Способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена и система для его реализации

Группа изобретений относится к вычислительной технике. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости и достоверности мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена путем ослабления узкополосных помех. Для этого предложена система для мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена, которая содержит идентификаторы 1, считыватель 2, передающий радиомодем 3, приемный радиомодем 5, подключенный к ЭВМ 4. Электронный идентификатор 1.i (i=1, 2, … n) содержит пьезокристалл 18. Передающий радиомодем 3 содержит перемножитель 14, сумматор 13, первый узкополосный фильтр 15, фазовый манипулятор 16, усилитель 17 мощности, первую линию задержки 11, генератор 12 псевдослучайной последовательности, фазометр 33, блок 30 формирования эталонного фазового сдвига, аналого-цифровой преобразователь 34, блок 36 сравнения кодов, первый 37, второй 38 и третий 39 ключи, вторую линию задержки 40, блок памяти 41, переключатель 42. Приемный радиомодем 5 содержит приемную антенну 23, усилитель 24 высокой частоты, демодуляторы 25 и 43 сложных ФМн сигналов, перемножители 26, 27, 44 и 45, узкополосные фильтры 28 и 46, фильтры 29 и 47 нижних частот, фазоинверторы 48 и 49, вычитатель 50. 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.

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, 2.425.396; патенты США №№4.916.455, 6.044.256, 7.151.447; патент Великобритании №2.256.730; патент Франции №2.630.565; патент WO №98/5343; Бурлаков В. Радиочастотная идентификация. Электронные компоненты, 2005, №5, с. 50-60; Дикарев В.И., Ефимов В.В., Калинин В.А., Мельников В.А. Радиочастотная идентификация в нашей жизни. СПб, 2018, с. 147-198 и другие).

Из известных способов и систем 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 технические решения обеспечивают повышение достоверности и надежности мониторинга подвижного объекта в закрытых помещениях путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и надежных радиочастотных идентификаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Следует отметить, что решение транспортной задачи в крупных мегаполисах возможно только путем создания разветвленной сети метрополитена. При этом, чем более сложной и разветвленной становится сеть метро, чем масштабнее становится строительство подземных сооружений, чем больше становится количество пассажиров, чем плотнее движение подвижного состава, тем более и более важной становится проблема обеспечения безопасности как пассажиров, так и подземных сооружений метрополитена как на этапе строительства, так и на этапе эксплуатации.

Аварии в эксплуатируемых туннелях, связанные с внезапным общим и частичным повреждением конструкций и оборудования, пожарами и взрывами, загазованностью воздуха, затоплением водой, часто приводят к длительному прекращению их функционирования, приводят к значительным затратам на восстановление функционирования, а в некоторых случаях приводят к травматизму и гибели людей.

В настоящее время, когда вопросам технической безопасности уделяется все большее внимание, необходимо оснащать ответственные объекты системами постоянного мониторинга с целью обеспечения конструкционной, газовой, пожарной и других видов безопасности.

С использованием таких систем контроля значительная часть аварийных ситуаций может быть предотвращена при условии своевременного обнаружения зарождающихся дефектов, заблаговременного выявления условий для возникновения аварий. Использование современных средств технического контроля как оборудования тоннельных сооружений, так и самих строительных конструкций может в существенной степени сократить количество аварий за счет заблаговременного проведения профилактических мероприятий.

Однако приемный радиомодем подвержен воздействию узкополосных помех, что приводит к снижению помехоустойчивости и достоверности мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена путем ослабления узкополосных помех.

Поставленная задача решается тем, что способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена с использованием электронных идентификаторов и считывателя, согласно которому, в соответствии с ближайшим аналогом, считыватель закрепляют на подвижном объекте, а электронные идентификаторы закрепляют на элементах конструкции помещения, при приближении к электронному идентификатору подвижного объекта его считывателем считывают код электронного идентификатора и вместе с кодом подвижного объекта передают через радиомодем на радиомодем электронно-вычислительной машины (ЭВМ), при этом положение электронных идентификаторов определяется 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, осуществляют синхронное детектирование на частоте ω₁, выделяют низкочастотное напряжение, соответствующее коду электронного идентификатора, задерживают его на время, равное длительности кода электронного идентификатора, суммируют с кодом подвижного объекта, перемножают гармоническое колебание несущей частоты само на себя, выделяют гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией излучают в эфире и принимают радиомодемом ЭВМ, 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 сложного сигнала с фазовой манипуляцией на частоте ω₁, и для сравнения по фазе с гармоническим колебанием несущей частоты ω₁, 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 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 и в момент остановки электропоезда на конечной станции метро манипулируют им по фазе гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁, 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, на приемном радиомодеме выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω₂, перемножают с первым опорным напряжением, выделяют первое низкочастотное напряжение, пропорциональное суммарному модулирующему коду M_Σ(t), перемножают с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией и выделяют гармоническое колебание на частоте ω₂, которое используют в качестве первого опорного напряжения, отличается от ближайшего аналога тем, что принимаемый сложный сигнал с фазовой манипуляцией перемножают со вторым опорным напряжением, сдвинутым по фазе на 180°, выделяют второе низкочастотное напряжение, пропорциональное суммарному модулирующему коду M_Σ(t), перемножают с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией, выделяют гармоническое колебание на частоте ω₂, сдвигают по фазе на 180°, используют в качестве второго опорного напряжения, вычитают второе низкочастотные напряжение из первого и результат вычитания регистрируют в ЭВМ.

Поставленная задача решается тем, что система для мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена, содержащая в соответствии с ближайшим аналогом электронные идентификаторы, размещенные на элементах конструкции помещения, считыватель, закрепленный на подвижном объекте, передающий радиомодем, связанный со считывателем, и приемный радиомодем, подключенный к электронно-вычислительной машине (ЭВМ), при этом положение электронных идентификаторов определяется 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, 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, второго узкополосного фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, 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, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, 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, второй вход которого через третий ключ соединен с выходами генератора псевдослучайной последовательности и блока сравнения кодов, 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 третьим входом сумматора, 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 ЭВМ и последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, и первый фильтр нижних частот, в качестве помещения использован транспортный тоннель метрополитена, а в качестве подвижного объекта использована кабина машиниста электропоезда, приемный радиомодем размещен на конечной станции метро, отличается от ближайшего аналога тем, что приемный радиомодем снабжен третьим и четвертым перемножителями, вторым узкополосным фильтром, вторым фильтром нижних частот, вычитателем, первым и вторым фазоинверторами, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выходы первого и второго фильтров нижних частот через вычитатель подключены к входу ЭВМ.

Структурная схема системы, реализующей предлагаемый способ, представлена на фиг. 1. Функциональная схема электронного идентификатора изображена на фиг. 2. Структурная схема считывателя и передающего радиомодема 3 представлена на фиг. 3. Структурная схема приемного радиомодема 5 представлена на фиг. 4. Временные диаграммы, поясняющие работу системы, показаны на фиг. 5, 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, подключенный к ЭВМ (фиг. 1).

Электронные идентификаторы 1.i (i=1, 2, … n) закрепляют на элементах конструкции подземных сооружений метрополитена, считыватель 2 и передающий радиомодем 3 с приемопередающей антенной 8 размещают в кабине машиниста электропоезда, приемный радиомодем 5 с приемной антенной 23 и ЭВМ 4 размещают на конечной станции метрополитена.

Электронный идентификатор 1.i (i=1, 2, … n) выполнен в виде пъезокристалла 18 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП), связанным с микрополосковой антенной 19, набором отражателей 22.1-й чувствительных элементов 22.2. ВШП поверхностных акустических волн (ПАВ) содержит две гребенчатые системы электродов 20, шины 21.1 и 21.2, которые соединяют электроды 20 каждой из гребенок между собой. Шины 21.1 и 21.2 в свою очередь связаны с микрополосковой антенной 19 (фиг. 2).

Считыватель 2 выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 6, циркулятора 7, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 8, усилителя 9 высокой частоты, удвоителя 30 фазы, делителя 31 фазы на два, второго узкополосного фильтра 3 и фазового детектора 10, 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 второго узкополосного фильтра 32, 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 детектора 10 последовательно подключены второй ключ 38, второй вход которого соединен с выходом блока 36 сравнения кодов, и первая линия 11 задержки, выход которой соединен с вторым входом сумматора 13, третий вход которого через третий ключ 39 соединен с выходом генератора 12 псевдослучайной последовательности и блока 36 сравнения кодов.

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

К выходу усилителя 24 высокой частоты последовательно подключены третий перемножитель 44, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора 49, второй узкополосный фильтр 46, первый фазоинвертор 48, четвертый перемножитель 45, второй вход которого соединен с выходом усилителя 24 высокой частоты, второй фильтр 47 нижних частот и второй фазоинвертор 49. Выходы первого 29 и второго 47 фильтров нижних частот через вычитатель 50 подключены к входу ЭВМ 4.

Перемножители 26 и 27, первый узкополосный фильтр 28 и первый фильтр 29 нижних частот образуют первый демодулятор 25 ФМн сигналов.

Перемножители 44 и 45, второй узкополосный фильтр 46, второй фильтр 47 нижних частот и фазоинверторы 48 и 49 образуют второй демодулятор 43 ФМн сигналов.

Способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена реализуется следующим образом.

Составляется (или берется готовый) план транспортного тоннеля между станциями метро. Замеряются расстояния по этому плану между электронными идентификаторами 1.i (i=1, 2, … n), которые должны служить отметками координат.

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

u₁(t)=U₁⋅Cos(ω₁t+ϕ₁), 0≤t≤Т₁,

где U₁, ω₁, ϕ₁, Т₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое через циркулятор 7 поступает в антенну 8, излучается ею в эфир и облучает ближайший электронный идентификатор 1.i (i=1, 2, … n). Высокочастотное гармоническое колебание на частоте ω₁ улавливается микрополосковой антенной 19, настроенной на частоту ω₁, преобразуется встречно-штыревым преобразователем в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пъезокристалла 18 со скоростью V, которая примерно на пять порядков меньше скорости С распространения электромагнитных волн (V<<С). Акустическая волна проходит через чувствительный элемент 22.2, отражается от отражателей 22.1 и опять преобразуется в сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг. 5, в)

u₂(t)=U₂⋅Cos[ω₁t+ϕ_к1(t)+ϕ₁+Δϕ], 0≤t≤Т₁,

где ϕ_к1(t)={0, π} - манипулированная составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t) (фиг. 5, б), отражающим координаты электронного идентификатора, причем ϕ_к1(t)=const при кτ_э<1<(к+1)τ_э и может изменяться скачками при t=кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (к=1, 2, … N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T₁(T₁=Nτ_э);

Δϕ - 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 и загазованности), 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. Вследствие деформации скорость V ПАВ в области мембраны изменится, и фаза отраженной от отражающей решетки 22.1 волны также изменится. Это изменение может быть измерено и использовано для получения полезной переменной информации о состоянии подземных сооружений метрополитена. Реально в настоящее время таким образом могут быть реализованы датчики давления, деформации, температуры, освещенности, загазованности и др.

При этом внутренняя структура сформированного сложного ФМн сигнала u₂(t) (фиг. 5, в) определяется топологией встречно-штыревого преобразователя, имеет индивидуальный характер и содержит информацию о местоположении электронного идентификатора в соответствующем сооружении.

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

Сформированный сложный ФМн сигнал u₂(t) (фиг. 5, в) излучается микрополосковой антенной 19 в эфир, улавливается приемопередающей антенной 8 и через циркулятор 7 и усилитель 9 высокой частоты поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 10 и на вход удвоителя 30 фазы.

На выходе последнего образуется гармоническое колебание

u₃(t)=U₃⋅Cos(2ω₁t+2ϕ₁+2Δϕ), 0≤t≤Т₁,

где

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

u₄(t)=U₄⋅Cos(ω₁t+ϕ₁+Δϕ), 0≤t≤Т₁.

Полученное гармоническое колебание используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 10. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 10 образуется низкочастотное напряжение (фиг. 5, д)

U_н1(t)=U_н1⋅Cosϕ_k1(t), 0≤t≤T₁,

где

пропорционально модулирующему коду M_i(t) (фиг. 5, б).

Одновременно гармоническое колебание u₄(t) поступает на первый вход фазометра 33, на второй вход которого подается высокочастотное колебание u₁(t) с выхода задающего генератора 6. Фазометр 33 измеряет фазовый сдвиг Δϕ, пропорциональный, например, внешнему давлению Р, который преобразуется аналого-цифровым преобразователем 34 в соответствующий код M₃(t) и поступает на первый вход блока 36 сравнения кодов, на второй вход которого подается код M_э(t), соответствующий эталонному фазовому сдвигу Δϕ_э, с выхода блока 35 формирования эталонного фазового сдвига.

Эталонный код M_э(t) соответствует условиям нормальной эксплуатации, когда параметры внешней среды, воздействующие на чувствительный элемент, не выходят за допустимые пределы.

Если коды M₃(t) и M_э(t) равны [M₃(t)=M_э(t)], то на выходе блока 36 сравнения кодов напряжение отсутствует. Это обстоятельство соответствует условию нормальной эксплуатации подземных сооружений метрополитена.

Если коды M₃(t) и M_э(t) не равны [M₃(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 указанные ключи 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_н1(t) (фиг. 5, д) пропорционально модулирующему коду M₁(t) (фиг. 5, б), с выхода фазового детектора 10 через открытый ключ 38 поступает на вход линии 11 задержки, где задерживается на время τ_з1, равное длительности τ₁ модулирующего кода M₁(t) (τ_з1=τ₁), и поступает на первый вход сумматора 13. На второй вход последнего подается код M₂(t) подвижного объекта с выхода генератора 12 псевдослучайной последовательности (ПСП) длительностью τ₂ через открытый ключ 39. Код M₃(t) фазового сдвига Δϕ с выхода аналого-цифрового преобразователя 34 через открытый ключ 37 поступает на вход линии 40 задержки, где задерживается на время τ_з3, равное сумме длительностей кодов электронного идентификатора M₁(t) (τ₁) и подвижного объекта M₂(t) (τ₂) (τ_з3=τ₃=τ₁+τ₂), и поступает на третий вход сумматора 13. На входе сумматора 13 формируется суммарный модулирующий код M_Σ(t) (фиг. 5, ж)

M_Σ(t)=M₁(t)+M₂(t)+M₃(t),

длительностью τ_Σ

τ_Σ=τ₁+τ₂+τ₃,

который запоминается в блоке 41 памяти.

Высокочастотное колебание u₁(t) (фиг. 5, а) с выхода задающего генератора 6 одновременно поступает на два входа перемножителя 14, на выходе которого образуется следующее колебание (фиг. 5, е)

u₅(t)=U₅⋅Cos(ω₂t+ϕ₂), 0≤t≤Т₁,

где

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 замыкается переключатель 42 и суммарный код M_Σ(t) (фиг. 5, ж) с выхода блока 41 памяти через замкнутый переключатель 42 подается на второй вход фазового манипулятора 16. На выходе манипулятора 16 формируется сложный ФМн сигнал (фиг. 5, з)

u₆(t)=U₆⋅Cos[ω₂t+ϕ_к2(t)+ϕ₂], 0≤t≤Т₁,

где ϕ_к2(t)={0, π} - манипулированная составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M_Σ(t) (фиг. 5, ж), который после усиления в усилителе 17 мощности через циркулятор 7 поступает в приемопередающую антенну 8, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 23 и через усилитель 24 высокой частоты поступает на первые входы перемножителей 26, 27, 44 и 45.

На вторые входы перемножителей 27 и 45 с выходов узкополосного фильтра 28 и фазоинвертора 48 подаются опорные напряжения соответственно (фиг. 6, в, д)

u_o1(t)=U_o⋅Cos(ω₂t+ϕ₂),

u_o2(t)=-U_o⋅Cos(ω₂t+ϕ₂), 0≤t≤Т₁.

В результате перемножения указанных сигналов образуются результирующие колебания:

u_Σ1(t)=U₁⋅Cosϕ_к2(t)+U₁⋅Cos[2ω₂t+ϕ_к2(t)+2ϕ₂],

u_Σ2(t)=-U₁⋅Cosϕ_к2(t)-U₁⋅Cos[2ω₂t+ϕ_к2(t)+2ϕ₂],

где

Аналоги модулирующего кода (фиг. 6, г, е)

u_н1(t)=U₁⋅Cosϕ_к2(t),

u_н2(t)=-U₁⋅Cosϕ_к2(t),

выделяются фильтрами 29 и 47 нижних частот соответственно и подаются на два входа вычитателя 50. Вычитая одно из другого указанные напряжения с учетом их противоположной полярности, на выходе вычитателя 50 образуется удвоенное (суммарное) низкочастотное напряжение (фиг. 6, ж)

u_н(t)=u_н1(t)-u_н2(t)=U_н⋅Cosϕ_к2(t),

где U_н=2U₁,

т.е. получается сложение по абсолютной величине напряжений u_н1(t) и u_н2(t).

При этом амплитудные аддитивные помехи проходят через два демодулятора 25 и 43 одинаково, изменяя амплитуды выходных продетектированных напряжений в одну и ту же сторону. Но в вычитателе 50 они вычитаются, оставаясь однополярными, т.е. подавляются, взаимно компенсируются.

Низкочастотное напряжение u_н2(t) с выхода фильтра 47 нижних частот поступает на вход фазоинвертора 49, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение

u_н3(t)=U₁⋅Cosϕ_к2(t).

Низкочастотные напряжения u_н1(t) и u_н3(t) с выхода фильтра 29 нижних частот и фазоинвертора 49 поступают на второй вход перемножителей 26 и 44 соответственно, на выходе которых образуются гармонические колебания

u_o1(t)=U₃⋅Cos(ω₂t+ϕ₂)+U₃⋅Cos(ω₂t+2ϕ_к2(t)+ϕ₂)=U_o⋅Cos(ω₂t+ϕ₂),

u_o3(t)=U₃⋅Cos(ω₂t+ϕ₂)+U₃⋅Cos[ω₂t+2ϕ_к2(t)+ϕ₂]=U_o⋅Cos(ω₂t+ϕ₂),

где U₃=U₁⋅U₆; U₀=2U₃.

Данные колебания выделяются узкополосными фильтрами 28 и 46 соответственно.

Гармоническое колебание u_o1(t) с выхода узкополосного фильтра 28 подается на второй вход перемножителя 27. Гармоническое колебание u_o3(t) выделяется узкополосным фильтром 46 и поступает на вход фазоинвертора 48, на выходе которого образуется колебание

u_o2(t)=-U_o⋅Cos(ω₂t+ϕ₂),

которое подается на второй вход перемножителя 45.

Низкочастотное напряжение u_н(t) с выхода вычитателя 50 поступает на вход ЭВМ 4.

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», присущего всем известным демодуляторам ФМн сигналов (схемы Пистолькорса А.А., Сидорова В.И., Костаса Д.Ф., Травина Г.А.).

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

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.

Энергетическая скрытность сложных ФМн сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн сигнал в точке приема может оказаться замаскирован шумами и помехами. Причем энергия ФМн сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемного устройства.

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

Предлагаемые способ и система обеспечивают повышение достоверности и надежности постоянного мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена. Это достигается использованием электронных идентификаторов на поверхностных акустических волнах с чувствительным элементом. В качестве чувствительного элемента могут быть использованы датчики каких-либо физических величин (давления, деформации, температуры, освещенности и загазованности).

Указанные датчики, установленные на подземных сооружениях 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 метро.

Предлагаемые 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 и достоверности мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена. Это достигается за счет ослабления узкополосных помех с помощью двух демодуляторов сложных ФМн сигналов.

1. Способ мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена с использованием электронных идентификаторов и считывателя, согласно которому считыватель закрепляют на подвижном объекте, а электронные идентификаторы закрепляют на элементах конструкции помещения, при приближении к электронному идентификатору подвижного объекта его считывателем считывают код электронного идентификатора и вместе с кодом подвижного объекта передают через радиомодем на радиомодем электронно-вычислительной машины (ЭВМ), при этом положение электронных идентификаторов определяется сеткой с постоянным шагом, нанесенной на план помещения, коды электронных идентификаторов и коды координаты 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 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, осуществляют синхронное детектирование на частоте ω₁, выделяют низкочастотное напряжение, соответствующее коду электронного идентификатора, задерживают его на время, равное длительности кода электронного идентификатора, суммируют с кодом подвижного объекта, перемножают гармоническое колебание несущей частоты ω₁ само на себя, выделяют гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω₂ излучают в эфир и принимают радиомодемом ЭВМ, 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 сложного сигнала с фазовой манипуляцией на частоте ω₁, и для сравнения по фазе с гармоническим колебанием несущей частоты ω₁ 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 управляющие напряжения, которые используют для разрешения дальнейшей обработки кодов подвижного объекта, электронного идентификатора и фазового сдвига, 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 и в момент остановки электропоезда на конечной станции метро манипулируют по фазе гармоническое колебание несущей частоты ω₂=2ω₁ и усиливают по мощности, причем в качестве помещения используют транспортный тоннель метрополитена, 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 пъезокристалле между встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, на приемном радиомодеме выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω₂, перемножают с первым опорным напряжением, выделяют первое низкочастотное напряжение, пропорциональное суммарному модулирующему коду M_Σ(t), перемножают с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией и выделяют гармоническое колебание на частоте ω₂, которое используют в качестве первого опорного напряжения, отличающийся тем, что принимаемый сложный сигнал с фазовой манипуляцией перемножают со вторым опорным напряжением, сдвинутым по фазе на 180°, выделяют второе низкочастотное напряжение, пропорциональное суммарному модулирующему коду M_Σ(t), перемножают с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией, выделяют гармоническое колебание на частоте ω₂, сдвигают по фазе на 180°, используют в качестве второго опорного напряжения, вычитают второе низкочастотное напряжение из первого и результат вычитания регистрируют в ЭВМ.

2. Система для мониторинга состояния подземных сооружений метрополитена, содержащая электронные идентификаторы, размещенные на элементах конструкции помещения, считыватель, закрепленный на подвижном объекте, передающий радиомодем, связанный со считывателем, и приемный радиомодем, подключенный к электронно-вычислительной машине (ЭВМ), при этом положение электронных идентификаторов определится 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 включенного задающего генератора, циркулятора, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, удвоителя фазы, делителя фазы на два, второго узкополосного фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, 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, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, 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, второй вход которого через третий ключ соединен с выходами генератора псевдослучайной последовательности и блока сравнения кодов, 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 третьим входом сумматора, электронный идентификатор выполнен в виде пьезокристралла 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 ЭВМ и последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, и первого фильтра нижних частот, в качестве помещения использован транспортный тоннель метрополитена, а качестве подвижного объекта использована кабина машиниста электропоезда, приемный радиомодем размещен на конечной станции метрополитена, отличающаяся тем, что приемный радиомодем снабжен третьим и четвертым перемножителями, вторым узкополосным фильтром, вторым фильтром нижних частот, вычитателем, первым и вторым фазоинверторами, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выходы первого и второго фильтров нижних частот через вычитатель подключены к входу ЭВМ.