Детектор широкополосного СВЧ и УКВ сигналов и способ его работы
BROADBAND SHF AND VHF SIGNALS DETECTOR AND OPERATION METHOD THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к радиотехническим средствам определения местоположения источников электромагнитных сигналов и может быть использовано для определения наличия в зоне обнаружения активного мобильного телефона, работающего на частотах стандартов GSM, CDMA, 2G, 3G и т.п.
Уровень техники
Известен способ определения местоположения источников электромагнитных сигналов (патент РФ на изобретение №2306578, кл. МПК G01S 5/02, G01S 13/95, опубл. 20.09.2007), который состоит в определении координат центра и в оценке радиуса зоны его местонахождения, осуществляется путем статистической обработки (вычислении среднего значения и стандартного отклонения) результатов позиционирования тех мобильных телефонов, связь между которыми нарушалась из-за помех.
Недостатком известного способа является недостаточно высокая вероятность обнаружения источников сигналов, а также относительно низкая чувствительность.
Тем не менее, в уровне техники не найдено наиболее близкого аналога - прототипа - заявленного детектора широкополосного СВЧ и УКВ сигналов и способа его работы.
Раскрытие изобретения
Технический результат - повышение вероятности обнаружения активности радиоустройства, работающего на частотах стандарта GSM, 2G, 3G, CDMA, CDMA-450, Wi-Fi; снижение вероятности ложного срабатывания; повышение чувствительности; а также повышенная антивандальная защищенность и простота использования за счет автоматической настройки детектора.
Высокая вероятность обнаружения и низкая вероятность ложной сработки достигается за счет использования нечеткой логики и разностного медианного фильтра.
Повышенная чувствительность устройства достигается за счет использования анализа членов разностного медианного фильтра на наличие максимальных пиков.
Указанный технический результат достигается тем, что детектор широкополосного СВЧ и УКВ сигналов включает контроллер обработки сигнала, содержащий узел СВЧ, содержащий последовательно соединенные антенну, логарифмический детектор и усилитель, причем выход антенны узла СВЧ соединен с входом логарифмического детектора, выход логарифмического детектора соединен с входом усилителя узла СВЧ, выход усилителя узла СВЧ соединен с первым входом блока АЦП узла управления; узел УКВ, содержащий последовательно соединенные антенну, детектор и усилитель, причем выход антенны узла УКВ соединен с входом детектора узла УКВ, выход детектора узла УКВ соединен с входом усилителя узла УКВ, выход усилителя узла УКВ соединен со вторым входом блока АЦП узла управления; узел управления, содержащий блоки АЦП, программной фильтрации, принятия решений, передачи данных и энергонезависимой памяти, причем выход блока АЦП связан с первым входом блока программной фильтрации, а первый выход блока программной фильтрации связан с седьмым входом блока принятия решений, при этом второй выход блока программной фильтрации связан с четвертым входом блока передачи данных, а второй вход блока программной фильтрации связан с четвертым выходом блока передачи данных; модуль питающего напряжения, содержащий контроллер заряда, преобразователь напряжения и узел деления напряжения, причем вход контроллера заряда соединен с выходом внешнего источника напряжения, а первый выход контролера заряда соединен с входом элемента питания, а второй выход контроллера заряда соединен со вторым входом блока принятия решений узла управления, причем вход преобразователя напряжения соединен с выходом внешнего источника напряжения и элемента питания, а выход преобразователя напряжения соединен с третьим входом блока принятия решений, причем вход узла деления напряжения соединен с выходами внешнего источника напряжения и элемента питания, а выход узла деления напряжения соединен с четвертым входом блока принятия решений, причем контроллер обработки сигнала связан с внешним источником напряжения и элементом питания через связь между последними с модулем питающего напряжения; модуль вторичных детекторов, содержащий чувствительный элемент, датчик касания, акселерометр и оптический датчик вскрытия; светозвуковую индикацию, причем вход светозвуковой сигнализации соединен с первым выходом блока принятия решений узла управления; модуль BlueTooth, первый вход которого соединен с первым выходом блока передачи данных узла управления, а первый выход модуля BlueTooth - с первым входом блока передачи данных узла управления, второй вход модуля BlueTooth связан с первым выходом системы сбора и обработки информации, а второй выход модуля BlueTooth связан с первым входом системы сбора и обработки информации; модуль RS-485, первый вход которого связан со вторым выходом блока передачи данных узла управления, а первый выход модуля RS-485 связан со вторым входом блока передачи данных, второй выход модуля RS-485 связан со вторым входом системы сбора и обработки информации, а второй вход RS-485 связан со вторым выходом системы сбора и обработки информации; модуль USB, причем первый вход которого связан с третьим выходом блока передачи данных узла управления, а первый выход модуля USB связан с третьим входом блока передачи данных узла управления, второй вход модуля USB связан с третьим выходом системы сбора и обработки информации, а второй выход модуля USB связан с третьим входом системы сбора и обработки информации; причем выход чувствительного элемента модуля вторичных детекторов связан с входом датчика касания, а выход датчика касания связан с входом блока АЦП узла управления контроллера обработки сигнала, причем выход блока АЦП связан с, входом блока программной фильтрации, а выход блока программной фильтрации связан с шестым входом блока принятия решений, выход акселерометра связан с первым входом блока принятия решений узла управления контроллера обработки сигнала, оптический датчик вскрытия связан с пятым входом блока принятия решений узла управления контроллера обработки сигнала; первый вход блока энергонезависимой памяти связан со вторым выходом блока принятий решений, а первый выход блока энергонезависимой памяти связан с восьмым входом блока принятия решений, при этом второй вход блока энергонезависимой памяти связан с пятым выходом блока передачи данных, а второй выход блока энергонезависимой памяти связан с пятым входом блока передачи данных, причем третий выход блока принятия решений связан с шестым входом блока передачи данных, а девятый вход блока принятия решений связан с шестым выходом блока передачи данных; модуль питающего напряжения соединен с элементом питания и внешним источником напряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что способ работы детектора широкополосного СВЧ и УКВ сигналов характеризуется тем, что антенна узла СВЧ принимает широкополосный радиосигнал излучаемый радиоканальным устройством, работающим в СВЧ диапазоне; с выхода антенны широкополосный сигнал поступает на логарифмический детектор, с выхода которого обработанный низкочастотный сигнал поступает на вход усилителя, с выхода которого сигнал поступает на вход блока АЦП узла управления, затем с выхода блока АЦП преобразованный сигнал поступает в блок программной фильтрации; после фильтрации сигнал поступает на анализ в блок принятия решений, который принимает решение о наличии GSM сигнала и формировании извещения для системы сбора и обработки информации; блок принятия решений передает сформированное извещение в блок энергонезависимой памяти, и, согласно пользовательским настройкам, включает соответствующую светозвуковую индикацию; антенна узла УКВ принимает широкополосный радиосигнал, излучаемый радиоканальным устройством, работающим в УКВ диапазоне, с выхода антенны широкополосный сигнал поступает на детектор, с выхода которого обработанный низкочастотный сигнал поступает на вход усилителя, с выхода усилителя которого сигнал поступает на вход блока АЦП узла управления, далее преобразованный сигнал поступает в блок программной фильтрации; после фильтрации сигнал поступает на анализ в блок принятия решений, который принимает решение о наличии УКВ сигнала и формировании сообщения для системы сбора и обработки информации; блок принятия решений передает сформированное сообщение в блок энергонезависимой памяти, и, согласно пользовательским настройкам, включает соответствующую светозвуковую индикацию; в свою очередь, блок принятия решения периодически опрашивает оптический датчик вскрытия на наличие или отсутствие с него сигнала.
В случае появления сигнала на оптическом датчике вскрытия, блок принятия решений, согласно пользовательским настройкам, принимает решение о наличии тревоги типа «Вскрытие корпуса» и формировании извещения для системы сбора и обработки информации; блок принятия решений передает сформированное сообщение в блок энергонезависимой памяти, и, согласно пользовательским настройкам, включает светозвуковую индикацию.
В случае прикосновения человека к корпусу детектора широкополосного СВЧ и УКВ сигналов, появляется сигнал на чувствительном элементе, который передает сигнал для проведения анализа на датчик касания, который производит обработку сигнала с чувствительного элемента и принимает решение о передаче факта прикосновения в блок принятия решений узла управления, который выполняет дальнейшие действия в соответствии с выбранным режимом работы датчика касания.
В случае прикосновения человека к корпусу детектора широкополосного СВЧ и УКВ сигналов блок принятия решений формирует для системы сбора и обработки информации сообщение типа «Прикосновение к детектору», передает сформированное сообщение в блок энергонезависимой памяти, и, согласно пользовательским настройкам, включает соответствующую светозвуковую сигнализацию.
Блок принятия решений, в случае трехкратного прикосновения к корпусу, осуществляет перезапуск детектора широкополосного СВЧ и УКВ сигналов.
Акселерометр производит замеры ускорения и производит передачу этих данных в блок АЦП, после аналого-цифрового преобразования сигнал с блока АЦП поступает в блок программной фильтрации, после фильтрации сигнал поступает на анализ в блок принятия решений, который, в случае определения изменения сигнала, согласно пользовательским настройкам, производит формирование сообщения, типа «Механическое воздействие на детектор», для системы сбора и обработки информации; блок принятия решений передает сформированное сообщение в блок энергонезависимой памяти, и, согласно пользовательским настройкам, включает соответствующую светозвуковую индикацию.
С внешнего источника питание подается как питающее напряжение, которое поступает на контроллер заряда, преобразователь напряжения и узел деления напряжения; контроллер заряда производит при необходимости заряд элемента питания и формирует извещение «Заряд закончен», или «Заряд начат», или «Заряд идет», или «Прерывание заряда до полной зарядки аккумуляторной батареи» и передает его в блок энергонезависимой памяти; сигнал с узла деления напряжения поступает в блок принятия решения, который производит сравнения текущего сигнала с пользовательскими настройками, и, при необходимости, формирует сообщение «Разряд аккумуляторной батареи» и передает его в блок энергонезависимой памяти.
В качестве канала связи может быть использован модуль BlueTooth, модуль RS-485 или модуль USB.
Система сбора и обработки информации с установленной периодичностью через выбранный канал связи производит опрос детектора на наличие сообщений в блоке энергонезависимой памяти, при необходимости получения текущего сигнала, система сбора и обработки информации через выбранный канал связи производит запрос в блок передачи данных на передачу текущего сигнала из блока программной фильтрации.
Блок принятия решений использует алгоритм анализа событийных импульсов по времени и амплитуде или алгоритм определения порогового пересечения.
В качестве светозвуковой индикации может быть использовано постоянное свечение, моргание, звуковой сигнал.
В блоке программной фильтрации сигнала в качестве результата используют фронт изменения сигнала с учетом амплитуды «белого» шума.
В блоке программной фильтрации сигнала при определении фронта изменения сигнала используется анализ членов медианных фильтров на наличие максимумов.
В алгоритме анализа событийных импульсов при определении значений параметров и анализ нечеткого множества  проводят следующие операции:
1
1
- определение параметра t:t=i×f,
1
- определение весовых коэффициентов, причем весовой коэффициент для параметра t определяется по формуле
весовой коэффициент для параметра 1 определяется по формуле
- определение числового значения нечеткого множества , которое определяется методом центра тяжести по формуле
- определение степени принадлежности S к Q;
1
- определение минимального значения порога U, при котором параметры t, 1 имеют максимальную степень принадлежности:
- определение степени принадлежности:
где Q - нечеткое множество «Тревожная ситуация»;
Р - порог начала анализа событийного импульса s;
U - порог срабатывания для нечеткого множества ;
S - числовое значение нечеткого множества ;
1
t - длительность событийного импульса;
3
1
t - табличное минимальное значение t для вычисления степени принадлежности;
4
1
t - табличное максимальное значение t для вычисления степени принадлежности;
5
6
1
t и t - соответственно табличное минимальное и максимальное значения t, при которых степень принадлежности равна 1;
l - максимальное значение элемента множества D;
i - количество проведенных замеров сигналов d за время действия событийного импульса;
f - частота проведения замеров сигнала d;
1
K - коэффициент увеличения порога Р для определения сверх порога Е.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана функциональная схема детектора широкополосного СВЧ и УКВ сигналов.
На фиг. 2 показан общий алгоритм работы детектора сигналов.
1
1
На фиг. 3 показан алгоритм фильтрации, используемый в блоке программной фильтрации 4.2. Используемые переменные: s - текущий уровень сигнала, полученный из АЦП; i - счетчик; K - рабочее окно первого фильтра; K - разница между рабочими окнами первого и второго фильтров; А - множество сигналов s емкостью K; В - множество сигналов s емкостью K-K; а - член множества A; b - член множества В; d - разница медиан упорядоченных множеств А и В; amp - амплитуда d.
2
2
3
На фиг. 4 показан алгоритм установки порога и вычисление амплитуды. Используемые переменные: j - счетчик; K - рабочее окно амплитуды; Е - множество е емкостью K; е - член множества Е; d - разница медиан упорядоченных множеств А и В; amp - амплитуда d; K - коэффициент увеличения амплитуды; Р - тревожный порог.
4
1
3
1
4
1
5
6
1
На фиг. 5 показан алгоритм анализа событийных импульсов по времени и амплитуде. Используемые переменные: Q - нечеткое множество «Тревожная ситуация»; d - уровень сигнала в текущий момент времени t; Р - порог начала анализа событийного импульса s; D - множество уровней сигнала от событийного импульса s; K - коэффициент увеличения порога Р для определения сверх порога Е; U - порог срабатывания для нечеткого множества ; S - числовое значение нечеткого множества ; t - длительность событийного импульса; t - табличное минимальное значение t для вычисления степени принадлежности; t - табличное максимальное значение t для вычисления степени принадлежности; t и t - соответственно табличное минимальное и максимальное значения t, при которых степень принадлежности равна 1; l - максимальное значение элемента множества D; i - количество проведенных замеров сигналов d за время действия событийного импульса; ƒ - частота проведения замеров сигнала d.
4
s
r
r
u
На фиг. 6 показан алгоритм определения порогового пересечения. Используемые переменные: d - уровень сигнала в текущий момент времени; Р - порог тревожный; K - коэффициент увеличения порога Р для определения сверх порога Е; n - вспомогательная переменная для подсчета количества импульсов s; r - счетчик импульсов; P - установленный порог импульсов s; n - счетчик тактов замеров d; N - множество счетчиков n; n - количество тактов для замера количества импульсов.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - контроллер обработки сигнала; 2 - узел СВЧ: 2.1 - антенна, 2.2 - логарифмический детектор, 2.3 - усилитель; 3 - узел УКВ: 3.1 - антенна, 3.2 - детектор, 3.3 - усилитель; 4 - узел управления: 4.1, 4.7 - блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), 4.2, 4.6 - блок программной фильтрации, 4.3 - блок принятия решений, 4.4 - блок передачи данных, 4.5 - блок энергонезависимой памяти; 5 - модуль питающего напряжения: 5.1 - контроллер заряда, 5.2 - преобразователь напряжения, 5.3 - узел деления напряжения; 6 - модуль вторичных детекторов: 6.1 - чувствительный элемент, 6.2 - датчик касания, 6.3 - акселерометр, 6.4 - оптический датчик вскрытия; 7 - светозвуковая индикация; 8 - модуль BlueTooth; 9 - модуль RS-485; 10 - модуль USB; 11 - система сбора и обработки информации (ССОИ); 12 - элемент питания; 13 - внешний источник напряжения.
Осуществление изобретения
Способ работы детектора широкополосного СВЧ и УКВ сигналов представлен на фиг. 2-6 в виде алгоритмов: общего алгоритма работы детектора сигналов; алгоритма фильтрации, используемого в блоке программной фильтрации; алгоритма установки порога и вычисления амплитуды; алгоритма анализа событийных импульсов по времени и амплитуде; алгоритма определения порогового пересечения.
Детектор широкополосных СВЧ и УКВ сигналов работает следующим образом.
Антенна 2.1 узла СВЧ 2 принимает широкополосный радиосигнал излучаемый радиоканальным устройством, работающим в СВЧ диапазоне. С выхода антенны 2.1 широкополосный сигнал поступает на логарифмический детектор 2.2. С выхода логарифмического детектора 2.2 обработанный низкочастотный сигнал поступает на вход усилителя 2.3. С выхода усилителя 2.3 сигнал поступает на вход блока АЦП 4.1 узла управления 4. С блока АЦП 4.1 преобразованный сигнал поступает в блок программной фильтрации 4.2. После фильтрации сигнал поступает на анализ в блок принятия решений 4.3. Блок принятия решений 4.3 на основе выбранного алгоритма (алгоритма анализа событийных импульсов по времени и амплитуде (см. фиг. 5) или алгоритма определения порогового пересечения (см. фиг. 6)) принимает решение о наличии GSM сигнала и формировании извещения для ССОИ 11. Блок принятия решений 4.3 передает сформированное извещение в блок энергонезависимой памяти 4.5, и, согласно пользовательским настройкам, включает светозвуковую соответствующую индикацию 6 (постоянное свечение, моргание, звуковой сигнал и т.п.).
Антенна 3.1 узла УКВ 3 принимает широкополосный радиосигнал, излучаемый радиоканальным устройством, работающим в УКВ диапазоне. С выхода антенны 3.1 широкополосный сигнал поступает на детектор 3.2. С выхода детектора обработанный низкочастотный сигнал поступает на вход усилителя 3.3. С выхода усилителя 3.3 сигнал поступает на вход блока АЦП 4.1 узла управления 4. С блока АЦП 4.1 преобразованный сигнал поступает в блок программной фильтрации 4.2. После фильтрации сигнал поступает на анализ в блок принятия решений 4.3. Блок принятия решений 4.3 на основе выбранного алгоритма (алгоритм анализа событийных импульсов по времени и амплитуде (см. фиг. 5) или алгоритм порогового пересечения (см. фиг. 6)) принимает решение о наличии УКВ сигнала и формировании сообщения для ССОИ 11. Блок принятия решений 4.3 передает сформированное сообщение в блок энергонезависимой памяти 4.5, и, согласно пользовательским настройкам, включает соответствующую светозвуковую индикацию 6 (постоянное свечение, моргание, звуковой сигнал и т.п.).
В свою очередь, блок принятия решения 4.3 периодически опрашивает оптический датчик вскрытия 6.4 на наличие или отсутствие с него сигнала. В случае появления сигнала на оптическом датчике вскрытия 5.4, блок принятия решений 4.3, согласно пользовательским настройкам, принимает решение о наличии тревоги типа «Вскрытие корпуса» и формировании извещения для ССОИ 11. Блок принятия решений 4.3 передает сформированное сообщение в блок энергонезависимой памяти 4.5, и, согласно пользовательским настройкам, включает соответствующую светозвуковую индикацию 6 (постоянное свечение, моргание, звуковой сигнал и т.п.).
В случае прикосновения человека к корпусу детектора сигнала, появляется сигнал на чувствительном элементе 5.3, который передает сигнал (для проведения анализа) на датчик касания 5.2. Датчик касания 5.2 производит обработку сигнала с чувствительного элемента 5.3 и принимает решение о передаче факта прикосновения в блок принятия решений 4.3 узла управления 4. Блок принятия решений 4.3 узла управления 4 выполняет дальнейшие действия в соответствии с выбранным режимом работы датчика касания:
- для режима «Датчик прикосновения» блок принятия решений 4.3 формирует для ССОИ 11 сообщение типа «Прикосновение к детектору», передает сформированное сообщение в блок энергонезависимой памяти 4.5, и, согласно пользовательским настройкам, включает соответствующую светозвуковую индикацию 6 (постоянное свечение, моргание, звуковой сигнал и т.п.);
- для режима «Кнопка» блок принятия решений 4.3 в случае трехкратного прикосновения к корпусу осуществляет перезапуск детектора.
Акселерометр 5.1 производит замеры проекции кажущегося ускорения и производит передачу этих данных в блок АЦП 4.7. После аналого-цифрового преобразования сигнал с блока АЦП 4.7 поступает в блок программной фильтрации 4.6. После фильтрации сигнал поступает на анализ в блок принятия решений 4.3. В случае определения изменения сигнала, блок принятия решений 4.3, согласно пользовательским настройкам, производит формирование сообщения, типа «Механическое воздействие на детектор», для ССОИ 11. Блок принятия решений 4.3 передает сформированное сообщение в блок энергонезависимой памяти 4.5 и, согласно пользовательским настройкам, включает соответствующую светозвуковую индикацию 6 (постоянное свечение, моргание, звуковой сигнал и т.п.).
С внешнего источника питание 13 подается питающее напряжение, которое поступает на контроллер заряда 5.1, преобразователь напряжения 5.2 и узел деления напряжения 5.3. Контроллер заряда 5.1 производит (при необходимости) заряд элемента питания 12 и формирует извещение («Заряд закончен», «Заряд начат», «Заряд идет», «Прерывание заряда до полной зарядки аккумуляторной батареи (АКБ)») и передает его в блок энергонезависимой памяти 4.5. Сигнал с узла деления напряжения 5.3 поступает в блок принятия решения 4.3, который производит сравнения текущего сигнала с пользовательскими настройками, и, при необходимости, формирует сообщение «Разряд АКБ» и передает его в блок энергонезависимой памяти 4.5.
ССОИ 11 с установленной периодичностью через выбранный канал связи (Блок BlueTooth 8, модуль RS-485 9 или модуль USB 10) производит опрос Детектора на наличие сообщений в блоке энергонезависимой памяти 4.5. При необходимости получения текущего сигнала ССОИ 11 через выбранный канал связи производит запрос в блок передачи данных 4.4 на передачу текущего сигнала из блока программной фильтрации 4.2.
Проводимые операции в блоке «Определение значений параметров и анализ нечеткого множества » в алгоритме анализа событийных импульсов (см. фиг. 5). В блоке используются следующие переменные:
Q - нечеткое множество «Тревожная ситуация»;
d - уровень сигнала в текущий момент времени t;
Р - порог начала анализа событийного импульса s;
D - множество уровней сигнала о событийного импульса s;
1
K - коэффициент увеличения порога Р для определения сверх порога Е;
U - порог срабатывания для нечеткого множества ;
S - числовое значение нечеткого множества ;
1
t - длительность событийного импульса;
3
1
t - табличное минимальное значение t для вычисления степени принадлежности;
4
1
t - табличное максимальное значение t для вычисления степени принадлежности;
5
6
1
t и t - соответственно табличное минимальное и максимальное значения t, при которых степень принадлежности равна 1;
l - максимальное значение элемента множества D;
i - количество проведенных замеров сигналов d за время действия событийного импульса;
ƒ - частота проведения замеров сигнала d;
Выполняемые операции в блоке
1
1. Определение параметра t:
1
t=i×ƒ.
2. Определение весовых коэффициентов:
1
весовой коэффициент для параметра t определяется по формуле
весовой коэффициент для параметра l определяется по формуле
3. Определение числового значения нечеткого множества :
числовое значение нечеткого множества  определяется методом центра тяжести по формуле
4. Определение степени принадлежности S к Q
1
a) определение минимального значения порога U, при котором параметры t, l имеют максимальную степень принадлежности:
b) определение степени принадлежности
Таким образом, заявленное устройство и способ его работы обеспечивают:
- обнаружение активности радиоустройства, работающего на частотах стандарта GSM, 2G, 3G, CDMA, CDMA-450, WiFi;
- высокую вероятность обнаружения и низкую вероятность ложной сработки за счет использования нечеткой логики и разностного медианного фильтра, по сравнению, если бы использовались другие известные методы;
- повышенную чувствительность за счет использования анализа членов разностного медианного фильтра на наличие максимальных пиков;
- повышенную антивандальную защищенность;
- простоту использования за счет автоматической настройки детектора.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного детектора сигналов и способа его работы не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного устройства и способа для определения наличия в зоне обнаружения активного мобильного телефона, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».