Микроволновый детектор жизни

 

Изобретение относится к поисково-спасательной службе и может быть использовано для активного зондирования завалов из горных пород, строительных материалов, снега и объективного определения наличия в них человека с признаками жизни. Сущность изобретения: детектор жизни снабжен электрически управляемым переключателем 13, блоком 12 автоматической компенсации, модулятором 10, модулирующим генератором 14, блоком 17 базовых детекторов, фазовращателем 16 на 90^o, двумя синхронными детекторами 18, 19, двумя полосовыми фильтрами 21 и 20, блоком 22 квадратурной обработки сигналов, интегратором 23 и счетчиком 24, а усилитель мощности выполнен с переменным коэффициентом усиления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

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

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

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

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

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

Детектор работает следующим образом.

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

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

Сигнал с выхода ключа 13 можно представить в виде где m(t) функция сигнала управления ключом 13; V_a и ϕ₁ амплитуда и фаза сигнала проходящего через аттенюатор и фазовращатель на вход сумматора; U_b и ϕ₂ амплитуда и фаза немодулированной составляющей сигнала; U_c(t), ϕ₃ и ϕ(t) амплитуда и фаза сигнала отраженного от человека; ω круговая частота генератора 1 СВЧ.

Первые два члена второго сомножителя формулы (1) взаимно компенсируют друг друга в результате работы блока 12 до величины, не приводящей к насыщению усилителя 11. После разделения сигнала S(t) пополам, задержки одной половины сигнала по фазе на 90^o в фазовращателе 16, балансного фазового детектирования в блоке 17 с сигналом гетеродина от ответвителя 3 обоих сигналов, их синхронного детектирования с сигналом управления ключом от генератора 14, прохождения через фильтры 20 и 21, возведении в квадрат и суммировании в блоке 22, результирующий сигнал будет иметь вид: r(t) = d²(t)[cos²(ϕ₄)+cos²(ϕ₄+π/2)], (2) где ϕ₄ результирующая постоянная составляющая фазы сигнала, отраженного от человека с учетом фазы сигнала гетеродина, d(t) функция модуляции электромагнитной волны, отраженной от человеческого тела при его жизнедеятельности, включающая амплитудную и фазовую модуляцию.

Из этой формулы следует, что амплитуда результирующего сигнала не зависит от фазы ϕ₄, а следовательно, и от расстояния между антенной и человеком.

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

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

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

Формула изобретения

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

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

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4