Способ антиколлизионной радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах и система для его осуществления
Владельцы патента RU 2634308:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" (ГУАП) (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для идентификации подвижных и неподвижных объектов. Достигаемый технический результат - разделение сигналов от нескольких меток во временной и в частотной области и повышение достоверности идентификационного кода каждой метки в условиях высокой вероятности возникновения коллизии. Способ антиколлизионной радиочастотной идентификации меток на пассивных акустических волнах (ПАВ меток), заключающийся в одновременном облучении как минимум двух пассивных ПАВ меток часто манипулируемым сигналом, получении частотно-временной матрицы, где номера столбцов соответствуют частотам импульсов ответного сигнала от меток, а строки - временным задержкам между ними, заполнении частотно-временной матрицы по диагоналям, последовательном сдвиге столбцов и получении идентификационных кодов меток. Система для осуществления способа дополнительно содержит блок обнаружителя сигналов, измеритель дальности импульса, блок сравнения времени, блок включения, К-полосовых фильтров, К-блоков сравнения сигнала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для идентификации подвижных и неподвижных объектов в железнодорожном и автомобильном транспорте.
Известен «Способ обнаружения и идентификации объекта» (Патент РФ 126980, МПК G01S 13/75, G01S 13/76, опубл. 27.02.1999), заключающийся в том, что на контролируемом объекте размещают по выбранному закону с привязкой к координатным точкам контролируемого объекта пассивные метки, каждая из которой выполнена на базе линии задержки на поверхностных акустических волнах, затем их облучают импульсным излучением, излучаемым антенной считывающего устройства с узкой диаграммой направленности, при этом в каждой из меток предварительно формируют свой идентификационный код в двоичном коде, фиксируют поступающие от меток отклики и по полученным откликам производят распознавание объекта и определяют его координаты, причем пассивную метку выполняют с одним общим входным встречно-штыревым преобразователем электрического сигнала в акустический и несколькими группами регулярных систем выходных встречно-штыревых преобразователей акустического сигнала в электрический, которые формируют на поверхности общего звукопровода с взаимным смещением по направлению распространения акустической волны, при этом смещение задают таким образом, чтобы задержка во времени между переизлученными сигналами от групп разрядов двоичного кода была равна межразрядной задержке, при этом однофазные металлизированные проводники первой по отношению к входам встречно-штыревым преобразователям группы выходных встречно-штыревых преобразователей коммутируют внешний электрическими цепями, а по изменению переизлученного двоичного кода этой группы судят о наличии потенциально опасных дестабилизирующих объект нагрузках.
Недостатком известного способа является невозможность разделения идентификационных кодов от нескольких пассивных ПАВ меток в случае их одновременного опроса антенной с узкой диаграммой направленности и наложения друга на друга ответных сигналов меток во временной области.
Известен «Способ обнаружения и идентификации объекта и система для его осуществления» (Патент РФ 2098297, МПК B60R 25/00, G01S5/00, опубл. 10.12.1997), заключающийся в том, что на контролируемом объекте размещают идентификационные метки, затем излучают в пространство с объектом импульсный сигнал, после чего фиксируют поступающие от датчиков приемоответчиков отклики и производят идентификацию объекта, определяют его координаты. В каждой из меток предварительно формируют свой идентификационный номер в двоичном коде. При опросе перемещают излучающую антенную систему по двум взаимно перпендикулярным направлениям, измеряют максимумы амплитуды сигнала-отклика старшего разряда переизлученного кода, определяют на плане местности координаты точки пересечения перпендикуляров, восстановленных из точек, соответствующих измеренным максимумам, а идентификацию объекта выполняют путем сравнения двоичных кодов полученной и эталонной координат.
Недостатком известного способа является невозможность идентификации объектов в случае использования пассивных меток, при их одновременном опросе считывающим устройством из-за высокой вероятности наложения друга на друга ответных сигналов меток во временной области.
Наиболее близким к предлагаемому способу является «Способ идентификации объектов» (Патент РФ №2296304, МПК G01K 7/10, опубл. 27.03.2007), который выбран качестве прототипа. Он предусматривает закрепление на объекте идентификации пассивной ПАВ метки, облучение опросным сигналом радиометки передатчиком в составе считывающего устройства, кодирование сигнала, излучение сформированного меткой электрического сигнала и его последующий прием приемником в составе считывающего устройства, причем опросный сигнал представляет собой частотно-фазово и амплитудно-модулированным сигнал, осуществляют сжатие принятого ответного сигнала во времени, увеличивают его импульсную мощность, а кодирование сигнала осуществляют путем комбинации различных топологий встречно-штыревых преобразователей и форм излучаемого передатчиком сигнала, при этом каждой форме сигнала соответствует только одна топология.
Недостатком известного способа является использование пассивными ПАВ метками топологии, позволяющими получить идентификационный код только относительно измеренных временных задержек между ответными отраженными сигналами-откликами от отражающих структур. Также недостатком способа является невозможность разделения ответных сигналов от одновременно облученных пассивных меток.
Известна «Антиколлизионная система радиочастотной идентификации» (Патент РФ №2333512, МПК G01S 13/75, опубл. 10.09.2008), содержащая считыватель с двумя антеннами и СВЧ радиочастотных идентификационных меток (РИМ), каждая из которых содержит свою антенну, полевой транзистор и выпрямитель. Вторая антенна считывателя последовательно соединена через антенный переключатель и полосовой или режекторный фильтр с входом с приемной части считывателя. Пассивные метки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) содержат полосовой фильтр (ПФ), вход и выход которого электрически соединены с антенной и с входом выпрямителя соответственно, а выход выпрямителя гальванически соединен с затвором полевого транзистора с индуцированным каналом (ПТсИК), исток (сток) которого электрически соединен с антенной, а сток (исток) ПТсИК электрически соединен с пассивной меткой.
Недостатком известной системы является топологическая сложность, потери сигнала, ограниченное расстояние между метками и антенной считывателя, ограниченное количество пассивных меток, которые можно одновременно идентифицировать.
Известна «Антиколлизионная система радиочастотной идентификации» (Патент РФ №2333513, МПК G01S 13/75, G01S 13/76, опубл. 10.09.2008), содержащая считыватель с антенной и СВЧ радиочастотные идентификационные метки с антенной, содержащие по крайней мере один полевой транзистор и выпрямитель. Приемопередатчик считывателя содержит вторую антенну и последовательно соединенные полосовой или режекторный фильтр и переключатель. Каждая пассивная радиочастотная идентификационная метка содержит фильтр и линию задержки на поверхностных акустических волнах (ЛЗ на ПАВ), выполненную в виде звукопровода. На рабочей поверхности звукопровода расположены входные и выходные встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковым или кратным периодом, определяемым из условия акустического синхронизма, размещенные в разных акустических каналах, и находящийся между ними перекрывающий оба акустических канала управляемый встречно-штыревой секционированный направленный ответвитель (ВШСНО). Вход и выход фильтра электрически соединены с антенной метки и с входом выпрямителя соответственно. Выход выпрямителя гальванически соединен с затвором каждого полевого транзистора со встроенным каналом, стоки которых электрически соединены с секциями ВШСНО линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), а входной и выходной ВШП электрически соединены с антенной пассивной метки и с меткой соответственно.
Недостатком известной системы является топологическая избыточность радиочастотной метки, наличие паразитных пиков и шумов в отклике метки, возникающих из-за отражения опрашивающего сигнала от удаленных объектов и энергетических потерь, обусловленных избыточностью конструкции СВЧ радиочастотной идентификационной метки, усложняющей идентификацию отклика метки на фоне шумов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой системе является «Система радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах (Патент РФ №: 2509318, МПК G01S 13/00, опубл. 10.03.2014), содержащая приемопередатчик с антенной и N групп линий задержки на поверхностных акустических волнах, передающую антенну метки, приемную антенну метки, циркулятор метки, передающую антенну считывателя, приемную антенну считывателя и циркулятор считывателя.
Недостатком известной системы является невозможность идентифицировать пассивные метки на поверхностных акустических волнах, в случае если ответные отклики накладываются друг на друга во времени.
Технической задачей является получение идентификационных кодов из ответного отклика как минимум двух пассивных радиочастотных меток на ПАВ, полученного в частотно-временной области, при одновременном облучении опросным сигналом.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разделение сигналов от нескольких меток во временной и в частотной области и повышение достоверности идентификационного кода каждой метки в условиях высокой вероятности возникновения коллизии.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе одновременно облучают как минимум две пассивные ПАВ метки, находящиеся в области считывания одной антенны сигналом в виде суммы радиоимпульсов разной частоты, ,
где А - амплитуда,
fi и ϕi - соответственно частота и фаза i-го импульса опросного сигнала,
N - количество импульсов,
и 
- моменты начала и окончания опросного сигнала,
h(t) - функция Хэвисайда.
После временной задержки получают отраженный сигнал вида:
,
где 
и 
- начальное и конечное время каждого импульса в отклике метки,
Ai - амплитуда отраженного i-го импульса,
fi - частота i-го импульса, 
-фаза i-го отраженного импульса,
N - количество ответных импульсов от одной ПАВ метки,
формируют частотно-временную матрицу, в которой порядковые номера строк соответствуют i-м частотам импульсов отраженного сигнала, а порядковые номера столбцов - конечному времени каждого импульса отраженного сигнала, составляют частотно-временную матрицу, заполняют ее по диагоналям, где каждый N-й элемент соответствует N-му импульсу с i-й частотой, и конечному моменту времени N-го импульса, получают диагональ частотно-временной матрицы, заполненную кодами как минимум от двух меток, осуществляют сдвиг содержимого столбцов частотно-временной матрицы на один порядковый номер, повторяют сдвиг N количество раз, получают как минимум две диагонали с идентификационными кодами, по которым определяют соответствие ПАВ меток их идентификационным кодам.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве, содержащем пассивные ПАВ метки, считывающее устройство с антенной, блок приемного тракта, фильтр, генератор, сигнальный процессор, блок памяти, антенна соединена с блоком приемным тракта, который соединен с фильтром, сигнальный процессор выход которого соединен с блоком памяти и входом контроллера, выходы которого соединены с сигнальным процессором, дополнительно введены X линий, каждая из которых состоит из последовательно соединенного, блока обнаружителя сигналов, измерителя длительности импульса, блока сравнения времени, блока включения выходы которого соединены с входами М полосовых фильтров, сигнальные выходы которых соединены с первым блоком сравнения сигнала и с К-м блоком сравнения, а разрешающие выходы соединены со входами сигнальный процессор, а выход К-го генератора соединен со входом соответствующего блока сравнения, выход которого соединен с сигнальный процессор, управляющий выход блока сравнения соединен со входом сигнальный процессор, а вход - с фильтром, выход блока приемного тракта соединен с К-м полосовым фильтром, причем фильтр является полосовым.
Технический результат достигается тем, что введение дополнительных блоков позволило получить идентификационные коды от большего числа пассивных меток не только во временной области, но и в частотной, повысить достоверность идентификационного кода каждой метки в условиях высокой вероятности возникновения коллизии.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного способа антиколлизионной радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах и системы для его осуществления отсутствуют, и, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Способ антиколлизионной радиочастотной идентификации ПАВ меток заключается в том, что одновременно облучают как минимум две пассивные ПАВ метки, находящиеся области считывания одной антенны сигналом в виде суммы радиоимпульсов разной частоты,
,
где А - амплитуда,
fi и ϕi - соответственно амплитуда, частота и фаза i-го импульса опросного сигнала,
N - количество импульсов,
и 
- моменты начала и окончания опросного сигнала,
h(t) - функция Хэвисайда,
после временной задержки получают отраженный сигнал вида: 
,
где 
и 
- начальное и конечное время каждого импульса в отклике метки,
Ai - амплитуда отраженного i-го импульса,
fi - частота i-го импульса, -го i-го отраженного импульса,
N - количество ответных импульсов от одной ПАВ метки.
Затем формируют частотно-временную матрицу, в которой порядковые номера строк соответствуют i-м частотам импульсов отраженного сигнала, а порядковые номера столбцов - конечному времени каждого импульса отраженного сигнала, составляют частотно-временную матрицу, которую заполняют по диагоналям, где каждый N-й элемент соответствует N-му импульсу с i-й частотой и конечному моменту времени N-го импульса. Далее осуществляют сдвиг содержимого столбцов частотно-временной матрицы на один порядковый номер, повторяют сдвиг N количество раз, получают как минимум две диагонали с идентификационными кодами, по которым определяют соответствие ПАВ меток их идентификационным кодам.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена система радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах и введены следующие обозначения:
1. Антенна
2. Блок приемного тракта
3. Полосовой фильтр
4. Блок обнаружителя сигналов
5. Измеритель длительности импульса
6. Блок сравнения времени
7. Блока включения
8. Блок сравнения сигнала
9. Генератор
10. Сигнальный процессор
11. Блок памяти
12. Контроллер
13. ПАВ метки
Система антиколлизионной радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах, включающая в себя считывающее устройство, которое содержит антенну 1, блок приемного тракта 2, полосовой фильтр 3, X линий, каждая из которых состоит из последовательно соединенного блока обнаружителя сигналов 4, измерителя длительности импульса 5, блока сравнения времени 6, блока включения 7, выходы которого соединены с входами М полосовых фильтров, сигнальные выходы которых соединены с первым блоком сравнения сигнала 8 и с К-м блоком сравнения, а разрешающие выходы соединены со входами сигнального процессора 10, а выход К-го генератора 9 соединен со входом соответствующего блока сравнения сигнала 8, выход которого соединен с сигнальным процессором 10, управляющий выход блока сравнения сигнала 8 соединен со входом сигнального процессора 10, а вход - с фильтром, выход блока приемного тракта соединен с К-м полосовым фильтром, причем фильтр является полосовым. Сигнальный процессор соединен с блоком памяти 11 и контроллером 12, блок памяти 11 и контроллер 12 соединены между собой. Пассивные метки 13 находятся в зоне идентификации по радиоканалу устройством считывания.
Система работает следующим образом: считывающее устройство излучает опросный сигнал в виде суммы радиоимпульсов разной частоты, описанный с помощью функции Хэвисайда:
где А - амплитуда,
fi и ϕi – соответственно частота и фаза i-го импульса опросного сигнала,
N - количество импульсов,
и 
- моменты начала и окончания опросного сигнала,
h(t) - функция Хэвисайда.
После временной задержки получают отраженный сигнал вида:
где 
и 
- начальное и конечное время каждого импульса в отклике метки,
Ai - амплитуда отраженного i-го импульса,
fi - частота i-го импульса, -го i-го отраженного импульса,
N - количество ответных импульсов от одной ПАВ метки.
Полученный антенной 1 считывателя сигнал поступает на блок приемного тракта 2 и далее к полосовым фильтрам 3, каждый из которых настроен на свою полосу пропускания. В случае если блок обнаружителя сигналов 4 фиксирует появление сигнала на выходе одного из полосовых фильтров, включается измеритель длительности импульса 5. Полученное измерителем значение длительности импульса сравнивается в блоке сравнения времени 6 с длительностью опорного импульса. В случае, если полученное значение совпадает с опорным, на выходе блока сравнения времени 6 формируется сигнал, который приходит на блок включения 7, который активирует группу параллельно расположенных полосовых фильтров. Блок включения 7 генерирует разрешающий сигнал вида:
Разрешающий сигнал последовательно включает каждый полосовой фильтр 3 своей группы с задержкой, определяемой топологией пассивной ПАВ метки 13, равной задержке между ответными импульсами, приходящими на считыватель. Время, на которое включается каждый фильтр группы, определяется как τi=Ti+1-Ti. Порядковые номера полосового фильтра 3, на котором зафиксирован первый приходящий ответный импульс, а также номера группы фильтров, включаемых блоком обнаружителя сигналов 4, соответствуют порядковым номерам строк частотно-временной матрицы. Эти значения передаются в сигнальный процессор 10. Одновременно с этим импульсы входного сигнала соответствующей частоты поступают в М полосовых фильтров 3. В момент появления сигнала на одном из блоков сравнения сигнала 8 на генераторе 9 синтезируется сигнал, имеющий вид:
S3(t)=H(t-Ti)-H(t-Ti+1).
Каждый последующий параллельно включенный блок сравнения сигнала 8 включается с задержкой относительно предыдущего на а * τ1, где a=1 … n - величина соответствующая порядковому номеру блоку сравнения сигнала 8, τ1 - длительность импульса, генерируемая генератором. При этом длительность задержки включения последнего блока сравнения сигнала 8 n * τ1 должна быть меньше времени включения каждого полосового фильтра 3 из одной группы. Приходящие импульсы с фильтров на входы блоков сравнения сигналов 8 сравниваются по уровню с синтезируемым сигналом на генераторе 9. В случае если в момент включения блока сравнения сигнала 8 на его входе присутствует сигнал, сравнимый по уровню с синтезируемым на генераторе 9, на выходе блока сравнения сигнала 8 устанавливается логическая «1». В противном случае - логический «0».
Порядковые номера блоков сравнения сигнала 8 обозначают порядковые номера столбцов частотно-временной матрицы, которые передаются в сигнальный процессор 10.
Таким образом, когда один из импульсов откликов от пассивной метки с частотой f0i приходит на соответствующий блок сравнения сигнала 8, соответствующий элемент матрицы с номером строки i и номером столбца j, принимает значение логической «1» или «0»
Сигнальный процессор 10 составляет матрицу из полученных кодов. Заполнение матрицы происходит по диагоналям. Полученная матрица хранится в блоке памяти 11.
Количество разрядов N идентификационного кода, определяемого топологией метки, заранее известно. Контроллер 12 осуществляет циклический сдвиг столбцов частотно-временной матрицы на шаг j+1. При сдвиге столбцов матрицы на величину, равную количеству кодовых последовательностей пассивных ПАВ меток, произойдет их разделение, что сделает возможным идентификацию каждой из них в зоне чтения считывателя.
Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата обеспечивается путем разделения сигналов-откликов пассивных меток в частотно-временной области, которые были одновременно облучены опросным частотно- манипулированным сигналом считывателя. Сопоставление параметров, характеризующих заявляемые изобретение и прототип, позволяет сделать вывод, что способ антиколлизионной радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах и система для его осуществления позволяют повысить достоверность полученного идентификационного кода каждой метки в условиях высокой вероятности возникновения коллизии ответных сигналов пассивных ПАВ меток во временной области.
Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленного устройства следует отметить также дополнительное достоинство системы антиколлизионной радиочастотной идентификации, а именно идентификации большего количества возможных пассивных меток, опрошенных считывающим устройством одновременно.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в радиотехнике, а именно для идентификации подвижных и неподвижных объектов, в железнодорожном и автомобильном транспорте;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
1. Способ антиколлизионной радиочастотной идентификации меток на поверхностных акустических волнах (ПАВ), заключающийся в том, что облучают пассивную ПАВ метку опросным сигналом, после временной задержки принимают отраженный сигнал и обрабатывают его, получают идентификационный код пассивной метки, отличающийся тем, что одновременно облучают как минимум две пассивные ПАВ метки, находящиеся в области считывания одной антенны сигналом в виде суммы радиоимпульсов разной частоты, 
,
где А - амплитуда,
fi и ϕi - соответственно частота и фаза i-го импульса опросного сигнала,
N - количество импульсов,
и 
- моменты начала и окончания опросного сигнала,
h(t) - функция Хэвисайда,
после временной задержки получают отраженный сигнал вида:
,
где
и 
- начальное и конечное время каждого импульса в отклике метки,
Ai - амплитуда отраженного i-го импульса,
fi - частота i-го импульса, 
-фаза i-го отраженного импульса,
N - количество ответных импульсов от одной ПАВ метки,
формируют частотно-временную матрицу, в которой порядковые номера строк соответствуют i-м частотам импульсов отраженного сигнала, а порядковые номера столбцов - конечному времени каждого импульса отраженного сигнала, составляют частотно-временную матрицу, заполняют ее по диагоналям, где каждый N-й элемент соответствует N-му импульсу с i-й частотой и конечному моменту времени N-го импульса, получают диагональ частотно-временной матрицы, заполненной кодами как минимум от двух меток, осуществляют сдвиг содержимого столбцов частотно-временной матрицы на один порядковый номер, повторяют сдвиг N количество раз, получают как минимум две диагонали с идентификационными кодами, по которым определяют соответствие ПАВ меток их идентификационным кодам.
2. Система для осуществления способа по п. 1, состоящая из пассивных меток на поверхностных акустических волнах (ПАВ), считывающего устройства с антенной, содержащего блок приемного тракта, соединенного с антенной, сигнальный процессор, соединенный с блоком памяти и контроллером, при этом блок памяти и контроллер соединены между собой, отличающаяся тем, что считывающее устройство, кроме того, состоит из К фильтров и X линий, каждая из которых содержит последовательно соединенные блок обнаружителя сигналов, измеритель длительности импульса, блок сравнения длительности импульса с длительностью опорного импульса, блок включения разрешающего сигнала, выходы которого соединены с входами Т полосовых фильтров, сигнальные выходы которых соединены с первым и К-м блоками сравнения сигнала, а разрешающие выходы соединены с входами сигнального процессора, при этом выход К-го генератора соединен со входом соответствующего блока сравнения сигнала, выход которого соединен с сигнальным процессором, выход блока приемного тракта соединен с К фильтрами, выходы которых соединены с соответствующими обнаружителями сигналов, выходы обнаружителей сигналов соединены с входами сигнального процессора.
3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что К фильтров являются полосовыми.
