ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ СЕНСОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ
DIFFERENTIAL SENSOR TO DETECT MOVING OBJECTS

Область техники
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для обнаружения перемещающегося объекта, например движения человека в контролируемой сенсором зоне.
Предшествующий уровень техники
Основными типами существующих в настоящее время датчиков движения объектов являются инфракрасные датчики, ультразвуковые детекторы, емкостные датчики движения объектов, радиоволновые детекторы движения, доплеровские сенсоры и комбинированные датчики.
Радиоволновые детекторы движения работают в СВЧ диапазоне. Излучение и прием осуществляются одной (двумя) антенной. Радиоволновые извещатели формируют объемную зону обнаружения за счет переотражений энергии. В основе работы таких датчиков лежит использование эффекта Доплера или интерференция радиоволн сантиметрового диапазона.
Наиболее близким для заявленного технического решения является сенсор для обнаружения движущихся объектов при помощи сверхширокополосного сигнала (RU, №2311658, опубл. 27.11.2007).
Этот сенсор представляет собой устройство для обнаружения и мониторинга движущихся объектов. Сенсор содержит генератор импульсов, две антенны, два детектора, дифференциальный усилитель, фильтр нижних частот, устройство обратной связи, компаратор. Для обнаружения и мониторинга движущихся объектов антеннами излучается сверхширокополосный (СШП) импульсный сигнал и принимается сигнал, отраженный от окружающих объектов. В пространстве образуется определенное распределение электромагнитного поля, которое изменяется при появлении движущихся объектов, и это изменение регистрируется сенсором.
Преимущества такого сенсора:
- широкий спектр зондирующего сигнала, позволяющий использовать малые излучаемые уровни;
- малая потребляемая мощность вследствие импульсного характера излучения и большой скважности;
- использование дифференциальной схемы позволяет скомпенсировать помехи, падающие на сенсор в виде плоских волн электромагнитного поля, что существенно повышает чувствительность сенсора.
Однако известное техническое решение имеет определенные недостатки.
Устройство использует сверхширокополосный зондирующий сигнал, занимающий полосу частот от сотен мегагерц до нескольких гигагерц. Применение таких сигналов во многих странах запрещено, а в тех странах, где это разрешено, имеются существенные ограничения по амплитуде и мощности излучаемых сигналов. Например, в США стандартом FCC 02-48 уровень спектральной плотности мощности излучения СШП сигналов ограничен на уровне -43 дБм/МГц. Это существенно снижает возможность применения сенсора как по дальности обнаружения, так и областям применения.
Кроме того, используемая в известном техническом решении отрицательная обратная связь изменяет режим работы детектора и уменьшает коэффициент передачи по полезному сигналу. Уменьшение напряжения обратной связи увеличивает коэффициент передачи детектора, что нейтрализует ее действие и требует применение дифференциальных усилителей с большим коэффициентом усиления. При больших разбалансах сенсора, вызываемых окружающей средой, может произойти прекращение его работы. Устройство требует преимущественного использования рамочных антенн.
Раскрытие изобретения
Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение дальности обнаружения, усовершенствование эксплуатационных возможностей за счет существенного сужения диапазона частот эмиссии зондирующего сигнала и расширения диапазона регулировки обратной связи, позволяющего, в свою очередь, расширить диапазон изменения свойств окружающей среды вокруг сенсора.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном сенсоре для обнаружения движущихся объектов, содержащем первую антенну и вторую антенну, генератор импульсов, выполненный с двумя выходами, и первый выход которого соответственно подсоединен к входу/выходу первой антенны, а второй его выход - к входу/выходу второй антенны, входную цепь, состоящую из двух детекторов, вход первого детектора подсоединен к входу/выходу первой антенны, а вход второго детектора - к входу/выходу второй антенны, дифференциальный усилитель, устройство обратной связи, фильтр нижних частот, компаратор, при этом выход первого детектора соединен с первым входом дифференциального усилителя, а выход второго детектора - со вторым входом дифференциального усилителя, выход дифференциального усилителя соединен с входом фильтра нижних частот и с входом устройства обратной связи, которое предназначено для подавления внешних помех сенсора и выход которого соединен с выходом одного из детекторов, выход фильтра нижних частот подсоединен к входу компаратора, на другой управляющий вход которого подано напряжение порога срабатывания сенсора, а выход компаратора предназначен для выработки сигнала тревоги сенсора, согласно изобретению генератор импульсов выполнен обеспечивающим формирование радиоимпульсов и создан на базе генератора задающих импульсов и генератора гармонического сигнала, выход генератора задающих импульсов подсоединен к входу генератора гармонического сигнала, а его два выхода служат соответственно двумя выходами генератора импульсов, введен дополнительный фильтр нижних частот, устройство обратной связи выполнено с двумя выходами, первый из которых подсоединен к выходу одного из детекторов, а второй выход которого подсоединен через дополнительный фильтр нижних частот к входу того детектора, к выходу которого подсоединен первый выход устройства обратной связи.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются приведенным вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Краткий перечень чертежей
Фиг.1 изображает функциональную схему сенсора;
Фиг.2 - принципиальную схему генератора импульсов, а именно радиоимпульсов (ТРИ);
Фиг.3 - диаграммы формирования выходного видеоимпульса генератора на фиг.2;
Фиг.4 - формы колебаний выходных сигналов: видеоимпульса генератора задающих импульсов и радиоимпульса (ГРИ) на фиг.2;
Фиг.5 - принципиальную схему входной цепи на фиг.1;
Фиг.6 - принципиальную схему дифференциального усилителя на фиг.1;
Фиг.7 - принципиальную схему устройства обратной связи на фиг.1.
Лучший вариант осуществления изобретения
Сенсор для обнаружения движущихся объектов (фиг.1) содержит первую антенну 1 и вторую антенну 2, генератор 3 импульсов, выполненный с двумя выходами, и первый выход которого соответственно подсоединен к входу/выходу первой антенны 1, а второй его выход - к входу/выходу второй антенны 2. Входная цепь 4 состоит из двух детекторов 5 и 6. Вход первого детектора 5 подсоединен к входу/выходу первой антенны 1, а вход второго детектора 6 - к входу/выходу второй антенны 2. Сенсор содержит дифференциальный усилитель 7 (ДУ), устройство 8 обратной связи (УОС), фильтр 9 нижних частот (ФНЧ), компаратор 10. Выход первого детектора 5 соединен с первым входом дифференциального усилителя 7, а выход второго детектора 6 - со вторым входом дифференциального усилителя 7. Выход ДУ 7 соединен с входом ФНЧ 9 и с входом УОС 8. Устройство 8 обратной связи предназначено для автоматической балансировки сенсора, подавления его внешних помех и его выход соединен с выходом одного из детекторов, например второго детектора 6. Выход ФНЧ 9 подсоединен к входу компаратора 10. На управляющий вход компаратора 10 соответственно подается напряжение порога срабатывания сенсора, а выход компаратора 10 предназначен для выработки сигнала тревоги устройства.
Генератор 3 импульсов выполнен обеспечивающим формирование радиоимпульсов и создан на базе генератора 11 задающих импульсов и генератора 12 гармонического сигнала. Выход генератора 11 задающих импульсов подсоединен к входу генератора 12 гармонического сигнала, а его два выхода служат соответственно двумя выходами генератора 3 импульсов. В сенсор введен дополнительный фильтр 13 нижних частот (ДФНЧ). Устройство 8 обратной связи выполнено с двумя выходами, первый из которых подсоединен к выходу одного из детекторов, например второго детектора 6. Второй выход УОС 8 подсоединен через дополнительный фильтр 13 нижних частот к входу того детектора, например второго детектора 6, к выходу которого подсоединен первый выход УОС 8.
Устройство допускает возможность использования любых типов антенн 1 и 2.
Работает устройство (фиг.1) следующим образом.
Генератор 11 задающих импульсов генерирует импульсы, которые используются для питания генератора 12 гармонического сигнала с двумя выходами.
В результате при подаче импульсного питания на выходах генератора 3 (ГРИ) формируются радиоимпульсы, излучаемые антеннами 1 и 2 и одновременно отпирающие диоды первого детектора 5 и второго детектора 6. Длительность импульсов генератора 3 (ГРИ) определяет временной интервал открытия диодов первого и второго детекторов 5, 6 и, следовательно, зону дальности в пределах которой сенсор принимает сигналы, отраженные от удаленных движущихся объектов. С другой стороны, центральная частота и ширина спектра формируемых радиоимпульсов ГРИ генератора 3 определяются соответственно центральной частотой генератора 12 гармонических сигналов и длительностью импульса генератора 11. Малая длительность радиоимпульса определяет малое время открытия диодов первого и второго детекторов 5, 6 и обеспечивает малый уровень помех поступающих с антенн 1, 2 на входы входной цепи 4 приемника. Первый и второй детекторы 5, 6 представляют собой диодный смеситель, разность напряжений, в плечах которого усиливается ДУ 7. Для устранения возможного разбаланса сигналов с каналов приема первым и вторым детектором 5, 6 применено УОС 8 с двумя выходами. Введение обратной связи с помощью УОС 8 автоматически при отсутствии движущихся объектов в зоне нахождения первой и второй антенны 1, 2 поддерживает постоянный выходной сигнал на выходе ДУ 7, равный половине напряжения питания (0,5 VCC).
Использование обратной связи с двумя выходами, кроме обеспечения постоянного выходного сигнала ДУ 7, обеспечивает поддержание постоянной разности потенциалов катода и анода диода детектора 6 при значительном разбалансе антенн 1 и 2, вызванном, например, влиянием неоднородной внешней среды вблизи антенн 1 и 2. Дополнительный фильтр 13 нижних частот обеспечивает подключение обратной связи к входу одного из детекторов, например второго детектора 6, и необходимую развязку по высокой частоте формируемых радиоимпульсов. Постоянная времени УОС 8 выбрана обеспечивающей устранение медленных разбалансов первой и второй антенн 1, 2 и первого и второго детекторов 5, 6, вызываемых влиянием погодных условий (снег, лед, температура). Влияние изменения погодных условий вызывает медленные изменения сигналов, которые происходят за время более 10 с. В тоже время быстрые изменения сигналов, вызванные движением живых людей, происходят при частотах от 0,1 до 10 Гц, и такие быстрые изменения сигналов надлежащим образом проходят на выход ДУ 7.
Полученная с выхода ДУ 7 усиленная разность сигналов фильтруется ФНЧ 9 с полосой пропускания около 10 Гц и усилением ≈20 дБ. С ФНЧ 9 сигналы подаются на компаратор 10, генерирующий сигналы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) уровня при превышении заданного порога срабатывания входного сигнала с ФНЧ 9.
При появлении в зоне расположения первой и второй антенны 1, 2 какого-либо движущегося объекта отраженные от него сигналы принимаются первой и второй антеннами 1, 2 и детектируются входной цепью 4. Поскольку антенны 1 и 2 пространственно разнесены, то принимаемые ими сигналы будут различаться по форме, амплитуде и задержке и на выходе ДУ 7 появляется выходной сигнал, который после сравнения с порогом в компараторе 10 используется для выдачи сигнала тревоги.
Для стабилизации рабочей точки детектора, например второго детектора 6, вход которого соединен с устройством 8 обратной связи, используется дополнительный фильтр 13 нижних частот. В известном техническом решении отрицательная обратная связь УОС 8, подсоединенная к выходу второго детектора 6, изменяет режим работы этого детектора и уменьшает коэффициент передачи по полезному сигналу. Уменьшение напряжения обратной связи увеличивает коэффициент передачи второго детектора 6, что нейтрализует ее действие и требует применение дифференциального усилителя 7 с большим коэффициентом усиления. При больших разбалансах сенсора, вызываемых окружающей средой, может произойти прекращение его работы. Для исключения этих отрицательных последствий действия обратной связи, подаваемой на выход второго детектора 6 (на вход ДУ 7), на вход второго детектора 6 также подается напряжение со второго выхода устройства 8 обратной связи. Поскольку на входе второго детектора 6 присутствует высокочастотный сигнал, то это напряжение подается через дополнительный фильтр 13 нижних частот, который пропускает только низкочастотный сигнал отрицательной обратной связи и исключает шунтирование входной цепи второго детектора 6 выходом устройства 8 обратной связи. При обеспечении этих условий напряжение на входе и выходе второго детектора 6 при действии обратной связи изменяется синхронно, обеспечивая постоянство положения его рабочей точки. Подключение обратной связи к входу второго детектора 6 увеличивает эффективность его работы и позволяет уменьшить более чем в 10 раз коэффициент усиления дифференциального усилителя 7 и устойчивость его работы при разных уровнях сигналов с выходов первого и второго детекторов 5, 6.
В устройстве используется радиоимпульсный зондирующий сигнал. Длительность импульса генератора 3 (ГРИ) составляет сотни наносекунд, что, с одной стороны, определяет достаточно малую мощность потребления (при частоте повторения в единицы и десятки килогерц), а с другой стороны, позволяет работать в заданном (разрешенном для использования) частотном диапазоне и обеспечить высокую помехоустойчивость в различных погодных условиях на излучаемых сигналах малой мощности.
Специалистам понятно, что приведенные на фигуре 1 функциональные блоки могут быть выполнены технически различным образом, но не изменяющими сущности изобретения, приведенного в независимом пункте его формулы.
Далее, например, более подробно описано выполнение отдельных функциональных блоков, изображенных на фиг.1.
Генератор 3 (фиг.2) состоит из генератора 11 задающих импульсов и генератора 12 гармонического сигнала. Генератор 11 представляет собой RC-мультивибратор на RS- и D-триггерах. RS-триггер D1 является мультивибратором, генерирующий меандр амплитудой А=3В, частотой около 10 кГц, длительностью фронтов 1 нс и постоянной составляющей, равной А/2=1,5 В. Накопительные конденсаторы С1 и С2 на входах установки логического нуля и единицы и резисторы R1 и R2 в цепях обратной связи формируют соответствующую длительность полупериодов меандра и частоту следования выходных импульсов. Диоды VD1 и VD2 служат для ускорения процессов заряда и разряда конденсаторов С1 и С2, соответственно.
D-триггер D2 служит для формирования видеоимпульса с заданными параметрами, длительность которого определяется длиной обратной связи, внутренней задержкой сигнала в конкретной микросхеме, емкостью конденсатора С3 и сопротивлением резистора R3.
Генератор 12 гармонического сигнала (фиг.2) представляет из себя задающий генератор на транзисторе VT1 и формирователи выходов на транзисторах VT2 и VT3, включенные по схеме с общим эммитером. Задающий генератор содержит в базовой цепи колебательный контур из конденсатора С4 и конструктивной полосковой линии. Обратная связь определяется емкостным делителем на конденсаторах С5 и С6.
Работает генератор 3 (ГРИ) следующим образом (фиг.2).
При включении питания триггер D1 устанавливается в исходное состояние, соответствующее, например, логической единице. Конденсатор С1 начинает медленно заряжаться и при его заряде на вход установки логического нуля поступает логический нуль, сбрасывая триггер D1 в нуль. График заряда/разряда конденсатора С1 на входе установки логического нуля R триггера D1 показан на фигуре 3 (А). В этот момент начинается заряд конденсатора С2 и при полной его зарядке на вход установки логической единицы поступает логический нуль и триггер D1 устанавливается в состояние логической единицы. График заряда/разряда конденсатора С2 на входе установки логической единицы S триггера D1 показан на фигуре 3 (В). Таким образом, на синхронизирующий вход триггера D2 с неинвертирующего выхода Q1 триггера D1 поступает меандр с заданной частотой, график которого показан на фигуре 3 (С). Длительность процессов заряда и разряда конденсаторов С1 и С2 определяет длительность полупериодов меандра и частоту следования выходных импульсов генератора. Триггер D2, срабатывая по фронту меандра, принимает значение логической единицы на время, равное длине пробега сигнала по цепи обратной связи и внутренней задержке триггера. Зависимость напряжения с неинвертирующего выхода Q2 триггера D2 от времени показана на фигуре 3 (D).
Выход Q2 соединен с цепью питания генератора 12 гармонического сигнала. При нарастании напряжения за счет положительной обратной связи на конденсаторе С5 происходит самовозбуждение генератора 12 и он генерирует гармонические колебания с частотой, определяемой колебательным контуром в базовой цепи. Грубая установка частоты определяется длиной закороченной на конце полосковой линии, соединенной последовательно с конденсатором С4. Плавная подстройка частоты осуществляется конденсатором С4. При окончании импульса на выходе Q2 генерация прекращается.
Высокочастотный сигнал с эммитера VT1 поступает на базы транзисторов VT2 и VT3 усиливается и через конденсаторы С 8 и С 10 поступает на выходы Вых1 и Вых2.
В результате на выходах генератора 3 (ГРИ) формируются два выходных радиоимпульса. Длительность, период повторения и несущая частота радиоимпульсов могут меняться в широких пределах. Формы колебаний видеоимпульса с выхода генератора 11 задающих импульсов и радиоимпульса с выхода генератора 12 показаны на фиг.4.
Входная цепь 4 сенсора представляет собой два диодных детектора (фиг.5). В отсутствии радиоимпульсов с ГРИ 3 диоды (VD1 и VD2) заперты, что обеспечивает помехоустойчивость и уменьшение частоты ложных срабатываний. Радиоимпульсы подаются на аноды диодов VD1 и VD2, отпирая их во время положительных полуволн, и одновременно излучаются через первую и вторую антенны 1 и 2. В течение длительности радиоимпульса происходит прием сигналов первой и второй антенной 1 и 2, а при отсутствии радиоимпульса прием не ведется. Конденсаторы С1 и С2 заряжаются радиоимпульсами через диоды VD1 и VD2, соответственно. При отсутствии радиоимпульсов происходит разряд конденсаторов через входные цепи ДУ 7. В результате в статическом режиме на конденсаторах устанавливается некоторое рабочее пульсирующее напряжение, которое прикладывается к входам ДУ 7. На выходе ДУ 7 в статическом режиме устанавливается постоянное выходное напряжение.
При появлении в области расположения антенн 1 и 2 движущихся объектов происходит изменение напряжений на выходах этих антенн, вызванное изменением отраженных от окружающих объектов сигналов. Срабатывание сенсора происходит за счет разбаланса напряжений на конденсаторах С1 и С2, вызванного приемом различных сигналов антеннами 1 и 2 (А1 и А2). Разность напряжений между первым и вторым выходами входной цепи 4 усиливается ДУ 7.
В качестве дифференциального усилителя 7 (фиг.1) использована стандартная схема дифференциального усилителя на двух операционных усилителях (фиг.6). Выход первого операционного усилителя D1 подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя D2.
Сигнал с выхода ДУ 7 поступает на вход УОС 8 и ФНЧ 9 (фиг.1). ФНЧ 9 и компаратор 10 могут быть выполнены подобно ближайшему аналогу. Изменение температуры окружающей среды и диэлектрической проницаемости среды, окружающей первую или вторую антенны 1 и 2, приводит к появлению различных напряжений на выходах детекторов 5, 6 и, как следствие, постоянного напряжения на выходе ДУ 7. Это напряжение может вызвать срабатывание компаратора 10 и его неправильную работу. Для подавления этого эффекта в схему включено устройство 8 обратной связи с двумя выходами (фиг.1), на вход которого подается сигнал с выхода ДУ 7, а его первый выход подключается к выходу детектора 6, а второй выход - через последовательно включенный второй дополнительный фильтр 13 нижних частот (ДФНЧ) к входу детектора 6.
Устройство 8 обратной связи (фиг.7) состоит из интегратора, реализованного на операционном усилителе. Постоянная времени RC цепи обратной связи операционного усилителя определяет минимальную скорость, с которой может двигаться объект для регистрации сенсором и определяется соотношением
где Toc - постоянная времени цепи обратной связи, с;
S - расстояние, преодолеваемое объектом в объемной зоне обнаружения сенсора, м;
Vmin - минимальная скорость, с которой может двигаться объект для регистрации сенсором его движения, м/с.
В практической реализации устройства постоянная времени, например, составляет 12 секунд, что соответствует минимальной скорости движущегося объекта.
Напряжение на выход 1 УОС 8 подается с выхода 2 через резистор R3. Использование для обратной связи двух выходов с синхронно изменяющимися напряжениями позволяет стабилизировать напряжение между катодом и анодом детекторного диода при одновременной стабилизации выходного напряжения ДУ в широком диапазоне дестабилизирующих факторов.
В отличие от ближайшего аналога УОС 8 с двумя выходами позволяет существенно расширить диапазон возможных изменений свойств окружающей среды, например, располагать сенсор на бетонных поверхностях и вблизи металлических конструкций. Возникающий разбаланс каналов не приводит к изменению режима детектора, потере чувствительности и ограничению выходного напряжения в ДУ 7.
Использование в данном техническом решении радиоимпульса регулируемой длительности позволяет в отличие от ближайшего аналога изменять полосу занимаемых частот и центральную частоту излучения. Конструкция узкополосных антенн также может быть проще и, в частном случае, допускает реализацию антенн на печатной плате. За счет работы в разрешенных участках диапазона частот можно использовать большую, чем у ближайшего аналога, мощность излучения и обнаруживать объекты на расстояниях более 1÷5 м, например 10÷20 м.
Промышленная применимость
Наиболее успешно заявленный сенсор для обнаружения движущихся объектов промышленно применим для их обнаружения на расстояниях от 1 до 20 м в различных системах охраны.