 отпирает тракт гетеродина через время τз1, равное τз+Tи, после окончания действия радиочастотного импульса Um1 тракта передатчика 2, диаграмма Um2 (фиг. 8). При этом большая часть отраженного радиочастотного сигнала (фиг. 9), приходящего из ближней зоны с соответствующими временами задержки τ
Дополнительное сужение динамического диапазона можно получить за счет введения ограничителя мощности 26 для ограничения амплитуды импульсных сигналов, отраженных от объектов, расположенных непосредственно вблизи приемной антенны 5 (или приемопередающей антенны 15), и выбирая соответствующим образом время задержки τз. Влияние ограничителя мощности 26 на сигналы, отраженные от более дальних объектов, будет весьма невелико, так как они имеют большую длительность и меньшую амплитуду. Таким образом, факт значительного сужения динамического диапазона принимаемых сигналов делает возможным отказаться от значительной части элементов, связанных с компенсацией сигнала в приемном тракте и ее управлением, что приводит к повышению чувствительности устройства за счет изъятия дополнительного источника шумов и снижению времени обнаружения объекта.An additional narrowing of the dynamic range can be obtained by introducing a
В заявленном устройстве для устранения провалов чувствительности, имеющей зависимый от дальности осциллирующий характер при одноканальном фазовом детектировании, применяется двухканальное фазовое детектирование с опорными (гетеродинными) СВЧ сигналами, сдвинутыми по фазе на 90 градусов. При этом в тракт сигнала тактовой частоты непосредственно к сигнальным низкочастотным выходам первого и второго фазовых детекторов 21, 22 подключены два полосовых фильтра: первый полосовой фильтр 27 и второй полосовой фильтр 28 (фиг. 5, 6) с центральной частотой F следования модулирующих импульсов и полосой, требуемой для необходимого отношения сигнал/шум на выходе тракта. Амплитуды синусоидальных сигналов частоты следования импульсов на выходе первого и второго полосовых фильтров 27, 28 будут приблизительно прямо пропорциональны площади соответствующих им продетектированных импульсов. Далее эти сигналы усиливаются первым и вторым 29, 30 тактовой частоты и попарно поступают на сигнальные входы первого, второго, третьего и четвертого низкочастотных фазовых детекторов 31-34. In the claimed device for eliminating sensitivity dips, which has a range-dependent oscillatory character in single-channel phase detection, two-channel phase detection with reference (heterodyne) microwave signals phase-shifted by 90 degrees is used. At the same time, two band-pass filters are connected to the clock signal path directly to the low-frequency signal outputs of the first and
Радиоимпульсы, поступающие на сигнальные входы первого и второго фазовых детекторов 21 и 22 с выхода синфазного делителя 24 приемника СВЧ 8, можно представить в виде:
uс = Uс/2cos(wt + Фс),
а с выхода квадратурного делителя 23 в виде:
uг1 = Uг/2cos(wt + Фг),
uг2 = Uг/2cos(wt + Фг + 90o) = -Uг/2sin(wt + Фг),
где w - несущая частота радиочастотного сигнала,
Фс, Фг - начальные фазы,
Uс, Uг - амплитуды импульсов.The radio pulses arriving at the signal inputs of the first and
u s = U s / 2cos (wt + Ф s ),
and the output of the
u g1 = U g / 2cos (wt + f g ),
u g2 = U g / 2cos (wt + Ф g + 90 o ) = -U g / 2sin (wt + Ф g ),
where w is the carrier frequency of the radio frequency signal,
F s , f g - initial phases,
U with U g - the amplitude of the pulses.
Поскольку в первом приближении фазовые детекторы являются перемножителями сигналов, то в период времени, когда огибающие радиоимпульсов трактов гетеродина и приемника перекрываются, на выходе первого и второго фазовых детекторов 21 и 22 получим сигналы, пропорциональные
uc≅ cos(wt+Фc)cos(wt+Фг),
uc≅ cos(wt+Фc)cos(wt+Фг+90°).
Поскольку радиоимпульсы следуют с частотой повторения F, то после фильтрации в полосовых фильтрах 27, 28 и усиления в усилителях 29, 30 на выходе последних получим синусоидальные сигналы тактовой частоты:
uу1 = Uуcos(Фг - Фс)cos(2πFt - Фу),
uу2 = -Uуsin(Фг - Фс)cos(2πFt - Фу),
где Фу - сумма фаз задержки сигнала в полосовых фильтрах 27, 28 и усилителях 29, 30 тактовой частоты, полагая параметры их одинаковыми для обоих каналов, и фазы первой гармоники тактовой частоты продетектированного сложного импульсного сигнала вида Uсс, показанного на фиг. 10.Since, as a first approximation, phase detectors are signal multipliers, then during the period when the envelopes of the radio pulses of the local oscillator and receiver paths overlap, we obtain signals proportional to the output of the first and
u c ≅ cos (wt + Ф c ) cos (wt + Ф g ),
u c ≅ cos (wt + Ф c ) cos (wt + Ф g +90 ° ).
Since the radio pulses follow with a repetition frequency F, then after filtering in the bandpass filters 27, 28 and amplifying the
u у1 = U у cos (Ф г - Ф с ) cos (2πFt - Ф у ),
u у2 = -U у sin (Ф г - Ф с ) cos (2πFt - Ф у ),
where Ф у is the sum of the phases of the signal delay in the bandpass filters 27, 28 and the
С выхода первого и второго усилителей 29, 30 эти сигналы поступают на сигнальные входы низкочастотных фазовых детекторов 31-34, с первого усилителя 29 на сигнальные входы первого и второго низкочастотных фазовых детекторов 31, 32, а со второго усилителя 30 на сигнальные входы третьего и четвертого низкочастотных фазовых детекторов 33, 34. На другие, опорные управляющие входы указанных низкочастотных фазовых детекторов со второго и третьего выходов синхронизатора 17 поступают разнополярные импульсные последовательности тактовой частоты F, вид которых представлен на фиг. 11 и 12. Поскольку полезная информация в синусоидальных сигналах uу1 и uу2 содержится в модулированных параметрах Uу и Фс, а тактовая частота F значительно превышает верхнюю частоту полезного сигнала, модулирующего эти параметры, то выделение их осуществляется в низкочастотных фазовых детекторах 31-34 путем перемножения сигналов первых гармоник тактовой частоты с выхода усилителей 29, 30 и опорных сигналов с выхода синхронизатора 17 с последующей их низкочастотной фильтрацией.From the output of the first and
Представляя опорные сигналы в виде:
u01 = U0cos(2πFt) на управляющих входах второго и четвертого низкочастотных фазовых детекторов 32, 34
и u02 = U0cos[2πF(t-T/4)] на управляющих входах первого и третьего низкочастотных фазовых детекторов,
получим следующие выражения сигналов на выходах низкочастотных фазовых детекторов 31-34:
На выходе первого низкочастотного фазового детектора 31:
uд1 = kUуcos(Фг - Фс)cos(2πFt - Фу)U0cos(2πFt) = kU0Uуcos(Фг - Фс)cosФу; На выходе второго низкочастотного фазового детектора 32:
uд2 = kUуcos(Фг - Фс)cos(2πFt - Фу)U0cos[2πF(t-T/4)] = kU0Uуcos(Фг - Фс)sinФу;
На выходе третьего низкочастотного фазового детектора 33:
uд3 = -kUуsin(Фг - Фс)cos(2πFt - Фу)U0cos(2πFt) = -kU0Uуsin(Фг - Фс)cosФу;
На выходе четвертого низкочастотного фазового детектора 34:
uд4 = -kUуsin(Фг - Фс)cos(2πFt - Фу)U0cos[2πF(t-T/4)] = -kU0Uуsin(Фг - Фс)sinФу;
где k - коэффициент преобразования низкочастотных фазовых детекторов.Presenting the reference signals in the form of:
u 01 = U 0 cos (2πFt) at the control inputs of the second and fourth low-
and u 02 = U 0 cos [2πF (tT / 4)] at the control inputs of the first and third low-frequency phase detectors,
we obtain the following signal expressions at the outputs of low-frequency phase detectors 31-34:
The output of the first low-frequency phase detector 31:
u d1 = kU y cos (F r - F c) cos (2πFt - F y) U 0 cos (2πFt) = kU 0 U y cos (F r - F c) cosF y; The output of the second low-frequency phase detector 32:
u = kU g2 y cos (F r - F c) cos (2πFt - F y) U 0 cos [2πF (tT / 4)] = kU U y 0 cos (F r - F c) sinF y;
The output of the third low-frequency phase detector 33:
u q3 = -kU y sin (F r - F c) cos (2πFt - F y) U 0 cos (2πFt) = -kU U y 0 sin (F r - F c) cosF y;
The output of the fourth low-frequency phase detector 34:
e4 u = -kU y sin (F r - F c) cos (2πFt - F y) U 0 cos [2πF (tT / 4)] = -kU U y 0 sin (F r - F c) sinF y;
where k is the conversion coefficient of low-frequency phase detectors.
Сигналы на выходах низкочастотных фазовых детекторов 31-34 описываются разными выражениями, однако их можно преобразовать в два квадратурных, суммируя в сумматоре 37 сигналы со второго и третьего низкочастотных фазовых детекторов 32, 33, и вычитая сигнал, полученный на выходе четвертого низкочастотного фазового детектора 34, из сигнала, полученного на выходе первого низкочастотного фазового детектора 31, в вычитателе 38. В соответствии с этой процедурой, после простого тригонометрического преобразования, с выхода сумматора 37 получим:
uд2 + uд3 = kU0Uуsin(Фс + Фу - Фг).The signals at the outputs of the low-frequency phase detectors 31-34 are described by different expressions, however, they can be converted into two quadrature ones by summing in the
u u + q2 q3 = kU U y 0 sin (F c + F y - F z).
С выхода вычитателя 38 получим:
uд1 - uд4 = kU0Uуcos(Фс + Фу - Фг).From the output of the
u d1 - u e4 = kU U y 0 cos (F c + F y - F z).
Необходимость такой обработки возникает вследствие того, что фаза сигнала Фс + Фу, состоящая из случайной постоянной величины, связанной с расстоянием до объекта обнаружения и принимающей любые значения в интервале 0...2π+2πn (n - целое число), и из малой модулированной составляющей, складываясь с постоянной величиной Фг, может приводить суммарную фазу в область низкой тангенциальной чувствительности низкочастотных фазовых детекторов 31-34 в каком-либо из каналов. При этом в другом канале чувствительность, наоборот, увеличивается, так как каналы находятся в квадратурном соотношении, что позволяет выделить при последующей квадратурной обработке информационные составляющие этих сигналов Uу и Фс.The need for such processing arises due to the fact that the phase of the signal Ф с + Ф у , consisting of a random constant related to the distance to the detection object and taking any values in the interval 0 ... 2π + 2πn (n is an integer), and from of a small modulated component, adding up to a constant value of Ф г , can bring the total phase to the low tangential sensitivity region of low-frequency phase detectors 31-34 in any of the channels. In this case, in another channel, the sensitivity, on the contrary, increases, since the channels are in a quadrature ratio, which makes it possible to isolate the information components of these signals U у and Ф с during subsequent quadrature processing.
Сигналы с выходов сумматора 37 и вычитателя 38, в соответствии с показанным на фиг. 5, 6, поступают на входы идентичных первого и второго усилителя 35 и 36, в которых подавляется постоянная, неинформационная составляющая и усиливается переменная, связанная с модуляцией параметров Uу и Фс процессами дыхания, сердцебиения и движения человека. Идентичные усилители 35, 36 могут быть вы полнены посредством различных схемотехнических решений.The signals from the outputs of
Например, на фиг. 13-15 представлены варианты реализации усилителя 35 для устройств, не требующих предельной чувствительности. В таких устройствах минимальный уровень полезного сигнала, усиленного в предыдущих каскадах, существенно превышает 1/f шумы собственно усилителя, и их влиянием при низкочастотной фильтрации можно пренебречь. Возможно использование одноканального варианта (фиг. 13), в котором последовательно соединены фильтр 39 верхних частот, промежуточный усилитель 40, фильтр 41 нижних частот и усилитель 42 полезного сигнала. Фильтр 39 с частотой среза, соответствующей минимальной регистрируемой частоте дыхания (порядка 0,1 Гц), пропускает только переменную составляющую сигнала, которая усиливается промежуточным усилителем 40. Фильтр 41 ограничивает полосу обрабатываемых сигналов одной из высших гармоник сигналов сердцебиения или верхней, регистрируемой доплеровской частотой, связанной с движением объекта. В двухканальном варианте (фиг. 14) в первом канале выделяется только сигнал дыхания, во втором - все остальные. При этом частота среза фильтра 41 выбирается равной частоте среза фильтра 39 (0,6...0,7 Гц). Сигналы же каналов поступают на дальнейшую обработку раздельно. В трехканальном варианте (фиг. 15) разделены соответствующим образом области частот дыхания, сердцебиения и движения человека. Разделение частотной области полезного сигнала оправдано как при последующей аналоговой обработке с целью получения возможно большей информации об объекте, так и при цифровой обработке с целью выравнивания динамических диапазонов сигналов в каналах за счет выбора в них разных коэффициентов усиления, что позволит ограничить разрядность аналого-цифрового преобразователя цифровой системы. Для устройств с повышенной чувствительностью необходимо вводить дополнительную модуляцию сигнала с частотой, находящейся вне области 1/f шумов, и проводить компенсацию на этой частоте. В этом случае схема усилителя 35 усложняется. For example, in FIG. 13-15, embodiments of
Отфильтрованные сигналы с выходов первого и второго усилителей 35, 36 поступают для дальнейшей обработки в блок обработки сигнала 10. Обработка может осуществляться как аналоговыми средствами, так и цифровым процессором после аналого-цифрового преобразования. Результатом обработки является выделение и измерение параметров информационной (переменной) составляющей сигнала, связанной с флуктуациями радиолокационной цели за счет процессов дыхания, сердцебиения или шевеления человека. Блок обработки сигнала 10 также может быть выполнен посредством различных схемотехнических решений. Filtered signals from the outputs of the first and
Например, квадратурные сигналы с выходов каналов первого и второго усилителя 35, 36 могут быть продетектированы амплитудными детекторами 43, 44 (фиг. 16). Затем эти сигналы суммируются в сумматоре 45 продетектированного сигнала и просуммированный сигнал поступает на входы интегратора 46 и первого компаратора 47. Выход интегратора 46 соединен со входом второго компаратора 48. Первый компаратор 47 формирует запускающие импульсы для ждущего мультивибратора 49 при каждом превышении просуммированным сигналом уровня Uп1. Ждущий мультивибратор 49 формирует из них импульсы одинаковой длительности, частота которых измеряется счетчиком 50 и может быть показана на индикаторе 20. Сигнал, накапливаемый в интеграторе 46, поступает на второй компаратор 48, который в течение некоторого времени, предел которого задается, сравнивает накопленный уровень с пороговым напряжением Uп2. При превышении заданного порога за заданный интервал времени, второй компаратор 48 выдает сигнал на сигнализатор 51. При истечении заданного интервала времени интегратор 46 сбрасывается и процесс повторяется. За уровнями сигналов во всех каналах можно наблюдать по индикатору 20. Такой блок обработки используется для каждого канала первого и второго усилителя 35, 36.For example, the quadrature signals from the outputs of the channels of the first and
Поскольку вышеописанная схема является достаточно сложной целесообразно применять цифровую обработку. При цифровой обработке (на чертежах не показано) блок обработки сигнала 10 должен содержать аналого-цифровой преобразователь, процессор и индикатор 20 в виде дисплея. Функциональные схемы и методика обработки в этом случае известны из других технических решений. В этом случае используется цифровая узкополосная фильтрация, спектральный анализ на основе блока преобразования Фурье с соответствующим представлением результата обработки на дисплее. Since the above scheme is quite complicated, it is advisable to apply digital processing. In digital processing (not shown in the drawings), the
Управление параметрами микроволнового локатора блоком управления 19 осуществляется с целью фиксации зоны поиска для быстрого просмотра максимального пространства, отстройки от помех, и определения дальности до обнаруженного объекта. В случае применения цифровой обработки сигнала можно объединить эту функцию с функцией управления в одном устройстве - компьютере. The parameters of the microwave locator are controlled by the
Изменяя в процессе работы длительность Tи, можно также, как и в предложенном способе, измерять дальность до объекта обнаружения по признаку уменьшения или пропадания от него сигнала при уменьшении Tи. При этом для обеспечения временного разделения процессов излучения, задержки и приема, должно сохраняться соотношение T/Tи > 2. Для уменьшения помех, вносимых далеко расположенными объектами, это отношение должно быть как можно больше. Однако при росте отношения увеличивается скважность принимаемых импульсов, что приводит к уменьшению чувствительности устройства, поэтому параметр T должен быть зафиксирован для выполнения конкретных задач.By changing during operation and the duration T may also, as in the proposed method to measure distance to the detection object on the basis of reduction or loss of signal from it and with decreasing T. Moreover, to ensure a temporary separation of the processes of radiation, delay and reception, the ratio T / T and > 2 should be maintained. To reduce the interference introduced by far-located objects, this ratio should be as large as possible. However, with an increase in the ratio, the duty cycle of the received pulses increases, which leads to a decrease in the sensitivity of the device, therefore, the parameter T must be fixed to perform specific tasks.
Наиболее успешно заявляемый способ обнаружения местоположения живого объекта и микроволновый локатор могут быть использованы в технических средствах поисково-спасательных служб для объективного определения наличия в завалах человека с признаками жизни. The most successfully claimed method of detecting the location of a living object and a microwave locator can be used in technical means of search and rescue services to objectively determine the presence in the rubble of a person with signs of life.
Источники информации
1. Патент США N 4967751.Sources of information
1. U.S. Patent No. 4,967,751.
2. Патент Германии N 4241664. 2. German patent N 4241664.
3. Журнал "IEEE TRANSACTION ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT". Bd. 40, Nr. 4, August, 1991, NEW YORK, US, стр. 747-750, CHUANG, CHEN, CHEN, "Automatic clutter-Canceler for Microwave Life-Detection Systems". 3. The journal "IEEE TRANSACTION ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT". Bd. 40, Nr. 4, August, 1991, NEW YORK, US, pp. 747-750, CHUANG, CHEN, CHEN, "Automatic clutter-Canceler for Microwave Life-Detection Systems".
Claims (16)
D ≅ c(τ3+Tпу)/2,
где с - скорость распространения радиочастотного сигнала;
τ3- длительность задержки между окончанием излучения и началом приема радиочастотного сигнала;
Тпу - длительность приема отраженного радиочастотного сигнала, при которой уменьшился уровень модулированной составляющей, соответствующая интервалу от начала приема отраженного радиочастотного сигнала до момента окончания его прихода.1. A method for detecting the location of a living object, including emitting a radio frequency signal, receiving a reflected radio frequency signal at a place of radiating an RF signal, isolating a component of a received RF signal, modulated in amplitude and phase, corresponding to the pulse rate and / or respiration of a living stationary object, judging by the selected component of the detection of a living object, characterized in that they emit a radio frequency signal with a fixed duration T, receive a reflected radio channel frequency signal in a fixed period of time Tp, equal in duration to a fixed duration Ti of the emitted radio frequency signal with a delay of τ 3 between the end of the radiation of the radio frequency signal and the beginning of reception of the reflected radio frequency signal, when a modulated component is detected, its level is measured, then the duration of the reception of the reflected radio frequency signal is changed to reduce the level of the modulated component relative to its level for the reflected RF signal received from the fixed bathtub of duration Ti, and until the end of the arrival of the reflected radio frequency signal, and the distance to the location of a living object is determined in accordance with the expression
D ≅ c (τ 3 + T PU ) / 2,
where c is the propagation velocity of the radio frequency signal;
τ 3 - the duration of the delay between the end of the radiation and the beginning of reception of the radio frequency signal;
T PU - the duration of the reception of the reflected RF signal, at which the level of the modulated component decreased, corresponding to the interval from the beginning of reception of the reflected RF signal to the end of its arrival.
где коэффициент затухания, tgδ и ε - соответственно тангенс угла диэлектрических потерь и действительная часть относительной диэлектрической проницаемости преграды на частоте 1 ГГц;
d - предполагаемая максимальная толщина преграды, м.4. The method according to claim 1, characterized in that the radio frequency signal is emitted with a frequency corresponding to the expression
Where attenuation coefficient, tanδ and ε, respectively, the dielectric loss tangent and the real part of the relative dielectric constant of the obstacle at a frequency of 1 GHz;
d is the estimated maximum thickness of the barrier, m
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99125218A RU2159942C1 (en) | 1997-05-06 | 1997-05-06 | Procedure detecting location of living objects and microwave locator for realization of procedure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99125218A RU2159942C1 (en) | 1997-05-06 | 1997-05-06 | Procedure detecting location of living objects and microwave locator for realization of procedure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2159942C1 true RU2159942C1 (en) | 2000-11-27 |
Family
ID=20227556
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99125218A RU2159942C1 (en) | 1997-05-06 | 1997-05-06 | Procedure detecting location of living objects and microwave locator for realization of procedure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2159942C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006038832A1 (en) * | 2004-09-28 | 2006-04-13 | Life Sensor Co., Ltd | Method for stabilising time position of an ultrabandwidth signal and a live object monitoring locator for carrying out said method |
RU2480786C1 (en) * | 2011-12-21 | 2013-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Device for detecting weakly pulsating objects |
RU2480785C1 (en) * | 2011-12-21 | 2013-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Device for detecting weakly vibrating objects |
RU2482511C1 (en) * | 2011-12-21 | 2013-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Detector |
-
1997
- 1997-05-06 RU RU99125218A patent/RU2159942C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006038832A1 (en) * | 2004-09-28 | 2006-04-13 | Life Sensor Co., Ltd | Method for stabilising time position of an ultrabandwidth signal and a live object monitoring locator for carrying out said method |
RU2480786C1 (en) * | 2011-12-21 | 2013-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Device for detecting weakly pulsating objects |
RU2480785C1 (en) * | 2011-12-21 | 2013-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Device for detecting weakly vibrating objects |
RU2482511C1 (en) * | 2011-12-21 | 2013-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) | Detector |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3877783B2 (en) | A method for finding the position of a living organism and a microwave probe using the | |
US7679545B2 (en) | Suppressing motion interference in a radar detection system | |
JP5230477B2 (en) | Pulse type ultra-wideband sensor and method thereof | |
US4958638A (en) | Non-contact vital signs monitor | |
RU2313108C2 (en) | Mode of detection living objects and an arrangement for its execution | |
JP2009213881A6 (en) | Pulse type ultra-wideband sensor and method thereof | |
JP2019525195A (en) | Method for processing signals originating from coherent riders and associated rider systems | |
TW202031196A (en) | Multi-target vital sign detection system and method | |
Matthews et al. | A non-contact vital signs monitor | |
TW202114600A (en) | Multi-target vital sign detector and detection method thereof | |
RU2392853C1 (en) | Method of remote breath and heartbeat parametre measurement | |
JP2006288974A (en) | Ultrasonic diagnostic equipment | |
RU2159942C1 (en) | Procedure detecting location of living objects and microwave locator for realization of procedure | |
RU2287841C1 (en) | Doppler radio-wave annunciator for intruder alarm | |
Wei et al. | Digitally assisted low IF architecture for noncontact vital sign detection | |
RU2392852C2 (en) | Impulse superbroadband sensor of remote breath and heartbeat monitoring | |
Radzicki et al. | Standoff CW radar for through-the-wall detection of human heartbeat signatures | |
Ramadhamy et al. | Clutter Reduction in Detecting Trapped Human Respiration Under Rubble for FMCW Radar System | |
Kunita et al. | Range measurement using ultrasound FMCW signals | |
Li et al. | A quadrature Doppler radar system for sensing human respiration and heart rates | |
RU2260816C2 (en) | Method for detection of living objects and device for its realization | |
Abdul-Atty et al. | C-band FMCW radar design and implementation for breathing rate estimation | |
Gupta et al. | FM-UWB for radar and communications in medical applications | |
Ayhan et al. | A 96 GHz radar system for respiration and heart rate measurements | |
JPH0348789A (en) | Cw doppler device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20030507 |