Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Предлагаемая система относится к области телеметрических систем и может использоваться для радиочастотной идентификации объектов военного назначения (бронетанкового вооружения, военной автомобильной техники, контейнеров с боеприпасами и военным снаряжением, перевозимых железнодорожным, морским и автомобильным транспортом и т.п.).

Известны системы радиочастотной идентификации объектов (авт. свид. СССР №№498.197, 536.990, 1.054.887, 1.773.191,1.815.799; патенты РФ 2.003.544, 2.065.134, 2.126.165, 2.191.127, 2.200.095, 2.222.030, 2.238.208, 2.336.539, 2.344.437, 2.351.945, 2.422.848, 2.426.148, 2.514.130; патенты США №№3.771.119,4.059.831,4.546.241, 4.551.725, 4.625.208, 4.734.698, 4.739.328, 7.229.821; патенты Великобритании №№2.165.424, 2.289.602; патенты Германии №№1.279.785, 4.231.800, 4.336.898; патент Франции №2.630.236; патенты ЕР №№0.242.906, 0.469.769; Обзор автоматической идентификации. Доклады конференции. М.: Совинцентр, 20-21 сентября 1988 г.; Гот Дж. ПАВ - прибор - основа системы идентификации автомобилей. Электроника, 1990, вып. 3 и другие).

Из известных систем радиочастотной идентификации объектов наиболее близкой к предлагаемой является «Система идентификации объектов» (патент РФ №2.514.130, G08В 3/00,2012), которая и выбрана в качестве прототипа.

Известная система обеспечивает повышение достоверности и надежности идентификации объектов, не имеющих автономных источников питания, путем использования радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн).

Известная система содержит считыватель 3, датчик 6 и центральное устройство 30 обработки информации.

Центральное устройство 30 обработки информации содержит преобразователь частоты, обнаружитель и демодулятор ФМн-сигналов.

Преобразователь частоты построен по супергетеродинной схеме, в которой одно и то же значение промежуточной частоты ω_пр может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω_c и ω_з, т.е.

ω_пр=ω_с-ω_г и ω_пр=ω_г-ω_з.

Следовательно, если частоту настройки ω_с принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота из которого отличается от частоты ω_с на 2 ω_пр и расположена симметрично частоте ω_г гетеродина (фиг. 4). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К_пр, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость преобразователя частоты.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:

ω_пр=|mω_ki±nω_г|,

где ω_ki - частота i-го комбинационного канала приема;

m, n, i - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третьей), так как чувствительность преобразователя частоты по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты

ω_ki=2ω_г-ω_пр и ω_k2=2ω_г+ω_пр.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинированному каналам, приводит к снижению помехоустойчивости преобразователя частоты и достоверности радиочастотной идентификации объектов военного назначения.

Необходимым условием работы демодуляторов ФМн-сигналов является наличие опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте принимаемого ФМн-сигнала.

В известном демодуляторе ФМн-сигналов опорное напряжение формируется с помощью удвоителя 32 фазы, узкополосного фильтра 38, усилителя фазы 39 на два и узкополосного фильтра 40. При этом на выходе удвоителя 32 фазы образуется гармоническое напряжение

V(t)=V₄×cos(2ω_прt+2ϕ_пр),

которое выделяется узкополосным фильтром 40, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 41.

Однако известному демодулятору ФМн-сигналов присуще явление «обратной работы», которое обусловлено неопределенностью начальной фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из принимаемого ФМ-сигнала. При равновероятных значениях переменной составляющей фазы сигнала: ϕ₁=0 и ϕ₂=π отсутствует признак, который позволил бы «привязать» фазу ϕ_пр опорного напряжения к одной из фаз сигнала. Поэтому фаза опорного напряжения всегда имеет два устойчивых состояния: ϕ_пр и ϕ_пр+π. Это легко показать аналитически. Если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π

.

Следовательно, двузначность фазы полученного напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность фазы опорного напряжения объясняется неустойчивой работой делителя фазы на два (Дикарев В.И. Методы и технические решения приема и обработки радиосигналов. Учебник, Санкт-Петербург, 2000. - С. 144-149). Скачкообразные переходы фазы опорного напряжения из одного состояния ϕ_пр в другое ϕ_пр+π происходят под действием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов. Эти переходы за время приема ФМ-сигнала происходят в случайные моменты времени. При этом на выходе фазового детектора выделяется искаженный аналог модулирующей функции.

Следовательно, явление «обратной работы» также снижает достоверность радиочастотной идентификации объектов военного назначения.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности радиочастотной идентификации объектов военного назначения путем устранения дополнительных каналов приема и явления «обратной работы».

Поставленная задача решается тем, что система радиочастотной идентификации объектов военного назначения, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, считыватель, датчик и центральное устройство обработки информации, при этом считыватель состоит из блока СВЧ и обработки сигналов, устройства включения и линии передачи данных, блок СВЧ и обработки сигналов содержит последовательно подключенные к выходу устройства включения управляющее устройство, генератор несущей частоты, циркулятор, вход-выход которого через полосовой фильтр связан с приемопередающей антенной, смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора несущей частоты, усилитель, демодулятор, блок обработки сигналов, второй вход которого соединен с вторым выходом управляющего устройства, запоминающее устройство и устройство согласования, второй вход которого соединен с третьим выходом управляющего устройства, а выход подключен к линии передачи данных, датчик выполнен в виде радиочастотной метки на поверхностных акустических волнах, которая представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн, состоящим из двух гребенчатых систем электродов, соединенных между собой шинами, связанными с микрополосковой приемопередающей антенной, и набором отражателей, центральное устройство обработки информации выполнено в виде блока регистрации, последовательно включенных приемной антенны и усилителя высокой частоты, последовательно включенных порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, блока поиска и гетеродина, отличается от ближайшего аналога тем, что центральное устройство обработки информации снабжено асинхронным детектором, фильтром низких частот, однополярным вентилем и накопителем, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены асинхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, фильтр низких частот, однополярный вентиль и накопитель, выход которого соединен с входом порогового блока, блок регистрации подключен к выходу фильтра нижних частот.

Структурная схема считывателя 3 представлена на фиг. 1. Функциональная схема датчика 6 изображена на фиг. 2. Структурная схема центрального устройства 30 обработки информации показана на фиг. 3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов изображения на фиг. 4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы асинхронного детектора, показаны на фиг. 5.

Считыватель 3 содержит последовательно включенные устройство 4 включения, управляющее устройство 21, генератор 13 несущей частоты, циркулятор 14, вход-выход которого через полосовой фильтр 22 связан с приемопередающей антенной 2, смеситель 15, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора 13 несущей частоты, усилитель 16, демодулятор 17, блок 18 обработки сигнала, второй вход которого соединен со вторым выходом управляющего устройства 21, запоминающее устройство 19, устройство 20 согласования, второй вход которого соединен с третьим выходом управляющего устройства 21, и линию 5 передачи данных. Генератор 13 несущей частоты, циркулятор 14, полосовой фильтр 22, смеситель 15, усилитель 16, демодулятор 17, блок 18 обработки сигнала, запоминающее устройство 19, устройство 20 согласования и управляющее устройство 21 образуют блок 1 СВЧ и обработки сигналов. Датчик 6 содержит пьезокристалл 7, микрополосковую приемопередающую антенну 8, электроды 9, шины 10 и 11, набор 12 отражателей.

Центральное устройство 30 обработки информации содержит последовательно включенные приемную антенну 23, усилитель 24 высокой частоты, асинхронный детектор 27, второй вход которого через гетеродин 26 соединен с выходом блока 25 поиска, фильтр 28 нижних частот, однополярный вентиль 31, накопитель 32 и пороговый блок 33, второй вход которого через линию задержки 34 соединен с его выходом, а выход подключен к входу блока 25 поиска.

В качестве приемопередающей антенны 2 считывателя 3 может быть использована антенна любого типа соответствующего диапазона и имеющая широкую диаграмму направленности в азимутальной плоскости и узкую диаграмму направленности в угломестной плоскости.

Линия 5 передачи данных и устройство 20 согласования с линией передачи данных могут быть выполнены в виде стандартного канала связи, например RS-232C.

Устройство 4 включения считывателя может быть выполнено в виде устройства рельсовой цепи (http://nilatm.webzone.ru/ab/uc htm).

Полосовой фильтр 22 может быть выполнен в виде LC-фильтра.

Циркулятор 14 может быть использован как стандартный циркулятор на соответствующую частоту, например (http://imped.vgts.ru).

Генератор 13, смеситель 15, усилитель 16, демодулятор 17 могут быть использованы как стандартные на соответствующую частоту, например (http://www.mey.ru).

Блок 18 обработки сигнала может быть выполнен в виде платы промышленного ПК. Запоминающее устройство 19 может быть выполнено на энергонезависимой памяти «Flash».

Устройство работает следующим образом.

Во время появления датчика 6 в зоне диаграммы направленности приемопередающей антенны 2 устройство 4 включения считывателя 3 выделяет сигнал на включение излучения.

При этом сигналом с первого выхода управляющего устройства 21 включается генератор 13 несущей частоты, который формирует гармоническое колебание

V_c(t)=V_ccos|ω_ct+ϕ_с|, 0≤t≤T_c,

где V_c, ω_c, ϕ_с, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания.

Это колебание через циркулятор 14 и полосовой фильтр 22 поступает в приемопередающую антенну 2, излучается ею в эфир, улавливается микрополосковой приемопередающей антенной 8 датчика 6 и преобразуется встречно-штыревым преобразователем (ВШП) в акустическую волну. Последняя распространяется по поверхности пьезокристалла 7, отражается набором отражателей 12 и опять преобразуется в сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

V₁(t)=V₁cos|ω_ct+ϕ_k1(t)+ϕ_c|, 0≤t≤T_c,

где ϕ_k1(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с манипулирующим кодом M₁(t), причем ϕ_k(t)=const при kτ_Э<t<(k+1)τ_Э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2…, N), τ_Э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал, длительностью Т_с (Т_с=τ_Э,).

Модулирующий код M₁(t) содержит информацию о идентификационном номере датчика 6, установленного на объекте, двигающегося мимо считывателя 3.

Сложный ФМн-сигнал V₁(t) излучается микрополосковой приемопередающей антенной 8 в эфир, улавливается приемопередающей антенной 2 считывателя 3 и через полосовой фильтр 22 и циркулятор 14 поступает на второй вход смесителя 15, на первый вход которого подается гармоническое колебание U_c(t) с выхода генератора 13 несущей частоты. Полосовой фильтр 22 обеспечивает подавление сигналов вне полосы полезного сигнала, с выхода смесителя 15 сигналы поступают на усилитель 16 и далее на демодулятор 17. Выделенный демодулятором 17 полезный сигнал поступает на вход блока 18 обработки сигнала. Блок 18 обработки сигнала принимает решение о достоверности идентификационного кода и записывает его в энергозависимое запоминающее устройство 19. Блок 18 обработки сигнала обрабатывает информацию при наличии сигнала со второго выхода управляющего устройства 21.

При необходимости, записанные в запоминающем устройстве идентификационные коды M₁(t) и M₂(t), где M₂(t) - идентификационный код считывателя 3, могут быть отправлены через устройство 20 согласования по линии 5 передачи данных в центральное устройство 30 обработки информации.

Для этого линией 5 передачи информации формируется сложный ФМн-сигнал

V₂(t)=V₂cos|ω₂t+ϕ_k2(t)+ϕ₂|, 0≤t≤Т₂,

где ϕ_k2(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом

M_Σ(t)=M₁(t)+M₂(t),

который излучается в эфир, улавливается приемной антенной 23 и через усилитель 24 высокой частоты поступает на первый вход асинхронного детектора 27, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 26 линейно-изменяющейся частоты (фиг. 5, а)

V_г(t)=V_г cos|ω_гt+πϒt^2+ϕ_г|, 0≤t≤T_п,

где скорость изменения частоты гетеродина.

Просмотр заданного диапазона частот Df и поиск сложных ФМн-сигналов осуществляется с помощью блока 26 поиска, который периодически с периодом Т_п осуществляет перестройку частоты ω_г гетеродина 26. В качестве блока 25 поиска может использоваться генератор пилообразного напряжения.

Если сложный ФМн-сигнал V₂(t) попадает в полосу пропускания асинхронного детектора 27 в первом цикле перестройки частоты ω_г гетеродина 26 (фиг. 5, а), то на его выходе образуется колебание с разностной частотой (фиг. 5, б)

|Ω(t)|=|ω_гt+πϒt²-ω₂|

Когда частота принимаемого ФМн-сигнала V₂(t) будет равна частоте ω_г гетеродина 26 в момент времени (t), то на выходе асинхронного детектора 27 образуется низкочастотное напряжение (напряжение нулевой частоты)

V_н(t)=V_н×cosϕ_k2(t), 0≤t≤V,

,

пропорциональное модулирующему коду M_Σ(t), которое фиксируется блоком 29 регистрации.

Одновременно низкочастотное напряжение V_н(t) поступает на вход однополярного вентиля 31, который пропускает только положительные импульсы, которые накапливаются накопителем 32 V_н и сравниваются с пороговым напряжением V_пор в пороговом блоке 33. Пороговый уровень V_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. Пороговый уровень V_пор превышается только при приеме сложного ФМн-сигнала. При превышении напряжения V_н накопителя 32 порогового напряжения V_пор(V_Н>V_пор) в пороговом блоке 33 в момент времени t₁ формируется импульс (фиг. 5, в), который поступает на вход линии 34 задержки и на управляющий вход блока 25 поиска, выключая его.

По истечении времени τ_з линии 34 задержки указанный импульс поступает на вход сброса порогового блока 33 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом блок 25 поиска включается, т.е. переводится в свое исходное состояние. При обнаружении следующего ФМн-сигнала на другой несущей частоте ω_З, излучаемого другим считывателем, например, во втором цикле перестройки частоты ω_г гетеродина 26, работа системы радиочастотной идентификации объектов военного назначения происходит аналогичным образом. При этом в центральном устройстве 30 обработки информации собирается информация со всех используемых в системе считывателей (ридеров).

Предложенная схемная конструкция обеспечивает совмещение двух процедур: преобразование принимаемых ФМн-сигналов на нулевую частоту и выделение низкочастотного напряжения V_н(t), пропорционального модулирующему коду M_Σ(t), т.е. синхронное детектирование принимаемых ФМн-сигналов.

Сложные ФМн-сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.

Основными преимуществами радиочастотных меток на ПАВ, входящих в систему радиочастотной идентификации объектов военного назначения, являются:

- малые габариты и отсутствие источников питания (батарей, аккумуляторов);

- длительный срок эксплуатации;

- высокая достоверность и скорость определения кода радиочастотной метки (транспондера);

- большой объем информации, который могут нести пассивные трансиондеры;

- радиочастотные метки (транспондеры) практически невозможно подделать;

- радиочастотная система может использоваться в агрессивных средах, а пассивные транспондеры могут читаться считывателем (ридером) через грязь, краски, пар, воду, пластмассу и древесину.

Наряду с достоинствами радиочастотным меткам (транспондерам) присущи и некоторые недостатки. К ним относятся:

- относительно высокая стоимость;

- взаимные коллизии;

- подверженность помехам в виде электромагнитных полей;

- относительно небольшая дальность.

В настоящее время ведутся интенсивные научно-исследовательские работы по устранению отмеченных недостатков и улучшению эксплуатационных характеристик радиочастотных меток.

Рынок радиочастотных меток (RFIO) прогрессирует стремительными темпами и является одним из наиболее перспективных. По прогнозам, к 2018 году рынок RFIO по отношению к 2008 году увеличится более чем в пять раз. Если в 2008 году он составлял $5,3 млрд, то ожидается, что к 2018 году эта цифра вырастет до $27 млрд («Московский комсомолец» 14-21 августа 2013 г.).

К основным характеристикам системы радиочастотной идентификации объектов военного назначения можно отнести следующие:

- мощность передатчика ридера средняя - не менее 100 мВт;

- частотный диапазон: 400-420 МГц (900-920 МГц);

- дальность действия - не менее нескольких десятков метров;

- количество кодовых комбинаций - 2³²-2¹²⁸;

- габариты транспондера - 8×15×5 мм;

- срок службы транспондера - не менее 20 лет;

- потребляемая транспондером мощность - 0 вт.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности радиочастотной идентификации объектов военного назначения. Это достигается путем устранения ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинированным каналам, и явления «обратной работы» за счет преобразования принимаемых ФМн-сигналов на нулевую частоту. Совмещение двух указанных процедур обеспечивается предложенной схемной конструкцией, которая свободна от дополнительных каналов приема и явления «обратной работы», а реализуется простыми техническими средствами.