ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2097085
МИКРОВОЛНОВЫЙ ДЕТЕКТОР ЖИЗНИ

МИКРОВОЛНОВЫЙ ДЕТЕКТОР ЖИЗНИ. НОУ ХАУ. ВНЕДРЕНИЕ. ПАТЕНТ. ТЕХНОЛОГИИ. 

ИЗОБРЕТЕНИЕ. МИКРОВОЛНОВЫЙ ДЕТЕКТОР ЖИЗНИ. Патент Российской Федерации RU2097085. THE INVENTION. DETECTOR LIFES. Patent of Russian Federation RU2097085

Имя заявителя: Фисун Олег Иванович; Хаблов Дмитрий Владиленович; Осипов Виктор Ростиславович
Имя изобретателя: Фисун Олег Иванович; Хаблов Дмитрий Владиленович; Осипов Виктор Ростиславович 
Имя патентообладателя: Фисун Олег Иванович; Хаблов Дмитрий Владиленович; Осипов Виктор Ростиславович
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1994.04.18

Изобретение относится к поисково-спасательной службе и может быть использовано для активного зондирования завалов из горных пород, строительных материалов, снега и объективного определения наличия в них человека с признаками жизни.

Сущность изобретения: детектор жизни снабжен электрически управляемым переключателем 13, блоком 12 автоматической компенсации, модулятором 10, модулирующим генератором 14, блоком 17 базовых детекторов, фазовращателем 16 на 90o, двумя синхронными детекторами 18, 19, двумя полосовыми фильтрами 21 и 20, блоком 22 квадратурной обработки сигналов, интегратором 23 и счетчиком 24, а усилитель мощности выполнен с переменным коэффициентом усиления.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к поисково-спасательной службе и может быть использовано для активного зондирования завалов с целью объективного определения наличия в них человека с признаками жизни и оценки его состояния по частотам дыхания и пульса.

Известен детектор жизни, использующий принцип действия радиоволнового интерферометра с использованием канала компенсации, содержащий генератор СВЧ, два направленных ответвителя, усилитель мощности, циркулятор, связанную с ним антенну, сумматор, первым входом соединенный с вторым выходом циркулятора, последовательно соединенные аттенюатор, входом соединенный с выходом одного из направленных ответвителей, и фазовращатель, выходом соединенный со вторым входом сумматора, усилитель СВЧ, амплитудный детектор и индикатор. Недостатком использования данного детектора для целей определения местоположения живых людей в завалах является малая точность из-за низкой чувствительности к сигналу дыхания и сердцебиения при повышенном уровне шумов.

Техническим результатом изобретения является повышение точности обнаружения человека за счет того, что известный детектор снабжен модулятором, входом соединенным с выходом сумматора, а выходом со входом усилителя СВЧ; модулирующим генератором; электрически управляемым переключателем, вход которого подключен к выходу усилителя СВЧ, управляющий вход к выходу модулирующего генератора, а первый выход подключен к входу амплитудного детектора; блоком автоматической компенсации, первый вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, второй вход к выходу модулирующего генератора, первый и второй выходы соединены, соответственно, с управляющими входами аттенюатора и фазовращателя, третий выход блока автоматической компенсации с управляющим входом модулятора, а четвертый выход подключен к входу индикатора; блоком фазовых детекторов, гетеродинный вход которого соединен с ответвляющим выходом второго направленного ответвителя, подключенного входом к выходу генератора СВЧ, а вторым ответвляющим к входу первого направленного ответвителя; фазовращателем на 90o, вход которого соединен с вторым выходом электрически управляемого переключателя и первым входом блока фазовых детекторов, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя на 90o; двумя синхронными детекторами, входы которых подключены к соответствующим выходам блока фазовых детекторов,а синхронизирующие входы соединены с выходом модулирующего генератора; двумя полосовыми фильтрами, входы которых соединены с выходами соответствующих синхронных детекторов; блоком квадратурной обработки, входы которого подключены к выходам соответствующих полосовых фильтров; интегратором и счетчиком, входами подключенными к выходу блока квадратурной обработки сигналов, а выходами соответственно к второму и третьему входам индикатора; четвертый выход блока автоматической компенсации соединен с вторыми входами счетчика и интегратора, а усилитель мощности выполнен с переменным коэффициентом усиления и подключен входом к второму ответвляющему выходу первого направленного ответвителя, а выходом к входу циркулятора.

А также за счет того, что блок автоматической компенсации выполнен в виде двухпорогового компаратора и модуля автоматической регулировки усиления, входы которых объединены и являются первым входом блока автоматической компенсации; вентиля, один вход которого соединен с выходом двухпорогового компаратора, а второй вход является вторым входом блока автоматической компенсации; счетчика, вход которого соединен с выходом вентиля и соединенных входами с выходами счетчика двух цифроаналоговых преобразователей, а выходы последних, модуля автоматической регулировки усиления и двухпорогового компаратора являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами автоматической компенсации.

МИКРОВОЛНОВЫЙ ДЕТЕКТОР ЖИЗНИ. Патент Российской Федерации RU2097085. THE INVENTION. DETECTOR LIFES. Patent of Russian Federation RU2097085

Фиг. 1 изображена структурная схема микроволнового детектора жизни

МИКРОВОЛНОВЫЙ ДЕТЕКТОР ЖИЗНИ. Патент Российской Федерации RU2097085. THE INVENTION. DETECTOR LIFES. Patent of Russian Federation RU2097085

Фиг. 2 структурная схема блока автоматической компенсации

МИКРОВОЛНОВЫЙ ДЕТЕКТОР ЖИЗНИ. Патент Российской Федерации RU2097085. THE INVENTION. DETECTOR LIFES. Patent of Russian Federation RU2097085

Фиг. 3,a и e ступенчатые пилообразные напряжения, формируемые на выходах цифроаналоговых преобразователей

МИКРОВОЛНОВЫЙ ДЕТЕКТОР ЖИЗНИ. Патент Российской Федерации RU2097085. THE INVENTION. DETECTOR LIFES. Patent of Russian Federation RU2097085

Фиг. 4 решение звена фильтра

Детектор содержит генератор 1 СВЧ; два направленных ответвителя 2 и 3; усилитель 4 мощности, выполненный с переменным коэффициентом; циркулятор 5, соединенный с антенной 6. Ответвляющий выход ответвителя 3 соединен с блоком фазовых детекторов, а ответвляющий выход ответвителя 2 через электрически управляемый аттенюатор 7; электрически управляемый фазовращатель 8 соединен со входом сумматора 9, вход которого соединен с выходом циркулятора, а выход со входом модулятора 10, выход которого соединен с входом усилителя 11 СВЧ. Блок 12 автоматической компенсации соединен с управляющим входом аттенюатора 7, управляющим входом фазовращателя 8 и входом модулятора 10. Электрически управляемый переключатель 13 (ключ) входом соединен с выходом усилителя 11 СВЧ. Модулирующий генератор 14, амплитудный детектор 15, фазовращатель 16 на 90o. Блок 17 фазовых детекторов входом соединен с выходом ключа 13. Блок 17 соединен с синхронными детекторами 18, 19, которые через полосовые фильтры 20, 21 соединены с соответствующими входами блока 22 квадратурной обработки сигналов, который через интегратор 23 и счетчик 24 соединен с входами индикатора 25. Блок 12 автоматической компенсации содержит двухпороговый компаратор 26, вход которого соединен с первым входом блока 12 и с модулем автоматической регулировки усиления 27, выход которого является первым выходом блока 12. Выход компаратора 26 соединен с входом вентиля 28, который через счетчик 29 соединен с входами цифроаналоговых преобразователе 30, 31, выходы которых являются выходами блока 12.

ДЕТЕКТОР ЛЖИ РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

Генератор 1 СВЧ генерирует радиоволны СВЧ диапазона, которые через ответвители 2, 3, усилитель 4, циркулятор 5 и антенну 6 направляются в сторону завала, где возможно находится человек. Принимаемый антенной отраженный сигнал состоит из немодулированной составляющей, образующейся за счет отражения от завала, и модулированной, образующейся за счет отражения от живого человека. Причем эта модуляция возникает из-за перемещений органов тела человека при его дыхании и сердечной деятельности. Немодулированная составляющая принимаемого сигнала через циркулятор и сумматор 9 поступает на вход модулятора 10, где компенсируется по фазе и амплитуде с сигналом, поступающим от генератора 1 через ответвитель 3, через аттенюатор 7, фазовращатель 8 и сумматор 9 при соответствующей настройке аттенюатора 7 и фазовращателя 8. Сюда же поступает модулированная составляющая, которая усиливается в усилителе 11 и коммутируется между первым и вторым выходом ключа 13 с частотой F, задаваемой генератором 14. Блок 12 автоматической компенсации, предназначенный для обеспечения номинального уровня принимаемого сигнала, работает следующим образом. Если в результате изменения положения антенны или при включении прибора немодулированный сигнал, поступающий с ключа 13 через детектор 15 на первый вход блока 12, превышает верхний порог компаратора 26, то с его выхода на вентиль 28 поступает открывающее напряжение, в результате чего импульсы от генератора 14 проходят на вход счетчика 29. Одновременно с выхода модуля АРУ на модулятор 10 поступает напряжение, ограничивающее амплитуду сигнала и препятствующее таким образом насыщению усилителя 11. Поскольку двоичные выходы счетчика 29 соединены с соответствующими по разряду входами ЦАП 30 и ЦАП 31, на их выходах формируются ступенчатые пилообразные напряжения (фиг. 3,а и б), подающиеся, соответственно, на управляющие входы аттенюатора 7 и фазовращателя 8. Таким образом происходит перебор значений амплитуды и фазы компенсирующего сигнала в установленных пределах и с дискретностью, устанавливаемой разрядностью счетчика. В какой-то произвольный момент амплитуда сигнала (фиг. 3,е) снижается ниже нижнего порога компаратора 26 и на его выходе вырабатывается напряжение, запирающее вентиль 28. Счетчик 29 запоминает текущее состояние и на выходах ЦАП 30 и ЦАП 31 сохраняются напряжения, соответствующие фазе и амплитуде сигнала компенсации, которые привели к номинальной амплитуде сигнала. Одновременно с модуля АРУ 27 на модулятор поступает напряжение, обеспечивающее максимальный коэффициент усиления сигнала, а с выхода компаратора 26 напряжение, соответствующее готовности прибора к работе и приводящее в исходное состояние счетчик 24 и интегратор 23.

Таким образом, детектор приобретает способность работать с постоянной максимальной чувствительностью независимо от нагрузки антенны и смены антенны на выносную. Такое состояние сохраняется до тех пор, пока, в результате каких-либо перемещений антенны, или ее замены, сигнал с выхода детектора 15 не превысит верхний порог компаратора 26.

Сигнал с выхода ключа 13 можно представить в виде

Первые два члена второго сомножителя формулы (1) взаимно компенсируют друг друга в результате работы блока 12 до величины, не приводящей к насыщению усилителя 11. После разделения сигнала S(t) пополам, задержки одной половины сигнала по фазе на 90o в фазовращателе 16, балансного фазового детектирования в блоке 17 с сигналом гетеродина от ответвителя 3 обоих сигналов, их синхронного детектирования с сигналом управления ключом от генератора 14, прохождения через фильтры 20 и 21, возведении в квадрат и суммировании в блоке 22, результирующий сигнал будет иметь вид:

где результирующая постоянная составляющая фазы сигнала, отраженного от человека с учетом фазы сигнала гетеродина,

d(t) функция модуляции электромагнитной волны, отраженной от человеческого тела при его жизнедеятельности, включающая амплитудную и фазовую модуляцию.

Из этой формулы следует, что амплитуда результирующего сигнала не зависит от фазы , а следовательно, и от расстояния между антенной и человеком.

Сигнал r(t) с выхода блока 22 поступает на индикатор 25 через интегратор 23 и счетчик 24, что позволяет оценивать амплитуду сигнала, накопленного за определенный период времени и частоту дыхания человека. Факт обнаружения человека фиксируется по превышению сигнала с выхода интегратора заранее установленного порога, соответствующего шумам прибора или с помощью внешнего устройства (микропроцессора или анализатора спектра), подключаемого к выходам блоков фильтров 20, 21. В этом случае имеется возможность исследования спектра сигнала дыхания и пульса для целей и диагностики.

Особенность сигнала и условия эксплуатации детектора приводят к специфическим требованиям схемотехнического решения полосовых фильтров 20, 21. Эти фильтры решают задачу отсечения постоянной составляющей сигнала d(t) (нижняя граница частоты среза 0,05 0,015 Гц) и повышения отношения сигнал/шум за счет ограничения частотной полосы сигнала сверху (верхняя частота среза в пределах 1 4 Гц). При этом должна обеспечиваться температурная и временная стабильность его параметров, минимальное время установления сигнала на его выходе, бесколебательная реакция на импульсное воздействие. На фиг. 4 представлено схематическое решение звена фильтра на основе операционного усилителя DA, резисторов R1-R7, точных высокостабильных конденсаторов малой емкости C1 и C2. Соотношения между элементами необходимо выбирать исходя из передаточной функции:

K(p)=(1+K)рT/[(1+pT)(1+KpT)]

где T постоянная времени фильтра, определяющая нижнюю граничную частоту звена;

K коэффициент, определяющий верхнюю граничную частоту звена;

p оператор Лапласа.

Достоинством прибора является независимость чувствительности от положения антенны относительно завала, его состава и структуры, также от расстояния до человека. Дополнительным преимуществом является возможность применения других специализированных антенн, например, в виде зонда для введения через небольшие отверстия в скрытые полости. Использование усилителя мощности с регулируемым коэффициентом усиления позволяет расширить функциональные возможности детектора для применения в качестве средства бесконтактной медицинской диагностики дыхания и пульса как в открытом пространстве, так и через диэлектрические преграды с минимальным уровнем воздействия СВЧ излучения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

  1. Микроволновый детектор жизни, содержащий генератор СВЧ, два направленных ответвителя, усилитель мощности, циркулятор, связанную с ним антенну, сумматор, первым входом соединенный с вторым выходом циркулятора, последовательно соединенные аттенюатор, входом соединенный с выходом одного из направленных ответвителей, и фазовращатель, выходом соединенный с вторым входом сумматора, усилитель СВЧ, амплитудный детектор и индикатор, отличающийся тем, что он снабжен модулятором, входом соединенным с выходом сумматора, а выходом с входом усилителя СВЧ, модулирующим генератором, электрически управляемым переключателем, вход которого подключен к выходу усилителя СВЧ, управляющий вход к выходу модулирующего генератора, а первый выход к входу амплитудного детектора, блоком автоматической компенсации, первый вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, второй вход - к выходу модулирующего генератора, первый и второй выходы соединены соответственно с управляющими входами аттенюатора и фазовращателя, третий выход блока автоматической компенсации с управляющим входом модулятора, а четвертый выход подключен к входу индикатора, блоком фазовых детекторов, гетероидный вход которого соединен с ответвляющим выходом второго направленного ответвителя, подключенного входом к выходу генератора СВЧ, а вторым ответвляющим выходом к входу первого направленного ответвителя, фазовращателем на 90o, вход которого соединен с вторым выходом электрически управляемого переключателя и первым входом блока фазовых детекторов, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя на 90o, двумя синхронными детекторами, входы которых подключены к соответствующим выходам блока фазовых детекторов, а синхронизирующие входы соединены с выходом модулирующего генератора, двумя полосовыми фильтрами, входы которых соединены с выходами соответствующих синхронных детекторов, блоком квадратурной обработки сигналов, входы которого подключены к выходам соответствующих полосовых фильтров, интегратором и счетчиком, входами подключенными к выходу блока квадратурной обработки сигналов, а выходами соответственно к второму и третьему входам индикатора, четвертый выход блока автоматической компенсации соединен с вторыми входами счетчика и интегратора, а усилитель мощности выполнен с переменным коэффициентом усиления и подключен входом к второму ответвляющему выходу первого направленного ответвителя, а выходом к входу циркулятора.

  2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что блок автоматической компенсации выполнен в виде двухпорогового компаратора и модуля автоматической регулировки усиления, входы которых объединены и являются первым входом блока автоматической компенсации, вентиля, один вход которого соединен с выходом двухпорогового компаратора, а второй вход является вторым входом блока автоматической компенсации, счетчика, вход которого соединен с выходом вентиля, и соединенных входами с выходом счетчика двух цифроаналоговых преобразователей, а выходы последних, модуля автоматической регулировки усиления и двухпорогового компаратора являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока автоматической компенсации.

Версия для печати
Дата публикации 23.11.2006гг


вверх