УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ КОЛЕБЛЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ

Предлагаемая полезная модель относится к радиолокационным средствам и может использоваться в охранных, поисковых, мониторинговых системах обнаружения колеблющихся объектов, а также живых организмов по их дыханию и сердцебиению.
Известны устройства обнаружения: патенты РФ 2054960, №2117962, 2384860, 2419812; патент США 5281953; патент Германии 4242973 и другие.
Известное устройство содержит последовательно включенные опорный генератор, микроволновый балансный смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, микроволновый фильтр нижних частот и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну, доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор, второй вход которого соединен со вторым выходом опорного генератора, к выходу фазового детектора последовательно подключены малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор с блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения /1/. Недостатком данного устройства является наличие чередующихся участков дальности, где пропадают сигналы колеблющихся объектов и слабая чувствительность.
Другое известное устройство с повышенной чувствительностью содержит задающий генератор, последовательно включенные опорный генератор, микроволновый балансный смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, микроволновый фильтр нижних частот и передающую антенну, выход приемной антенны подключен к последовательно соединенным первым доплеровским смесителем, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первым усилителем промежуточной частоты, первым перемножителем, первым фильтром удвоенной доплеровской частоты, выход приемной антенны также подключен к последовательно соединенным вторым доплеровским смесителем, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, вторым усилителем промежуточной частоты, фазовращателем на 90°, вторым перемножителем, вторым фильтром удвоенной доплеровской частоты, а выходы первого и второго фильтров удвоенной доплеровской частоты подключены к фазовому детектору, к выходу которого последовательно подключены малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор с блоком опорного напряжения, формирователь сигнала обнаружения 121. При обнаружении колеблющихся объектов этим устройством также имеются слепые дальности, на которых пропадают сигналы от колеблющихся объектов.
Из известных устройств, в котором устраняются слепые дальности и наиболее близким к предлагаемому, выбранный за прототип, является устройство обнаружения содержащее задающий генератор, последовательно соединенные приемную антенну, микроволновый балансный смеситель, усилитель промежуточной частоты, последовательно соединенные первый перемножитель, первый усилитель низкой частоты, первый компаратор, первый счетчик импульсов, последовательно соединенные второй перемножитель, второй усилитель низкой частоты, второй компаратор, второй счетчик импульсов, выходы первого и второго счетчиков подключены к формирователю сигнала обнаружения, первые входы первого и второго перемножителей подключены к выходу усилителя промежуточной частоты, опорный генератор подключен ко второму входу второго перемножителя, к синфазному входу квадратурного микроволнового преобразователя и к фазовращателю на 90°, выход которого подключен к квадратурному входу квадратурного микроволнового преобразователя и ко второму входу первого перемножителя, выход задающего генератора через квадратурный микроволновый преобразователь подключен к передающей антенне, а также к гетеродинному входу микроволнового балансного смесителя, блок опорного напряжения соединен со вторыми входами первого и второго компараторов, формирователь интервала счета подсоединен ко вторым входам первого и второго счетчиков импульсов /3/. Недостаток прототипа в том, что он имеет большую погрешность оценки частоты колебаний из-за поглощения радиоволн в пространственной среде или в частности живым организмом при мониторинге сердечного ритма.
Задачей полезной модели является повышение точности оценки частоты колебаний объектов.
Поставленная задача решается тем, что устройство обнаружения колеблющихся объектов, содержащее передающую антенну и приемную антенну, первый перемножитель и второй перемножитель, задающий генератор, первый выход которого подключен к первому входу микроволнового квадратурного преобразователя, а второй выход к первому входу микроволнового балансного смесителя, к его второму входу подсоединен выход опорного генератора, выход которого также подключен к первому входу первого перемножителя, второй вход которого через первый усилитель промежуточной частоты соединен с первым выходом микроволнового квадратурного преобразователя, последовательно соединенные первый усилитель низкой частоты, первый компаратор, первый счетчик импульсов, последовательно соединенные второй усилитель низкой частоты, второй компаратор, второй счетчик импульсов, первые выходы первого и второго счетчиков импульсов подключены к первому и второму входам формирователя сигнала обнаружения, вторые входы первого и второго компараторов соединены с выходом блока опорного напряжения, вторые входы первого и второго счетчиков импульсов подключены к формирователю интервала счета, снабжено инвертором сигнала, первым и вторым сумматорами сигналов, первым и вторым таймерами, коммутирующим блоком, микроволновым малошумящим усилителем включенным между приемной антенной и вторым входом микроволнового квадратурного преобразователя, вторым усилителем промежуточной частоты, включенным между вторым выходом микроволнового квадратурного преобразователя и первым входом второго перемножителя, второй вход которого подсоединен к выходу опорного генератора, а выход второго перемножителя подключен через инвертор сигнала к первому входу второго сумматора, а также к первому входу первого сумматора, выход первого перемножителя подключен ко вторым входам первого и второго сумматоров сигналов, выходы которых подсоединены к первому и второму усилителям низкой частоты соответственно, вторые выходы первого и второго счетчиков подключены соответственно к первым входам первого и второго таймеров, ко вторым входам которых подключены первые выходы первого и второго счетчиков импульсов, выход формирователя интервала счета подключен к третьим входам первого и второго таймеров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам коммутирующего блока, третий вход которого подсоединен к выходу формирователя сигнала обнаружения, выход микроволнового балансного смесителя подключен к передающей антенне.
Новая совокупность признаков благодаря измерению длительности интервала существования импульсов с помощью таймеров, суммарно-разностной обработке сигналов квадратурных приемных каналов на расстояниях, когда объект не находится в слепых зонах дальности, а также повышению чувствительности приемных каналов из-за введения микроволнового малошумящего усилителя позволяет повысить точность определения частоты колеблющихся объектов.
Кроме того, использование для модуляции и для перемножителей единого сигнала дает возможность применения псевдослучайных последовательностей, что улучшает электромагнитную совместимость при использовании нескольких подобных устройств одновременно.
На фиг. 1, где приведена структурная схема предлагаемого устройства обнаружения колеблющихся объектов, где:
1 - передающая антенна;
2 - приемная антенна;
3- первый перемножитель;
4 - второй перемножитель;
5 - задающий генератор;
6 - микроволновый квадратурный преобразователь;
7 - микроволновый балансный смеситель;
8 - опорный генератор;
9 - первый усилитель промежуточной частоты;
10 - первый усилитель низкой частоты;
11 - первый компаратор;
12 - первый счетчик импульсов;
13 - второй усилитель низкой частоты;
14 - второй компаратор;
15 - второй счетчик импульсов;
16 - формирователь сигнала обнаружения;
17 - блок опорного напряжения;
18 - формирователь интервала счета;
19 - инвертор сигнала;
20 - первый сумматор сигнала;
21 - второй сумматор сигнала;
22 - первый таймер;
23 - второй таймер;
24 - коммутирующий блок;
25 - микроволновый малошумящий усилитель;
26 - второй усилитель промежуточной частоты.
Предлагаемое устройство обнаружения колеблющихся объектов (Фиг. 1) содержит передающую антенну 1 и приемную антенну 2, первый перемножитель 3 и второй перемножитель 4, задающий генератор 5, первый выход которого подключен к первому входу микроволнового квадратурного преобразователя 6, а второй выход к первому входу микроволнового балансного смесителя 7, к его второму входу подсоединен выход опорного генератора 8, выход которого также подключен к первому входу первого перемножителя 3, второй вход которого через первый усилитель промежуточной частоты 9 соединен с первым выходом микроволнового квадратурного преобразователя 6, последовательно соединенные первый усилитель низкой частоты 10, первый компаратор 11, первый счетчик импульсов 12, последовательно соединенные второй усилитель низкой частоты 13, второй компаратор 14, второй счетчик импульсов 15, первые выходы первого 12 и второго 15 счетчиков импульсов подключены к первому и второму входам формирователя сигнала обнаружения 16, вторые входы первого 11 и второго 14 компараторов соединены с выходом блока опорного напряжения 17, вторые входы первого и второго счетчиков импульсов подключены к формирователю интервала счета 18, отличающееся тем, что оно снабжено инвертором сигнала 19, первым 20 и вторым 21 сумматорами сигналов, первым 22 и вторым 23 таймерами, коммутирующим блоком 24, микроволновым малошумящим усилителем 25 включенным между приемной антенной 2 и вторым входом микроволнового квадратурного преобразователя 6, вторым усилителем промежуточной частоты 26, включенным между вторым выходом микроволнового квадратурного преобразователя 6 и первым входом второго перемножителя 4, второй вход которого подсоединен к выходу опорного генератора 8, а выход второго перемножителя 4 подключен через инвертор сигнала 19 к первому входу второго сумматора 21, а также к первому входу первого сумматора 20, выход первого перемножителя 3 подключен ко вторым входам первого 20 и второго 21 сумматоров сигналов, выходы которых подсоединены соответственно к первому 10 и второму 13 усилителям низкой частоты, вторые выходы первого 12 и второго 15 счетчиков подключены соответственно к первым входам первого 22 и второго 23 таймеров, ко вторым входам которых подключены первые выходы первого 12 и второго 15 счетчиков импульсов, выход формирователя интервала счета 18 подключен к третьим входам первого 22 и второго 23 таймеров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам коммутирующего блока 24, третий вход которого подсоединен к выходу формирователя сигнала обнаружения 16, выход микроволнового балансного смесителя 7 подключен к передающей антенне 1.
Работа устройства происходит следующим образом.
0
g
g
0
0
0
0
0
t
t
0
0
r
r
0
0
0
0
0
0
g
g
0
0
0
0
s
s
0
0
c
s
0
0
0
0
0
x1
х
0
0
0
x2
х
0
0
0
x1
x2
x1
x2
х
0
0
0
x1
x2
х
0
0
0
0
м
м
м
Задающий генератор 5 вырабатывает сигнал с круговой частотой ω (например, частота 3 ГГц) u=A cos (ωt), который поступает с его второго выхода на первый вход микроволнового балансного смесителя 7, на второй вход которого поступает сигнал (частотой Ω=1 МГц) u=А cos (Ω t) с выхода опорного генератора 8. В результате преобразования сигнал u=A cos (ω t) cos (Ω t) с помощью передающей антенны 1 излучается в пространство. Отраженный сигнал с приемной антенны 2 u=A cos (ω (t-τ)) cos (Ω (t-τ)), где τ=τ+δ(t) -задержка, τ=2R/c (с - скорость света) постоянная составляющая задержки, определяемая средним расстоянием R до колеблющегося объекта с периодом Т, δ(t)=2ΔR sin(2πt/T)/с - переменная составляющая задержки, через микроволновый малошумящий усилитель 25 поступает на второй вход микроволнового квадратурного преобразователя 6, на первый вход которого поступает сигнал u=A cos (ωt) с первого выхода задающего генератора 5. Так период сокращения сердечной мышцы лежит в диапазоне 0,4÷1,25 с (0,8-2,5)Гц, а амплитуда колебаний наблюдаемой поверхности сердца не более 0,5 см. Дальность до колеблющегося органа может находиться от 0,3 м и более. Следовательно постоянная составляющая ω τ находится в диапазоне 2000° и более, а амплитуда переменной составляющей ω δ (t) не более 36°. С первого (синфазного) выхода микроволнового квадратурного преобразователя 6 сигнал u=A cos (ω τ) cos (Ω (t-τ)) через первый усилитель промежуточной частоты 9 поступает на второй вход первого перемножителя 3. С второго (квадратурного) выхода микроволнового квадратурного преобразователя 6 сигнал u=A cos (ω τ+90°) cos (Ω (t-τ)) через второй усилитель промежуточной частоты 26 поступает на первый вход второго перемножителя 4. На первый вход первого перемножителя 3 и второй вход второго перемножителя 4 поступает сигнал u=А cos (Ωt) с выхода опорного генератора 8, в результате перемножения на выходе первого перемножителя 3 появится сигнал u=А cos [ω δ (t)+ω τ], а на выходе второго перемножителя 4 появится сигнал u=А cos [ω δ (t)+ω τ+90°], Сигнал u с выхода первого перемножителя 3 поступает на вторые входы первого 20 и второго 21 сумматоров сигналов, а с выхода второго перемножителя 4 сигнал u поступает на первый вход первого сумматора сигналов 20 и через инвертор сигнала 19 поступает на первый вход второго сумматора сигналов 21. Сигнал u+u=(√2) А sin [ω δ (t)+ω τ-45°] с выхода первого сумматора сигналов 20 через последовательно включенные первый усилитель низкой частоты 10, первый компаратор 11 приходит на первый счетчик импульсов 12. Сигнал u-u=(√2) А sin [ω δ (t)+ω τ+45°] с выхода второго сумматора сигналов 21 через последовательно включенные второй усилитель низкой частоты 13, второй компаратор 14 приходит на второй счетчик импульсов 15. Таким образом происходит увеличение амплитуды сигналов в √2 раз и соответственно повышается точность оценки частоты колебаний. Амплитуда переменных составляющих зависит от постоянной составляющей задержки τ по периодическому закону, что приводит к появлению участков пропадания сигналов колеблющихся органов человека. Так как на входах первого и второго компараторов 11 и 14 фазы сдвинуты на 90 градусов, то по крайней мере хотя бы на одном из них амплитуда сигнала превысит пороговое напряжение, определяемое блоком опорного напряжения 17 и на одном или на обоих выходах первого 11 и второго 14 компараторов появится импульсный сигнал. На вторые входы первого 12 и второго 15 счетчиков импульсов которых импульсы разрешения счета с формирователя интервала счета 18. Интервал счета выбирается равным произведению К Т, где К - заданное число импульсов (например, 5), Т - максимальный период обнаруживаемых колебаний (в случае сердцебиения около 1,2 с). Если количество импульсов приходящее с выходов первого 11 или второго 14 компараторов превышает К-1 (=4) за интервал счета (6 с), то на первых выходах первого 12 или второго 15 счетчиков импульсов появляются сигналы, которые запускают формирователь сигнала обнаружения 16 и останавливают первый 22 или второй 23 таймеры соответственно. По приходу первого счетного импульса в течении интервала счета К Т со вторых выходов первого 12 или второго 15 счетчиков импульсов соответственно запускается первый 22 или второй 23 таймер, на третьи входы которых также поступают импульсы разрешения с формирователя интервала счета 18. По сигналу с формирователя сигнала обнаружения 16, который приходит на третий вход коммутирующего блока 24, сигнал с первого 22 или второго 23 таймеров, поступающие соответственно на первый или второй входы коммутирующего блока 24, проходит на выход устройства.
Все узлы устройства выполняются с применением широко выпускаемой номенклатуры аналоговых и цифровых микросхем.
В предлагаемом устройстве может быть уменьшена мощность излучения, что позволяет его использование длительное время, например, в датчиках присутствия или при мониторинге дыхания или сердечного пульса людей малоподвижных профессий без нарушения санитарных норм.
Источники информации.
1. Патент Российской Федерации №2221260 МКИ G01S 13/56
2. Патент Российской Федерации №2287841 МКИ G01S 13/56
3. Патент Российской Федерации №2482511 МКИ G01S 13/56 - прототип.