Доплеровский радиоволновой извещатель для охранной тревожной сигнализации

Изобретение относится к области радиолокации и может использоваться в системах охранной тревожной сигнализации в качестве датчика. Достигаемый технический результат - определение малых значений доплеровской частоты и ее знака и за счет этого повышение чувствительности и определение направления перемещения объекта. Устройство содержит генератор опорной частоты, фазовый детектор, балансный смеситель, задающий генератор, фильтр нижних частот, две антенны, два доплеровских смесителя, два усилителя промежуточной частоты, фазовращатель на 90°, гетеродин, малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, два интегратора, амплитудный детектор, компаратор, блок опорного напряжения, формирователь сигнала тревоги, два перемножителя и два узкополосных фильтра. 1 ил.

 

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

Известны устройства для охранно-пожарной тревожной сигнализации (авт. свид. СССР №№ 339928, 386416, 571821, 788136, 824252, 924735, 1117673, 1661815, 1783561, 1836707; патенты РФ №№ 2054690, 2117962, 2221260; патент США № 5281953; патент Великобритании № 2269970; патент Германии № 4242973; патент Японии № 5-52999 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Доплеровский радиоволновой извещатель для охранной тревожной сигнализации" (патент РФ № 2221260, G 01 S 13/56, 2002), который и выбран в качестве прототипа.

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

Однако известный извещатель не обеспечивает определения малых значений доплеровской частоты и ее знака.

Технической задачей изобретения является определение малых значений доплеровской частоты и ее знака.

Поставленная задача решается тем, что доплеровский радиоволновой извещатель для охранной тревожной сигнализации, содержащий СВЧ-блок, состоящий из фазового детектора, последовательно включенных генератора опорной частоты, балансного смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, фильтра нижних частот и передающей антенны, последовательно включенных приемной антенны, первого доплеровского смесителя, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, и первого усилителя промежуточной частоты, а также последовательно подключенные к выходу фазового детектора малошумящий усилитель, режекторный фильтр, усилитель низкой частоты, ограничитель, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудный детектор, интегратор, компаратор, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, и формирователь сигнала тревоги, выход которого является выходом извещателя, снабжен гетеродином, вторым доплеровским смесителем, вторым усилителем промежуточной частоты, фазовращателем на 90°, двумя перемножителями и двумя узкополосными фильтрами, причем к приемной антенне последовательно подключены второй доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты, фазовращатель на 90°, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, к выходу второго усилителя промежуточной частоты последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора.

СВЧ-блок предлагаемого извещателя, построенный по принципу гетеродинирования боковых составляющих, относится к системам с внутренней когерентностью, в которых непрерывные эталонные колебания сохраняют фазу и частоту зондирующего сигнала. Это обстоятельство обеспечивает снижение влияния уходов частоты СВЧ-блока на точность измерения доплеровской частоты и сужение его полосы пропускания, что увеличивает чувствительность и дальность действия извещателя за счет повышения энергетического потенциала.

Структурная схема извещателя представлена на чертеже.

Извещатель имеет СВЧ-блок 1, состоящий из последовательно включенных генератора 16 опорной частоты, балансного смесителя 17, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора 2, фильтра 18 нижних частот и передающей антенны 4, последовательно включенных приемной антенны 5, первого доплеровского смесителя 3, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора 2, первого усилителя 19 промежуточной частоты, первого перемножителя 25, второй вход которого через фазовращатель 24 на 90° соединен с выходом второго усилителя 23 промежуточной частоты, первого узкополосного фильтра 27 и фазового детектора 20, последовательно подключенных к приемной антенне 5 второго доплеровского смесителя 22, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 21, второго усилителя 23 промежуточной частоты, второго перемножителя 26, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 19 промежуточной частоты, и второго узкополосного фильтра 28, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора 20.

К выходу фазового детектора 20 последовательно подключены малошумящий усилитель 6, режекторный фильтр 7, усилитель 8 низкой частоты, ограничитель 9, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором 10, амплитудный детектор 11, интегратор 12, компаратор 13, второй вход которого соединен с выходом блока 14 опорного напряжения, и формирователь 15 сигнала тревоги, выход которого является выходом извещателя.

Извещатель работает следующим образом.

Задающий маломощный генератор 2 генерирует колебания с частотой f₀, близкой к несущей. В качестве задающего генератора 2 могут использоваться отражательные клистроны и полупроводниковые генераторы с устройствами стабилизации частоты. Для повышения стабильности могут применяться транзисторные с кварцевой стабилизацией генераторы с последующими умножителями частоты.

Генератор опорной частоты 16 является источником стабильных колебаний промежуточной частоты f_пр.

Балансный смеситель 17 преобразует два входных колебания, в результате чего на его выходе выделяются боковые полосы f₀±f_np.Несущая подавляется балансной схемой. Одна из боковых полос должна быть подавлена. Это делается с помощью фильтра 18 нижних частот, который выделяет колебания с боковой частотой f₀-f_пр, а колебания с боковой частотой f₀+f_пр подавляются.

Колебания с боковой частотой f₀-f_пр излучаются с помощью передающей антенны 4 в пространство в охраняемой зоне.

Приемная часть СВЧ-блока 1 (приемная антенна 5, смесители 3 и 22, гетеродин 21) принимает отраженное излучение и выделяет доплеровский сигнал, возникающий при наличии движущегося объекта в охраняемой зоне.

Принимаемый сигнал имеет частоту

f₀-f_пр±f_q=f_δ±f_q,

где f_q - частота, обусловленная эффектом Доплера,

f_δ=f₀-f_пр - боковая частота.

Причем частота f₀ задающего генератора 2 выбирается равной

f₀=f_δ-f_пр1,

где f_пр1 - первая промежуточная частота, а частота f_г гетеродина 21 выбирается равной

f_г=f_δ+f_пр1.

При наличии эффекта Доплера частота принимаемого сигнала будет равна f_δ±f_q.

Тогда в процессе преобразования на выходах первого 3 и второго 22 доплеровских смесителей будет иметь

(f_δ-f_q)-f₀=f_пр1 или f_δ-f₀=f_пр1-f_q.

Аналогично:

f_г-(f_δ+f_q)=f_пр1 или f_г-f_δ=f_пр1+f_q.

На выходах доплеровских смесителей 3 и 22, естественно, будут и другие частотные комбинации, но в данном случае интересны только эти.

Для простоты рассуждения взят случай, когда частота принимаемого сигнала увеличивается за счет эффекта Доплера.

Сигналы с выходов первого 19 и второго 23 усилителей промежуточной частоты поступают на два входа перемножителей 25 и 26 непосредственно и через фазовращатель 24 на 90°. На выходах перемножителей 25 и 26 установлены узкополосные фильтры 27 и 28, настроенные на

(f_пр1+f_q)-(f_пр1-f_q)=2f_q.

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

Таким образом, когда частота принимаемого сигнала увеличивается за счет эффекта Доплера, на выходе усилителя 19 промежуточной частоты будет выделяться сигнал с частотой

f_δ-f₀=f_пр1-f_q,

а на выходе усилителя 23 промежуточной частоты - с частотой

f_г-f_δ=f_пр1+f_q,

а когда частота принимаемого сигнала будет уменьшаться за счет эффекта Доплера, на выходе усилителя 19 промежуточной частоты будет выделяться сигнал с частотой f_пр1+f_q, а на выходе усилителя 23 промежуточной частоты - с частотой f_пр1-f_q.

Подавая сигналы с выходов усилителей 19 и 23 промежуточной частоты на два входа перемножителей 25 и 26 соответственно, на выходах узкополосных фильтров 27 и 28 всегда будет присутствовать сигнал с двойной частотой, обусловленной эффектом Доплера. Но так как в процессе преобразования в смесителях 19 и 23 выделяется всегда разностная частота двух промежуточных частот, то кроме абсолютной величины этой разностной частоты необходимо знать еще и знак этой разности. Для определения знака сигналы с выходов узкополосных фильтров 27 и 28 подаются на входы фазового детектора 20, на выходе которого выделяется постоянное напряжение того или иного знака.

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

Глубина подавления гармоник сетевого напряжения составляет 10-15 дБ. Благодаря этому извещатель сохраняет свои основные характеристики (дальность действия и вероятность возникновения ложной тревоги) при нахождении в непосредственной близости (на расстоянии до 1 м) от такого наиболее интенсивного источника помех, как лампа дневного света. Далее усиленный в усилителе 8 сигнал поступает на диодный ограничитель 9. Уровень ограничения задается интегратором 10, на который поступает продетектированный ограничителем 9 доплеровский сигнал.

Ограничитель 9 служит для подавления кратковременных помех, которые могут возникать при включении и выключении, иногда самопроизвольно, люминесцентных источников света. Во время переходного процесса в СВЧ-излучении этих источников света содержится широкий спектр частот, попадающий в полосу усиления усилителя 8 низкой частоты и не подавляемых режекторным фильтром 7. В этом случае ограничитель 9 работает следующим образом.

При поступлении на его вход сигнала уровень ограничения, задаваемый интегратором 10, мал и доплеровский сигнал практически не поступает в последующую часть схемы. При длительном сигнале напряжение на выходе интегратора 10, определяющее уровень ограничения, повышается с постоянной времени τ₁ и через интервал времени, примерно равный 3τ₁ ограничитель 9 без ослабления пропускает сигнал в последующую часть схемы.

Постоянная времени интегрирования τ₁ выбрана исходя из длительности переходного процесса при включении и выключении люминесцентных источников света и составляет 0,1 с.

Ограничитель 9 дополнительно выполняет и еще одну функцию, он повышает помехозащищенность извещателя, не допуская вырабатывания сигнала тревоги при незначительных перемещениях предметов в охраняемой зоне (движение портьер при колебаниях воздуха и т.п.). При этом постоянная времени τ₁ определяет минимальное расстояние l_min, которое должен пройти объект до его обнаружения. Так, при скорости объекта V=1 м/с l_min=3τ₁.

После ограничения доплеровский сигнал поступает на амплитудный детектор 11 и интегратор 12.

Дисперсия флюктуации напряжения на выходе интегратора 12 обратно пропорциональна величине

,

где ΔF - полоса пропускания усилителя 8 низкой частоты.

Чем больше τ₂, тем выше отношение сигнал/шум на выходе интегратора 12. Увеличение τ₂ ограничивается заданным значением максимального расстояния l_max, которое может пройти объект до его обнаружения.

При l_max=3 м и максимальной скорости объекта V_max=3 м/с имеем

τ₂=l_max/(3V_max)≈0,3 c.

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

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

Таким образом, предлагаемый доплеровский радиоволновой извещатель для охранной тревожной сигнализации по сравнению с прототипом и другими устройствами аналогичного назначения обеспечивает определение малых значений доплеровской частоты. Это достигается удвоением значения доплеровской частоты, что приводит в свою очередь к повышению чувствительности извещателя.

Кроме того, предлагаемый извещатель позволяет определить знак доплеровской частоты и, следовательно, направление перемещения объекта.

Доплеровский радиоволновой извещатель для охранной тревожной сигнализации, содержащий СВЧ-блок, состоящий из фазового детектора, последовательно включенных генератора опорной частоты, балансного смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, фильтра нижних частот и передающей антенны, последовательно включенных приемной антенны, первого доплеровского смесителя, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, и первого усилителя промежуточной частоты, а также последовательно подключенных к выходу фазового детектора малошумящего усилителя, режекторного фильтра, усилителя низкой частоты, ограничителя, уровень ограничения которого задается дополнительным интегратором, амплитудного детектора, интегратора, компаратора, второй вход которого соединен с выходом блока опорного напряжения, и формирователя сигнала тревоги, выход которого является выходом извещателя, отличающийся тем, что он снабжен гетеродином, вторым доплеровским смесителем, вторым усилителем промежуточной частоты, фазовращателем на 90°, двумя перемножителями и двумя узкополосными фильтрами, причем к приемной антенне последовательно подключены второй доплеровский смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты, фазовращатель на 90°, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, к выходу второго усилителя промежуточной частоты последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора.