СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПОДЛИННОСТИ ДЕТЕКТИРУЕМОГО ИЗДЕЛИЯ С РЕЗОНАНСНЫМ ЗАЩИТНЫМ СРЕДСТВОМ Российский патент 2007 года по МПК G07D7/10 G06K5/04 

Изобретение относится к средствам защиты и контроля подлинности ценных изделий и может быть, преимущественно, использовано в массовом производстве для защиты от подделки, например, банкнот, кредитных документов, иных ценных бумаг и обеспечения возможности последующего оперативного высокоскоростного определения их подлинности с высокой степенью достоверности.

В настоящее время прямые финансовые потери развитых государств вследствие подделки (несанкционированного выпуска и введения в оборот в больших масштабах) банкнот, кредитных документов и иных ценных бумаг составляют значительные суммы. Это связано с тем, что современный уровень развития вычислительной, аналитической и множительной техники позволяет воспроизвести с высокой степенью идентичности практически любую ценную бумагу в неограниченном количестве при сравнительно небольших материальных затратах.

Особенно остро эта проблема стоит в случаях массового выпуска изделий, например банковских билетов (банкнот), когда затраты на их изготовление и защиту от подделки должны быть минимальны. Кроме того, в этом случае защитные средства (метки) должны оперативно (с высокой скоростью считывания информации) детектироваться посредством недорогих и доступных для широкого круга пользователей средств контроля.

В настоящее время существуют различные методы и средства защиты от подделки ценных изделий, в частности банкнот, кредитных документов и иных ценных бумаг, а также средства (системы) и методы их детектирования.

Для выбранной группы защищаемых изделий, например банкнот, ценных бумаг и т.п., применяемые защитные средства (метки), как правило, делятся на три группы: допечатные, печатные и послепечатные.

Значительную часть известных методов и средств защиты от подделки составляют способы и средства защиты посредством металлических защитных меток, достаточно просто детектируемых. Причем метка может формироваться как непосредственным нанесением материала метки (например, в виде краски) на защищаемое изделие, так и нанесением на упомянутое изделие отдельно изготовленного средства защиты, например, в виде полоски.

Известен способ защиты ценных бумаг от подделки и устройство для его реализации (а также устройство детектирования параметров определенных информативных признаков защитной метки), согласно которым в бумажную основу ценной бумаги запрессовывают полосу из магнитного материала (т.е. метки) с последующим ее контролем. Определение подлинности ценной бумаги осуществляется посредством магнитного детектора, регистрирующего изменение (градиент) напряженности магнитного поля (ЕР №005720, кл. G 07 D 7/00, 1982).

К недостаткам данных известных из уровня техники способа и средства защиты ценных бумаг от подделки (а также устройства детектирования параметров определенных информативных признаков защитной метки) следует отнести их недостаточную надежность и степень защиты, поскольку изготовление (подделка) полосы из доступного широкому кругу лиц магнитного материала (а также отсутствие уникального /неизвестного/ устройства детектирования параметров определенных информативных признаков защитной метки) не представляет для специалиста какой-либо технической сложности и не требует значительных материальных затрат. Следовательно, степень вероятности подделки ценных бумаг, защищенных в соответствии с рассматриваемым способом защиты, достаточно высока.

Наиболее близкой (по решаемой задаче и достигаемому результату) к заявленному объекту изобретения является известная из уровня техники система контроля подлинности детектируемого изделия с резонансной защитной меткой, используемая для обнаружения и идентификации пассивного защитного средства заданной структуры, выполненного с возможностью обеспечения контроля наличия и подлинности упомянутого средства физическим методом анализа по резонансным эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующим электромагнитным излучением заданной радиочастоты, включающая устройство детектирования параметров определенных информативных признаков в резонансном отклике защитного средства на внешнее воздействие упомянутого устройства с последующим автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров этих информативных признаков с эталонными значениями, заложенными в памяти устройства детектирования, которое включает источник зондирующего излучения и приемник резонансного отклика излучения. В качестве средства защиты используют изотопный индикатор на основе стабильного изотопа осмий-187 (¹⁸⁷Os) или его (стабильного изотопа осмий-187) химического соединения, в котором (химическом соединении) обеспечивается постоянная стабилизация (во времени и пространстве) магнитной ориентации спинов (собственных моментов импульсов) системы элементарных частиц, входящих в состав атомов осмия-187.

Защитную метку формируют с возможностью контроля наличия этой метки (при детектировании) на защищаемом изделии физическим методом анализа по изотопным эффектам, в частности по магнитным свойствам ядер осмия-187 методом ядерного магнитного резонанса /ЯМР/ (RU, патенты №2074420 и №2077072, кл. G 07 D 7/00, 1997).

Применение (в рассматриваемом способе защиты изделий от подделки) стабильного изотопа осмия-187 в виде химического соединения осмия-187 с ферромагнитным веществом позволяет использовать (в процессе детектирования) внутренние магнитные поля атомов, достигающие 500 Тл и более, т.к. при взаимодействии с магнитными полями атомов ферромагнетика магнитные поля атомов осмия-187 упорядоченно ориентируются в пространстве. Это позволяет получить сигнал ЯМР, т.е. эффект избирательного поглощения излучения определенной радиочастоты, без воздействия внешних магнитных полей большой мощности. Благоприятной (для рассматриваемого случая) характеристикой осмия-187 является также то, что его ядро имеет спин, равный 1/2, следовательно, отсутствует электрический квадрупольный момент, что позволяет исключить электрические возмущения в процессе детектирования защитной метки.

Для детектирования известной и воспроизведенной согласно упомянутому уровню техники (см. RU, патенты №2074420 и №2077072) на защищаемом изделии защитной метки используется (также известный из уровня техники) ЯМР-спектрометр, в котором для ориентации магнитных полей атомных ядер исследуемого материала используются сверхпроводящие магниты, создающие магнитное поле до 20 Тл.

Следует отметить, что вышеупомянутые сверхпроводящие магниты составляют доминирующую (основную) часть стоимости вышеупомянутого ЯМР-спектрометра.

Детектирование в случае использования в качестве защитной метки соединения осмия-187 с ферромагнитным веществом (материалом) производится также известными методами с помощью известных из уровня техники средств.

В частности, при наложении генерируемого детекторным средством радиочастотного импульса π/2 (в противофазе с магнитными моментами атомных ядер осмия-187) спины атомных ядер осмия-187 "рассыпаются". При следующем импульсе π (этого же источника электромагнитного излучения в фазе с магнитными моментами атомных ядер осмия-187) спины атомных ядер осмия-187 одновременно возвращаются в свое основное ориентированное (стабилизированное посредством магнитного влияния спинов атомов веществ, являющихся ингредиентами рассматриваемого соединения) состояние. Это позволяет зарегистрировать посредством детекторного средства (включающего ЯМР-спектрометр) так называемое «спиновое эхо», создаваемое (генерируемое) системой элементарных частиц, образующих атомное ядро осмия-187. Детектирование осуществляется по срабатыванию прибора только на ядра осмия-187 с резонансной частотой 107,5 МГц.

К недостаткам вышеупомянутых наиболее близких (по отношению к патентуемым объектам изобретения) технических решений целесообразно отнести нижеследующее. Надежная защита охраняемого от подделки изделия (в частности, банкноты, ценной бумаги или иного документа) согласно вышеописанным известным из уровня техники способу и средству для его реализации обеспечивается посредством использования в качестве защитной метки уникального материала, освоение производства которого требует такого уровня технических средств, материальных и трудовых затрат, который способно обеспечить только государство, обладающее современными ядерными технологиями (включающими методы сепарации изотопа осмий-187 из ренийсодержащих и ультрабедных руд или из бедных и ультрабедных сбросных технологических растворов).

Действительно, уникальность материала и технология его производства обеспечивает достаточно высокую степень защиты ценных изделий (включая банкноты, кредитные и иные документы, а также иные объекты, требующие, ввиду своей определенной ценности, индивидуальной или широкомасштабной защиты) от подделки. Однако именно уникальность и технологическая сложность производства осмия-187 ограничивает область его использования в части широкомасштабной защиты изделий (например, банкнот) от подделки, поскольку затраты на изготовление одной банкноты могут быть соизмеримы с номинальной стоимостью этой банкноты, а в ряде случаев могут быть и значительно выше ее номинальной стоимости, например для мелких банкнот.

Если же принять во внимание то, что в современных условиях рыночных отношений данный уникальный материал (осмий-187) может быть приобретен заинтересованными лицами в чистом виде в нужном количестве путем его покупки (в том числе и нелегальным путем), а также то, что сам по себе технологический процесс формирования защитной метки на основе осмия-187 (согласно рассматриваемому изобретению) не представляет каких-либо трудностей и не имеет технологических НОУ-ХАУ, и то, что минимальное количество осмия-187, необходимое для обеспечения гарантированного детектирования защитной метки, составляет 5 мкг, можно прийти к выводу, что заинтересованное лицо может воспроизвести эту защитную метку, например, на банкнотах неограниченное число раз, причем каждая нелегально воспроизведенная метка будет абсолютно идентична эталонной, поскольку физико-химические свойства осмия-187, даже полученного различными технологическими способами и из разных источников, будут абсолютно идентичными.

Кроме того, использование в качестве средства детектирования ЯМР-спектрометра ограничивает область использования данного технического решения, поскольку ограничена скорость считывания необходимой информации.

В основу заявленного технического решения была положена задача создания такой системы контроля подлинности детектируемого изделия с резонансной защитной меткой, которая позволила бы при минимальных затратах на ее промышленную реализацию (а также на реализацию защитного средства) осуществить высокую достоверность контроля, а также высокую скорость детектирования (контроля подлинности маркированных изделий, в частности банкнот) за счет обеспечения возможности работы системы в СВЧ-диапазоне радиочастот, реализующем высокую скорость радиообмена.

Поставленная задача достигается посредством того, что в системе контроля подлинности детектируемого изделия с резонансным защитным средством, используемой для обнаружения и идентификации пассивного защитного средства заданной структуры, выполненного с возможностью обеспечения контроля наличия и подлинности упомянутого средства физическим методом анализа по резонансным эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующим электромагнитным излучением заданной радиочастоты, включающей устройство детектирования параметров определенных информативных признаков в резонансном отклике защитного средства на внешнее воздействие упомянутого устройства с последующим автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров этих информативных признаков с эталонными значениями, заложенными в памяти устройства детектирования, которое включает источник зондирующего излучения и приемник резонансного отклика излучения, согласно изобретению источник зондирующего и приемник резонансного отклика излучения выполнены в виде конструктивно идентичных микрополосковых щелевых антенн, которые включают проводящие экраны со щелевыми диафрагмами, при этом источник содержит одну антенну, а приемник - две расположенные с относительным смещением в одной плоскости антенны, одна из которых расположена с воздушным зазором относительно антенны источника оппозитно последней таким образом, что щелевые диафрагмы этой пары скрещиваются в параллельных плоскостях под углом, близким или равным 90°, а щелевая диафрагма другой антенны приемника ориентирована под углом, близким или равным 45°, по отношению к щелевым диафрагмам оппозитно расположенных антенн; идентифицируемое пассивное защитное средство выполнено в виде металлизированной, по меньшей мере, трехслойной резонансной фильтровой структуры, которая включает: плоскостную полосковую линию, состоящую, по меньшей мере, из двух металлических микрополосок длиной, равной половине длины волны распространяющегося в полосковой линии излучения, индуцированного зондирующим излучением, которые расположены с взаимным перекрытием и разделены между собой диэлектриком в зоне упомянутого перекрытия; сплошной металлический экран; а также разделяющий их диэлектрический слой; причем радиоэлектрические и геометрические параметры плоскостной полосковой линии выбраны таким образом, что при ее зондировании источником излучения радиочастотой СВЧ-диапазона обеспечивается возможность использовать в качестве детектируемых информативных признаков в резонансном отклике фильтровой структуры характерные пиковые значения частотной характеристики коэффициентов прямой передачи и обратного отражения этой структурой внешнего зондирующего излучения, используемые в процессе детектирования для сравнения с заданным диапазоном эталонных значений соответствующих параметров, заложенным в памяти устройства детектирования; при этом величина упомянутого относительного смещения антенн приемника излучения, отнесенная к центрам их щелевых диафрагм, меньше длины плоскостной полосковой линии пассивного защитного средства, а плоскостная полосковая линия в процессе контроля подлинности детектируемого изделия располагается в зазоре между упомянутыми оппозитно расположенными антеннами под углом, близким или равным 45°, по отношению к щелевым диафрагмам оппозитно расположенных антенн источника и приемника излучения с возможностью поступательного перемещения через зону пересечения этих щелевых диафрагм и центральную область щелевой диафрагмы другой антенны приемника излучения.

Оптимально, чтобы величина диэлектрического зазора между микрополосками в зоне перекрытия не превышала 20 мкм;

Микрополосковая щелевая антенна должна содержать диэлектрический слой, на одной стороне которого размещен проводящий экран со щелевой диафрагмой, а на другой - линейный проводящий элемент, который расположен оппозитно щелевой диафрагме с возможностью их скрещивания под углом, близким или равным 90°.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

Фиг.1 - схема расположения металлических микрополосок в плоскостной полосковой линии.

Фиг.2 - один из вариантов (простейший) выполнения идентифицируемого пассивного защитного средства.

Фиг.3 - микрополосковая щелевая антенна (вид в плане).

Фиг.4 - сечение А-А по фиг.3.

Фиг.5 - общая схема пространственного расположения в процессе детектирования микрополосковых щелевых антенн источника зондирующего излучения и приемника резонансного отклика излучения (и, соответственно, щелевых диафрагм в проводящих экранах этих антенн), а также идентифицируемого пассивного защитного средства с плоскостной полосковой линией (вид в плане, линейные проводящие элементы на микрополосковых щелевых антеннах условно не показаны, а щелевая диафрагма верхней антенны 5 условно показана сплошными линиями).

Фиг.6 - сечение В-В по фиг.5.

Фиг.7 - блок-схема системы контроля подлинности детектируемого изделия с резонансным защитным средством.

Целесообразно отметить, что заявленная система контроля подлинности предназначена для детектирования (обнаружения и идентификации) пассивного защитного средства вполне определенной структуры (конструкции). Эта структура выполнена с возможностью обеспечения контроля наличия и подлинности упомянутого средства физическим методом анализа по резонансным эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующим электромагнитным излучением заданной радиочастоты. А также с возможностью детектирования параметров определенных информативных признаков в резонансном отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие с последующим автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров этих информативных признаков с эталонными значениями, заложенными в памяти средства детектирования.

Пассивное защитное средство выполнено в виде металлизированной, по меньшей мере, трехслойной резонансной фильтровой структуры, которая включает плоскостную полосковую линию 1, состоящую, по меньшей мере, из двух металлических микрополосок 2 длиной, равной половине длины волны (λ/2) распространяющегося в полосковой линии 1 излучения, индуцированного зондирующим излучением, которые расположены с взаимным перекрытием и разделены между собой диэлектриком в зоне упомянутого перекрытия. При этом величина диэлектрического зазора (S) между микрополосками 2 в зоне перекрытия, как правило, не превышает 20 мкм. Кроме того, упомянутая резонансная фильтровая структура включает сплошной металлический экран 3, а также разделяющий микрополосковую линию 1 и упомянутый экран 3 диэлектрический слой 4. Радиоэлектрические и геометрические параметры плоскостной полосковой линии 1 выбраны таким образом, что при ее зондировании излучением радиочастотой СВЧ-диапазона, преимущественно, от 8 до 12 ГГц обеспечивается возможность использовать в качестве детектируемых информативных признаков в резонансном отклике фильтровой структуры характерные пиковые значения частотной характеристики коэффициентов прямой передачи и обратного отражения этой структурой внешнего зондирующего излучения. Эти информативные признаки (т.е. пиковые значения частотной характеристики коэффициентов пропускания и поглощения) используются в процессе детектирования для сравнения с заданным диапазоном (а не конкретным абсолютным значением) эталонных значений соответствующих параметров, заложенным в памяти средства детектирования.

Целесообразно упомянутый разделяющий диэлектрический слой выполнять из лавсана.

Оптимально трехслойную резонансную фильтровую структуру беззазорно размещать между двумя дополнительными слоями диэлектрика, выполненными, например, из лавсана. Это исключает повреждение резонансной полосковой линии 1 и металлического экрана 3 в процессе эксплуатации защищаемых изделий, например банкнот.

Основным компонентом системы контроля подлинности детектируемого изделия с вышеописанным резонансным защитным средством является устройство детектирования параметров определенных информативных признаков в резонансном отклике защитного средства на внешнее воздействие упомянутого устройства с последующим автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров этих информативных признаков с эталонными значениями, заложенными в памяти устройства детектирования. Устройство детектирования включает источник зондирующего излучения и приемник резонансного отклика излучения. Источник зондирующего и приемник резонансного отклика излучения выполнены в виде конструктивно идентичных микрополосковых щелевых антенн 5, 6 и 7, которые включают проводящие экраны 8 со щелевыми диафрагмами 9, при этом источник содержит одну антенну 5, а приемник - две расположенные с относительным смещением в одной плоскости антенны 6 и 7, одна из которых (антенна 6) расположена с воздушным зазором относительно антенны 5 источника оппозитно последней таким образом, что щелевые диафрагмы 9 этой пары скрещиваются в параллельных плоскостях под углом, близким или равным 90°, а щелевая диафрагма 9 другой антенны 7 приемника ориентирована под углом, близким или равным 45°, по отношению к щелевым диафрагмам 9 оппозитно расположенных антенн 5 и 6. При этом величина упомянутого относительного смещения антенн 6 и 7 приемника излучения, отнесенная к центрам 10 их щелевых диафрагм 9, меньше длины плоскостной полосковой линии 1 пассивного защитного средства. Плоскостная полосковая линия 1 пассивного защитного средства (в процессе контроля подлинности детектируемого изделия) располагается в зазоре между упомянутыми оппозитно расположенными антеннами 5 и 6 под углом, близким или равным 45°, по отношению к щелевым диафрагмам 9 оппозитно расположенных антенн 5 и 6 источника и приемника (соответственно) излучения с возможностью поступательного перемещения через зону пересечения этих щелевых диафрагм 9 и центральную область щелевой диафрагмы 9 другой антенны 7 приемника излучения. Следует отметить, что микрополосковая щелевая антенна также содержит диэлектрический слой 11, на одной стороне которого размещен проводящий экран 8 со щелевой диафрагмой 9, а на другой - линейный проводящий элемент 12, который расположен оппозитно щелевой диафрагме 9 с возможностью их скрещивания под углом, близким или равным 90°.

Физическая сущность принципа работы системы контроля подлинности детектируемого изделия с вышеописанным резонансным защитным средством заключается в следующем.

Целесообразно отметить, что при разработке радиочастотных защитных меток (защитных средств) большое значение имеет выбор частотного диапазона и возможных видов модуляции зондирующего сигнала. С точки зрения радиотехники построение метки, обеспечивающей идентификацию какого-либо объекта, может быть реализовано практически во всем спектре радиочастот, освоенном на сегодняшний день - от единиц килогерц до сотен гигагерц. Однако специфические требования к меткам в защитной металлической полосе предъявляют особые требования к выбору диапазона частот и вида модуляции.

Для лучшего понимания физической сущности заявленного изобретения целесообразно проанализировать существующие на данный момент принципы построения и подходы к использованию систем радиочастотной идентификации.

Системы радиочастотной идентификации и регистрации объектов (RFID-системы) получили широкое распространение с начала 90-х годов. По сравнению с уже существующими общеизвестными методами идентификации (по штрихкоду или по магнитной полосе) RFID-системы обладают рядом существенных преимуществ. А именно: идентификация объекта производится по уникальному цифровому коду, излучаемому закрепленной на объекте электронной меткой-транспондером; опрос транспондеров производится автоматически с помощью приемопередающего устройства (ридера).

Такие системы позволяют существенно ускорить процесс идентификации, не требуют специального расположения объекта относительно ридера (как, например, в системах со штрихкодом), являются более надежными, долговечными и защищенными по отношению к системам с магнитной полосой.

В настоящее время, в зависимости от требований к системе, применяются как активные (с питанием от встроенной батареи), так и пассивные транспондеры. Энергию, необходимую для формирования ответного сигнала, пассивный транспондер получает по радиолинии от ридера.

Первой системой радиочастотной идентификации и регистрации объектов является система TIRIS (Texas Instruments Registration and Identification System). Разработанная первоначально для автоматизации складского хозяйства, TIRIS нашла применение в системах охраны доступа, автомобильных иммобилайзерах, системах автоматизированной торговли, на платных автомобильных парковках, бензоколонках и пр.

Существующие в настоящее время системы RFID различных производителей, как правило, различаются несущей частотой используемых сигналов, типом модуляции, протоколом радиообмена, объемом возвращаемой транспондером информации. В последнее время были предприняты попытки стандартизовать указанную продукцию. Это в первую очередь относится к несущей частоте сигналов.

В настоящее время можно выделить три основных частотных диапазона, в которых работают системы RFID:

- низкочастотный диапазон (до 150 КГц);

- среднечастотный диапазон (13,56 МГц);

- высокочастотный диапазон (850...950 МГц и 2,4...5 ГГц).

Среди широко распространенных на российском рынке систем RFID низкочастотного диапазона следует отметить транспондеры, работающие на частоте 125 Кгц (протокол швейцарской фирмы ЕМ Microelectronic Marin). Эти транспондеры используют амплитудно-модулированные сигналы и манчестер-код. Аналогичным протоколом обмена обладают транспондеры фирм Temic, Atmel, Microchip. Указанный стандарт существенно уступает системе Texas Instruments RFID по дальности действия (около 20 см) и помехозащищенности, однако низкая стоимость транспондеров ($1,2...$1,5) и ридеров ($20...$30) позволяет реализовать недорогие системы охраны доступа, системы учета и др.

К главным недостаткам низкочастотных систем RFID следует отнести в первую очередь низкую скорость радиообмена и технологическую сложность изготовления высокоиндуктивных антенн транспондеров. Низкая скорость радиобмена не позволяет ридеру различать несколько транспондеров, одновременно находящихся в поле его антенны. Это до определенной степени ограничивает применение низкочастотных RFID систем. Спиральные или магнитные антенны низкочастотных транспондеров, как правило, требуют сложного намоточного оборудования и плохо транспортируются. Это приводит к высоким затратам на корпусирование транспондеров и, в конечном итоге, к их высокой стоимости.

Переход в мегагерцевый диапазон частот позволил избавиться от указанных недостатков. Стандартным среднечастотным диапазоном для производства систем RFID является диапазон 13,56 МГц. Разработки транспондерных микросхем в этом диапазоне имеются у целого ряда известных производителей (это Philips-технология MIFARE, Microchip и многие другие).

Транспондеры, производимые Texas Instruments по технологии Tag-It™, представляют собой законченную конструкцию, состоящую из тонкой (0,03 мм) пластиковой подложки, микросхемы и нанесенной методом напыления рамочной антенны. Толщина транспондера в месте расположения чипа 0,3 мм. Транспондер содержит уникальный, записанный на заводе изготовителе, 32-разрядный код и пользовательскую память 256 бит (8 страниц по 32 разряда). Сигнал транспондера амплитудно-модулированный, для кодирования используется манчестер-код.

Ориентировочная стоимость транспондера в России составляет менее одного доллара США. Главным достоинством транспондеров Tag-It™ является простота их корпусирования. В простейшем случае применения транспондер может быть просто вклеен между двумя листами бумаги или картона.

Высокочастотные транспондерные устройства на современном рынке RFID представлены в первую очередь продукцией Amtech и Micro Design ASA. Высокочастотные активные транспондеры Texas Instruments разработаны в соответствии со стандартами США и Канады и не поставляются на Европейский рынок. Транспондер содержит внутри себя высокочастотный приемопередатчик. Все это приводит к достаточно высоким ценам на компоненты таких систем, в частности стоимость ридерного оборудования составляет $2000...5000, стоимость высокочастотного транспондера колеблется от $30 до 100$.

Следует заметить, что длинноволновые диапазоны предполагают значительные габариты приемных и передающих структур, микроволновые диапазоны достаточно дороги в плане элементной базы и изготовления направляющих структур с предельно жесткими допусками.

Таким образом, необходим разумный компромисс при выборе рабочего диапазона частот. Кроме того, необходимо учитывать, что резонансные эффекты, которые используются в качестве основных информативных признаков в заявленном техническом решении, наблюдаются при характерных размерах, кратных половине длины волны. Поэтому в теоретических исследованиях (предшествующих практической разработке заявленного технического решения) выбран достаточно широкий диапазон частот - от 2 до 15 ГГц (с различными видами модуляции). Руководствовались при этом следующими требованиями:

- метка должна быть пассивной, не содержать активных элементов и нелинейностей в виде полупроводящих структур;

- технология изготовления метки должна быть достаточно простой и на сегодняшний день хорошо отработанной;

- используемые приборы для генерации и приема радиосигналов на сегодняшний день должны выпускаться серийно;

- на сегодняшний день должна иметься серийная измерительная аппаратура контроля и идентификации.

В качестве законов модуляции зондирующих сигналов на данном этапе работы были выбраны следующие: короткий радиоимпульс, частотная модуляция непрерывного сигнала по линейному закону, непрерывный сигнал. Возможно, на последующих этапах работы перечень модулирующих законов будет расширен. Вместе с этим взятый за основу перечень практически исчерпывает возможные варианты, поскольку в частных случаях речь может идти лишь об уточнении тех или иных параметров модуляции, например девиации частоты, периода повторения и т.д.

При построении системы обнаружения и идентификации СВЧ-меток, т.е. защитных средств (в частности, на таких объектах, как денежные знаки и иные ценные бумаги), большое значение имеет выбор и обоснование информативных признаков. В ходе разработки заявленного изобретения было принято решение разделить задачи обнаружения и идентификации СВЧ-метки (защитного средства) на две самостоятельные задачи. Это обусловлено следующим:

- во-первых, необходимо четко фиксировать наличие металлизированной структуры (и это само по себе информативный параметр);

- во-вторых, для различных по номиналу объектов (в частности, денежных знаков) сигнал метки (защитного средства или резонансной фильтровой структуры) должен различаться.

Поэтому предлагаются две методики построения меток (защитных средств). Одна основана на спектральных различиях прошедшего и отраженного сигналов. Другая предполагает бинарное квантование меток по их геометрическому расположению.

В процессе разработки заявленного технического решения было проведено моделирование процесса прохождения радиоимпульса через линейные фильтры разного порядка, разработаны математические модели резонансных фильтровых структур СВЧ-меток на связанных плоскостных полосковых линиях, исследовано влияние геометрических размеров и поляризации поля на развязку приемного и передающего трактов и на обнаружение метки.

Параметры зондирующего сигнала, принятые при моделировании, следующие: несущая частота - 10 ГГц (длина волны 3 см), длительность импульса 50 нс. Соответственно выбраны параметры моделирования и частоты дискретизации. Представляется разумным выполнять фильтр метки невысокого порядка, поскольку он имеет малое число звеньев и может быть компактным, что является очень важным при использовании СВЧ-меток для защиты банкнот от подделки. Кроме того, реализация фильтров высокого порядка может оказаться нереализуемой в микрополосковом варианте исполнения.

Проведенные исследования показывают, что имеется принципиальная возможность выявления информативного признака (по импульсной характеристике) при реализации метки в виде резонансного микрополоскового фильтра. Основной сложностью при таком построении являются практические ограничения по достижению высокой добротности структуры метки.

В ходе моделирования оценивался коэффициент отражения от исследуемой структуры (т.е. метки в виде резонансного микрополоскового фильтра) и коэффициент передачи. Такой набор обусловлен тем, что реально и с высокой степенью достоверности в регистрирующей аппаратуре могут измеряться (оцениваться) и сравниваться с эталонными значениями соответствующих параметров именно эти параметры.

Исследования показывают, что изменение параметров цепей структур существенно влияет и на коэффициент отражения и на коэффициент передачи. Однако следует заметить, что такой эффект наблюдается при существенных значениях девиации частоты (ширине спектра зондирующего сигнала). Это обусловлено, во-первых, малым порядком фильтра, а во вторых, низкой добротностью (большим затуханием) микрополосковой линии из-за очень малой толщины диэлектрика (лавсана). В пределах одной октавы возможна идентификация не более шести различных структур СВЧ-метки. При увеличении частотного диапазона до величин, превышающих октаву, появляются резонансы на кратных гармониках, что существенно затрудняет идентификацию.

Наращивание порядка фильтра приведет к увеличению габаритов и невыполнению требования размещения трех меток на ленте. Кроме того, вследствие габаритных ограничений (в частности, при использовании рассматриваемых СВЧ-меток на денежных знаках) нет возможности и существенного увеличения толщины диэлектрического основания (слоя 4).

Целесообразно рассмотреть развязку между излучателем и приемником зондирующего электромагнитного излучения при их расположении на одной стенке. В качестве излучателя и приемника в данном случае представляется наиболее рациональным использовать щель в проводящем экране (т.е. микрополосковые щелевые антенны, описанные выше).

Развязка между щелевыми излучателями, как и все последующие расчеты, выполнялась в среде электромагнитного моделирования Microwave Office. Достигаемый уровень развязки при выбранных размерах составил минус 55 дБ.

При прохождении мимо щелей защитной полосы (защитного средства) между щелями возникает электромагнитная связь и величина развязки уменьшается до минус 19 дБ. То есть перепад сигналов в отсутствие защитной полосы и при ее наличии составляет 36 дБ, что является уверенным признаком наличия простейшей метки (бинарное обнаружение).

Структура из двух полос с электромагнитной связью моделирует возбуждающую структуру фильтра. В этом случае достигается развязка между излучающей и приемной щелью минус 14 - минус 15 дБ. Выигрыш в этом случае составляет 40 дБ.

Перейдем к рассмотрению структур, расположенных в двух параллельных плоскостях напротив друг друга. Воздушный зазор между плоскостями моделирует конструктивный зазор, в котором перемещается защищаемый метализированной полосой объект.

При расположении щелей напротив друг друга сонаправленно возникает сильная электромагнитная связь между передатчиком и приемником. Информативным признаком в этом случае может служить ее нарушение при прохождении метки в зазоре и возрастание отраженного сигнала в передатчике.

Ортогональное расположение щелей позволяет ослабить связь между щелями до величины минус 60 дБ. При прохождении металлизированной полосы, ориентированной так же, как и одна из щелей, электромагнитная связь не возникает и развязка по прежнему не превышает минус 60 дБ.

При расположении защитной полосы под углом 45° относительно излучающей и принимающей щелей возникает сильная связь приемного и передающего канала и развязка снижается до минус 7 - минус 8 дБ. При соответствующем подборе геометрических параметров (размеров) металлизации полосы связь достигает величины минус 4 дБ.

Далее анализировался характер электромагнитной связи при прохождении металлизированной полосы относительно приемной и излучающей щелей.

Результаты моделирования показывают, что максимальная электромагнитная связь возникает только при прохождении металлизированной полосы симметрично через центр пересечения излучающей и приемной щелей. Это обстоятельство позволяет сделать вывод, что при соответствующем позиционном расположении простой по структуре метки и соответствующем расположении приемника и передатчика в системе считывания достигается уверенное обнаружение метки (полосы). При использовании нескольких меток (наклонных полос) возможно решение задачи распознавания.

Еще раз подчеркнем, что целью эксперементов не являлось получение количественных характеристик, речь идет о характерных физических явлениях, способных стать информативными признаками.

В качестве ложного объекта использовалась размещенная на стенде полосковая линия (проводник шириной 1 мм на материале FR4 толщиной 0,7 мм) с заданной частотной характеристикой.

Следует отметить, что здесь характеристика резко отличается. Во-первых, отклики совершенно на других частотах. Во-вторых в силу большей добротности структуры пик частотной характеристики существенно уже.

Перейдем к рассмотрению другого способа возбуждения резонансной фильтровой структуры.

Так же, как и в первом случае, частотная характеристика имеет характерные резонансные пики в области частот 8,3...9,6 ГГц. Однако амплитуда отклика несколько ниже. В качестве тестового (ложного) образца использовался аналогичный первому, но с другим типом питания. И в этом случае ложный образец аналогично первому не дает резонансных откликов, а формирует выброс на частоте 9,2 ГГц большей амплитуды, чем фильтровая метка.

Таким образом и при втором типе питания наблюдается устойчивое различие между резонансной фильтровой структурой (меткой) и ложным образцом.

Фильтровая метка имеет достаточно сложную технологию изготовления, требует двухслойного алюминиевого покрытия лавсана и сложную аппаратуру идентификации. Однако выполненные эксперименты подтвердили эффективность этого типа СВЧ-меток и их устойчивость к подделке. Таким образом, наиболее перспективной для промышленного применения можно считать метку фильтрового типа.

Рассмотрим варианты построения аппаратуры считывания меток подобного вида. Основным информативным признаком, как показали эксперименты, является формируемая меткой частотная характеристика модуля коэффициента прямой передачи (пропускания). Необходимо отметить, что эта информация не является исчерпывающей. Целесообразно получать частотную зависимость коэффициента отражения в дополнение к коэффициенту прямой передачи (пропускания).

Для получения частотных характеристик в качестве тестовых сигналов использовался «белый» шум и частотная модуляция по линейному или близкому к линейному закону.

Рассмотрим структурные схемы считывающего или идентифицирующего устройства на обоих принципах действия.

Схема с использованием «белого» шума, по своей сути, это рефлектометр с каналом прошедшей и отраженной волны. Рассмотрим работу этой схемы. Генератор полосового шума (ГШ) работает в полосе частот метки, т.е. от 8 до 11 ГГц. Он может быть выполнен на лавинно-пролетном диоде (ЛПД) и иметь достаточно малую спектральную плотность мощности шума (СПМШ) порядка 33 ДБ.

Формируемый шум модулируется по амплитуде синусоидальным сигналом с частотой порядка 100 кГц. С выхода амплитудного модулятора сигнал поступает на направленный ответвитель отраженной волны. Этот ответвитель формирует сигнал, пропорциональный модулю коэффициента отражения от первой антенны. Эта антенна излучает промодулированный шумовой сигнал в рабочий зазор, через который перемещается метка. При отсутствии метки сигнал принимается второй антенной, проходит набор полосовых фильтров, детектируется детектором. С выхода детектора сигнал усиливается в узкополосном усилителе промежуточной частоты (УПЧ), который настроен на частоту модуляции 100 кГц. Детектор огибающей выделяет медленно меняющуюся амплитуду сигнала промежуточной частоты (ПЧ), пропорциональную прошедшей через рабочий зазор и полосовые фильтры мощности. Этот канал служит для калибровки и формирования опорных уровней сигнала.

При наличии в рабочем зазоре метки сигнал, распространяясь в ней, как в фильтре, поступает на вход третьей антенны и далее, как и в канале калибровки, детектируется и усиливается. Сигнал с выхода детектора огибающей и фильтра нижних частот (ФНЧ) пропорционален модулю коэффициента прямой передачи (пропускания).

С выхода направленного ответвителя сигнал также поступает на схему детектирования и усиления. На выходе этого канала формируется напряжение, пропорциональное модулю коэффициента отражения.

С выходов ФНЧ сигнал поступает на АЦП и обрабатывается ЭВМ. В ЭВМ производится сравнение сигналов трех измерительных каналов и принимается решение о подлинности метки.

Наибольшую сложность в рассматриваемом устройстве представляет набор полосовых фильтров, который собственно и является чувствительным устройством. Количество фильтров и полосы их пропускания определяют качество измерений. Выбор того или иного фильтра осуществляет ЭВМ.

По результатам экспериментов достаточно пяти полос в наборе, которые будут переключаться с помощью p-i-n диодных ключей.

Схема с использованием частотной модуляции следующая. Исходный сигнал формируется генератором качающейся частоты (ГКЧ). Генератор может быть выполнен на СВЧ диодах или транзисторах. Диапазон перестройки частоты от 8 до 12 ГГц. Такой широкий диапазон перестройки (практически половина октавы) существенно усложняет конструкцию генератора.

При выполнения НИОКР в процессе создания заявленных технических решений были получены следующие результаты и сделаны следующие выводы.

Имеется принципиальная возможность выявления информативного признака (по импульсной характеристике или частотной) при реализации метки в виде резонансного микрополоскового фильтра (основной сложностью при таком построении являются практические ограничения по достижению высокой добротности структуры защитной метки из-за малой толщины лавсанового диэлектрика).

Параметры цепей фильтровых структур существенно влияют на коэффициенты отражения и передачи при большой ширине спектра зондирующего сигнала. Это обусловлено малым порядком фильтра и низкой добротностью (большим затуханием) микрополосковой линии. В пределах одной октавы возможна идентификация не более 6 различных структур защитной метки.

Максимальная электромагнитная связь в системе с перекрестной поляризацией антенн приемного и передающего трактов возникает при прохождении металлизированной полосы симметрично через центр пересечения излучающей и приемной щелей. При соответствующем позиционном расположении защитной полосы относительно приемника и передатчика в системе считывания достигается уверенное обнаружение метки. При использовании нескольких меток возможно решение задачи распознавания.

Проведенное математическое и имитационное моделирование позволило разработать топологию элементов приемного и передающего трактов идентификатора и структуру СВЧ метки.

Фильтровая метка имеет достаточно сложную технологию изготовления, требует двухслойного алюминиевого покрытия лавсана и сложной аппаратуры идентификации. Однако выполненные эксперименты подтвердили эффективность этого типа меток и их устойчивость к подделке.

В настоящее время разработаны математические модели различных структур защитных фильтровых СВЧ-меток. Проведено математическое моделирование процесса обнаружения и идентификации. Разработана схема проведения экспериментальных исследований с идентификационной меткой. Разработаны топологические чертежи приемопередающих трактов макета изделия. Разработан и изготовлен лабораторный макет устройства идентификации. Разработана топология и изготовлены образцы защитных фильтровых СВЧ-меток. Проведены лабораторные исследования.

Блок-схема с использованием частотной модуляции приведена на фиг.7 (цифровые позиции, используемые ниже по тексту, относятся конкретно к фиг.7). Исходный сигнал формируется генератором качающейся частоты (ГКЧ). Генератор может быть выполнен на СВЧ-диодах или транзисторах. Диапазон перестройки частоты от 8 до 12 ГГц. Такой широкий диапазон перестройки (практически половина октавы) существенно усложняет конструкцию генератора.

В предлагаемой реализации используются три перестраиваемых генератора, коммутируемых через ключи. Управление частотой генератора осуществляется от ЭВМ через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). При этом для управления варикапом формируются напряжения от 0 до 30 В. Изменение напряжения однозначно соответствует частоте сигнала, поэтому в этой схеме отпадает необходимость в наборе узкополосных фильтров и схем управления ими. Используются три измерительных канала: канал отраженной волны (детектор 1 и усилительно-преобразовательная цепь за ним), канал калибровки (антенна 2, детектор 4 и усилительно-преобразовательная цепь за ним), канал прошедшей волны (антенна 3, детектор 3 и усилительно-преобразовательная цепь за ним).

Дополнительным каналом является канал с детектором 2. Поскольку частотная модуляция практически всегда сопровождается паразитной амплитудной модуляцией (ПАМ), этот канал формирует нормирующее напряжение для последующих вычислений. Отметим, что в аналоговых приборах, например в таком, который использовался в экспериментах, напряжение с этого детектора управляет p-i-n ключом на выходе генератора, образуя схему автоматической регулировки мощности (АРМ). Применение цифровой обработки упрощает схему.

Применение цифровой обработки и ЭВМ требует разработки программного обеспечения и, возможно, применения специализированного вычислителя. Этот вопрос также требует схемотехнической, программной и макетно-отладочной работы.

Относительно применяемых при обработке алгоритмов, на данном этапе работы можно с уверенностью сказать, что наиболее устойчивыми к факторам старения, загрязнения и износа носителей меток будут нейроподобные алгоритмы.

Таким образом, заявленное изобретение может быть широко использовано для контроля подлинности (и одновременной защиты от несанкционированного воспроизводства) ценных изделий и его применение наиболее целесообразно для промышленного использования, преимущественно, при крупномасштабном производстве и санкционированном воспроизводстве защищаемых изделий (например, таких, как банкноты и иные ценные бумаги, а также различного вида кредитные документы) ввиду обеспечения возможности оперативного контроля подлинности защищаемых изделий широким кругом пользователей доступными средствами контроля и идентификации.

Изобретение может быть использовано для защиты от подделки, например, банкнот, кредитных документов и иных ценных бумаг, а также для обеспечения возможности оперативного высокоскоростного контроля их подлинности с высокой степенью достоверности. Система контроля подлинности детектируемого изделия используется для обнаружения и идентификации пассивного защитного средства (ПЗС) с резонансной фильтровой структурой, включающей плоскостную полосковую линию (ППЛ). Система включает источник зондирующего и приемник резонансного отклика излучения, связанные соответственно с тремя идентичными микрополосковыми щелевыми антеннами. Каждая антенна включает проводящий экран со щелевой диафрагмой (ЩД). При этом источник содержит одну антенну, а приемник - две, расположенные с относительным смещением в одной плоскости и одна из которых расположена с воздушным зазором относительно антенны источника (оппозитно последней) таким образом, что ЩД этой пары скрещиваются в параллельных плоскостях под углом, близким или равным 90°. Щелевая диафрагма другой антенны приемника ориентирована под углом, близким или равным 45°, по отношению к ЩД оппозитно расположенных антенн. Величина упомянутого относительного смещения антенн приемника излучения близка или равна длине ППЛ ПЗС. Плоскостная полосковая линия в процессе контроля подлинности детектируемого изделия располагается в зазоре между упомянутыми оппозитно расположенными антеннами под углом, близким или равным 45°, по отношению к ЩД оппозитно расположенных антенн, соответственно, источника и приемника с возможностью поступательного перемещения через зону пересечения этих ЩД и центральную область ЩД другой антенны приемника излучения. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система контроля подлинности детектируемого изделия с резонансным защитным средством, используемая для обнаружения и идентификации пассивного защитного средства заданной структуры, выполненного с возможностью обеспечения контроля наличия и подлинности упомянутого средства физическим методом анализа по резонансным эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующим электромагнитным излучением заданной радиочастоты, включающая устройство детектирования параметров определенных информативных признаков в резонансном отклике защитного средства на внешнее воздействие упомянутого устройства с последующим автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров этих информативных признаков с эталонными значениями, заложенными в памяти устройства детектирования, которое включает источник зондирующего излучения и приемник резонансного отклика излучения, отличающаяся тем, что источник зондирующего и приемник резонансного откликов излучения выполнены в виде конструктивно идентичных микрополосковых щелевых антенн, которые включают проводящие экраны с щелевыми диафрагмами, при этом источник содержит одну антенну, а приемник - две, расположенные с относительным смещением в одной плоскости, антенны, одна из которых расположена с воздушным зазором относительно антенны источника оппозитно последней таким образом, что щелевые диафрагмы этой пары скрещиваются в параллельных плоскостях под углом, близким или равным 90°, а щелевая диафрагма другой антенны приемника ориентирована под углом, близким или равным 45° по отношению к щелевым диафрагмам оппозитно расположенных антенн; идентифицируемое пассивное защитное средство выполнено в виде металлизированной, по меньшей мере, трехслойной, резонансной фильтровой структуры, которая включает плоскостную полосковую линию, состоящую, по меньшей мере, из двух металлических микрополосок длиной, равной половине длины волны распространяющегося в полосковой линии излучения, индуцированного зондирующим излучением, которые расположены с взаимным перекрытием и разделены между собой диэлектриком в зоне упомянутого перекрытия; сплошной металлический экран, а также разделяющий их диэлектрический слой; причем радиоэлектрические и геометрические параметры плоскостной полосковой линии выбраны таким образом, что при ее зондировании источником излучения радиочастотой СВЧ-диапазона обеспечивается возможность использовать в качестве детектируемых информативных признаков в резонансном отклике фильтровой структуры характерные пиковые значения частотной характеристики коэффициентов прямой передачи и обратного отражения этой структурой внешнего зондирующего излучения, используемые в процессе детектирования для сравнения с заданным диапазоном эталонных значений соответствующих параметров, заложенным в памяти устройства детектирования; при этом величина упомянутого относительного смещения антенн приемника излучения, отнесенная к центрам их щелевых диафрагм, меньше длины плоскостной полосковой линии пассивного защитного средства, а плоскостная полосковая линия в процессе контроля подлинности детектируемого изделия располагается в зазоре между упомянутыми оппозитно расположенными антеннами под углом, близким или равным 45° по отношению к щелевым диафрагмам оппозитно расположенных антенн источника и приемника излучения с возможностью поступательного перемещения через зону пересечения этих щелевых диафрагм и центральную область щелевой диафрагмы другой антенны приемника излучения.2. Система контроля по п.1, отличающаяся тем, что величина диэлектрического зазора между микрополосками в зоне перекрытия не превышает 20 мкм.3. Система контроля по п.1, отличающаяся тем, что микрополосковая щелевая антенна содержит диэлектрический слой, на одной стороне которого размещен проводящий экран с щелевой диафрагмой, а на другой - линейный проводящий элемент, который расположен оппозитно щелевой диафрагме с возможностью их скрещивания под углом, близким или равным 90°.