СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ДИСТАНЦИОННОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ, СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ТРАНСПОНДЕР
METHOD FOR DETECTION AND REMOTE IDENTIFICATION OF OBJECTS, SYSTEM FOR REALISING SAID METHOD AND TRANSPONDER

Изобретение относится к способам и системам обнаружения и дистанционной бесконтактной идентификации подвижных и неподвижных объектов, а также скрытых объектов (трубопроводов, кабелей и пр.), снабженных транспондером (реперной меткой).
Широко известны способы и системы дистанционной идентификации объектов TIRIS фирм Texas Instruments (США) и Dallas Semiconduktor (США), представляющие собой электронные идентификаторы в системах ограниченного доступа. Эти системы основаны на связи по радиоканалу (приемно-передающее устройство и антенно-фидерные системы) между базовым блоком (блоком считывания, запросчиком) и транспондером (ответчиком, реперной меткой) без автономного источника электропитания, установленным на идентифицируемом объекте.
Эти системы, однако, обладают относительно высокой чувствительностью к внешним электромагнитным помехам и позволяют определять только наличие объекта, снабженного транспондером, вблизи базового блока, но не точное местонахождение скрытых объектов, снабженных транспондером.
Известна также система идентификации по патенту RU №2260848, МПК 7 G06K 19/00, H04B 15/00, приоритет от 04.02.2000 г. (прототип), в которой передатчик базового блока (ББ) через антенну излучает кратковременные запросные импульсы с постоянной несущей частотой, например 13,56 МГц. Наведенное в приемной антенне транспондера напряжение через выпрямитель питает всю схему транспондера, в том числе генератор тактовой частоты и микросхему (контроллер), формирующую кодовый импульс ответа. Поэтому передатчик ББ излучает запросный импульс повышенной длительности, причем, первая половина импульса немодулирована и предназначена для передачи в транспондер некоторого количества энергии, необходимого для работы схемы транспондера, а вторая половина импульса передатчика ББ модулирована (любым известным способом) кодом запроса. После получения кода запроса микросхема транспондера вырабатывает модулированный ответный радиоимпульс, который излучается передатчиком транспондера через приемопередающую антенну транспондера, но уже на частоте, отличной от несущей частоты запросного импульса ББ. Приемник ББ настраивается на частоту ответного импульса транспондера, и электронная схема ББ производит оценку расстояния от ББ до транспондера по разности этих частот.
Известный транспондер, а также содержащая его чип-карта и средство идентификации по прототипу, содержит в том числе приемную антенну, к которой подключен выпрямитель с накопительной емкостью, являющейся источником электропитания всей схемы транспондера, напряжение с которой подается на аналогово-цифровой преобразователь, управляющий частотой тактового генератора. Таким образом, частота тактового генератора определяется величиной напряжения на накопительной емкости, которая, в свою очередь, зависит от расстояния между антенной ББ и приемной антенной транспондера.
Недостатком известных технических решений, описанных в прототипе, является то, что приемник ББ должен постоянно принимать довольно широкий диапазон частот (до мегагерц), что существенно снижает помехоустойчивость всей системы идентификации.
Другим недостатком является то, что существенно усложнены электронные схемы ББ и транспондера, так как первая должна содержать устройство типа анализатора спектра, а вторая - генератор переменной частоты, управляемый напряжением, с введенным для соответствия этой цели аналогово-цифровым преобразователем.
Общим недостатком вышеназванных систем является то, что передатчик ББ и передатчик транспондера работают на одной частоте, из-за чего либо часть (в прототипе - половина длительности) запросного радиоимпульса вынужденно не несет полезного сигнала, так как используется для снабжения электронной схемы транспондера энергией, либо на целый ряд запросных импульсов не поступает ответного сигнала транспондера, так как снабжение энергией транспондера осуществляется за счет энергии принимаемых запросных радиоимпульсов, в результате чего снижается оперативность идентификации объектов, снабженных транспондерами. Из-за того что накопительная емкость транспондера постоянно нагружена на потребители энергии - элементы схемы транспондера - эта емкость разряжается во время пауз между запросными импульсами, что приводит как к увеличению времени заряда накопительной емкости до рабочего напряжения схемы транспондера, так и к уменьшению дальнодействия системы, поскольку величина наведенного в приемной антенне транспондера напряжения быстро снижается с увеличением расстояния между ББ и идентифицируемым объектом.
Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является повышение помехозащищенности системы идентификации объектов, увеличение дальнодействия, упрощение схемы транспондера и повышение оперативности обмена данными ББ и транспондера, а также достижения возможности точного определения места нахождения скрытого объекта, снабженного транспондером.
Для решения поставленной задачи предложен способ обнаружения и дистанционной идентификации объектов, включающий излучение запросного сигнала с постоянной несущей частотой передатчиком базового блока через передающую антенну, наведение в приемной антенне транспондера напряжения, через выпрямитель питающего всю схему транспондера, в том числе микросхему или контроллер, формирующую кодовый импульс ответа. При этом передатчик базового блока работает на фиксированной частоте в непрерывном режиме во время поиска и идентификации объекта и в режиме амплитудной модуляции во время перекодировки контроллера транспондера, передатчик транспондера работает на частоте, отличной от частоты передатчика ББ, а расстояние между антенной ББ и транспондером оценивают по частоте посылок ответных импульсов транспондера.
Способ реализуется посредством системы обнаружения и дистанционной идентификации объектов, состоящей из базового блока, содержащего источник электропитания, радиопередатчик с излучающей антенной, модулятор сигналов передатчика и блок оперативного управления, приемник сигналов транспондеров, не имеющих автономного источника питания, установленных на идентифицируемых объектах, при этом приемник сигналов транспондеров снабжен отдельной настроенной приемной антенной, а модулятор передатчика снабжен переключателем режимов непрерывной генерации и импульсной модуляции. Передающая антенна базового блока выполнена в виде отдельного узла, имеющего возможность перемещения в пространстве относительно базового блока.
Транспондер содержит приемную антенну с подключенным к ней выпрямителем, нагруженным на накопительную емкость, контроллер в виде большой интегральной схемы (БИС), присоединенный в качестве нагрузки к накопительной емкости, и передатчик ответных радиоимпульсов, присоединенный в качестве нагрузки к накопительной емкости, при этом к накопительной емкости в качестве нагрузки присоединен блок включения программы передачи ответного импульса, имеющий не менее двух выходов, один из которых соединен с одним из входов контроллера. Один вход передатчика радиоимпульсов соединен с одним из выходов контроллера, а второй вход передатчика соединен с одним из выходов блока включения программы передачи ответного импульса. Настроенная передающая антенна транспондера соединена с выходом передатчика, а к приемной антенне подключен амплитудный детектор, выход которого соединен с другим входом контроллера.
Блок включения программы передачи ответного импульса представляет собой одно из известных импульсных устройств, например заторможенный мультивибратор.
Работа передатчика ББ на фиксированной частоте в непрерывном режиме во время поиска и идентификации объекта и в режиме амплитудной модуляции во время перекодировки контроллера транспондера, работа передатчика транспондера на частоте, отличной от частоты передатчика ББ и применение нового способа оценки расстояния между антенной ББ и транспондером по частоте посылок ответных импульсов транспондера позволяет повысить помехозащищенность системы идентификации объектов, что повышает надежность работы системы, увеличить дальнодействие, упростить схему транспондера и повысить оперативность обмена данными ББ и транспондера, а также повысить точность определения места нахождения скрытого объекта, снабженного транспондером.
Определение места нахождения скрытого объекта, снабженного транспондером (реперной меткой), достигается за счет выполнения антенны передатчика ББ в виде отдельного элемента с возможностью перемещения антенны передатчика ББ в пространстве.
Работа системы поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена общая схема системы обнаружения и дистанционной идентификации объектов; на фиг.2 - блок-схема базового блока системы; на фиг.3 - блок-схема транспондера системы.
Система обнаружения и дистанционной идентификации объектов состоит из базового блока 1 с выносной передающей антенной 2 и транспондера 3. Базовый блок 1 содержит источник электропитания 4, радиопередатчик 5 с излучающей антенной 2, модулятор сигналов передатчика 6, микропроцессор 7 и блок оперативного управления 8, приемник сигналов транспондеров 9, установленных на идентифицируемом объекте, не имеющих автономного источника питания. Приемник сигналов транспондеров 9 снабжен отдельной настроенной приемной антенной 10, а модулятор сигналов передатчика 6 соединен с переключателем режимов 11 непрерывной генерации и импульсной модуляции. Вход переключателя режимов модулятора 11 соединен с управляющим выходом блока оперативного управления. Передающая антенна 2 базового блока 1 выполнена в виде отдельного блока, имеющего возможность перемещения в пространстве относительно базового блока.
Транспондер 3 содержит приемную антенну 12 с подключенным к ней выпрямителем 13, нагруженным на накопительную емкость 14, контроллер 15 в виде, например, большой интегральной схемы (БИС), присоединенный в качестве нагрузки к накопительной емкости 14, и передатчик ответных радиоимпульсов 16, присоединенный в качестве нагрузки к накопительной емкости 14. К накопительной емкости 14 в качестве нагрузки присоединен также блок включения программы передачи ответного импульса 17, имеющий не менее двух выходов, один из которых соединен с одним из входов контроллера. Один вход передатчика радиоимпульсов 16 соединен с одним из выходов контроллера 15, а второй вход передатчика 16 соединен с одним из выходов блока включения программы передачи ответного импульса 17. Настроенная передающая антенна транспондера 18 соединена с выходом передатчика 16, а к приемной антенне транспондера подключен амплитудный детектор 19, выход которого соединен с другим входом контроллера 15.
Пример реализации способа обнаружения и дистанционной бесконтактной идентификации объектов и системы для его осуществления.
Сигналом передатчика ББ, который представляет собой непрерывное немодулированное излучение на частоте, например, порядка сотен килогерц, в приемной антенне 12 транспондера наводится напряжение, которое выпрямляется выпрямителем 13, нагруженным на накопительную емкость 14. Напряжение от заряженной накопительной емкости 14 поступает на блок запуска программы передачи ответного импульса 17, который имеет два выхода, один из которых соединен с одним из входов контроллера 15, а ко второму выходу подсоединен передатчик 16. Кроме того, напряжение с накопительной емкости 14 поступает для питания цепей контроллера 15 и передатчика 16. Когда напряжение на накопительной емкости 14 достигнет заранее заданного при изготовлении транспондера уровня срабатывания блока запуска программы передачи ответного импульса 17, импульс с одного выхода блока 17 запускает схему выработки ответного кода, находящуюся в контроллере 15, а импульс со второго выхода переводит запертый до этого момента автогенератор передатчика 16 в режим генерации. Модулирующий кодовый импульс с выхода контроллера 15 поступает на вход передатчика 16 транспондера, и модулированный радиоимпульс ответа излучается настроенной передающей антенной 18. Во время излучения импульса ответа накопительная емкость разряжается до напряжения ниже установленного напряжения срабатывания блока запуска программы передачи ответного импульса 17. Электронная схема транспондера этим блоком переводится в режим молчания (контроллер в режим пониженного энергопотребления, передатчик транспондера отключается) до тех пор, пока напряжение на накопительной емкости снова не достигнет величины установленного напряжения срабатывания блока запуска программы передачи ответного импульса, после чего процесс выработки ответного модулированного радиоимпульса повторится снова. В режиме молчания электронная схема транспондера практически не потребляет тока, поэтому заряд накопительной емкости происходит значительно быстрее.
Частота повторения ответных импульсов зависит от времени заряда накопительной емкости напряжением, возбуждаемым в приемной антенне транспондера 12 непрерывным немодулированным сигналом ББ. Чем меньше расстояние между передающей антенной ББ и транспондером, тем выше напряжение, возбуждаемое в приемной антенне транспондера, тем меньше время заряда накопительной емкости и тем выше, следовательно, частота посылок ответного импульса транспондера. При поиске скрытого объекта, снабженного реперной меткой, осуществляют сканирование передающей антенной антенной ББ предполагаемой области пространства и определяют место расположения объекта по максимальной частоте посылок ответных импульсов транспондера. Частота посылок ответного импульса транспондера индицируется на дисплее блока оперативного управления 8. Передающую антенну 2 перемещают в пространстве до тех пор, пока частота посылок ответного импульса транспондера не станет максимальной, что свидетельствует о минимальном расстоянии между передающей антенной 2 и транспондером 3.
з
вкл
д
э
Время заряда накопительной емкости t до величины напряжения включения транспондера U определяется в зависимости от действующего напряжения на выходе выпрямителя U, величины накопительной емкости С и эквивалентного внутреннего сопротивления приемной антенны транспондера с выпрямителем R и может быть найдено из уравнения:
вкл
д
з
U=U*(1-exp(-t/R/C)).
н
отв
вкл
выкл
Минимальную необходимую величину накопительной емкости выбирают в зависимости от величины сопротивления нагрузки R, которое определяется как отношение рабочего напряжения электронной схемы транспондера к суммарному потребляемому всеми блоками схемы току, необходимой длительности ответного импульса транспондера t и величин напряжения включения и отключения транспондера U и U соответственно. Величины напряжения включения и выключения транспондера задаются при изготовлении транспондера и определяют работу блока запуска программы передачи ответного импульса. Тогда минимальную необходимую величину накопительной емкости можно найти из уравнения:
вкл
oтв
н
выкл
U*ехр(-t/R/С)=U.
Передатчик транспондера может работать на согласованную антенну на частоте, например, в области десятков и сотен мегагерц, благодаря чему увеличивается амплитуда излучаемого сигнала и, следовательно, дальность уверенного приема этого сигнала. А поскольку снабжение транспондера энергией осуществляется на частоте, отличной от частоты передатчика ответного импульса и, кроме того, немодулированным непрерывным сигналом, то энергия поступает в накопительную емкость непрерывно, так как отсутствуют паузы между запросными импульсами, во время которых накопительная емкость разряжается, что позволяет дополнительно повысить мощность на выходе передатчика. Поэтому в воздушной среде расстояние между антенной ББ и транспондером реперной метки, на котором происходит уверенная идентификация транспондера, может достигать нескольких десятков метров.
Для перекодировки контроллера транспондера по команде, набранной на клавиатуре блока оперативного управления 8 (см. фиг.2), модулятор 6 передатчика 5 ББ переключается в режим амплитудной модуляции и на него поступает кодовый сигнал с микропроцессора 7, форма которого задается блоком управления 8. Когда на приемную антенну транспондера 12 (см. фиг.3) поступает сигнал с амплитудной модуляцией, то на выходе амплитудного детектора 19 транспондера появляется соответствующий импульсный сигнал, который поступает на второй (управляющий перекодировкой) вход контроллера 15. Появление сигнала на управляющем входе контроллера 15 транспондера отключает программу передачи ответного импульса и прекращает работу передатчика 16 транспондера, а управляющий сигнал производит перекодировку данного транспондера. Переключение режимов работы базового блока осуществляется оператором с помощью клавиатуры блока управления 8.
Таким образом, изобретение позволяет повысить помехозащищенность системы идентификации объектов, что повышает надежность работы системы, увеличить дальнодействие, упростить схему транспондера и повысить оперативность обмена данными ББ и транспондера, а также повысить точность определения места нахождения скрытого объекта, снабженного транспондером.