Доплеровский радиоволновой извещатель для охранной тревожной сигнализации

Предлагаемое изобретение относится к радиолокации и может использоваться в системах охранной тревожной сигнализации в качестве датчика. Достигаемым техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей путем определения местоположения объекта, вторгшегося на охраняемую территорию. Доплеровский радиоволновой извещатель для охранной тревожной сигнализации содержит сверхвысокочастотный (СВЧ) блок, задающий генератор, три доплеровских смесителя, передающую антенну, две приемные антенны, малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, дополнительный интегратор, амплитудный детектор, интегратор, компаратор, блок опорного напряжения, формирователь сигнала тревоги, генератор опорной частоты, балансный смеситель, три фильтра нижних частот, три усилителя промежуточной частоты, фазовый детектор, гетеродин, два фазовращателя на 90°, четыре перемножителя, два узкополосных фильтра, два коррелятора, два экстремальных регулятора, два блока регулируемой задержки, индикатор дальности и указатель угла, определенным образом соединенные между собой. 1 ил.

 

Предлагаемый извещатель относится к радиолокации и может использоваться в системах охранной тревожной сигнализации в качестве датчика.

Известны устройства для охранно-пожарной тревожной сигнализации (авт. свид. СССР №№339.928, 386.416, 571.821, 788.136, 824.252, 924.735, 1.117.673, 1.661.815, 1.783.561, 1.836.707; патенты РФ №№2.054.690, 2.117.962, 2.221.260, 2.287.841; патент США №5.281.953; патент Великобритании №2.269.970; патент Германии №4.242.973; патент Японии №5-52.999 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Доплеровский радиоволновой извещатель для охранной тревожной сигнализации» (патент РФ №2.287.841, G01S 13/56, 2005), который и выбран в качестве прототипа.

Данный извещатель обеспечивает повышение точности и чувствительности, а также увеличение дальности действия за счет сужения полосы пропускания СВЧ-блока. При этом СВЧ-блок, построенный по принципу гетеродинирования боковых составляющих, относится к системе с внутренней когерентностью, в которой непрерывные эталонные колебания сохраняют фазу и частоту зондирующего сигнала, что обеспечивает определение малых значений доплеровской частоты и ее знака.

Однако известное устройство не позволяет измерять угловую координату и дальность до объекта, вторгшегося на охраняемую территорию, т.е. его местоположение.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей извещателя путем определения местоположения объекта, вторгшегося на охраняемую территорию.

Поставленная задача решается тем, что доплеровский радиоволновой извещатель для охранной тревожной сигнализации, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно включенные генератор опорной частоты, балансный смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первый фильтр нижних частот и передающую антенну, последовательно включенные первую приемную антенну, первый доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, первый усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, фазовый детектор, малонгумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, и формирователь сигнала тревоги, выход которого является выходом извещателя, последовательно подключенные к первой приемной антенне второй доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты и фазовращатель на 90°, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу второго усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен третьим и четвертым перемножителями, вторым и третьим фильтрами нижних частот, двумя экстремальными регуляторами, двумя блоками регулируемой задержки, индикатором дальности, указанием угла, второй приемной антенной, третьим доплеровским смесителем, третьим усилителем промежуточной частоты, причем к выходу первого усилителя промежуточной частоты последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого через первый блок регулируемой задержки соединен с выходом генератора опорной частоты, второй фильтр нижних частот и первый экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом первого блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор дальности, к выходу второй приемной антенны последовательно подключены третий доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, третий усилитель промежуточной частоты, четвертый перемножитель, второй вход которого через второй блок регулируемой задержки соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, третий фильтр нижних частот и второй экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом второго блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен указатель угла, приемные антенны разнесены в горизонтальной плоскости на расстояние d, где d - измерительная база.

Структурная схема извещателя представлена на чертеже.

Извещатель имеет СВЧ-блок 1, состоящий из последовательно включенных генератора 16 опорной частоты, балансного смесителя 17, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора 2, первого 18 фильтра нижних частот и передающей антенны 4, последовательно включенных первой приемной антенны 5, первого доплеровского смесителя 3, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора 2, первого усилителя 19 промежуточной частоты, первого перемножителя 25, первого узкополосного фильтра 27, фазового детектора 20, малошумящего усилителя 6, режекторного фильтра 7, усилителя 8 низкой частоты, ограничителя 9, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором 10, амплитудного детектора 11, интегратора 12, компаратора 13, второй вход которого соединен с выходом блока 14 опорного напряжения, и формирователя 15 сигнала тревоги, выход которого является выходом извещателя, последовательно подключенные к первой приемной антенне 5 второй доплеровский смеситель 22, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 21, второй усилитель 23 промежуточной частоты и фазовращатель 24 на 90°, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя 25. К выходу второго усилителя 23 промежуточной частоты последовательно подключены второй перемножитель 26, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 19 промежуточной частоты, и второй узкополосный фильтр 28, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора 20. К выходу усилителя 19 промежуточной частоты последовательно подключены третий перемножитель 30, второй вход через первый блок 33 регулируемой задержки соединен с выходом генератора 16 опорной частоты, второй фильтр 31 нижних частот и первый экстремальный регулятор 32, выход которого соединен с вторым входом блока 33 регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор 34 дальности. К второй приемной антенне 35 последовательно подключены третий доплеровский смеситель 36, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 2, третий усилитель 37 промежуточной частоты, четвертый перемножитель 39, второй вход которого через второй блок 42 регулируемой задержки соединен с выходом первого усилителя 19 промежуточной частоты, третий фильтр 40 нижних частот и второй экстремальный регулятор 41, выход которого соединен с вторым входом блока 42 регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен указатель 43 угла.

Приемные антенны 5 и 35 разнесены в горизонтальной плоскости на расстояние d, где d - измерительная база.

Извещатель работает следующим образом.

Задающий маломощный генератор 2 генерирует колебания с частотой w₀

u₀(t)=U₀·cos(w₀t+φ₀).

Генератор 16 опорной частоты является источником стабильных колебаний промежуточной частоты

u₁(t)=U₁·cos(w_npt+φ₁).

Балансный смеситель 17 преобразует два входных колебания, в результате чего на его выходе выделяются боковые полосы w₀±w_np. Несущая

подавляется балансной схемой. Фильтром 18 нижних частот выделяется напряжение только с одной боковой частотой

u₂(t)=U₂·cos(w₀-w_np)t+φ₀-φ₁,

которое излучается с помощью передающей антенны 4 в пространство в охраняемой зоне.

При наличии движущегося объекта в охраняемой зоне отраженный от него сигнал принимается антеннами 5 и 35:

u₃(t)=U₃·cos[(w_б±w_д)(t-τ_з1)+φ_б],

u₄(t)=U₄·cos[(w_б±w_д)(t-τ_з2)+φ_б],

где w_б=w₀-w_np - боковая частота;

φ_б=φ₀-φ₁;

±w_д - частота, обусловленная эффектом Доплера;

τ_з1= - время запаздывания отраженного сигнала относительно с зондирующего;

R - дальность от СВЧ-блока 1 до объекта;

с - скорость распространения радиоволн;

τ_з2=t₁-t₂, t₁, t₂ - время прохождения отраженного от объекта сигнала до первой 5 и второй 35 антенн.

Эти сигналы поступают на первые входы доплеровских смесителей 3, 22 и 36, на вторые входы которых подаются напряжения:

u₀(t)=U₀·cos(w₀t+φ₀),

u_Г(t)=U_Г·cos(w_Гt+φ_Г),

с выходов задающего генератора 2 и гетеродина 21. На выходах доплеровских смесителей 3, 22 и 36 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 19, 23 и 37 выделяются напряжения разностной частоты:

u_nр1(t)=U_np1·cos(w_np±w_д)(t-τ_з1)+φ_nр1,

u_np2(t)=U_np2·cos(w_np±w_д)(t-τ_з1)+φ_nр2,

u_np3(t)=U_np3·cos(w_np±w_д)(t-τ_з2)+φ_nр1,

где

U_np1=U₃U₀;

U_np2=U₃U_Г;

U_np3=U₄U₀;

w_пр-w_д=w_б-w₀

w_пр-w_д=w_Г-w₀

Для простоты рассуждения взят случай, когда частота принимаемых сигналов увеличивается за счет эффекта Доплера.

Сигналы u_пp1(t) и u_пр2(t) с выходов первого 19 и второго 23

усилителей промежуточной частоты поступают на два входа перемножителей 25 и 26 непосредственно и через фазовращатель 24 на 90°. На выходе перемножителей 25 и 26 установлены узкополосные фильтры 27 и 28, настроенные на 2w_д.

Следовательно, на выходах узкополосных фильтров 27 и 28 появляются сигналы одинаковой частоты, но сдвинутые друг относительно на 90°.

Таким образом, когда частота принимаемых сигналов увеличивается за счет эффекта Доплера, на выходе усилителя 19 промежуточной частоты будет выделяться сигнал с частотой w_np+w_д, а на выходе усилителя 23 промежуточной частоты с частотой w_np-w_д.

Подавая сигналы с выходов усилителей 19 и 23 промежуточной частоты на два входа перемножителей 25 и 26 соответственно, на выходах узкополосных фильтров 27 и 28 всегда будет присутствовать сигнал с двойной частотой, обусловленной эффектом Доплера. Для определения знака сигналы с выходов узкополосных фильтров 27 и 28 подаются на входы фазового детектора 20, на выходе которого выделяется постоянное напряжение того или иного знака.

Это напряжение усиливается малошумящим усилителем 6 и подается на режекторный фильтр 7, который предназначен для подавления помех с частотами, соответствующими гармоникам сетевого напряжения 50, 100, 150 Гц, передающими в полосу усиливаемых доплеровских частот.

Глубина подавления гармоник сетевого напряжения составляет 10-15 дБ. Благодаря этому извещатель сохраняет свои основные характеристики (дальность действия и вероятность возникновения ложной тревоги) при нахождении в непосредственной близости (на расстоянии до 1 м) от такого интенсивного источника помех, как лампа дневного света.

Далее усиленный в усилителе 8 сигнал поступает на диодный ограничитель 9. Уровень ограничения задается интегратором 10, на который поступает продетектированный ограничителем 9 доплеровский сигнал.

Ограничитель 9 служит для подавления кратковременных помех, которые могут возникать при включении и выключении, иногда самопроизвольно, люминесцентных источников света.

После ограничения доплеровский сигнал поступает на амплитудный детектор 11 и интегратор 12. С выхода интегратора 12 сигнал в виде постоянного напряжения поступает на вход компаратора 13. При превышении этим напряжением опорного значения, задаваемого формирователем 14, состояние на выходе компаратора 13 переключается и схема формирователя 15 сигнала тревоги выдает тревожное извещение заданной длительности и заданного вида.

Использование режекторного фильтра 7 и ограничителя 9 с интегратором 10 обеспечивают повышенную помехозащищенность извещателя.

Одновременно напряжение u_пp1(t) с выхода усилителя 19 промежуточной частоты поступает на первый вход перемножителя 30, на второй вход которого через блок 33 регулируемой задержки подается напряжение u₁(t) с выхода генератора 16 опорной частоты. Полученное на выходе перемножителя 30 напряжение пропускается через фильтр 31 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R₁(τ). Экстремальный регулятор 32, предназначенный для поддержания максимального значения корреляционной функции R₁(τ) и подключенный к выходу фильтра 31 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 33 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ равной τ_з1(τ=τ_з1), что соответствует максимальному значению корреляционной функции R₁(τ). Указатель 34 дальности, связанный со шкалой блока 33 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение дальности R до объекта, вторгшегося на охраняемую территорию

Следовательно, задача измерения дальности R сводится к измерению временной задержки τ_з1, отраженного сигнала относительно зондирующего.

Одновременно напряжение u_пp1(f) с выхода усилителя 19

промежуточной частоты через блок 42 регулируемой задержки поступает на второй вход перемножителя 39, на первый вход которого подается напряжение u_пр3(t) с выхода усилителя 37 промежуточной частоты. Полученное на выходе перемножителя 39 напряжение пропускается через фильтр 40 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R₂(τ). Экстремальный регулятор 41, предназначенный для поддержания максимального значения корреляционной функции R₂(τ) и подключенный к выходу фильтра 40 нижних частот, воздействующий на управляющий вход блока 42 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ равной τ_з2(τ=т_з2), что соответствует максимальному значению корреляционной функции R₂(τ). Шкала блока 42 регулируемой задержки (указатель угла 43) проградуирован непосредственно в значениях угловой координаты объекта, вторгшегося на охраняемую территорию

где β - азимут объекта, вторгшегося на охраняемую территорию;

d - расстояние между антеннами 5 и 35 (измерительная база);

τ_з2=t₁-t₂, t₁,t₂ - время прохождения отраженного от объекта сигнала до первой 5 и второй 35 антенн.

Следовательно, задача измерения угловой координаты (азимута β) объекта сводится к измерению относительной временной задержки τ_з2 между отраженными сигналами, принимаемые антеннами 5 и 35.

Таким образом, предлагаемый извещатель по сравнению с прототипом и другими устройствами аналогичного назначения обеспечивает не только определения знака доплеровской частоты и, следовательно, направления перемещения объекта, но и позволяет определить азимут и дальность до объекта, вторгшегося на охраняемую территорию, т.е. его местоположение. Тем самым функциональные возможности извещателя расширены.

Доплеровский радиоволновой извещатель для охранной тревожной сигнализации, содержащий последовательно включенные генератор опорной частоты, балансный смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первый фильтр нижних частот и передающую антенну, последовательно включенные первую приемную антенну, первый доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, первый усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, фазовый детектор, малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, и формирователь сигнала тревоги, выход которого является выходом извещателя, последовательно подключенные к первой приемной антенне второй доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты и фазовращатель на 90°, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу второго усилителя промежуточной частоты второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, отличающийся тем, что он снабжен третьим и четвертым перемножителями, вторым и третьим фильтрами нижних частот, двумя экстремальными регуляторами, двумя блоками регулируемой задержки, индикатором дальности, указателем угла, второй приемной антенной, третьим доплеровским смесителем, третьим усилителем промежуточной частоты, причем к выходу первого усилителя промежуточной частоты последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого через первый блок регулируемой задержки соединен с выходом генератора опорной частоты, второй фильтр нижних частот и первый экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом первого блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор дальности, к выходу второй приемной антенны последовательно подключены третий доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, третий усилитель промежуточной частоты, четвертый перемножитель, второй вход которого через второй блок регулируемой задержки соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, третий фильтр нижних частот и второй экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом второго блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен указатель угла, приемные антенны разнесены в горизонтальной плоскости на расстояние d, где d - измерительная база.