СВЧ СТЕРЕОРАДАР ДЛЯ СЛЕПЫХ
ULTRAHIGH FREQUENCY STEREO RADAR FOR BLIND PEOPLE

Изобретение относится к реабилитационной медицинской технике, а именно к устройствам, позволяющим полностью слепым людям ориентироваться в окружающей обстановке за счет непосредственного преобразования радиолокационных сигналов в стереосигналы звукового диапазона, что обеспечивает создание в сознании человека пространства перед ним за счет использования возможностей слуховой и мыслительной способностей. Предлагаемое устройство обеспечивает контроль координат объектов в пределах телесного угла 60-90 градусов по азимуту, и, при ручном сканировании по углу места относительно линии горизонта от -45° до +25° относительно линии горизонта.
В настоящее время уровень развития электронной техники позволяет разрабатывать и производить различные устройства, которые дают возможность значительно улучшить качество жизни слабовидящих и слепых людей, при этом данные устройства являются компактными и удобными в использовании.
Известен ультразвуковой локатор для слепых (патент РФ №2040234, авторы: Баскакова Н.В., Голдовский В.З., Григорьев Б.П., Никифоров С.А., Скребнев Г.К., Цветков A.M.; опубликовано 25.07.1995) содержащий соединенные последовательно мультивибратор, передатчик, электроакустический преобразователь, приемник, блок селекции по дальности, индикаторный блок, а также звуковой сигнализатор, при этом в него введены модулятор, сигнальный вход которого подключен к выходу индикаторного блока, а выход к звуковому сигнализатору, и блок пеленгования, первый вход которого подключен к выходу приемника, второй вход к выходу мультивибратора, третья группа N входов к N выходам блока селекции по дальности, а выход блока пеленгования - к управляющему входу модулятора.
Недостатками устройств, использующих ультразвуковое излучение является высокая восприимчивость к помехам, особенно от транспортных средств и различных электронных устройств, что делает затруднительным использование такого типа устройств, например в условиях города.
Известна система преобразования видеосигнала в аудиосигнал (патент США №5.097.327, приоритет от 27.07.1990). Алгоритм обработки видеокадра и звукового отображения данной системы предусматривает следующие операции:
- в качестве исходного изображения используются кадры видеокамеры, фиксируемые с темпом 1 кадр в секунду;
- принцип «растровой строки» должен использоваться для развертки кадра во времени;
- преобразование изображения в звук должно производиться в реальном времени;
- акустический сигнал на выходе устройства используется потому, что при отсутствии зрения слух является наиболее широкополосным бесконтактным каналом связи с внешним миром;
- кадр изображения с равномерным шагом по осям «ширина-высота» разбивается на 64×64 участка (пикселя);
- последовательно кадр сканируется слева-направо по оси «ширина» с одновременной оцифровкой столбцов из 64 пикселей каждый с учетом их яркости (16 градаций) и присвоением соответствующей частоты (64 значения) и силы звучания пикселя, отражающей положение пикселя по высоте, таким образом чем выше расположен пиксель по высоте, тем выше частота звучания;
- все сигналы в процессе сканирования и преобразования аналог-цифра запоминаются в оперативной памяти и после преобразования цифра-аналог озвучиваются в течение одной секунды;
Недостатками известной системы преобразования видеосигнала в аудиосигнал является то, что конвейерная цифровая обработка аналоговых сигналов кадра видеокамеры в выходные аналоговые сигналы с преобразованием аналог-цифра и цифра-аналог приводят к определенным искажениям отражения реальности, к тому же качество работы подобных систем зависит от внешних погодных условий, таких как туман, дождь, снег. Плата, на которой реализовано устройство обработки сигналов содержит порядка 50 микросхем, имеет размеры 236×160 мм и потребляет мощность порядка 4,4 Вт, что является чрезмерным для носимого устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание простого в использовании носимого стереорадара для слепых, обладающего высокой устойчивостью к помехам, функционирующего в любых погодных условиях, а также обладающего малыми габаритами и массой.
Технический результат достигается тем, что предлагается СВЧ стереорадар для слепых, функционирующий в гомодинном режиме с использованием линейно частотно модулированных сигналов, содержащий размещенные в корпусе приемную и передающую части, включающий генератор пилообразного напряжения, моделирующий по линейному закону частоту СВЧ генератора, при этом выходной сигнал СВЧ генератора подается на двухканальный делитель мощности, к выходам которого подключены два двухканальных СВЧ делителя мощности, к первой паре выходов которых подключены гетеродинные входы двух смесителей, а вторая пара выходов подключена к входам двухканального СВЧ сумматора мощности, к выходу которого подключена передающая антенна, а две приемные антенны подключены к сигнальным входам двух смесителей, выходные сигналы с которых, после усиления усилителями звуковых частот, посредством звуковой гарнитуры воспринимаются слепым человеком, при этом точки подключения приемных антенн размещаются как можно ближе друг к другу для уменьшения разности в задержке по времени отраженных сигналов от каждой цели, а оси диаграмм направленности приемных антенн должны быть отклонены от оси передающей антенны таким образом, чтобы перекрытие диаграмм направленности приемных антенн составляло 30-50% от их площади, и при этом обеспечивалось их нахождение в зоне ширины диаграммы направленности передающей антенны для обеспечения стереолокации пространства.
Корпус предлагаемого СВЧ стереорадара для слепых, может содержать крепления для размещения СВЧ стереорадара в передней части головы человека.
Предлагаемое изобретение функционирует, в отличие от прототипа, по совершенно другому принципу, в котором процесс считывания информации о расположении объектов по азимуту, дальности, а также о величине объектов обеспечивается с помощью стерео радиолокации, а формирование стерео звуковой картины обеспечивается СВЧ приемо-передатчиком при отсутствии каких-либо цифро-аналоговых преобразований,
программирования и вычислений. Это позволяет добиться значительного упрощения конструкции устройства в целом. Для этого скорость и диапазон перестройки частоты линейно частотно модулированного СВЧ чигнала для заданного диапазона контроля дальностей (например 5-10 метров), обеспечиваются такими, чтобы выходные частоты приемников находились в диапазоне слуха человека, то есть 16-20000 Гц.
Важной составляющей конструкции предлагаемого изобретения является устройство и принцип функционирования слуховой системы человека. Она является стерео звуковой системой, имеющей две приемные антенны (уши), два канала спектрального анализа принятых сигналов (улитки внутреннего уха) и затылочно-теменной отдел мозга, который анализирует и форматирует пространственную информацию о месте расположения объекта. Уши и среднее ухо совместно с головным мозгом человека образуют звуковой локатор, который по незначительным отличиям в параметрах сигналов, принятых левым и правым ухом от источника, определяет направление. При этом ошибка в определении направления по азимуту находится в пределах от одного до трех градусов, и по дальности 1-2%.
Можно выделить четыре причины не идентичности звуковых сигналов:
- частичное экранирование звуковой волны головой;
- изменение спектра и задержка прихода сигналов;
- различия в уровне сигналов;
- изменение спектра сигналов из-за переотражений в ухе.
Важным свойством головного мозга человека является бинауральность, то есть способность запоминать информацию на период ее обработки.
Для формирования свойств слуховой системы человека в радиолокационном варианте, предлагается СВЧ стереорадар для слепых, который обеспечивает формирование подобия диаграммы направленности ушей человека в ограниченной азимутальной зоне диаграммами направленности антенн РЛС. Для этого в предлагаемом изобретении применена двухканальная приемная СВЧ система с диаграммами антенн, развернутыми в азимутальной плоскости вовне, таким образом, чтобы их взаимное перекрытие составляло 0.3-0.5 от ширины их лучей.
Точки подключения приемных антенн к приемно-передающему СВЧ модулю размещены возможно ближе друг к другу для уменьшения разности в задержке по времени обоих отраженных сигналов от каждой цели.
Весь контролируемый азимутальный угол облучается передающей антенной, которая размещена посередине между приемными антеннами.
В угломестной плоскости ширина диаграмм передающей и приемной антенн должны быть порядка 1-3 градусов для обеспечения необходимой разрешающей способности.
Для обеспечения формирования звуковых стереосигналов в предлагаемом изобретении применяется СВЧ сигнал с линейной частотной модуляцией с такой скоростью изменения частоты, чтобы сигналы, отраженные от предметов, находящихся на расстояниях 0.5 м; 5 м; 10 м; 30 м на выходе гомодинного приемника преобразовывались в звуковые частоты 0.3 кГц; 3 кГц; 6 кГц; 18 кГц, то есть естественный диапазон, слышимый человеком.
Выходные звуковые стереофонические сигналы приемника передаются к ушам человека посредством наушников.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен рисунок, иллюстрирующий неидентичность звуковых сигналов, воспринимаемых ушами человека. На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого СВЧ стереорадара для слепых.
На фиг. 1 проиллюстрированы четыре причины не идентичности звуковых сигналов, воспринимаемых ушами человека:
- частичное экранирование звуковой волны головой (а);
- изменение спектра и задержка сигналов (б);
- различия в уровнях сигналов (в);
- изменение спектров сигналов из-за переотражений в ухе (г).
На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого изобретения, обозначены следующие позиции:
1 - генератор пилообразного напряжения;
2 - СВЧ генератор управляемый напряжением;
3 - двухканальный СВЧ делитель мощности;
4, 5 - двухканальные СВЧ делители;
6, 7 - балансные смесители;
8 - СВЧ сумматор мощности;
9, 11 - приемная СВЧ антенна;
10 - передающая СВЧ антенна;
12, 13 - усилители звуковой частоты.
14, 15 - звуковые динамики наушников.
Показанный на фиг. 2 СВЧ стереорадар для слепых функционирует следующим образом. С генератора пилообразного напряжения 1 подается модулирующий сигнал на СВЧ генератор управляемый напряжением 2, с выхода СВЧ генератора 2 выходной сигнал, модулированный по линейному закону, подается на двухканальный делитель мощности 3, с выходов которого подается на два двухканальных СВЧ делителя 4 и 5. К первой паре выходов СВЧ делителей 4 и 5 подключены балансные смесители 6 и 7, для которых подводимая мощность с делителей выполняет роль гетеродинного сигнала, а ко второй паре выходов СВЧ делителей 4 и 5 подключены входы СВЧ сумматора мощности 8, к выходу которого подключена передающая СВЧ антенна 10. Излученный передающей антенной 10 и отраженный от препятствия сигнал посредством приемных СВЧ антенн 9 и 11 подается на сигнальные входы смесителей 6 и 7, при этом на выходе смесителей 6 и 7 выделяются сигналы звукового диапазона, частота которых пропорциональна дальности до препятствия. После чего эти сигналы усиливаются до нужного уровня усилителями звуковой частоты 12 и 13, и подаются на звуковые динамики наушников 14 и 15.
Благодаря применению специальных форм диаграмм направленности СВЧ приемных и передающей антенн, звуковые сигналы, воспринимаемые слепым человеком с помощью наушников СВЧ стереорадара для слепых, образуют стереофонические пары сигналов для каждого отражающего объекта. Объемная картина обстановки перед слепым человеком в его сознании будет создаваться в процессе ее восприятия стереозвуков, формируемых предлагаемым изобретением в процессе их расшифровки по частотам, силе и фазовым (частотным) различиям пар сигналов слуховой системой человека и созданием образов объектов вычислительными возможностями мозга. Этот процесс, по существу, весьма близок процессу изучения иностранного языка. Пока человек не знает смысла звуков слов, они ничего для него не значат, но по мере его освоения, слова превращаются в конкретные образы, понятия и действия. Точно так же стерео отражения от объектов (человека, столба, лестницы) будут звучать по-своему и будут восприниматься как конкретные объекты с определением направления и расстояния.
Предлагаемый СВЧ стереорадар для слепых предназначен для работы в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн.
Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения удалось получить простой по конструкции и в использовании СВЧ стереорадар для слепых людей, при функционировании которого не требуется осуществлять машинную обработку получаемой информации, что позволило сделать его компактным и простым в использовании. Применение радиолокации как основного принципа функционирования устройства позволило получить хорошую устойчивость к помехам, а также обеспечить его работу в любых погодных условиях.