Способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена и система для его реализации

Предлагаемые способ и система относятся к автоматике и вычислительной технике и могут быть использованы при построении систем автоматизированного контроля состояния подземных сооружений метрополитена. Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости приема ФМн-сигнала и достоверности определения координат электронных идентификаторов, а также точности изменения фазового сдвига Δϕ путем устранения явления «обратной работы» второго типа. Система, реализующая предлагаемый способ, содержит электронные идентификаторы 1.i (i=1, 2, …, n), считыватель 2, передающий радиомодем 3 с приемопередающей антенной 8, приемный радиомодем 5 с приемной антенной 23, подключенный к ЭВМ. Каждый приемный идентификатор 1.i (i=1, 2, …, n) содержит пьезокристалл 18, микрополосковую приемопередающую антенну 19, электроды 20, шины 21.1 и 21.2, набор отражателей 22.1 и чувствительный элемент 22.2. Считыватель 2 содержит задающий генератор 6, циркулятор 7, усилитель 9 высокой частоты, фазовый детектор 10, удвоитель 30 фазы, делитель 31 фазы на два, второй узкополосный фильтр 32, частотный детектор 43, триггер 44 и двойной балансный переключатель 45. Передающий радиомодем 3 содержит первую 11 и вторую 10 линии задержки, генератор 12 псевдослучайной последовательности, сумматор 13, перемножитель 14, узкополосный фильтр 15, фазовый манипулятор 16, усилитель 17 мощности, фазометр 33, аналого-цифровой преобразователь 34, блок 35 формирования эталонного фазового сдвига, блок 36 сравнения кодов, первый 37, второй 38 и третий 39 ключи, блок 41 памяти и переключатель 42. Приемный радиомодем 5 содержит усилитель 24 высокой частоты, демодулятор 25 ФМн-сигналов, первый 26 и второй 27 перемножители, узкополосный фильтр 28 и фильтр 29 нижних частот. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Предлагаемые способ и система относятся к автоматике и вычислительной технике и могут быть использованы при построении систем автоматизированного контроля состояния подземных сооружений метрополитена.

Следует отметить, что решение транспортной задачи в крупных мегаполисах возможно только путем создания разветвленной сети метрополитена.

При этом, чем более сложной и разветвленной, становится строительство подземных сооружений, чем больше становится количество пассажиров, чем плотнее движение подвижного состава, тем более важной становится проблема обеспечения безопасности, как пассажиров, так и подземных сооружений метрополитена, как на этапе строительства, так и на этапе эксплуатации.

Известны способы и устройства определения координат подвижных объектов в закрытых помещениях (патенты РФ №№2.013.785, 2.105.993, 2.248.235, 2.284.542, 2.286.486, 2.350.982, 2.351.945, 2.245.396; патенты США №№4.916.455, 6.044.256, 7.151.447; патент Великобритании №2.256.730; патент Франции №2.630.565; Бурлаков В. Радиочастотная идентификация. Электронные компоненты, 2005, №5, с. 50-60 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена и система для его реализации» (патент РФ №2.425.396, G01S 13/75, 2009), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Известные способ и система обеспечивают постоянный мониторинг состояния подземных сооружений метрополитена. Это достигается использованием электронных идентификаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с чувствительными элементами. В качестве электронных идентификаторов могут быть использованы датчики следующих физических величин: давления, деформации, температуры, освещенности, загазованности и т.п. Указанные датчики, установленные на подземные сооружения метрополитена, позволяют вести постоянный контроль за их состоянием с целью обеспечения конструкционной, газовой, пожарной и других видов безопасности. Причем контроль осуществляется визуально на мониторе ЭВМ, размещенной на конечной станции метрополитена.

При этом опорное напряжение (фиг. 5, д)

U₄(t)=ν₄Cos(ω(t)+ϕ₁+Δϕ), 0≤t≤T₁

необходимое для нормальной работы фазового детектора 10 и точного измерения фазового сдвига Δϕ в фазометре 33, выделяется непосредственно из принимаемого ФМн - сигнала U₂(t) с помощью удвоителя 30 фазы, делителя 31 фазы на два и второго узкополосного фильтра 32. Указанные блоки реализуют схему Пистолькорса А.А., которой присуще явление «обратной работы» и которое может быть двух типов.

Первый тип «обратной работы» обусловлен неопределенностью начальной фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала U₂(t). При равновероятных значениях манипулированной составляющей фазы U_K1(t)={0, π}, отсутствует признак, который позволял бы «привязать» фазу ϕ₁ опорного напряжения U₄(t) к одной из фаз сигнала. Поэтому фаза опорного напряжения всегда имеет два устойчивых состояния: ϕ₁ (фиг. 5, д) и ϕ₂+π (фиг. 5, ж). Это легко показать аналитически.

Если произвести деление аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π (фиг. 5, ж)

Следовательно, двузначность фазы полученного опорного напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность фазы объясняется неустойчивой работой делителя 31 фазы на два. Таким образом, даже имея в считывателе 2 опорное напряжение с постоянной начальной фазой ϕ₁ и частотой ω₁, равной частоте ω₁ принимаемого ФМн-сигнала U₂(t), можно выделить истинный модулирующий код M₁(t) (фиг.5, е), либо инверсный модулирующий код (фиг.5, з)

Однако, анализируя истинный M₁(t) или инверсный модулирующие коды, можно достоверно определить его параметры (закон фазовой манипуляции, длительность τ_э и количество N элементарных посылок), т.е. координаты электронного идентификатора. При этом не принципиально, в прямом или инверсном виде анализируются модулирующий код M₁(t). Необходимо, чтобы было обеспечено постоянство фазы опорного напряжения в течении всего времени приема и анализа. Именно такая ситуация возникает в тех реальных условиях приема, когда отсутствуют априорные сведения о параметрах принимаемого ФМн-сигнала U₂(t). Поэтому в процессе когерентного приема и синхронного детектирования ФМн-сигнала U₂(t) нет необходимости раскрывать неопределенность фазы опорного напряжения U₄(t), которая является внутренним свойством данных сигналов.

Таким образом, первый тип «обратной работы» не снижает помехоустойчивости приема ФМн-сигнала и достоверности определения координат электронного идентификатора, а также точности измерения фазового сдвига Δϕ.

Второй тип «обратной работы» обусловлен скачкообразными переходами фазы опорного напряжения (фиг.6, б) из одного состояния ϕ₁ в другое ϕ₁+π под действием помех, кратковременного прекращения приема и других дестабилизирующих факторов. Эти переходы за время приема ФМН-сигнала U₂(t) происходят в случайные моменты времени, например, t₁, t₂ (фиг. 6, б). При этом на выходе фазового детектора 10 выделяется искаженный модулирующий код M₄(t) (фиг. 6, в). Данный тип «обратной работы» является весьма вредным в технике приема ФМн-сигнала U₂(t) и делает невозможным достоверное определение координат электронных идентификаторов и точное измерение фазового сдвига Δϕ.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости приема ФМн-сигнала и достоверности определения координат электронных идентификаторов, а также точности измерения фазового сдвига Δϕ₁ путем устранения явления «обратной работы» второго типа.

Поставленная задача решается тем, что способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на использовании электронных идентификаторов и считывателей, при этом считыватель устанавливают на подвижном объекте, а электронные идентификаторы закрепляют на элементах конструкций помещения, при приближении к электронному идентификатору подвижного объекта считывают код электронного идентификатора и вместе с кодом подвижного объекта передают через радиомодем на радиомодем электронно-вычислительной машины (ЭВМ), положение электронных идентификаторов определяют сеткой с постоянным шагом, нанесенной на план помещения, коды электронных идентификаторов и коды координат их положения запоминают в ЭВМ, в которой определяют координаты подвижного объекта и отображают его положение на мониторе совместно с планом помещения, в качестве электронного идентификатора используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, при приближении к электронному идентификатору подвижного объекта его считывателем облучают электронный идентификатор гармоническим колебанием несущей частоты ω₁ принимают его на электронном идентификаторе, преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну опять в сложный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, переизлучают его в эфир, принимают считывателем подвижного объекта, усиливают по амплитуде, усиленный по амплитуде сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω₁ умножают и делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте ω₁ и используют его в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на частоте ω₁ и для сравнения его по фазе с гармоническим колебанием несущей частоты ω₁, осуществляют синхронное детектирование принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на частоте ω₁, выделяют низкочастотное напряжение, соответствующее коду электронного идентификатора, измеряют фазовый сдвиг, обусловленный воздействием параметров внешней среды на чувствительный элемент электронного идентификатора, преобразуют его в код, сравнивают с эталонным кодом и по результатам сравнения формируют управляющее напряжение, которое используют для разрешения дальнейшей обработки кодов подвижного объекта, электронного идентификатора и фазового сдвига, задерживают код электронного идентификатора на время, равное его длительности, суммируют его с кодом подвижного объекта, задерживают код фазового сдвига на время, равное сумме длительностей кодов подвижного объекта и электронного идентификатора, суммируют задержанный код фазового сдвига с задержанным кодом электронного идентификатора и кодом подвижного объекта, запоминают суммарный код, перемножают гармоническое колебание несущей частоты ω₁ само на себя, выделяют гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁, в момент остановки электропоезда на конечной станции метро, манипулируют суммарным кодом по фазе гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω₂ излучают в эфир, принимают радиомодемом ЭВМ, усиливают по амплитуде, перемножают с опорным напряжением, выделяют низкочастотное напряжение, соответствующее суммарному коду, регистрируют и анализируют его, перемножают низкочастотное напряжение с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляций, выделяют гармоническое колебание несущей частоты ω² и использует его в качестве опорного напряжения, причем в качестве помещения используют транспортный тоннель метрополитена, а в качестве подвижного объекта используют кабину машиниста электропоезда, приемный радиомодем и ЭВМ и размечают на конечной станции метро, электронные идентификаторы снабжают чувствительным элементом, который размещают на пьезокристалле между встречно-штыревым преобразователем и набором отражающей, отличается от ближайшего аналога тем, что выделяют короткие разнополярные импульсы в моменты скачкообразного изменения фазы опорного напряжения под воздействием различных дестабилизирующих факторов, используют их для формирования прямоугольного положительного импульса, длительность которого соответствует длительности пораженного участка опорного напряжение, воздействует им на опорное напряжение, возвращая его фазу в исходное устойчивое состояние, формируют опорное напряжение со стабильной фазой и устраняют явление «обратной работы» второго типа.

Поставленная задача решается тем, что система для мониторинга состояние подземных сооружений метрополитена, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, электронные идентификаторы, размещенные на элементах конструкций помещения, считыватель установленный на подвижном объекте, передающий радиомодем, связанный со считывателем, и приемный радиомодем, подключенный к электронно-вычислительной машине, при этом положение электронных идентификаторов определяется сеткой с постоянным шагом, нанесенной на план помещения, коды электронных идентификаторов и коды координат их положения запоминаются в ЭВМ, в которой определяются координаты подвижного объекта и отображается его положение на мониторе совместно с планом помещения, считыватель выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, циркулятора, вход-выход которого связан с приемно-передающей антенной, усилителя высокой частотой, удвоится фазы, делителя фазы на два и второго узкополосного фильтра к выходу усилителя высокой частоты подключен фазовый детектор, передающий радиомодем выполнен в виде последовательно подключенных к выходу задающего генератора перемножителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого узкополосного фильтра, фазового манипулятора и усилителя мощности, вход которого соединен с вторым входом циркулятора, последовательно подключенных к выходу задающего генератора фазометра, аналого-цифрового преобразователя, блока формирования эталонного фазового сдвига первого ключа, второй вход которого соединены с входом аналого-цифрового преобразователя, второй линии задержки, сумматора, блока памяти и переключателя, вход которого соединен с вторым входом фазового манипулятора, последовательно подключенных к выходу блока сравнения кодов второго кольца, второй вход которого соединен с входом фазового манипулятора последовательно подключенных к выходу блока сравнения кодов второго кольца, второй вход которого соединенных с входом фазового детектора, и первой линии задержки, вход которой соединен с вторым входом сумматора, третий вход которого соединен через третий ключ с входом блока сравнения кодов и генератора последовательной последовательности электронный идентификатор выполнен в виде пьезокристалла и нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным микрополосковой антенной, чувствительным элементом и набором отражающей, встречно-штыревой преобразователь содержит два гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, связанными микрополосковой антенной, приемный радиомодем выполнен в виде последовательно включенных приемной антенна, усилителя высокой частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, и фильтра нижних частот, выход которого подключен к ЭВМ, чувствительный элемент размещены на пьезокристалле между встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, в качестве помещения использован транспортный тоннель метрополитена, а в качестве подвижного объекта использована кабина машиниста электропоезда, приемный радиомодем и ЭВМ размещены на конечной станции метро, отличается от ближайшего аналога тем, что считыватель снабжен частотным детектором, триггером и двойным балансным переключателем, причем к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены частотный детектор, триггер и двойной балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, а выход подключен к второму входу фазового детектора и фазометра.

Структурная схема системы, реализующий предлагаемый способ, представлена на фиг. 1. Функциональная схема электронного идентификатора изображена на фиг. 2. Структурная схема считывателя 2 и передающего радиомодема 3 представлена на фиг. 3. Структурная схема приемного радиомодема 5 представлена на фиг. 4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы системы, изображены на фиг. 5 и 6.

Система для мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена содержит электронные идентификаторы 1.i (i=1, 2 …, n), считыватель 2, передающий радиомодем 3 с приемопередающей антенной 8, приемный радиомодем 5 с приемной антенной 23, подключенной к ЭВМ 4 (рис. 1).

Электронные идентификаторы 1.i (i=1, 2 …, n) закрепляются на элементах конструкций подземных сооружениях метрополитена, считыватель 2 и передающий радиомодем 3 с приемопередающей антенной 8 устанавливаются в кабине машиниста электропоезда, приемный радиомодем 5 с приемной антенной 23 и ЭВМ размещаются на конечной станции метрополитена. Каждый электронный идентификатор 1.i (i=1, 2 …, n) выполнен в виде пьезокристалла 18 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП), связанным микрополосовой приемопередающей антенной 19, набором отражателей 22.1 и чувствительным элементом 22.2 ВШП поверхностных акустических волн (ПАВ) содержит две гребенчатые системы электродов 20, шины 21.1 и 21.2, которые соединяют электроды 20 каждый из гребенок между собой. Шины 21.1 и 21.2, свою очередь, связаны с микрополосковой антенной 19 (рис. 2).

Считыватель 2 выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 6, циркулятора 7, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 8, усилителя 9 высокой чистоты, удвоится 30 фазы, делителя 31 фазы на два, второго узкополосного фильтра 32, частотного детектора 43, триггера 44, двойного балансного переключателя 45, второй вход которого соединен с выходом усилителя 9 высокой частоты.

Передающий радиомодем 3 выполнен в виде последовательно подключенных к выходу задающего генератора 6 перемножителя 14, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 6, первого узкополосного фильтра 15, фазового манипулятора 16 и усилителя 17 мощности, выход которого соединен с вторым входом циркулятора 7, последовательно подключенных к выходу задающего генератора 6, фазометра 33, второй вход которого соединен с выходом двойного балансного переключателя 45, аналого-цифрового преобразователя 34, блока 36 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока 35 формирования эталонного фазового сдвига, первого ключа 37, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 34, второй линии задержки 40, сумматора 13, блока 41 памяти и переключателя 42 выход которого соединен с вторым входом фазового манипулятора 16. К выходу фазового манипулятора 16. К выходу фазового детектора 10 последовательно подключен второй ключ 38, второй вход которого соединен с входом блока 36 сравнение кодов, и первая линия задержки 11, вход которой соединен с вторым входом сумматора 13, третий вход которого через третий ключ 39 соединен с входом генератора 12 псевдослучайной последовательности и блока 36 сравнения кодов (рис. 3).

Приемный радиомодем 5 выполненный в виде последовательно подключенных к выходу приемной антенны 23, усилителя 24 высокой частоты, первого перемножителя 26, второй вход которого соединен с выходом фильтра 29 нижних частот, узкополосного фильтра 28, второго перемножителя 27, второй вход которого соединен с выходом усилителя 24 высокой частоты, и фильтра 29 нижних частот, выход которого подключен к ЭВМ 4.

Первый 26 и второй 27 перемножители, узкополосный фильтр 28 и фильтр 29 нижних частот образуют демодулятор 25 сложных ФМн-сигналов.

Способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена реализуют следующим образом.

Составляется (или берется готовый) план транспортного тоннеля между станциями метро. Замеряются расстояния по этому плану между электронными идентификации 1.i (i=1, 2 …, n), которые должны служить отметками координат. Возможен и другой вариант, когда электронные идентификаторы устанавливаются в определенных точках транспортного тоннеля с заранее известными координатами.

При движении электропоезда по транспортному тоннелю (рис. 1) задающим генератором 6 считывателя 2 формируется высокочастотное колебание (рис. 5, а)

u₁(t)=ν₁×Cos(ω₁t+ϕ₁), 0≤t≤T₁,

где ν₁, ω₁, ϕ₁, T₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое через циркулятор 7 поступает в приемнопередающую антенну 8, излучается его в эфир и облучает ближайший электронный идентификатор 1.i (i=1, 2 …, n).

Высокочастотное гармоническое колебание ϕ₁(t) на частоте ω₁ улавливается микрополосковой приемнопередающей антенной 19, настроенной на частоту ω₁, преобразуется встречно-штыревым преобразователем в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла 18, со скоростью V, которая примерно на пять порядков меньше скорости С распространения электромагнитных волн (V<<C). Акустическая волна проходящая через чувствительный элемент 22.2, отражается от набора 22.1 отражателей и опять преобразуется в сложный сигнал с фазой манипуляций (ФМн) (рис. 5, в)

u₂(t)=ν₂×Cos[ω₁t+ϕ_k1(t)+ϕ₁+Δϕ₁], 0≤t≤T₁,

где ϕ_k1(t)={0,П} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t) (рис. 5, б), отображающим координаты электронного идентификатора, причем ϕ_k1(t)=coust при и может изменяться скачками при t=kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1, 2, … N-1);

- длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью

Δϕ₁ - фазовый сдвиг, обусловленный воздействием на чувствительный элемент внешней среды.

В качестве чувствительного элемента 22.2 может быть использован датчик какой-либо физической величины (давления, деформации, температуры, освещенности, загазованности и т.д.), который отражает воздействие различных параметров внешней среды на подземные сооружения метрополитена.

Например, в качестве чувствительного элемента 22.2 может использоваться тонкая мембрана, на которую воздействует внешнее давление, вызывающее ее деформацию. В следствии деформации скорость V ПАВ в области мембраны будет изменяться и фаза отраженной от отражающей решетки 22.1 акустической волны также будет изменяться. Это изменение может быть измерено и использовано для получения нужной информации о состоянии подземных сооружений метрополитена. В настоящее время таким образом могут быть реализованы датчики деформации, температуры, освещенности, загазованности и др.

При этом внутренняя структура сформированного сложного ФМн-сигнала U₂ (t) определяется топологией ВШП, имеет индивидуальный характер и содержит информацию о местонахождении электронного идентификатора в соответствующем сооружении.

Таким образом, предложенная пассивная идентификационная метка на ПАВ с чувствительным элементом является устройством для совместного измерения параметров воздействия внешней среды и идентификации самого устройства.

Сформированный сложный ФМн-сигнал U₂ (t) (рис. 5, в) излучается микрополосковой приемно-передающей антенной 19 в эфир, улавливается приемно-передающей антенной 8 считывателя 2 и через циркулятор 7 и усилитель 9 высокой чистоты поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 10 и на вход удвоителя 30 фазы. На выходе последнего образуется гармоническое колебание (рис. 5, г)

U₃(t)=ν₃×Cos(2ω_1t+2ϕ₁+Δϕ₁), 0≤t≤T_l,

где ν₃=1/2 v₂²

Так как 2ϕ_k1(t)={0,2П}, то в данном колебании манипуляция фазы уже отсутствует. Это колебание делится по фазе на два, в делителе 31 фазы и выделяется узкополосным фильтром 32 (рис. 5, д)

U₄(t)=ν₄×Cos(ω₁t+ϕ₁+Δϕ₁), 0≤t≤T₁

Полученное гармоническое колебание используется в качестве опорного напряжения и через двойной балансный переключатель напряжения 45 подается на второй (опорный) вход фазового детектора 10. Двойной балансный переключатель 45 может находится в двух устойчивых состояниях. В первом устойчивом состоянии двойного балансного переключателя 45 опорное напряжение U₄(t) проходит без изменения на опорный вход фазового детектора 10. Во втором устойчивом состоянии двойного балансного переключателя 45 фаза опорного напряжения, поступающего на опорный вход разового детектора 10, изменяется на 180 градусов.

В результате синхронного детектирования на выходе разового детектора 10 образуется низкочастотное напряжение (фиг. 5, е, фиг. 6, ж)

U_H1(t)=ν_H1Cosϕ_K1(t), 0≤t≤T_l,

где

пропорциональное моделирующему коду M₁(t) (фиг. 5, б).

Описанная выше работа считывателя 2 соответствующей случаю, когда явление «обратной работы» отсутствует.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения U₄(t) на +180 градусов в момент времени t₁ (фиг. 6, в) под действием помех, которые вызывают неустойчивую работу делителя 31 фазы на два на выходе частотного детектора 43 появляется короткий положительный импульс, а при скачке фазы на -180 градусов в момент времени t₂ (возвращение фазы опорного напряжения в первоначальное состояние) - отрицательный короткий импульс (фиг. 6, г). Знакочередующие импульсы с выхода частотного детектора 43 управляют работой триггера 44, выходное напряжение (рис. 6, д) которого, в свою очередь, управляет работой двойного балансного переключателя 45. В устойчивом состоянии, когда фаза опорного напряжения U₄(t) (рис. 6, е) совпадает, например, с нулевой фазой принимаемого ФМн - сигнала U₂ (t) (рис. 5, в), на выходе триггера 44 образуется отрицательное напряжение и двойной балансный переключатель 45 находится в своем первоначальном положении, при котором опорное напряжение U₄(t) с выхода узкополосного фильтра 32 поступает на опорный вход фазового детектора 10 без изменения.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения U₄(t) (рис. 6, б) на +180 градусов, обусловленным, например, неустойчивой работой делителя 31 фазы на два под действием помех, триггер 44 положительным коротким импульсом с выхода частотного детектора 43 переводится в другое устойчивое состояние. При этом выходное напряжение триггера 44 в момент времени t₁ становится и остается положительным до очередного скачка фазы в момент времени t₂, который возвращает фазу опорного напряжения в первоначальное состояние. Положительное выходное напряжение триггера 44 (рис. 6, д), длительность которого соответствует искаженному участку опорного напряжения переводит двойной балансный переключатель 45 в другое устойчивое состояние, при котором опорное напряжение с выхода узкополосного фильтра 32 поступает на опорный вход фазового детектора 10 с изменением фазы на - 180°. Это позволяет устранить нестабильность фазы опорного напряжения, вызванную скачкообразным ее изменением под действием помех, и связанную с ней «обратную работу» второго типа.

Следовательно, частотный детектор 43 обеспечивает обнаружение момента возникновения явления «обратной работы» второго типа, а триггер 44 и двойной балансный переключатель 45 устраняют ее.

Одновременно гармоничное колебание U₄ (t) ее положительной фазой (рис. 6, е) поступает на первый вход фазометра 33, на второй вход которого подается высокочастотное колебание U₁ (t) (рис. 5, а) с выхода задающего генератора 6. Фазометр 33 обеспечивает измерение фазового сдвига Δϕ₁, пропорционального, например, внешнему давлению Р, который преобразуется аналого-цифровым преобразователем 34 в соответствующий код М₂(t) и поступает на первый вход блока 36 сравнения кодов, на второй вход которого подается эталонный код M_э(t), соответствующий эталонному фазовому сдвигу Δϕ_э с выхода блока 35 формирование эталонного фазового сдвига.

Эталонный код M_э(t) соответствует условиям нормальной эксплуатации, когда параметры внешней среды, воздействуют на чувствительный элемент, не выходящий за допустимые пределы. Если коды M₂(t) и M_э(t) равны [M₂(t)=M_э(t)], то на выходе блока 36 сравнения кодов напряжение отсутствует. Это обстоятельство соответствует условию нормальной эксплуатации подземных сооружений метрополитена.

Если коды M₂(t) и M_э(t) не равны [M₂(t)»M_э(t)], то на выходе блока 36 сравнения кодов формируется управляющее напряжение, которое поступает на управляющие входы ключей 37, 38 и 39, открывая их. В исходном состоянии ключи 37, 38 и 39 всегда закрыты. Данная ситуация соответствует условию зарождения дефектов в подземных сооружениях метрополитена, которые могут привести к аварии, и требует проведения профилактических мероприятий с целью обеспечения конструкционной, газовой, пожарной и других видов безопасности.

Низкочастотное напряжение U_H1(t) (рис. 5, а), пропорциональное модулирующему коду M₁(t) (рис. 5, б), с выхода фазового детектора 10 через открытый ключ 38 поступает на вход линии 11 задержки, где задерживается на время τз₁, равное длительности τ₁ модулирующего кода M₂(t) (τ_з1=τ₁), и поступает на первый вход сумматора 13. На второй вход последнего подается код M₃(t) подвижного объекта с выхода генератора 12 псевдослучайной последовательности (ПСП) длительностью τ₃ через открытый ключ 39. Код M₂(t) фазового сдвига Δϕ₁ с выхода аналого-цифрового преобразователя 34 через открытый ключ 37 поступает на вход линии 40 задержки, где задерживается на время равное сумме τ_З2 кодов электронного идентификатора M₁(t) (τ₁) и подвижного объекта M₃(t) (τ₃) (τ_З2=τ₂=τ₁+τ₃) и поступает на третий вход сумматора 13. На выходе сумматора 13 формируется суммарный модулирующий код M_Σ(t)

M_Σ(t)=M₁(t)+M₃(t)+M₂(t),

длительностью τ_Σ

τ_Σ=τ₁+τ₃+τ₂, который запоминается в блоке памяти 41.

Высокочастотное колебание U₁(t) (рис. 5, а) с выхода задающего генератора 6 одновременно поступает на два входа перемножителя 14, на выходе которого образуется следующее колебание

U₅(t)=V₅Cos (ω₂t+ϕ₂), 0≤t≤T,

где V₅=1/2V₁²

ω₂=2ω₁, ϕ₂=2ϕ₁

Это колебание выделяется узкополосным фильтром 15 и поступает на первый вход фазового манипулятора 16. При остановке электропоезда на конечной станции по окончании рабочего дня машинистом замыкается переключатель 42 и суммарный код M_Σ(t) с выходом блока 41 памяти, через замкнутый переключатель 42 подается на второй вход фазового манипулятора 16. На выходе фазового манипулятора 16 формируется сложный ФМн-сигнал

U₆(t)=V₆Cos(ω₂t+ϕ_К2(t)+ϕ₂), 0≤t≤Т₁,

где ϕ_К2(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с суммарным модулирующим кодом M_Σ(t), который после усиления в усилителе 17 мощности через генератор 7 поступает в приемопередающую антенну 8, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 23 и через усилитель 24 высокой частоты поступает на выход демодулятора 25 ФМн-сигнала, состоящего из перемножителей 26 и 27, узкополосного фильтра 28 и фильтра 29 нижних частот.

На второй вход перемножителя 27 с выхода узкополосного фильтра 28 поступает опорное напряжение

U₀(t)=V₀Cos (ω₂t+ϕ₂), 0≤t≤Т₁

На выходе перемножителя 27 образуется следующее напряжение:

U₇(t)=V_H2Cos ϕ_К2(t)+V_H2Cos[2(ω₂t+ϕ_К2(t)+ϕ₂), 0≤t≤Т₁,

где U₇=1\2U₆U₀, из которого фильтром 29 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение

U_H2(t)=V_H2Cos ϕ_К2(t), 0≤t≤T₁,

которое пропорционально суммарному коду M_Σ(t) и поступает в ЭВМ и на второй вход перемножителя 26. На выходе последнего образуется напряжение

U₀(t)=V₇Cos(ω₂t+ϕ₂)+V₇Cos(ω₂t+2ϕ_К2+ϕ₂)=V₀Cos(ω₂t+ϕ₂), 0≤t≤T₁,

где V₇=1/2V₆V_H2; V₆=2V₇,

которое выделяется узкопольным фильтром 28 и используется в качестве опорного напряжения.

Предлагаемый демодулятор ФМн-сигнала обеспечивает выделение опорного напряжения, необходимого для синхронного детектирования ФМн-сигнала, непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала, обладает высокой достоверностью и помехоустойчивостью, а также лишен такого недостатка, как явление «обратной работы» второго типа, присущего всем известным демодуляторам ФМн-сигналов (схемы Пистолькорса А.А., Сидорова В.И., Костаса Д.Ф., Травина Г.А.).

На мониторе ЭВМ 4, установленном вместе с приемным радиомодемом 5 и приемной антенной 23 на конечной станции метро, отображается код подвижного объекта и только те электронные идентификаторы, установленные на подземных сооружениях метрополитена, у которых развиваются дефекты приводящие к аварии.

Для развязки радиочастотных идентификаторов выбраны разные частоты ω₁ и ω₂=2ω₁.

Сложные сигналы с фазовой манипуляцией открывают большие возможности в технике передачи сообщений. Они позволяют применять структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

С точки зрения обнаружения сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью. Предлагаемый способ и система позволяют своевременно обнаружить зарождающиеся дефекты в подземных сооружениях метрополитена, заблаговременно провести соответствующие профилактические мероприятия и в существенной степени сократить количество аварий, случаев травматизма и гибели людей.

Таким образом, предлагаемые способ и система по сравнению с базовыми объектами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости приема ФМн-сигнала и достоверности определения координат электронных идентификаторов, а также точности измерения фазового сдвига Δϕ₁ Это достигается устранением явления «обратной работы» второго типа при когерентном приеме и синхронном детектировании сложных ФМн-сигналов в считывателе, установленном в кабине машиниста электропоезда. Указанное вредное явление устраняется простым методом с использованием частотного детектора, триггера и двойного балансного переключателя путем стабилизации фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала. Причем частотный детектор обеспечивает обнаружение момента возникновения явления «обратной работы» второго типа, а триггер и двойной балансный переключатель устраняют ее.

Следует отметить, что данный тип «обратной работы» является весьма вредным в механике радиосвязи и делает невозможным достоверное определение параметров принимаемых сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Именно из-за этого типа «обратной работы» классическая фазовая манипуляция долгое время не находила широкого применения в механике радиосвязи несмотря на ряд своих преимуществ.

Способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена, основанный на использовании электронных идентификаторов и считывателей, при этом считыватель устанавливают на подвижном объекте, а электронные идентификаторы закрепляют на элементах конструкций помещения, при приближении к электронному идентификатору подвижного объекта считывают код электронного идентификатора и вместе с кодом подвижного объекта передают через радиомодем на радиомодем электронно-вычислительной машины (ЭВМ), положение электронных идентификаторов определяют сеткой с постоянным шагом, нанесенной на план помещения, коды электронных идентификаторов, и коды координат их положения запоминают в ЭВМ, в которой определяют координаты подвижного объекта, и отражают его положение на мониторе совместно с планом помещения, в качестве электронного идентификатора используют пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателем, при приближении к электронному идентификатору подвижного объекта его считывателем облучают электронный идентификатор гармоническим колебанием несущей частоты ω₁, принимают его на электронном идентификаторе, преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну опять в сложный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, переизлучают его в эфир, принимают считывателем подвижного объекта, усиливают по амплитуде, усиленной по амплитуде сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω₁ умножают и делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте ω₁ и используют его в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на частоте ω₁ и для сравнения его по фазе с гармоническим колебанием несущей частоты ω₁, осуществляют синхронное детектирование принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на частоте ω₁, выделяют низкочастотное напряжение, соответствующее коду электронного идентификатора, измеряют фазовый сдвиг, обусловленный воздействием параметров внешней среды на чувствительный элемент электронного идентификатора, преобразуют его в код, сравнивают с эталонным кодом и по результатам сравнения формируют управляющее напряжение, которое используют для разрешения дальнейшей обработки кодов подвижного объекта, электронного идентификатора и фазового сдвига, задерживают код электронного идентификатора на время, равное его длительности, суммируют его с кодом подвижного объекта, задерживают код фазового сдвига на время, равное сумме длительности кодов подвижного объекта и электронного идентификатора, суммируют задержанный код фазового сдвига с задержанным кодом электронного идентификатора и кодом подвижного объекта, запоминают суммарный код, перемножают гармоническое колебание несущей частоты ω₁ само на себя, выделяют гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁, в момент остановки электропоезда на конечной станции метро манипулируют суммарным кодом по фазе гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω₂ излучают в эфир, принимают радиомодемом ЭВМ, усиливают по амплитуде, перемножают с опорным напряжением, выделяют низкочастотное напряжение, соответствующее суммарному коду, регистрируют и анализируют его, перемножают низкочастотное напряжение с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией, выделяют гармоническое колебание несущей частоты ω₂ и используют его в качестве опорного напряжения, причем в качестве помещения используют транспортный тоннель метрополитена, а в качестве подвижного объекта используют кабину машиниста электропоезда, приемный радиомодем и ЭВМ размещают на конечной станции метро, электронные идентификаторы снабжают чувствительным элементом, который размещают на пьезокристалле между встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, отличающийся тем, что выделяют короткие разнополярные импульсы в моменты скачкообразного изменения фазы опорного напряжения под воздействием различных дестабилизирующих факторов, используют их для формирования прямоугольного положительного импульса, длительность которого соответствует длительности пораженного участка опорного напряжения, воздействуют им на опорное напряжение, возвращая его фазу в исходное устойчивое состояние, формируют опорное напряжение со стабильной фазой и устраняют явление «обратной работы» второго типа.

2. Система для мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена, содержащая электронные идентификаторы, размещенные на элементах конструкций помещения, считыватель, установленный на подвижном объекте, передающий радиомодем, связанный со считывателем, и приемный радиомодем, подключенный к электронно-вычислительной машине, при этом положении электронных идентификаторов определяется сеткой с постоянным шагом, нанесенной на план помещения, коды электронных идентификаторов и коды координат их положения запоминаются в ЭВМ, в которой определяются координаты подвижного объекта и отображается его положение на мониторе совместно с планом помещения, считыватель выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, циркулятора, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, удвоителя фазы, делителя фазы на два и второго узкополосного фильтра, к выходу усилителя высокой частоты подключен фазовый детектор, передающий радиомодем выполнен в виде последовательно подключенных к выходу задающего генератора перемножителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого узкополосного фильтра, фазового манипулятора и усилителя мощности, выход которого соединен с вторым входом циркулятора, последовательно подключенных к выходу задающего генератора фазометра, аналого-цифрового преобразователя, блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного фазового сдвига, первого ключа, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй линии задержки, сумматора, блока памяти и переключателя, выход которого соединен с вторым входом фазового манипулятора, последовательно подключенных к выходу блока сравнения кодов второго ключа, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, и первой линии задержки, выход которой соединен с вторым входом сумматора, третий вход которого соединен через третий ключ с выходом блока сравнения кодов и генератора псевдослучайной последовательности, электронный идентификатор выполнен в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, чувствительным элементом и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, связанными с микрополосковой антенной, приемный радиомодем выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, и фильтра нижних частот, выход которого подключен к ЭВМ, чувствительный элемент размещен на пьезокристалле между встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, в качестве помещения использован транспортный тоннель метрополитена, а в качестве подвижного объекта использована кабина машиниста электропоезда, приемный радиомодем и ЭВМ размещены на конечной станции метро, отличающаяся тем, что считыватель снабжен частотным детектором, триггером и двойным балансным переключателем, причем к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены частотный детектор, триггер и двойной балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, а выход подключен к второму входу фазового детектора и фазометра.