ОКБ АСТРОН г. Лыткарино, www.ASTROHN.ru
В одном из вариантов осуществления временной сигнал проходит из преобразователя (приемной антенны) в персональный компьютер (АЦП) через по меньшей мере один фильтр верхних частот 15-го порядка и один фильтр нижних частот 21-го порядка, которые получаются из произведения передаточных функций отдельных элементов измерительной цепи (прямой смеситель, предусилитель, 2 фильтра нижних частот, 2 фильтра верхних частот, АЦП).
В случае необходимости динамические характеристики аналоговой части электронной системы могут быть улучшены с помощью элементов, непосредственно влияющих на компенсацию полюсов и нулей. Тем самым можно снизить шум, улучшить неблагоприятные характеристики передачи или достичь оптимальных качеств передачи в соответствии с определенными критериями.
3. Фильтр верхних частот
Согласно изобретению спектральное ограничение входного сигнала в отношении нижних частот желательно по трем причинам:
1. Низкочастотный (НЧ) шум
Амплитуда НЧ-шума возрастает обратно частоте. Следовательно, с увеличением времени измерения шумовые составляющие присутствуют на все более низкой частоте и искажают измеряемый сигнал. Основные источники НЧ-шума - передающий генератор, генератор преобразователя и операционные усилители.
2. Медленные движения
Движения обнаруживаемого тела при постоянной скорости вызывают доплеровский сдвиг частоты, а значит, и спектральные составляющие, которые могут попадать в исследуемую полосу частот. В случае нерегулярных движений возникает широкая дополнительная полоса. Чем медленнее движения, тем более низкочастотными становятся спектры, которые все труднее отличить от шумовых составляющих.
3. Время оценки
Для идентификации спектральной линии частоты f необходимо проводить измерения по меньшей мере в течение времени t = 1/f, то есть чем ниже обнаруживаемые частоты, тем продолжительнее должен быть период, в течение которого необходимо проводить измерения. Поскольку невозможно гарантировать, что время измерения является целым кратным спектральной составляющей, представляющей интерес, при анализе Фурье возникает эффект утечки. Это приводит к расширению спектра. Поэтому при анализе нижних частот необходимо соблюдать время измерения, которое является кратным продолжительности периода, при этом степень точности возрастает пропорционально времени измерения. При 10% ошибок в спектральном разрешении и нижней частоте 0,2 Гц необходимо проводить измерения в течение 50 секунд.
На фиг. 3 представлена общая схема цепи оценки. Персональные IBM-совместимые компьютеры офисного типа используются как центральные узлы, поскольку их производительность достаточна для выполнения поставленной задачи.
Схема, представленная на фиг. 4 и 4a, характеризует собой этапы обработки, где F {} обозначает преобразование Фурье, a F-1 {} - обратное преобразование Фурье.
Результаты
После разных предварительных испытаний было обнаружено, что достаточно, чтобы частота дискретизации составляла 16 Гц при однополярном разрешении 13 разрядов (общее разрешение 14 разрядов). Ширина окна для спектрального анализа составляла 512 значений, что соответствовало приблизительно 33 секундам, в качестве этого окна была выбрана финитная взвешивающая функция Хемминга.
На фиг. 5 показана частота сердцебиения исследуемого человека при остановленном дыхании. Спектральная составляющая выделяется настолько ясно, что дополнительная обработка для обнаружения сердцебиения исследуемого человека не является необходимой. Спектр представлен в произвольных единицах в зависимости от частоты в Герцах. Измерения проводились на частоте 2,4 ГГц, в качестве приемника использовался диодный прямой приемник, например полуволновой симметричный вибратор, передатчиком служил гетеродин, дыхание было остановлено.
На фиг. 6 показан спектр сигнала, отраженного дышащим человеком, с применением диодного прямого приемника и логопериодической директорией антенны и передающего генератора 1,3 ГГц в качестве источника. При этом присутствовали и частота сердцебиения и частота дыхания.
Эксперименты показали, что при частоте 440 МГц измерения были затруднены из-за чрезмерной чувствительности всей системы. Почти все регистрации продемонстрировали явления перерегулирования и реакцию на внешние эффекты.
Проблема перерегулирования может быть решена с помощью подходящего ослабления; оно не влияет на обнаружение дыхательной и сердечной активности.
Если применяется циркулятор, тогда, как описано, можно использовать антенну, принимающую и передающую одновременно.
Приведенные выше примеры достаточно ясно продемонстрировали возможность обнаружения живых людей. При этом ни стены, ни расстояние в несколько десятков метров не являются серьезным препятствием. Рабочие частоты 1,3 ГГц и 2,4 ГГц были признаны наиболее подходящими. При использовании доступных антенн уровень чувствительности достаточно высок, чтобы получить воспроизводимые результаты с ясной идентификацией сердцебиения и дыхания, не требуя проведения значительных числовых вычислений, поскольку и так присутствуют достаточно сильные принимаемые сигналы.
Структурная схема фильтра верхних частот и фильтра нижних частот с защитой от наложения спектров
На фиг.8a и 8b показана структурная электрическая схема блока, применяемого для ограничения полосы. Фильтр верхних частот третьего порядка подавляет низкочастотные шумовые составляющие, в частности НЧ-шум. Последующий фильтр нижних частот третьего порядка ограничивает спектр со стороны высоких частот. Затем следует линейный усилительный каскад для выравнивания уровня. Рабочее напряжение симметрируют электронным путем, так что достаточен однополярный источник питания. Два таких блока, соединенных каскадно, выполняют требования, предъявляемые теоремой Котельникова.
Структурная схема диодного демодулятора
Диодный детектор, схема которого представлена на фиг. 7, служит для фазовой демодуляции принимаемого сигнала, преобразованного на промежуточной частоте, и как прямой демодулятор для разработанных приемных антенн. Такая схема соответствует типовому измерителю мощности; ток предусилителя может быть приложен с выхода. Входной импеданс может быть согласован со смесителем ПЧ или антеннами.
Структурная схема диодного прямого приемника
Диодные прямые приемники содержат полуволновой или волновой диодные детекторы, умноженные на соответствующий коэффициент укорочения с соответствующими схемами на входе. На выходе может быть приложен ток предусилителя.
Кроме того, каждый блок снабжен собственным источником стабилизированного напряжения и собственным выключателем питания, чтобы блоки с большой постоянной времени (гетеродины, предусилители, фильтр нижних частот) могли работать в непрерывном режиме и находились в тепловом и электрическом равновесии, когда потребители или нагрузки с высоким потреблением тока (оконечные передающие каскады, преобразователи) коммутируются между соответствующими применениями.
Предпочтительные конкретные варианты осуществления
В первом предпочтительном варианте осуществления предложенное устройство содержит поликоническую антенну, которая специально не изображена на чертежах и которая по частям моделирует плоскую параболическую антенну, такую как передающая/приемная антенна 2,4. Передающая/приемная антенна 2,4 снабжена циркулятором, который обеспечивает разделение между передаваемыми и принимаемыми сигналами.
Работа в зонах поиска цели может осуществляться с использованием средства механического качания и шкал, предпочтительно связанных с углами качания. При этом осуществляемый приводом поворот средства качания относительно его осей поворота и электронное управление, обеспечивающее сканирование зоны поиска цели, позволяют автоматически регистрировать данные даже в зонах, которые недоступны для людей, например в зонах ядерного загрязнения, зонах, находящихся под угрозой землетрясения или химического взрыва. Кроме того, с помощью функции порогового значения в указанном выше диапазоне частот можно определить значения, при превышении которых выдается сигнал обнаружения живого человека.
Во втором варианте осуществления устройства согласно изобретению все электронные блоки, включая аналого-цифровой преобразователь 9, расположены в небольшом переносном чемодане. Такой вариант осуществления представляет полную переносную систему для обнаружения живых людей или живых существ.
В чемодане 14 находятся две укороченные антенны 2,4 с уголковыми отражателями и петлевые облучатели вибратора. Антенна Tx, используемая в качестве передающей антенны 2, подключена к передатчику, который на рабочей частоте 1300,0 МГц при эквивалентной активной нагрузке 50 Ом выдает мощность 6 мВт. Горизонтальный угол раскрыва каждой антенны составляет 54o, тогда как вертикальный угол в любом случае составляет 64o. Усиление, определенное путем сравнения с калиброванной эталонной антенной, составляет 6,7 дБ относительно изотропного излучателя в каждом случае. Приемная антенна 4, Rx, подключена к приемнику, который с помощью преобразователя 6 преобразует входные сигналы в диапазон частот около 137,5 МГц. Далее следуют демодулятор 5, усилитель 8, фильтр 7 и блок управления. Четыре перезаряжаемых свинцово-гельных аккумулятора 15, 16, 17 и 18 служат в качестве источника питания. Эти блоки размещены в раме 19 из алюминиевых элементов 20, 21, 22, 23 в двух плоскостях. Верхняя третья плоскость образована передней панелью 24 с элементами обслуживания. Во время работы вся вставка может полностью извлекаться из чемодана 14.
Патент предоставлен ОКБ АСТРОН г. Лыткарино, www.ASTROHN.ru
Передняя панель 24 содержит четыре выключателя питания 25, 26, 27, 28, связанных с соответствующими элементами, два зарядных гнезда 29, 30 по 4 мм, многополюсную розетку 31 для передачи данных на ПК и ручной регулятор уровня 32 для уменьшения амплитуды выходного сигнала. ПК со встроенным аналого-цифровым преобразователем подключен с помощью гибкой шины. Оценка измеренных сигналов производится специальной программой, адаптированной для данного применения и выполняющей этапы алгоритма, представленного на фиг. 4 и 4a.
От передатчика немодулированный сигнал передается с помощью передающей антенны 2, Tx. Если сигнал попадает на живое существо, то дыхание и сердцебиение вызывает фазовую модуляцию волн, отраженных от соответствующих поверхностей. Отраженные волны принимаются приемной антенной Rx, преобразуются приемником на более низкую промежуточную частоту, и демодулятор 5 выполняет фазовую демодуляцию.
Искомая информация теперь присутствует в форме низкочастотных флуктуаций напряжения. Их усиливают и ограничивают с помощью фильтров в ширине полосы между 0,05 Гц и 4 Гц. Фильтр защиты от наложения спектров 7 предотвращает возникновение паразитных низкочастотных составляющих, вызванных дискретизацией сигнала при аналого-цифровом преобразовании. Экранирующая сетка на передающем кабеле обеспечивает предотвращение помех от внешнего излучения. Обеспечиваемая компенсация емкости кабеля позволяет использовать линию длиной в несколько сотен метров между ПК с аналого-цифровым преобразователем и чемоданом. Программное обеспечение позволяет пользователю выбирать временные интервалы сигнала. После выбора функции окна производится преобразование из временной области в частотную область.
Оценка спектра пользователем подтверждается статистической оценкой, касающейся вероятности присутствия живого человека, которая основана на ранее полученном опыте. Дополнительная статистическая оценка дала диапазон дальностей, в пределах которого может находиться обнаруживаемый человек.
Компактность и мобильность в варианте осуществления в виде чемодана позволяют использовать заявленное устройство в следующих ситуациях: для полицейского контроля и общего наблюдения, для выслеживания преступника и заложников в случае взятия заложников, для контроля пустых зданий и транспортных средств, туннелей и переходов, а также для борьбы с терроризмом и экстремизмом на таможнях и на границах, например для проверки контейнеров на присутствие живых существ или проверки транспорта.
В третьем варианте осуществления согласно изобретению устройство размещается в стационарном прямоугольном ящике или контейнере. В металлическом ящике или контейнере 33 с пластиковым дном 34, пропускающим высокие частоты, расположено 8 укороченных антенн 2,4 с уголковыми отражателями и петлевыми облучателями вибраторов.
Антенны, объединенные в четыре группы, соединены как передающая антенна 2 с усилителем 35, запитываемая передатчиком 1, Tx, с рабочей частотой 1300,0 МГц при эквивалентной активной нагрузке 50 Ом и выдающая мощность 600 мВт. Горизонтальный угол раскрыва каждой антенны составляет 54o, а вертикальный угол - 64o в каждом случае. Усиление такое же, как и в варианте в виде чемодана. Приемная антенна 4, которая также состоит из группы, содержащей 4 антенны, подсоединена к приемнику Rx, который преобразует входящие сигналы с помощью преобразователя 6 в диапазон частот 137,5 МГц. Затем следует электронная система оценки, уже описанная в связи со вторым вариантом осуществления изобретения.
Патент предоставлен ОКБ АСТРОН г. Лыткарино, www.ASTROHN.ru
Третий вариант осуществления изобретения применяют в стационарных условиях. К ним относятся таможенные и пограничные службы, а также системы контроля туннелей и больших зданий. Возможно применение для контроля и наблюдения за пустыми зданиями, пустыми автомобилями, туннельными и канальными сооружениями и использование в поврежденных зданиях при условиях подавления терроризма и экстремизма. Проверку контейнеров на присутствие живых существ можно модифицировать для обнаружения скрытых пассажиров на пограничных пунктах или в зонах посадки на железнодорожный или авиационный транспорт.
Формула изобретения
1. Устройство для обнаружения живых организмов, в частности обнаружения живых человеческих организмов, с помощью электромагнитных сигналов и приемного устройства для электромагнитных сигналов, в котором приемное устройство (3) для приема электромагнитных сигналов включает в себя устройство для получения из принятых электромагнитных сигналов частотных составляющих, характерных для живых организмов, отличающееся тем, что приемное устройство (3) включает в себя прямой демодулятор, который демодулирует принимаемые сигналы для получения упомянутых частотных составляющих, причем демодулятор содержит элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой в качестве частотно-селективного элемента для выделения частотных составляющих, характерных для живых организмов, в качестве выходных сигналов.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прямой демодулятор демодулирует частотные составляющие, характерные для живых организмов, непосредственно из принимаемых электромагнитных сигналов.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что прямой демодулятор (5) содержит в качестве частотно-селективного элемента диод, биполярный или полевой транзистор.
4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что приемное устройство (3) содержит устройство преобразования частоты (6), включенное перед демодулятором (5).
5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что содержит передающее устройство (1) для передачи электромагнитного сигнала несущей на фиксированной частоте.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что упомянутый сигнал несущей находится в диапазоне частот приблизительно от 1 МГц до 1 ТГц.
7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что устройство для получения частотных составляющих, характерных для живых организмов, содержит устройство для фильтрации (7), устройство дискретизации, аналого-цифровой преобразователь (6) и вычислительное устройство (10) для спектрального анализа.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что устройство для фильтрации (7) содержит по меньшей мере один аналоговый фильтр выборок.
9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что аналоговый фильтр выборок ограничивает ширину полосы выходного сигнала демодулятора в направлении высоких частот перед операцией дискретизации и перед операцией аналого-цифрового преобразования.
10. Устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что все электронные блоки в тракте сигнала до цифровой обработки, а также их источник питания размещены в переносном чемодане.
11. Устройство по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что все электронные блоки в тракте сигнала до цифровой обработки, а также их источник питания размещены в стационарно установленном ящике прямоугольной формы.
12. Устройство по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что упомянутое устройство предназначено для осуществления контроля состояния лиц, содержащихся в заключении, в местах лишения свободы и заключения под стражу.
13. Устройство по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что упомянутое устройство предназначено для осуществления контроля и/или охраны объекта, включая находящихся в нем лиц.
14. Устройство по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что упомянутое устройство предназначено для обнаружения и/или определения местоположения живых организмов при защите в условиях катастроф, в частности землетрясений, оползней, сходов лавин, разрушения зданий и/или пожаров.
15. Способ обнаружения живых организмов, в частности обнаружения живых человеческих организмов, посредством приема электромагнитных сигналов, при котором из принимаемых электромагнитных сигналов получают частотные составляющие, характерные для живых организмов, отличающийся тем, что принимаемые электромагнитные сигналы подвергают прямой демодуляции в прямом демодуляторе для получения упомянутых частотных составляющих, причем упомянутый демодулятор содержит элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой в качестве частотно-селективного элемента для выделения частотных составляющих, характерных для живых организмов, в качестве выходного сигнала.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что принимаемый электромагнитный сигнал преобразуют на промежуточную частоту.
17. Способ по п.15 или 16, отличающийся тем, что принимаемый сигнал ограничивают в аналоговом виде в направлении верхних и нижних частот.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что принимаемые электромагнитные сигналы дискретизируют после операции фильтрации и преобразует в цифровой сигнал.
19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что цифровой сигнал подвергают свертке с использованием взвешивающей функции во временной области и инверсной передаточной функции приемного устройства.
20. Способ по п.18 или 19, отличающийся тем, что цифровой сигнал перед его оценкой и представлением в качестве выходного сигнала преобразуют из временной области в частотную область.
21. Способ по п.20, отличающийся тем, что преобразованный сигнал анализируют в частотном диапазоне приблизительно от 0,01 Гц до 10 Гц, предпочтительно от 0,02 до 3 Гц, на наличие частотных составляющих сердечной и/или дыхательной деятельности, характерной для живых организмов.
22. Способ по любому из пп.15-21, отличающийся тем, что способ осуществляют для контроля состояния лиц, содержащихся в заключении, в местах лишения свободы и заключения под стражу.
23. Способ по любому из пп.15-21, отличающийся тем, что способ осуществляют для контроля и/или охраны объекта, включая находящихся в нем лиц.
24. Способ по любому из пп.15-21, отличающийся тем, что способ осуществляют для обнаружения и/или определения местоположения живых организмов при защите в условиях катастроф, в частности землетрясений, оползней, сходов лавин, разрушения зданий и/или пожаров
Патент предоставлен ОКБ АСТРОН г. Лыткарино, www.ASTROHN.ru
 |
