Способ стабилизации временного положения сверхширокополосного сигнала и локатор для мониторинга живых объектов, реализующий этот способ - RU2258942C1

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к поисково-спасательной службе и может быть использовано для активного зондирования завалов, образовавшихся в результате аварий и стихийных бедствий, для объективного определения наличия в них человека с признаками жизни: дыханием, сердцебиением, шевелением, а также для медицинских целей - дистанционного определения частоты пульса и дыхания.

Известны различные устройства, использующие принцип действия радиоволнового интерферометра с применением канала компенсации для выделения модулированной составляющей радиочастотного сигнала, соответствующей частоте пульса человека или его дыхания (RU, А, 2159942).

Известен микроволновый локатор, содержащий модулятор и передатчик, состоящий из генератора, делителя мощности, передающей антенны, соединенных своими сигнальными входами с сигнальными выходами последовательно, и выполненный с возможностью излучения радиочастотного сигнала с модуляцией, приемник, состоящий из приемной антенны, СВЧ приемника, предусилителя/демодулятора, блока обработки сигнала, соединенных своими сигнальными выходами со входами последовательно, и выполненный с возможностью приема отраженного радиочастотного сигнала, модулированного составляющей пульса и/или дыхания живого объекта, и выделения этой составляющей на выходе предусилителя/демодулятора, причем второй сигнальный выход делителя мощности соединен с управляющим входом СВЧ приемника, первый управляющий выход модулятора соединен с передатчиком, а второй и третий выходы модулятора соединены с первым и вторым управляющими входами предусилителя/демодулятора (US, A, 4958638).

Ограничением этих технических решений является их низкая помехозащищенность, связанная с влиянием на работу различных дестабилизирующих факторов, например температуры, нестабильности положения локатора из-за движения или дрожания рук оператора, нестабильность положения (перемещение) живого объекта.

Широкое распространение техники, использующей сверхширокополосные (СШП) сигналы, началось в 60-е годы после выпуска компаниями Tektronics и Hewlett-Packard стробоскопических осциллографов для измерения параметров сигналов. Стробоскопические осциллографы использовали свойство периодического повторения зондирующего сигнала для последовательного восстановления его формы. В сочетании с источником сверхширокополосного сигнала (обычно использовался перепад напряжения с фронтом пикосекундной длительности) стробоскопический осциллограф получил название импульсного рефлектометра. Метод импульсной рефлектометрии (time-domain reflectometer (TDR)) получил широкое распространение не только для исследования волнового сопротивления, неоднородностей распределенных трактов, но и для оценки свойств диэлектриков, определения влажности почв, измерений в полупроводниковых устройствах. Постепенно этот метод трансформировался в более широкое направление измерений во временной области (time-domain measurements), где с использованием алгоритмов цифровой обработки сигналов - быстрого преобразования Фурье (БПФ) получали частотные характеристики объектов, подобные тем, которые измеряются частотными анализаторами цепей.

Под сверхширокополосными (СШП) сигналами обычно понимают сигналы, для которых относительный диапазон частот Δf=2(f_H-f_L)/(f_H+f_L), где f_H- верхняя частота в спектре сигнала, a f_L - нижняя частота, находится в области более 0,25. Данное определение не является единственным, например термин сверхширокополосный сигнал в некоторых работах предполагает также определенную физическую ширину спектра (как правило, не менее 500 МГц), в других случаях считается, что такой спектр расположен вблизи нулевой частоты, и поэтому эти определения являются в значительной степени условными. Однако в последнее время этот термин широко используется, поскольку методы радиотехнической обработки СШП сигналов имеют определенную общность и в последнее время получили значительное развитие. Термин охватывает различные системы, использующие электромагнитные сигналы нано- и пикосекундной длительности, системы связи и измерений во временной области, импульсные рефлектометры, радары с радиоимпульсами длительностью в несколько наносекунд и менее.

Работы по созданию устройств наносекундной импульсной техники в России нашли свое отражение в книгах: Моругин Л.А., Глебович Г.В. «Наносекундная импульсная техника». Сов. Радио. 1964 и Рябинин Ю.А «Стробоскопическое осциллографирование», М., Сов. Радио, 1973 г. Обзор работ по достигнутым результатам в области применений пикосекундной техники можно найти в книге Г.В.Глебович, А.В.Андриянов и др. «Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов». Радио и связь, 1984 г.

Использование СШП сигналов в области локации имеет такие же ограничения, как и в СВЧ локаторах. Эти ограничения связаны в основном с температурными медленными дрейфами временных положений сигналов и с кратковременным изменением положения локатора или зондируемого объекта. Однако при использовании радиосигналов для стабилизации их временного положения (фазы и частоты) широко используется фазовая автоподстройка частоты, которую очень сложно использовать в области СШП сигналов при работе с импульсами малой длительности. Тем не менее, стабилизация положения СШП сигналов необходима и является очень важной, поскольку с изменением температуры или положения локатора изменяется задержка принятого от зондируемого объекта сигнала. Для считывания сигнала с заданного расстояния необходима долговременная стабильность временного положения СШП сигналов. Однако в любых электронных схемах время жизни носителей зависит от температуры и временная задержка сигналов может изменяться на величину до 200-500 пс. При использовании зондирующего сигнала длительностью менее 1 нс это приводит к изменению задержки фиксируемой амплитуды сигнала от максимального значения до нулевого. До настоящего времени не было известно способов стабилизации временного положения СШП сигналов.

Для заявленного технического решения наиболее близким является сверхширокополосный радар для мониторинга людей, патент на который получен McEwan (US, A, 5361070).

Этот радар содержит задающий генератор, рандомизатор, блоки опорной и подстраиваемой задержки, две антенны, генератор сверхширокополосного (СШП) сигнала, детектор принятого сигнала. Для обнаружения и мониторинга людей передающей антенной излучается СШП импульсный сигнал и с помощью приемной антенны принимается сигнал, отраженный от человека. Опорная и регулируемая задержки служат только для выделения определенной зоны по дальности, на которой регистрируется отраженный сигнал.

Это известное техническое решение имеет ограниченные возможности мониторинга живых людей, вызванные тем, что радар не позволяет осуществлять поиск людей на любой дальности, а при измерении параметров отраженного сигнала устройство подвержено влиянию дестабилизирующих факторов, таких как температура и нестабильность положения, как объекта обнаружения, так и самого радара. При изменении указанных факторов меняется задержка регистрируемых сигналов и, следовательно, амплитуда регистрируемого напряжения. Вследствие указанных факторов известный радар может служить только как обнаружитель живых объектов на заранее заданном расстоянии.

Решаемая изобретением задача - улучшение качества обработки СШП сигналов.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, - повышение долговременной стабильности временного положения сверхширокополосных сигналов и независимости их временной стабильности от температурного дрейфа или нестабильности положения места излучения и места расположения зондируемого объекта, вызванного, например, дрожанием передающего устройства или перемещением положения объекта.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства, - повышение долговременной стабильности временного положения сверхширокополосных сигналов, устранение дестабилизирующих факторов, таких как температурный дрейф и нестабильность положения как живого объекта, так и самого локатора, повышение точности определения дальности до живого объекта.

Поставленная задача решается тем, что заявленный способ включает

формирование сверхширокополосного сигнала по опорному сигналу;

излучение сформированного сверхширокополосного сигнала в пространство;

прием сверхширокополосного сигнала,

обработку принятого сверхширокополосного сигнала путем его коррелирования с опорным сверхширокополосным сигналом,

при обработке принятого сверхширокополосного сигнала опорный сверхширокополосный сигнал задерживают на время, при котором задается исходное положение контрольной точки на среднем участке между максимальным и минимальным напряжением коррелированного сигнала,

периодически отслеживают положение этой контрольной точки, и при уходе положения контрольной точки от исходного изменяют задержку излучения в пространство сформированного сверхширокополосного сигнала, в результате которой положение контрольной точки возвращают к исходному.

Возможны дополнительные варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы:

- исходное положение контрольной точки задавали до приема последующих отраженных сверхширокополосных сигналов от объекта путем излучения сформированного сверхширокополосного сигнала непосредственно в область пространства приема последующих отраженных сверхширокополосных сигналов от объекта;

- исходное положение контрольной точки задавали при приеме отраженного сверхширокополосного сигнала от неподвижного объекта;

- в качестве положения контрольной точки выбирали положение точки на участке коррелированного сигнала, имеющем максимальную крутизну, при этом измеряют величину U_CO опорного коррелированного напряжения в этой точке и при изменении текущих значений U_C коррелированного напряжения от величины U_CO опорного коррелированного напряжения изменяют задержку излучения в пространство сформированного сверхширокополосного сигнала с учетом величины U_C текущего значения коррелированного напряжения, причем при отрицательной крутизне коррелированного сигнала в контрольной точке и U_C>U_CO задержку уменьшают, а при U_CCO задержку увеличивают, или при положительной крутизне коррелированного сигнала в контрольной точке и U_C>U_CO задержку увеличивают, а при U_CCO задержку уменьшают;

- задавали параметр стабилизации е, который выбирают из условия превышения напряжения U_CO в контрольной точке над уровнем U_ш шума;

- в качестве сверхширокополосного сигнала использовали пачку импульсов, каждый из которых соответствует по форме одному периоду гармонического колебания;

- в качестве сверхширокополосного сигнала использовали пачку импульсов псевдослучайной последовательности.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата локатор для мониторинга живых объектов содержит генератор тактовых импульсов, генератор импульсов псевдослучайной последовательности, первую регулируемую задержку, первый формирователь импульсов сверхширокополосного сигнала, выполненный управляемым, передающую антенну, соединенные последовательно, вторую регулируемую задержку, второй формирователь импульсов сверхширокополосного сигнала, смеситель, усилитель, приемную антенну, причем вход второй регулируемой задержки подсоединен к выходу генератора импульсов псевдослучайной последовательности, а ее выход соединен со входом второго формирователя импульсов сверхширокополосного сигнала, выход которого соединен с первым входом смесителя, приемная антенна подсоединена ко входу усилителя, выход которого соединен со вторым входом смесителя, регулируемый усилитель, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь, соединенные последовательно, причем вход регулируемого усилителя подсоединен к выходу смесителя, блок обработки и конденсатор, причем один вывод конденсатора подсоединен к выходу смесителя, а другой вывод - к корпусу, тактовый вход блока обработки подсоединен к выходу генератора тактовых импульсов, а его управляющий вход - к выходу аналого-цифрового преобразователя, блок обработки выполнен с пятью управляющими выходами, первый управляющий выход блока обработки подсоединен к управляющему входу первого формирователя импульсов сверхширокополосного сигнала, его второй управляющий выход - к управляющему входу первой регулируемой задержки, его третий управляющий выход - к управляющему входу второй регулируемой задержки, его четвертый управляющий выход - к управляющему входу регулируемого усилителя, а его пятый управляющий выход - к управляющему входу генератора импульсов псевдослучайной последовательности, блок обработки выполнен с возможностью выделения модулированной составляющей, соответствующей частоте пульса или дыхания живого объекта, при этом блок обработки выполнен обеспечивающим формирование пачек импульсов сверхширокополосного сигнала с возможностью периодического включения-отключения по управляющему входу первого формирователя импульсов сверхширокополосного сигнала, блок обработки выполнен обеспечивающим изменение задержки по управляющему входу второй регулируемой задержки для фиксирования положения контрольной точки на среднем участке между максимальным и минимальным напряжением коррелированного сигнала на конденсаторе, блок обработки выполнен с возможностью запоминания положения этой контрольной точки и изменения задержки по управляющему входу первой регулируемой задержки при изменении положения этой контрольной точки, блок обработки выполнен обеспечивающим изменение задержки по управляющему входу второй регулируемой задержки для определения дальности до живого объекта, а также блок обработки выполнен обеспечивающим изменение коэффициента усиления регулируемого усилителя для компенсации затухания принятого приемной антенной сверхширокополосного сигнала при увеличении дальности до живого объекта.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 изображает функциональную схему локатора;

Фиг.2 - а) выбор контрольной точки на амплитудной характеристике коррелированного сигнала для реализации стабилизации временного положения сигнала, б) и в) возможные уходы контрольной точки из-за дестабилизирующих факторов, например дрожания локатора или изменения температуры;

Фиг.3 - временные диаграммы а) тактовых импульсов и б) импульсов псевдослучайной последовательности (ПСП);

Фиг.4 - временные диаграммы а) пачки импульсов ПСП на выходе первого формирователя импульсов сверхширокополосного сигнала, б) пачки импульсов ПСП на выходе второго формирователя импульсов сверхширокополосного сигнала, в) форма сигнала на конденсаторе (интеграторе) при совпадении задержек первого и второго формирователей импульсов сверхширокополосного сигнала;

Фиг.5 - а) форма передаваемого сверхширокополосного сигнала для одного импульса, б) спектральная плотность сверхширокополосного сигнала для одного импульса;

Фиг.6 - псевдослучайная последовательность излученного СШП сигнала пачки импульсов;

Фиг.7 - а) принятый СШП сигнал, б) гетеродинный сигнал на выходе второго формирователя импульсов сверхширокополосного сигнала, в) амплитуда напряжения на корреляторе (смесителе и конденсаторе) в зависимости от взаимного временного сдвига сигналов τ;

Фиг.8 - функциональная схема блока обработки;

Фиг.9 - функциональная схема вычислителя;

Фиг.10 - алгоритм работы блока управления блока обработки при работе локатора в режиме сканирования и стабилизации задержки опорного сигнала;

Фиг.11 - алгоритм стабилизации задержки опорного сигнала.

Поскольку заявленный способ реализуется при работе локатора, то сначала опишем функциональные элементы, входящие в его структурную схему (фиг.1).

Локатор для мониторинга живых объектов содержит генератор 1 тактовых импульсов, генератор 2 импульсов псевдослучайной последовательности (ПСП), первую регулируемую задержку 3, первый формирователь 4 импульсов сверхширокополосного сигнала, выполненный управляемым, передающую антенну 5, соединенные последовательно. Локатор имеет вторую регулируемую задержку 6, второй формирователь 7 импульсов сверхширокополосного сигнала, смеситель 8, усилитель 9, приемную антенну 10, регулируемый усилитель 11, полосовой фильтр 12, аналого-цифровой преобразователь 13, блок 14 обработки и конденсатор 15. Вход второй регулируемой задержки 6 подсоединен к выходу генератора 2 импульсов псевдослучайной последовательности, а ее выход соединен со входом второго формирователя 7 импульсов сверхширокополосного сигнала. Выход второго формирователя 7 соединен с первым входом смесителя 8. Приемная антенна 10 подсоединена ко входу усилителя 9, выход которого соединен со вторым входом смесителя 8.

Регулируемый усилитель 11, полосовой фильтр 12, аналого-цифровой преобразователь 13 соединены последовательно. Вход регулируемого усилителя 11 подсоединен к выходу смесителя 8.

Один вывод конденсатора 15 подсоединен к выходу смесителя 8, а другой вывод конденсатора 15 подсоединен к корпусу. Тактовый вход блока 14 обработки подсоединен к выходу генератора 1 тактовых импульсов, а его управляющий вход - к выходу аналого-цифрового преобразователя 13.

Блок 14 обработки выполнен с пятью управляющими выходами. Первый управляющий выход блока 14 обработки подсоединен к управляющему входу первого формирователя 4 импульсов сверхширокополосного сигнала, его второй управляющий выход - к управляющему входу первой регулируемой задержки 3, его третий управляющий выход - к управляющему входу второй регулируемой задержки 6, а его четвертый управляющий выход - к управляющему входу регулируемого усилителя 11. Пятый управляющий выход блока обработки 14 подсоединен к управляющему входу генератора 2 импульсов псевдослучайной последовательности.

Блок 14 выполнен с возможностью выделения модулированной составляющей, соответствующей частоте пульса или дыханию живого объекта. Блок 14 выполнен обеспечивающим формирование пачек импульсов сверхширокополосного сигнала с возможностью периодического включения-отключения по управляющему входу первого формирователя 4 импульсов сверхширокополосного сигнала.

Блок 14 обработки обеспечивает изменение задержки по управляющему входу второй регулируемой задержки 6 для фиксирования положения контрольной точки на среднем участке амплитудной характеристики напряжения принятого приемной антенной 10 сверхширокополосного сигнала, запоминание положения этой контрольной точки и изменения задержки по управляющему входу первой регулируемой задержки 3 при изменении положения этой контрольной точки. Блок 14 обеспечивает изменение задержки по управляющему входу второй регулируемой задержки 6 для определения дальности до живого объекта. Блок 14 выполнен обеспечивающим изменение коэффициента усиления регулируемого усилителя 11 для компенсации затухания принятого приемной антенной сверхширокополосного сигнала при увеличении дальности до живого объекта.

Способ стабилизации временного положения сверхширокополосного сигнала включает формирование первым формирователем 4 импульсов сверхширокополосного сигнала по опорному сигналу от генератора 2 ПСП (фиг.1). Излучают сформированный сверхширокополосный сигнал (СШС) в пространство передающей антенной 5. Принимают СШС приемной антенной 10. Обрабатывают принятый СШС путем его смешения (умножения) в смесителе 8 с опорным сверхширокополосным сигналом, сформированным вторым формирователем 7 импульсов СШС для получения коррелированного сигнала. При обработке принятого СШС опорный сверхширокополосный сигнал, сформированный вторым формирователем 7 импульсов СШС, задерживают на время, при котором задается исходное положение контрольной точки U_CO (фиг.2а) на среднем участке коррелированного сигнала на конденсаторе 15 после смесителя 8 (под средним участком понимается участок, расположенный в середине амплитудной характеристики коррелированного сигнала: между максимальным и минимальным напряжением коррелированного сигнала или в точке коррелированного сигнала, характеризующейся максимальной крутизной). Периодически отслеживают положение этой контрольной точки U_CO между приемами последующих отраженных СШС от объекта, при которых определяют дальность до него. При приеме последующих отраженных СШС от объекта при уходе положения контрольной точки U_CO от исходного (фиг.2б, в) изменяют первой регулируемой задержкой 2 задержку излучения в пространство первым формирователем 4 сформированного сверхширополосного сигнала, в результате которой положение контрольной точки U_CO возвращают к исходному (фиг.2а).

Исходное положение контрольной точки U_CO может быть задано различным образом.

Например, оно задается до приема последующих отраженных сверхширокополосных сигналов от объекта путем излучения передающей антенной 5 сформированного первым формирователем 4 импульсов СШС непосредственно в область пространства приема приемной антенной 10 последующих отраженных сверхширокополосных сигналов от объекта. То есть используется последовательность прямого прохождения из передающей антенны 5 в приемную антенну 10. В этом случае при стабилизации запоминается величина коррелированного сигнала в контрольной точке U_CO на участке амплитудной характеристики, например, с большой крутизной. В последующем это значение периодически проверяется и в зависимости от величины ошибки изменяется значение задержки для первой регулируемой задержки 2. Указанная стабилизация осуществляется автоматически в промежутках приема СШС от объекта через заданные разработчиком промежутки времени, устраняя температурные дрейфы задержки излученного передающей антенной 5 сверхширокополосного сигнала в пространство.

Как вариант опорный сигнал для стабилизации может быть выбран в режиме сканирования путем указания с помощью маркера стабилизируемой контрольной точки сигнала. Периодически (например, один раз за период сканирования по расстоянию) считывается значение сигнала в выбранной контрольной точке U_CO.

Кроме того, исходное положение контрольной точки U_CO может задаваться при приеме отраженного сверхширокополосного сигнала от неподвижного (неживого) объекта. В этом случае способ позволяет устранить небольшие перемещения локатора, вызванные, например, дрожанием рук оператора этого локатора. Указанная стабилизация также может осуществляться автоматически в промежутках приема СШС от живого объекта.

Стабилизация является особенно важной при работе с СШС (импульсами малой длительности). Для импульсов с длительностью 100 пс погрешность стабилизации временной задержки должна быть не менее 1 пс.

В качестве положения контрольной точки U_CO целесообразно выбирать положение точки на амплитудной характеристике напряжения U_C коррелированного сигнала, в которой та имеет максимальную крутизну (фиг.2 а). Измеряют величину U_CO опорного напряжения в этой точке и при изменении текущих значений U_C напряжения для последующих отраженных сверхширокополосных сигналов от объекта от величины U_CO опорного напряжения (фиг.2б, в) изменяют задержку первой регулируемой задержки 3 излучения в пространство сформированного сверхширокополосного сигнала с учетом величины U_C текущего значения напряжений, при отрицательной крутизне сигнала в контрольной точке и U_C>U_CO задержку первой регулируемой задержки 3 уменьшают, а при U_CCO задержку увеличивают. Закон изменения задержки может быть и обратным, если крутизна сигнала в контрольной точке положительна. Увеличение или уменьшение задержки определяется знаком крутизны в выбранной контрольной точке считывания опорного напряжения. Таким образом, разность между текущим значением напряжения U_C и опорным U_CO отслеживается блоком 14 обработки и используется для управления временем задержки первой регулируемой задержки 3.

Кроме того, способ позволяет задавать параметр стабилизации е, который выбирают из условия превышения напряжения U_CO в контрольной точке над уровнем U_ш шума. Например, подходящим значением является утроенное среднеквадратическое значение шума.

Принципиально важно, что способ позволяет работать со сверхширокополосными сигналами различной формы и с совершенно различными последовательностями импульсов СШС. В частности, как далее показано в описании, в качестве сверхширокополосного сигнала можно использовать пачку импульсов, каждый из которых имеет форму одного периода гармонического колебания.

В качестве сверхширокополосного сигнала можно использовать последовательность импульсов с равными временными промежутками между ними, а также можно использовать пачку импульсов псевдослучайной последовательности.

Работает локатор (фиг.1) следующим образом.

Генератор 1 тактовых импульсов вырабатывает периодическую последовательность тактовых импульсов (фиг.3а), запускающих генератор 2 импульсов ПСП. В генераторе 2 импульсов ПСП из импульсов генератора 1 формируется периодическая с периодом Т_ПСП псевдослучайная по времени последовательность (фиг.3б), которая поступает далее на первую и вторую регулируемые задержки 3 и 6 соответственно. Генератор 2 импульсов ПСП формирует импульсы, интервал следования которых изменяется по определенному заданному закону. Сигналы с выхода первой регулируемой задержки 3 запускают первый формирователь 4 импульсов сверхширокополосного сигнала (зондирующего сигнала), подключенный к передающей антенне 5. Сигналы с выхода второй регулируемой задержки 6 поступают на второй формирователь 7 импульсов СШС, формирующий гетеродинный сигнал для смесителя 8.

Для обеспечения возможности формирования промежуточной частоты приемника первый формирователь 4 работает в режиме формирования пачек импульсов. В один период следования ПСП первый формирователь 4 включен, а в следующий период выключен (фиг.4, а) - сигнал U_ФИ1. Для обеспечения этого режима первый формирователь 4 управляющим входом (входом блокировки) подключен к первому управляющему выходу блока 14 обработки. Сигналы на смеситель 8 со второго формирователя 7 импульсов СШС поступают без пропусков (фиг.4б) - сигнал U_ФИ2.

Отраженная от объекта последовательность импульсов принимается приемной антенной 10, поступает на усилитель 9 и далее на смеситель 8. В смесителе 8 происходит перемножение отраженных от объекта сигналов и гетеродинного сигнала с выхода второго формирователя 7 СШС. С выхода смесителя 8 полученный в результате смешения сигнал поступает на интегратор, выполненный на конденсаторе 15. При совпадении задержек сигналов, отраженных от удаленного объекта и гетеродинного сигнала на конденсаторе 15, образуется коррелированный сигнал в виде последовательности периодических волн, амплитуда которых пропорциональна амплитуде отраженных сигналов, а период соответствует удвоенному периоду повторения ПСП последовательности (фиг.4 в) - сигнал U_C.

После интегрирования конденсатором 15 импульсы усиливаются в регулируемом усилителе 11 с переменным коэффициентом усиления. Коэффициент усиления регулируемого усилителя 11 задается по четвертому управляющему выходу блока 14 обработки, подсоединенному к управляющему входу регулируемого усилителя 11, позволяя создать усиление различным в начале и в конце сканирования, тем самым компенсируя затухание сигналов, вызванное увеличением расстояний до отражающих объектов. На выходе смесителя 8 на емкости 15 накапливаются сигналы за время, соответствующее длительности ПСП. К выходу регулируемого усилителя 11 подключен полосовой фильтр 12, выделяющий первую промежуточную частоту. Первая промежуточная частота определяется длительностью пачки имульсов, поступающей на первый формирователь 4 импульсов СШС. Этот сигнал преобразуются из аналогового в цифровой сигнал в аналого-цифровом преобразователе 13 и далее поступает на управляющий вход (вход цифровых данных) блока 14 обработки, осуществляющий преобразование принятого сигнала на нулевую промежуточную частоту и выделение амплитуды отраженных сигналов для анализа составляющих, соответствующих дыханию или пульсу живого объекта.

Первый формирователь 4 импульсов СШС формирует из запускающих импульсов генератора 2 ПСП зондирующий сигнал. В качестве одного импульса зондирующего сигнала в локаторе целесообразно использовать импульс в форме одного периода гармонического колебания (фиг.5а). Использование такой формы сигнала позволяет его эффективно излучать передающей антенной 15. Центральная частота f₀ спектра импульса и эффективная полоса частот ΔF, занимаемая таким сигналом, равны 1/Т₀ (фиг.5б). По сравнению с импульсным сигналом в форме гауссова импульса этот сигнал содержит значительно меньший уровень спектральных составляющих на низких частотах, и поэтому он может быть лучше согласован при излучении и приеме соответственно с передающей и приемной антеннами 5 и 10.

В результате воздействия ПСП последовательности импульсов запуска от генератора 2 на первый формирователь 4 для импульса в форме одного периода гармонического колебания форма излученных передающей антенной 5 сигналов соответствует изображенной на фиг.6. Форма импульсов на выходе второго формирователя 7 совпадает по форме с импульсами на выходе первого формирователя 4.

Для определения положения отражающих живых объектов по дальности осуществляется сканирование по дальности. В этом режиме последовательно для каждой координаты дальности изменяется значение задержки во второй регулируемой задержке 6 (фиг.1). За время, равное длительности ПСП, на конденсаторе 15 накапливается напряжение. Это напряжение усиливается регулируемым усилителем 11, считывается в цифровой форме аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 13 и запоминается в памяти блока обработки 14. После этого значение задержки во второй регулируемой задержке 6 изменяется и считывается новое значение напряжения. При наличии какого-либо отражающего живого объекта на координате L по дальности, при задержке последовательности на выходе второй регулируемой задержки 6 на время 2L/c, где с - скорость света, на конденсаторе 15 выделяется напряжение, пропорциональное амплитуде отражающего живого объекта. Сдвиг принятой последовательности U₀ относительно опорной U_ФИ2, поступающей на смеситель 8 со второго формирователя 7, приводит к изменению напряжения на конденсаторе 15 в соответствии с диаграммами, изображенными на фиг 7а, б, в. Длительность импульса U_C, снимаемого с конденсатора 15, при изменении задержки сигнала в блоке второй регулируемой задержки 6 равна длительности зондирующего сигнала Т₀, а форма сигнала соответствует корреляционной функции отраженного и гетеродинного сигнала. При наличии нескольких отражающих живых объектов отклик каждого из них будет наблюдаться на задержке τ, равной времени распространения сигналов до живого объекта и обратно. При определении параметров живых объектов задержка τ гетеродинного сигнала U_ФИ2 фиксируется в точке, обеспечивающей максимум принятого сигнала, и по изменению амплитуды сигнала блоком 14 определяются параметры дыхания и сердцебиения.

Измерение параметров дыхания и сердцебиения осуществляется блоком 14 следующим образом. После выполнения операций по стабилизации задержки излучаемого сверхширокополосного сигнала с помощью первой регулируемой задержки 3, последовательным изменением задержки сигнала блоком второй регулируемой задержки 6 от некоторого начального значения до конечного с заданным шагом, определяемым выбранным диапазоном исследуемой дальности и необходимой дискретностью по дальности, последовательно для каждой задержки в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) записывается N выборок напряжений на конденсаторе 15. Микроконтроллер, входящий в блок обработки 14, позволяет анализировать и вычислять параметры сигналов, записанных в ОЗУ (амплитуду, дисперсию, частоту). Каждому значению задержки второй регулируемой задержки 6 соответствует определенное расстояние по дальности. В то же время сигнал, отраженный от живого человека, промодулирован по задержке и поэтому его значение при заданной величине задержки второй регулируемой задержки 6 меняется. Частота модуляции за счет дыхания составляет 0,05-0,3 Гц, а сердцебиения - 0,7-3 Гц. После записи в памяти блока обработки 14 реализации отраженного сигнала в заданном диапазоне по дальности задержек для каждого значения задержки блока второй регулируемой задержки 6 вычисляется дисперсия записанного напряжения по N точкам. При наличии живых людей дисперсия отраженного сигнала на задержке (дальности), соответствующей их нахождению, будет превышать дисперсию отраженного сигнала на других задержках. Блок 14 выбирает такое значение задержки блока второй регулируемой задержки 6, при которой имеется максимальная дисперсия напряжения или при которой значение дисперсии превышает уровень дисперсии аддитивного шума. Затем последовательно считывается и записывается в память блока 14 напряжение U_C, соответствующее отражению промодулированного сигнала с составляющими жизнедеятельности человека. Это напряжение U_C фильтруется цифровым фильтром, и блок 14 измеряет период его изменения. В зависимости от того, что измеряется: дыхание или сердцебиение, в цифровой фильтр записываются параметры, соответствующие фильтру с полосой 0,7-3 Гц или 0,05-0,3 Гц. После цифровой фильтрации осуществляется измерение частоты. В простейшем случае частота определяется как величина, обратная периоду повторения напряжения сигнала. Период измеряется как временной интервал, через который значение сигнала начинает повторятся. Возможен и другой алгоритм определения частоты, который заключается в использовании метода дискретного преобразования Фурье временной реализации сигнала, полученной при заданном значении задержки блока второй регулируемой задержки 6, и выбором в качестве частоты значения частоты спектральной составляющей с максимальным амплитудным значением.

Блок 14 обработки (фиг.8) осуществляет также связь с персональным компьютером (ПЭВМ) по порту USB для получения команд от персонального компьютера, выдачи информации в персональный компьютер, обновления версии внутреннего программного обеспечения управления узлами и блоками локатора (фиг.1). ПЭВМ может также измерять параметры отраженных сигналов (измерение частоты, амплитуды отраженных сигналов и т.д.) и отображать их на мониторе.

Блок 14 состоит из следующих узлов (фиг.8):

блока 21 интерфейса USB (может быть выполнен на микросхеме CY7C68001-56PVC фирмы Cypress), блока 22 цифровой фильтрации (DDC), который может быть выполнен на микросхеме AD6620 ф Analog Devices, блока 23 управления, блока 24 микроконтроллера, ОЗУ 25 - оперативного запоминающего устройства, в качестве которого может быть использована микросхема K6R4016V1D-TI08 фирмы Samsung, вычислителя 26 (блок управления и вычислитель могут быть выполнены на микросхеме ПЛИС EP1K50QI208-2 фирмы ALTERA), цифроаналоговых преобразователей ЦАП1 27, ЦАП2 28, ЦАП3 29 (в качестве ЦАП можно использовать микросхему AD5542 ф. Analog Devices). Функциональная схема вычислителя приведена на фиг.9. Вычислитель содержит регистр кода значения U_CO 30 напряжения в контрольной точке, регистр кода значения U_C 31 напряжения в контрольной точке, вычитатель 32, компаратор 33, регистр кода ошибки 34, корректор кода 35, регистр кода первой регулируемой задержки 36.

Блок 21 интерфейса USB предназначен для обмена информацией с внешним персональным компьютером по порту USB. Блок 22 DDC предназначен для обработки информации. Обработка включает преобразование частоты и полосовую или низкочастотную фильтрацию, тип и вид обработки информации определяется командами от микроконтроллера или персонального компьютера. Блок 23 управления предназначен для управления всеми блоками локатора по управляющим выходам блока 14 обработки. Кроме того, он служит для получения данных от аналого-цифрового преобразователя 13, загрузки их в блок 22 цифровой фильтрации, для получения отфильтрованных данных из блока 22 цифровой фильтрации, выдачи информации в блок 21 интерфейса USB для их дальнейшей передачи в персональный компьютер, загрузки данных от персонального компьютера через блок 21 интерфейса USB, загрузки кодов для формирования ПСП по пятому управляющему выходу блока 14, для запусков первого формирователя 4 и второго формирователя 7, для вычисления параметров отраженных сигналов амплитуды, дисперсии и частоты отраженных сигналов, в соответствии с алгоритмом, описанным выше.

Блок 24 микроконтроллера предназначен для предстартовой загрузки прошивок, проведения тестирования узлов и блоков локатора, выдачи при необходимости результатов тестирования внешнему персональному компьютеру, вычисления параметров отраженных сигналов (амплитуды, задержки, частоты) и при необходимости выдачи информации на другие устройства, такие как строчный дисплей, звуковой динамик и др.

Блок 14 обработки (фиг.8) работает следующим образом.

Данные от АЦП 13 записываются в DDC 22, где осуществляется цифровое преобразование частоты с первой промежуточной частоты на несущую с нулевой частотой и фильтрация результирующего сигнала фильтром низких частот или полосовым фильтром. Тем самым можно выделить либо частоту дыхания, либо частоту сердцебиения. Микросхема AD6620 содержит все необходимые технические средства преобразования и цифровой фильтрации сигналов. В режиме записи реализации в соответствии с алгоритмом (фиг.10) блок управления записывает в ОЗУ 25 реализации отраженных сигналов. При включении режима автостабилизации блок управления 23 записывает в вычислитель 26 значение кода с аналого-цифрового преобразователя, соответствующее значению сигнала в контрольной точке на реализации (регистр кода значения U_CO 30), по которому происходит стабилизация. В регистр кода первой регулируемой задержки 36 заносят значение кода, соответствующее половины шкалы задержки. В регистр кода ошибки 34 заносится значение порога регулировки ε. Включается режим последовательного взятия реализации сигнала. Из каждой реализации сигнала в регистр кода значения U_C контрольной точки 31 заносится новое значение сигнала с аналого-цифрового преобразователя в той же контрольной точке реализации, из которой ранее было занесено значение U_CO в регистр кода значения U_CO 30. В регистр кода значения U_CO 30 сигнал заносится один раз при включении режима стабилизации и он не меняется в процессе стабилизации. В регистр кода значения U_C 31 сигнал заносится каждый раз при взятии очередной реализации сигнала, в вычитателе 32 происходит вычитание кодов U_C и U_CO, а в компараторе 33 - сравнение модуля разности с пороговым значением ε. В зависимости от знака разности и результата сравнения ошибки и порогового значения ε в компараторе 33 в регистр кода первой регулируемой задержки 36 заносит новое значение кода на 1 больше или меньше. Это осуществляется с помощью корректора кода 35. В результате циклического выполнения алгоритма (фиг.11) значение кода U_C будет приближено к значению U_CO с погрешностью не более значения ε, соответственно временное положение сигнала, взятого в качестве опорного для стабилизации, будет соответствовать временному положению, которое имело место при включение режима автостабилизации.

Для изменения значения задержки в блоках первой 3 и второй 6 регулируемой задержки используются ЦАП1 27 и ЦАП2 28. ЦАП3 29 используется для управления регулируемым усилителем 11.

В блоке 14 обработки для реализации блока управления 23 и вычислителя 26 имеются ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) или FPGA (Field Programmable Gate Array). Для их работы после включения питания микроконтроллер 24 загружает конфигурационный файл, определяющий их внутреннюю структуру. Имеется несколько способов загрузки, описанных в рекомендациях фирмы ALTERA, один из них с помощью микроконтроллера (см. Application Note 116). Конфигурационный файл определяет внутреннюю "начинку" ПЛИС, ее поведение и реакцию на входные сигналы. Поэтому после включения питания прибора в ПЛИС загружается первый конфигурационный файл, необходимый для того, чтобы микросхема ПЛИС позволяла провести тестирование узлов и блоков прибора (режим LOADER). После успешного тестирования загружается иной конфигурационный файл, предназначенный для перевода ПЛИС в режим для работы прибора (RUN). Микроконтроллер хранит в своей флэш-памяти данных оба конфигурационных файла для ПЛИС.

После включения питания управление блоком передается блоку 24 микроконтроллера. В блок 24 входят сам микроконтроллер и память данных. Микроконтроллер инициализирует микросхему интерфейса USB 21, загружая в нее данные из памяти данных. Аналогично, загружаются из памяти данных файлы конфигурации для микросхем ПЛИС (режим работы 1- LOADER). Микроконтроллер выполняет тестирование системы, программно запускает сбор информации по точкам, тестирует АЦП 13, DDC 22 и т.п. Результаты тестирования могут передаваться по интерфейсу USB внешнему компьютеру. Если тесты выполнены без ошибок, дается команда на загрузку файлов конфигурации для микросхем ПЛИС для режима работы 2 - RUN. Здесь возможны варианты в зависимости от номера версии файла конфигурации, находящегося в памяти данных микроконтроллера и при работе с внешней ЭВМ. Если версия на внешнем компьютере новее, то сначала происходит загрузка ее из внешней программы в память данных микроконтроллера, а затем загрузка в ПЛИС. Прибор после загрузки конфигурации ПЛИС режима работы 2 переходит в основной режим работы. Управление прибором передается от блока 24 микроконтроллера к блоку 23 управления, так как возрастают требования по скорости обработки и управлению, которые блок 24 микроконтроллера не сможет обеспечить, а обеспечивает логический аппарат блока 23 управления. Из внешней программы передаются коды точки на реализации, коды усиления сигнала на реализации и др. параметры, задаваемые пользователем. Блок 14 обработки собирает информацию и либо передает ее во внешний компьютер, либо осуществляет вычисление параметров отраженных сигналов и их обработку и индикацию (например, частоты изменения амплитуды сигнала).

Блок управления 23 в режиме сканирования работает следующим образом (фиг.10). При включении питания блок 24 микроконтроллера (фиг.9) загружает код начального значения первой регулируемой задержки 3 (среднее значение задержки) и начинает выполнение операций по вводу реализации отраженного сигнала. Для этого во вторую регулируемую задержку 6 (фиг.1) записывается код начальной задержки, обеспечивающий считывание сигнала с заданной начальной дальности, считывается и записывается в ОЗУ 25 значение напряжения U_C на конденсаторе 15, осуществляется приращение кода задержки второй регулируемой задержки 6 и снова записывается напряжение на конденсаторе 15. Указанные операции повторяются до тех пор, пока не будет пройден весь диапазон по задержке (дальности). В результате чего в ОЗУ 25 формируется массив, представляющий реализацию отраженного сигнала в заданном диапазоне задержек (дальностей).

Для осуществления стабилизации временного положения СШС (фиг.2) блок 23 управления, входящий в состав блока 14 обработки, работает следующим образом (фиг.11). Вычисляет разность между текущим значением напряжения U_C в контрольной точке и запомненным при включении программы стабилизации U_CO. В зависимости от крутизны в контрольной точке и знака разности увеличивает или уменьшает задержку в первой регулируемой задержки (6) (фиг.1). Если разность меньше порогового значения е, который выбирают из условия превышения над уровнем U_ш шума, |U_C-U_CO|<е, осуществляется выход в управляющую программу для сканирования по дальности (фиг.9). Операция по стабилизации временного положения выполняется один раз за один цикл взятия реализации отраженного сигнала. Если период взятия одной выборки на задержке равен 1 мкс, а число выборок на реализации 1000, то время повторения операции стабилизации составляет 1 мс. За время порядка 1 мс контрольная точка не может значительно измениться по задержке и выйти за пределы монотонного участка амплдитудной характеристики коррелированного сигнала, поскольку эти изменения вызываются медленными процессами, вызываемыми механическими перемещениями и температурными изменениями. В то же время указанная операция обеспечивает стабильное временное положение излучаемого сигнала относительно выбранного опорного сигнала на реализации отраженного сигнала. При длительности зондирующего сигнала не более 0,5 нс длительность монотонного участка составляет не более 0,2 нс. Если амплитуда опорного сигнала, используемого для стабилизации, равна 0,5 В, а уровень шума приемника 0,5 мВ, то погрешность временной стабилизации при пороге е, равном удвоенному значению шумового напряжения е=1 мВ, составляет ≈200 пс 1 мВ/500 мВ=0,4 пс. Еще большую точность стабилизации можно получить, если усреднить считываемое значение напряжения в контрольной точке. При этом погрешность уменьшается в √М, где М - число усредняемых выборок.

Таким образом, по сравнению с ближайшим аналогом приведенная схемная реализация локатора (фиг.1) обеспечивает:

Формирование первой промежуточной частоты при приеме, равной 1/2Т_псп. Формирование первой промежуточной частоты позволяет осуществлять усиление сигнала на частотах, где мало влияние фликкер-шумов полупроводниковых элементов. Предлагаемая схема формирования импульсов запуска в виде периодической последовательности кодированных пачек импульсов с интервалом пропуска излучения (фиг.4а) позволяет устранить синхронные низкочастотные наводки на смеситель 8 и передающую и приемную антенны 5, 10. Основное усиление в этом случае осуществляется на промежуточной частоте и мало подвержено низкочастотным фликкер-шумам. В качестве измеряемого значения служит амплитуда переменного напряжения между напряжением на выходе смесителя 8, получаемым при излучении зондирующего сигнала, и напряжением на выходе смесителя 8, полученным при отсутствии запуска первого формирователя 4.

Излучение импульсов, расположенных по времени по псевдослучайному закону, позволяет уменьшить спектральную плотность импульсов на дискретных частотных составляющих, определяемых периодом повторения генератора 1 (ГТИ), и, следовательно, снизить влияние на другие блоки локатора. В отличие от аналога используемая схема формирования импульсов запуска с использованием генератора 2 ПСП позволяет формировать псевдослучайные законы следования зондирующих импульсов в пределах от -Т/2 до Т/2, где Т - период следования импульсов генератора 1 ГТИ. Например, использование в качестве ПСП ортогональных М-последовательностей имеет оптимальные корреляционные свойства по отношению сигнал/шум при корреляционном приеме. Знание закона ПСП и частоты достаточно для реализации автономного канала приема зондирующего сигнала, что важно при реализации многоканальных схем. В то же время псевдослучайный закон следования делает излучаемый зондирующий сигнал близким к шумовому, устраняя синхронные наводки на частотах, равных периоду повторения зондирующего сигнала на другие блоки локатора.

Самое главное, что заявленный способ и устройство позволяют осуществить стабилизацию временного положения отраженных сигналов относительно любого заданного временного сигнала, принятого приемной антенной 10. Стабилизация необходима, поскольку с изменением температуры или положения локатора задержка принятого от полезного объекта сигнала изменяется. При небольших взаимных сдвигах временных последовательностей принятого отраженного от объекта сигнала U₀(t) и гетеродина U_ФИ2(t) амплитуда регистрируемого сигнала быстро изменяется (фиг.7). Для правильного считывания сигнала с заданного расстояния необходима долговременная стабильность временного положения СШС.

Наиболее успешно заявленный способ стабилизации временного положения сверхширокополосного сигнала и локатор для мониторинга живых объектов промышленно применимы для обнаружения и определения координат живых объектов в поисково-спасательной службе, а также способ может быть применен в других технических приложениях при использовании импульсных сигналов с длительностью в несколько наносекунд и менее.

Реферат

Изобретение относится к поисково-спасательной службе и может быть использовано для активного зондирования завалов. Технический результат заключается в повышении помехозащищенности, связанной с влиянием на работу локатора температуры, движения или дрожания рук оператора. Для этого формируют сверхширокополосный сигнал (СШП) по опорному сигналу, излучают сформированный СШП сигнал в пронстранство, принимают отраженный СШП сигнал, обрабатывают принятый СШП сигнал путем его коррелирования с опорным СШП сигналом, причем при обработке принятого СШП опорный СШП сигнал задерживают на время, при котором задается исходное положение контрольной точки на среднем участке между максимальным и минимальным напряжением коррелированного сигнала, периодически отслеживают положение этой контрольной точки и, при уходе положения контрольной точки от исходного, изменяют задержку излучения в пространство сформированного СШП сигнала, в результате которой положение контрольной точки возвращают к исходному. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула