устройство для оповещения о паводке или селе

Формула изобретения

Устройство для оповещения о паводке или селе, содержащее три датчика уровня, в каждом из которых чувствительный элемент подключен к одному выводу реле, другие выводы реле объединены и подключены к третьему источнику питания, мультивибратор, выход которого подключен к радиопередатчику, подключенному к второму источнику питания через первые контакты реле первого датчика уровня, вторые контакты реле второго датчика уровня включены последовательно с резистором в одно из плеч мультивибратора, третьи контакты реле третьего датчика уровня и пятые контакты реле мультивибратора предназначены для замыкания цепи телеграфного ключа радиопередатчика, четвертые контакты реле третьего датчика уровня подключены к первому источнику питания, радиопередатчик, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора, телеграфного ключа, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, усилителя мощности и передающей антенны, радиоприемник, состоящий из последовательно соединенных приемной антенны, смесителя, усилителя промежуточной частоты, удвоителя частоты, второго измерителя ширины спектра, блока сравнения, порогового блока, первого ключа и первого фазового детектора, и блок регистрации, второй вход смесителя через последовательно соединенные блок поиска и гетеродин подключен к выходу порогового блока, второй вход блока сравнения через первый измеритель ширины спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, второй вход порогового блока соединен через линию задержки с его выходом, второй вход первого ключа соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, последовательно соединенные делитель частоты на два, узкополосный фильтр, частотный детектор, триггер и балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, к выходу гетеродина подключены последовательно соединенные второй ключ и измеритель частоты, второй вход второго ключа соединен с выходом порогового блока, подключенным к звуковому сигнализатору, вход делителя частоты предназначен для поступления на него напряжения с выхода удвоителя частоты, частотный детектор предназначен для образования знакочередующих коротких импульсов при изменении фазы опорного напряжения, выделяемого узкополосным фильтром, отличающееся тем, что оно снабжено фазовращателем на 45°, фазовращателем на 90°, вторым фазовым детектором, блоком вычитания и формирователем аналога модулирующего кода, причем к выходу балансного переключателя последовательно подключены фазовращатель на 45°, фазовращатель на 90°, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, блок вычитания и формирователь аналога модулирующего кода, выход которого подключен к блоку регистрации, второй вход блока вычитания через первый фазовый детектор соединен с выходом фазовращателя на 45°.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к сигнальной аппаратуре, предупреждающей население об опасности стихийного бедствия.

Известны устройства для оповещения о паводке или селе (авт. свид. СССР №№432562, 938924; патенты РФ №№2039066, 2167451, 2.190.255; Димаксян A.M. Радиооповеститель селя. -Л.: Гидрометеоиздат, 1966, с.25; Дикарев В.И. и др. Методы и средства экологического контроля. -СПб: 1999, с.123 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является “Устройство для оповещения о паводке или селе” (патент РФ №2167451, G 08 В 21/10, 1999), которое и выбрано в качестве базового.

Указанное устройство обеспечивает передачу на пункт оповещения не только звуковых сигналов, по характеру которых судят об уровне паводка или селе, но и данных о географических координатах места возникновения паводка или селя, чем повышается надежность оповещения населения о грозном стихийном бедствии. Это достигается использованием сложного фазоманипулированного (ФМН) сигнала, который излучается радиопередатчиком, принимается и селектируется радиоприемником, детектируется и используется для определения географических координат места возникновения паводка или селя. При этом радиопередатчики устанавливаются в паводкоопасных и селеопасных районах, а радиоприемник устанавливается на пункте оповещения.

Использование сложного ФМН-сигнала позволяет применять новый вид селекции - структурную селекцию, которая обеспечивает более высокую помехоустойчивость, электромагнитную совместимость и надежность выделения указанного сигнала среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени.

Однако указанное устройство при наличии сильных помех не обеспечивает высокой помехоустойчивости и достоверности приема фазоманипулированных сигналов.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности приема фазоманипулированных сигналов путем компенсации помех.

Поставленная задача решается тем, что устройство для оповещения о паводке или селе, содержащее три датчика уровня, в каждом из которых чувствительный элемент подключен к одному выводу реле, другие выводы реле объединены и подключены к первому источнику питания, мультивибратор, выход которого подключен к радиопередатчику, подключенному к второму источнику питания через замыкающий контакт реле первого датчика уровня, замыкающий контакт реле второго датчика уровня включен последовательно с резистором в одно из плеч мультивибратора, одни замыкающие контакты реле третьего датчика уровня и замыкающие контакты реле мультивибратора предназначены для замыкания цепи телеграфного ключа радиопередатчика, другие замыкающие контакты реле третьего датчика уровня подключены к резервному источнику питания, радиопередатчик, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора, телеграфного ключа, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, усилителя мощности и передающей антенны, радиоприемник, состоящий из последовательно соединенных приемной антенны, смесителя, усилителя промежуточной частоты, удвоителя частоты, второго измерителя ширины спектра, блока сравнения, порогового блока, первого ключа и первого фазового детектора, и блок регистрации, второй вход смесителя через последовательно соединенные блок поиска и гетеродин подключен к выходу порогового блока, второй вход блока сравнения через первый измеритель ширины спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, второй вход порогового блока соединен через линию задержки с его выходом, второй вход первого ключа соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, последовательно соединенные делитель частоты на два, узкополосный фильтр, частотный детектор, триггер и балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, к выходу гетеродина подключены последовательно соединенные второй ключ и измеритель частоты, второй вход второго ключа соединен с выходом порогового блока, подключенным к звуковому сигнализатору, вход делителя частоты предназначен для поступления на него напряжения с выхода удвоителя частоты, частотный детектор предназначен для образования знакочередующихся коротких импульсов при изменении фазы опорного напряжения, выделяемого узкополосным фильтром, снабжено фазовращателем на 45 , фазовращателем на 90 , вторым фазовым детектором, блоком вычитания и формирователем аналога модулирующего кода, причем к выходу балансного переключателя последовательно подключены фазовращатель на 45 , фазовращатель на 90 , второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, блок вычитания и формирователь аналога модулирующего кода, выход которого подключен к блоку регистрации, второй вход блока вычитания через первый фазовый детектор соединен с выходом фазовращателя на 45 .

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, изображены на фиг.2.

Устройство для оповещения о паводке или селе содержит радиопередатчик 1, мультивибратор 2, первый 3, второй 4 и третий 5 датчики уровня с первым 6, вторым 7 и третьим 8 чувствительными элементами, первое 9, второе 10 и третье 11 реле, первые 12, вторые 13, третьи 14, четвертые 15 и пятые 17 нормально открытые контакты, выходное реле 16 мультивибратора 2, резистор 18, первый 19, второй 20 и третий 21 источники питания, задающий генератор 22.1, телеграфный ключ 22.2, генератор 23 модулирующего кода, фазовый манипулятор 24, усилитель 25 мощности, передающую антенну 26, радиоприемник 27, приемную антенну 28, блок 29 поиска, смеситель 30, гетеродин 31, усилитель 32 промежуточной частоты, обнаружитель 33, первый 34 и второй 36 измерители ширины спектра, удвоитель 35 частоты, блок 37 сравнения, пороговый блок 38, первый ключ 39, линию 40 задержки, звуковой сигнализатор 41, делитель 42 частоты на два, узкополосный фильтр 43, первый фазовый детектор 44, блок 45 регистрации, второй ключ 46, измеритель 47 частоты, частотный детектор 48, триггер 49, балансный переключатель 50, фазовращатель 51 на 45 , фазовращатель 52 на 90 , второй фазовый детектор 53, блок 54 вычитания и формирователь 55 аналога модулирующего кода.

Принцип оповещения о паводке или селе основан на использовании сложного ФМН-сигнала, который излучается радиопередатчиком, принимается и селектируется радиоприемником, детектируется и используется для включения звукового сигнализатора. Причем характер звуковых сигналов свидетельствует об уровне паводка или селя, а зарегистрированный код свидетельствует о географических координатах возникновения паводка или селя. При этом радиопередатчики устанавливаются в паводкоопасных и селеопасных районах, а радиоприемник - на пункте оповещения. Использование сложного ФМН-сигнала позволяет применять новый вид селекции - структурную селекцию, которая обеспечивает высокую помехоустойчивость и надежность выделения указанного сигнала, среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени.

Принцип компенсации помех основан на фазорасщеплении принимаемых фазоманипулированных сигналов на два одночастотных канала с использованием двух фазовых детекторов, выходные напряжения которых вычитаются вместе с помехами в блоке вычитания.

Устройство работает следующим образом.

При заполнении чувствительного элемента 6 датчика 3 уровня водой цепь реле 9 замыкается на землю, реле 9 срабатывает и замыкает контакты 12, через которые питание подается на радиопередатчик 1 и мультивибратор 2. При этом мультивибратор 2 работает в несимметричном режиме. Контакты 17 реле 16 мультивибратора 2 периодически через равные промежутки времени, например 10 с, замыкают цепь телеграфного ключа 22.2 радиопередатчика 1, который и посылает в пространство радиосигналы через тот же интервал времени.

После включения радиопередатчика 1 высокочастотное колебание

U₁(t)=Vc Cos(Wc t+ c), 0 t Тс,

где Uc, Wc, c, Тc - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания;

с выхода задающего генератора 22.2 поступает на первый вход фазового манипулятора 24, на выходе которого образуется ФМН-сигнал

U₂(t)=Vc Cos[Wc t+ k(t)+ c], 0 t Tc,

где k(t)={0, } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем k(t)=const при k э<t&; (k+1) э и может изменяться скачком при t=K э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=0, 1, 2,...,N-1);

э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тc(Тc=N э).

Этот сигнал после усиления в усилителе 25 мощности излучается передающей антенной 26 в эфир, улавливается приемной антенной 28 и поступает на первый вход смесителя 30, на второй вход которого подается напряжение линейно изменяющейся частоты гетеродина 31

U_г(t)=Vг Cos(Wг t+ t²+ г), 0 t Тп,

где Vг, Wг, г - амплитуды, начальная частота и начальная фаза напряжения гетеродина;

=D /Tп - скорость изменения частоты гетеродина (скорость перестройки);

Df - диапазон просматриваемых частот;

Тп - период перестройки.

На выходе смесителя 30 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 32 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

Unp1(t)=Vnp Cos[Wnp t+ k(t)- t²+ пр], 0 t Тс,

где Vnp=1/2К₁ Vc Vг;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

Wnp=Wc-Wг - промежуточная частота;

пр= с- г,

которое представляет собой сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и линейной частотной модуляцией (ФМН-ЛЧМ) на промежуточной частоте. Это напряжение поступает на вход обнаружителя 33, состоящего из измерителей 34 и 36 ширины спектра, удвоителя 35 частоты, блока 37 сравнения, порогового блока 38 и ключа 39.

На выходе удвоителя 35 частоты образуется напряжение

U₃(t)=Vnp Cos[2Wnp t-2 t²+2 np], 0 t Тс.

Так как 2 к(t)={0, 2 }, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует.

Ширина спектра ₂ второй гармоники сигнала определяется его длительностью

₂=1/Tc,

тогда как ширина спектра с ФМН-сигнала определяется длительностью э его элементарных посылок с=1/ э, т.е. ширина спектра ₂ второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра с входного сигнала:

с/ ₂=N.

Следовательно, при удвоении частоты (фазы) ФМН-сигнала его спектр “сворачивается” в N раз. Это и позволяет обнаружить ФМН-сигнал среди шумов и других сигналов даже тогда, когда его мощность на входе радиоприемника 27 меньше мощности шумов и других ложных сигналов (помех).

Ширина спектра с входного ФМН-сигнала измеряется с помощью измерителя 34, а ширина спектра ₂ второй гармоники сигнала измеряется с помощью измерителя 36. Напряжения V₁ и V₂, пропорциональные c и ₂ соответственно, с выходов измерителей 34 и 36 ширины спектра поступают на два входа блока 37 сравнения. Так как ₁>>V₂, то на выходе блока 37 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень V_nop в пороговом блоке 38. Пороговое напряжение V_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового уровня V_nop в пороговом блоке 38 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход блока 30 поиска, выключая его, на вход линии 40 задержки, на вход звукового сигнализатора 41 и на управляющие входы ключей 39 и 46, открывая их. Ключи 39 и 46 в исходном состоянии всегда закрыты.

С этого момента времени процесс поиска ФМН-сигналов в заданном диапазоне частот Df прекращается на время анализа и регистрации обнаруженного ФМН-сигнала, которое определяется временем задержки з линии задержки 40. При этом звуковой сигнализатор 41 подает звуковые сигналы с интервалом в 10 с (Тп=10с), что свидетельствует о начале паводка и достижении уровня в створе первого расчетного значения.

Блок 29 поиска служит для просмотра заданного диапазона частот Df и поиска в нем ФМН-сигналов, соответствующих определенным паводкоопасным и селеопасным районам. В качестве блока 29 поиска может быть использован генератор пилообразного напряжения.

При прекращении перестройки гетеродина 31 усилителем 32 промежуточной частоты выделяется следующее напряжение (фиг.2, б)

Vnp₂(t)=Vnp Cos[Wnp t+ к(t)+ пр], 0 t Тc,

которое представляет собой ФМН-сигнал на промежуточной частоте и через открытый ключ 39 поступает на информационные входы фазовых детекторов 44 и 53.

На выходе удвоителя 35 частоты (фазы) в этом случае образуется гармоническое напряжение (фиг.2, в)

U₄(t)=Vnp Cos(2Wnp t+2 пр), 0 t Tс,

которое поступает на вход делителя 42 частоты (фазы) на два. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение (фиг.2, г)

U₅(t)=Vnp Cos(Wnp t+ пр), 0 t Тс.

Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 43 и используется в качестве опорного напряжения.

Однако фаза опорного напряжения U₅(t), выделяемого непосредственно из принимаемого ФМН-сигнала, характеризуется нестабильностью, обусловленной скачкообразными ее переходами из одного состояния пр в другое пр+ под действием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов. Эти переходы за время приема ФМН-сигнала происходят в случайные моменты времени (например, t₁, t₂). При этом на выходе фазовых детекторов 44 и 53 выделяются искаженные аналоги модулирующего кода M₁(t) (фиг.2, д), что делает невозможным достоверное определение географических координат места возникновения паводка или селя.

Для стабилизации фазы опорного напряжения U₅(t) и тем самым устранения явления “обратной работы” второго типа используются частотный детектор 48, триггер 49 и балансный переключатель 50.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180 в момент времени t₁ (фиг.2, г) на выходе частотного детектора 48 образуется короткий положительный импульс, а при скачке фазы на -180 в момент времени t₂ (возвращение фазы опорного напряжения в первоначальное состояние) - короткий отрицательный импульс (фиг.2, е). Знакочередующие короткие импульсы с выхода частотного детектора 48 управляют работой триггера 49, выходное напряжение которого (фиг.2, ж), в свою очередь, управляет работой балансного переключателя 50 с двумя устойчивыми положениями.

В устойчивом режиме, когда фаза опорного напряжения совпадает, например, с нулевой фазой принимаемого ФМН-сигнала, на выходе триггера 48 образуется отрицательное напряжение и балансный переключатель 50 находится в своем первоначальном положении, при котором опорное напряжение U₅(t) с выхода узкополосного фильтра 43 поступает на вход фазовращателя 51 на 45 без изменения.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180°, обусловленном, например, неустойчивой работой делителя 42 частоты (фазы) на два под действием помех, триггер 49 положительным импульсом с выхода частотного детектора 48 в момент времени t₁ переводится в другое устойчивое состояние. При этом выходное напряжение триггера 49 в момент времени t₁ становится и остается положительным до очередного скачка фазы на -180 в момент времени t₂, который возвращает фазу опорного напряжения в первоначальное состояние.

Положительное выходное напряжение триггера 49 (фиг.2, ж) переводит балансный переключатель 50 в другое устойчивое положение, при котором опорное напряжение с выхода узкополосного фильтра 43 поступает на вход фазовращателя 51 на 45 с изменением фазы на -180°. Это позволяет устранить нестабильность фазы опорного напряжения, вызванную скачкообразным ее изменением под действием помех и связанную с ней “обратную работу” второго типа (фиг.2, з).

Следовательно, частотный детектор 48 обеспечивает обнаружение момента возникновения “обратной работы” второго типа, а триггер 49 и балансный переключатель 50 устраняют ее.

На выходе балансного переключателя 50 образуется гармоническое колебание со стабильной начальной фазой (фиг, 2, з)

U₆(t)=Vnp Cos(Wnp t+ пp), 0 t Тc.

При этом на опорный вход фазового детектора 44 подается опорное колебание, сдвинутое по фазе на 45° относительно вектора принимаемого ФМН-сигнала, соответствующего положительной элементарной посылке. А на опорный вход фазового детектора 53 в то же время подается гармоническое колебание, сдвинутое по фазе на 135° относительно того же сигнального вектора, т.е. сдвинутое на 90° относительно гармонического колебания, подаваемого на опорный вход фазового детектора 44. Поэтому фазовращатели 51 и 52 осуществляют фазовые сдвиги на 45 и 90° соответственно, так что общий фазовый сдвиг гармонического колебания, поступающего на опорный вход фазового детектора 53, составит требуемые 135° относительно рассматриваемого сигнального вектора.

При этом на выходе фазового детектора 44 образуется низкочастотное напряжение

где V_H1=1/2K₁Vnp²;

K₁ - коэффициент передачи фазового детектора;

- фазовый угол между принимаемым сигналом и опорным колебанием.

Поэтому на выходе фазового детектора 44 при ₁=45° образуется напряжение

а на выходе фазового детектора 53, для которого в этом же случае ₂=135 , образуется напряжение

т.е. образуются разнополярные выходные напряжения.

На выходе блока 54 вычитания образуется напряжение

Таким образом, на выходе блока 54 вычитания образуется положительное напряжение, соответствующее двоичному символу “1”.

При передаче двоичного символа “0” фаза принимаемого ФМН-сигнала изменяется на 180 . Поэтому на выходе фазового детектора 44 образуется напряжение

а на выходе фазового детектора 53 образуется напряжение

На выходе блока 54 вычитания образуется напряжение

В данном случае на выходе блока 54 вычитания образуется отрицательное напряжение, соответствующее двоичному символу “0”.

На выходе формирователя 55 аналога модулирующего кода образуется суммарное напряжение.

Рассмотрим теперь прохождение помех и смеси ФМН-согнала с помехой через два фазовых детектора 44 и 53. Амплитудные аддитивные помехи проходят через два фазовых детектора 44 и 53 одинаково, изменяя амплитуды выходных продетектированных сигналов фазовых детекторов в одну и ту же сторону. Но в блоке 54 вычитания они вычитаются, оставаясь однополярными, т.е. подавляются, взаимно компенсируются, а напряжение сигнала складывается по абсолютной величине, увеличивается и фиксируется блоком 45 регистрации. Данное напряжение содержит в цифровой форме данные о географических координатах места, где возник паводок или сель.

Одновременно напряжение гетеродина 31 через открытый ключ 46 поступает на вход измерителя 47 частоты, где измеряется частота радиопередатчика, установленного в месте образования паводка или селя.

Для повышения достоверности приема сложного ФМН-сигнала последний дублируется несколько раз с интервалом в 10 секунд. Это обеспечивается соответствующим выбором времени задержки з линии 40 задержки. По истечении этого времени напряжение с выхода линии задержки 40 поступает на вход сброса порогового блока 38 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом звуковой сигнализатор 41 прекращает свою работу, а ключи 39 и 46 закрываются, т.е. переводятся в свои исходные состояния. С этого момента времени процесс просмотра заданного диапазона частот Df и поиск ФМН-сигналов продолжается. При обнаружении очередного ФМН-сигнала на другой несущей частоте работа устройства происходит аналогичным образом.

При дальнейшем поднятии воды в створе и затоплении чувствительного элемента 7 датчика 4 уровня срабатывает реле 10, его контакты 13 замыкаются и включают в схему мультивибратора 2 резистор 18. Включение резистора 18 в схему мультивибратора 2 переводит его работу в симметричный режим, реле 16 мультивибратора 2 срабатывает через равные интервалы времени, например в 1 секунду, и его контакты 17 замыкают цепь телеграфного ключа 22.2 радиопередатчика 1 через тот же интервал времени (Ти=1 с).

При достижении уровня паводка или селя третьего значения затапливается чувствительный элемент 8 датчика 5, реле 11 срабатывает, его контактная пара 17 замыкает цепь телеграфного ключа 22.2 радиопередатчика 1, а контактная пара 15 подключает к аппарату резервный источник 19 питания. При замкнутой накоротко цепи телеграфного ключа 22.2 радиопередатчик 1 посылает в пространство непрерывный звуковой сигнал.

При спаде уровня воды или селя звуковые сигналы будут передаваться радиопередатчиком 1 в обратном порядке.

Данное устройство обеспечивает передачу на пункт оповещения не только звуковых сигналов, по характеру которых судят об уровне паводка или селя, но и данные о географических координатах места возникновения паводка или селя, чем повышается надежность оповещения населения о грозном стихийном бедствии. Это достигается использованием сложных ФМН-сигналов, обладающих повышенной устойчивостью к помехам, структурной и энергетической скрытностью.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими устройствами аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности приема фазоманипулированных сигналов. Это достигается значительным ослаблением помех, увеличением отношения сигнал/помеха на выходе радиоприемника.