СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРЕДМЕТОВ, НАПРИМЕР ОРУЖИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01S13/88 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и, более точно, к способам и системам для обнаружения на расстоянии металлических предметов, представляющих потенциальную угрозу, например оружия, а также для визуального наблюдения за объектами, их содержащими.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в охранных комплексах, аэропортах, на стадионах и других местах скопления людей для обнаружения оружия, скрытого в одежде или вещах, а также для визуального наблюдения за людьми, скрывающими его.

Системы, аналогичные предлагаемой, называют также иначе, например металлоискателями, металлодетекторами, металлообнаружителями, устройствами для обнаружения замаскированного оружия, системами для обнаружения угрозы. Реализованные в них способы обнаружения металлических предметов различны.

Известны способы обнаружения металлических предметов и реализующие их металлодетекторы (металлоискатели, металлообнаружители), основанные на изменении своих параметров при приближении к металлическому предмету (см., например, патент России 2251125 от 2004 г., МПК⁷ G01V 3/10). Однако они имеют малую дальность обнаружения металлических предметов и требуют для своей работы перемещения обнаруживаемых предметов относительно металлодетектора.

Предлагаемые способ и система для обнаружения металлических предметов относится к способам и устройствам, основанным на отражении электромагнитных волн (МПК⁷ G01S 13).

Известны способы и системы для дистанционного обнаружения металлических предметов, основанные на отражении электромагнитых волн и не использующие автоматического сканирования электромагнитным излучением контролируемого пространства. Эти системы содержат передающую и приемную антенны, передающий и приемный электронные тракты, соединенные соответственно с названными антеннами, процессор, соединенный с выходом приемного тракта, и дисплей, соединенный с процессором (см. патент США 6359582 от 1997 г., 342/22 и патент США 6480141 от 2001 г., 342/22). Этот способ и реализующие его системы используют фиксированное направление излучения электромагнитых волн, которое определяется диаграммой направленности передающей антенны. Недостаток этого способа и реализующих его систем заключается в том, что необходимо вручную направлять их излучение на потенциально подозреваемые объекты, так как в этих системах направление излучения электромагнитных волн фиксировано. Другой недостаток этих систем состоит в том, что они не отображают визуально зону действия системы и расположенных в ней объектов (например, расположенных в ней людей), в которых скрыты обнаруживаемые металлические предметы. Этот недостаток обусловлен тем, что эти системы не имеют в своем составе видеокамеру.

Прототипами предлагаемых способа и системы являются способ и система для дистанционного обнаружения металлических предметов, например, оружия, описанные в патенте США 6720905 от 2002 г., 342.22. В этом патенте эти прототипы названы способом и системой для обнаружения замаскированного оружия, а также способом и системой для обнаружения угрозы.

Прототип способа заключается в том, что сканируют элекромагнитным излучением контролируемое пространство, в котором могут находиться металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, и определяют наличие этих предметов при превышении заданного порога выходным сигналом приемника отраженного сигнала.

Прототип системы содержит узел сканирования электромагнитным излучением некоторого контролируемого пространства, в котором могут находиться металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, а также соединенный с этим узлом приемник отраженного сигнала, дисплей, видеокамеру и соединенный с ними процессор, в котором обеспечена фиксация обнаружения металлического предмета при превышении заданного порога выходным сигналом указанного приемника.

В прототипе системы узел сканирования выполнен в виде радара с линзовой антенной, сканирование которой обеспечивается за счет механического перемещения. Хотя в указанном патенте структура радара не раскрыта, очевидно, что он, как всякий радар, содержит также электронный передающий тракт, соединенный с названной антенной, и приемник отраженного сигнала, соединенный с процессором. В прототипе системы сигнал обнаружения металлического предмета формируется, если амплитуда выходного сигнала приемника отраженного сигнала превышает некоторый заданный порог. Этот порог может вычисляться либо задаваться пользователем/оператором.

Прототип способа и прототип системы имеют следующие недостатки.

Два недостатка зависят от использования в прототипе способа и системы импульсного или непрерывного электромагнитного излучения. Если используется импульсное излучение, то это затрудняет обнаружение металлических предметов на небольшом расстоянии (менее 4 м) из-за малого времени (менее 10 пс) распространения электромагнитной волны на таком расстоянии и еще меньшей длительности отраженного сигнала. Если же используется непрерывное излучение, то примененное в радаре, входящем в прототип системы, амплитудное детектирование немодулированного или амплитудно-модулированного отраженного сигнала и фиксация обнаружения металлических предметов по превышению заданного порога амплитудой выходного сигнала свидетельствует о том, что прототип способа и прототип системы имеют низкую помехоустойчивость при обнаружении металлических предметов.

Еще один недостаток состоит в том, что прототип способа и прототип системы не различают металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, и металлические предметы, которые не представляют потенциальной угрозы и стационарно находятся в секторе сканирования, например решетки ограждения.

Недостатки прототипа системы заключаются также в низкой скорости сканирования и в недостаточной надежности линзовой антенны из-за ее механического перемещения для изменения направления излучения (диаграммы направленности).

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа и системы для дистанционного обнаружения металлических предметов, например, оружия, основанной на отражении электромагнитных волн, которая по сравнению с прототипом обеспечила бы технический результат в виде одновременного достижения следующих целей:

- повышения помехоустойчивости при обнаружении металлических предметов;

- не фиксации обнаружения металлических предметов, стационарно находящихся в секторе сканирования и не представляющих потенциальной угрозы, например решеток ограждения;

- расширения диапазона допустимых расстояний от предлагаемой системы до обнаруживаемых металлических предметов за счет уменьшения минимально допустимого расстояния;

- увеличения скорости сканирования контролируемого пространства, которое может содержать металлические предметы;

- повышения надежности системы для обнаружения металлических предметов.

Этот технический результат достигается благодаря предлагаемому способу дистанционного обнаружения металлических предметов, например оружия, при котором сканируют электромагнитным излучением контролируемое пространство, в котором могут находиться металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, и осуществляют следующие действия:

- в качестве электромагнитного излучения используют непрерывный частотно-модулированный сверхвысокочастотный сигнал;

- в начальный период сканирования, когда в секторе сканирования не допускается нахождение металлических предметов, представляющих потенциальную угрозу, запоминают в процессоре коды амплитуды выходных сигналов приемника отраженного сигнала для всех направлений излучения;

- фиксируют в процессоре обнаружение металлических предметов, представляющих потенциальную угрозу, в последующих периодах сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения

A_i>А₀+Δ или А_i<А₀-Δ,

где А_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;

А₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, при котором получен код амплитуды А_i;

Δ>0 - допуск отклонения кода амплитуды А₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала.

Этот же технический результат достигается благодаря тому, что в предлагаемой системе для дистанционного обнаружения металлических предметов, например оружия, содержащей узел сканирования электромагнитным излучением контролируемого пространства, в котором могут находиться металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, а также соединенный с этим узлом приемник отраженного сигнала, дисплей, видеокамеру и соединенный с ними процессор, узел сканирования выполнен в виде фазированной антенной решетки, излучающей непрерывный частотно-модулированный сверхвысокочастотный сигнал, управляющие входы этой решетки соединены с выходами процессора, а в процессоре обеспечены запоминание кодов амплитуды выходных сигналов приемника отраженного сигнала для всех направлений излучения в начальный период сканирования, когда в секторе сканирования не допускается нахождение металлических предметов, представляющих потенциальную угрозу, и фиксация обнаружения этих предметов в последующих периодах сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения

А_i>А₀+Δ или А_i<А₀-Δ,

где А_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;

A₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, при котором получен код амплитуды А_i;

Δ>0 - допуск отклонения кода амплитуды А₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала (этот допуск может задаваться пользователем/оператором по аналогии с тем, как задается порог в прототипе).

Повышение помехоустойчивости при обнаружении металлических предметов достигается в предлагаемых способе и системе тем, что в них используется излучение и прием непрерывного частотно-модулированного сверхвысокочастотного сигнала и что в них обеспечивается указанная выше фиксация обнаружения металлических предметов.

Обеспечение такой фиксации обнаружения металлических предметов в предлагаемых способе и системе позволяет не фиксировать обнаружение металлических предметов, которые стационарно находятся в секторе сканирования, но не представляют потенциальной угрозы. Такими предметами являются, например, металлические решетки ограждения. Не фиксирование обнаружения таких предметов позволяет исключить их из рассмотрения обнаруженных металлических предметов и тем самым облегчить работу оператора, наблюдающего на экране дисплея объекты, содержащие обнаруженные металлические предметы.

Расширение диапазона допустимых расстояний от предлагаемой системы до обнаруживаемых металлических предметов за счет уменьшения минимально допустимого расстояния достигается в предлагаемых способе и системе тем, что в них используется излучение и прием непрерывного частотно-модулированного сверхвысокочастотного сигнала. Минимально допустимое расстояние обнаружения металлических предметов в предлагаемой системе составляет 10 см, в то время, как в прототипе при использовании импульсного излучения это расстояние больше, чем 4 м.

Увеличение скорости сканирования и повышение надежности достигается в предлагаемой системе благодаря выполнению узла сканирования в виде фазированной антенной решетки, управляющие входы которой соединены с выходом процессора.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемой системы.

Предлагаемая система содержит фазированную антенную решетку 1, излучающую непрерывный частотно-модулированный сверхвысокочастотный сигнал, приемник 2 отраженного сигнала, процессор 3, дисплей 4 и видеокамеру 5.

Фазированная антенная решетка 1 содержит модулирующий генератор 6, СВЧ-генератор 7, вход которого соединен с выходом генератора 6, и набор модулей 8 фазированной антенной решетки 1.

Генератор 6 служит для формирования модулирующего непрерывного сигнала постоянной частоты, а СВЧ-генератор 7 - для формирования непрерывного частотно-модулированного сверхвысокочастотного сигнала.

Каждый модуль 8 антенной фазированной решетки 1 состоит из регулятора 9 фазы (называемого также фазовращателем), передающего усилителя 10 и соединенной с его выходом передающей антенны 11. Первые входы регуляторов 9 объединены и являются общим входом всех модулей 8, который соединен с выходом СВЧ-генератора 7.

Второй вход регулятора 9 служит для регулирования фазы, а второй вход передающего усилителя 10 служит для регулирования усиления. Указанные вторые входы регулятора 9 фазы и передающего усилителя 10 всех модулей 8 являются управляющими входами фазированной антенной решетки 1, которые соединены с выходами процессора 3.

Конструктивно передающие антенны 11 расположены на равном расстоянии одна от другой в плоскости, перпендикулярной осевому направлению излучения. Для формирования остронаправленного (или, иначе говоря, узконаправленного) электромагнитного излучения и изменения его направления минимальное количество модулей 8 в фазированной антенной решетке 1 равно четырем.

Приемник 2 отраженного сигнала содержит приемную антенну 12 и установленную на ее выходе последовательную цепочку из антенного усилителя 13, смесителя 14, полосового фильтра 15, усилителя 16 и амплитудного детектора 17, выход которого соединен с процессором 3. Первый вход смесителя 14 соединен с выходом антенного усилителя 13, а второй вход этого смесителя - с выходом фазированной антенной решетки 1, служащим для подачи выходного сигнала СВЧ-генератора 7. Первый вход усилителя 16 соединен с выходом фильтра 15, а второй, управляющий, вход усилителя 16 - с выходом процессора 3, служащим для регулирования коэффициента усиления этого усилителя. Амплитудный детектор 17 служит для выделения амплитуды выходного сигнала усилителя 16. Амплитудный детектор 17 может быть выполнен, например, в виде пикового амплитудного детектора, управляющий вход которого соединен выходом процессора 3.

Дисплей 4 соединен с выходом процессора 3, а видеокамера 5 - со входом процессора 3.

Процессор 3 обеспечивает выполнение следующих функций:

- формирование сигналов управления регуляторами 9 фазы для обеспечения сканирования некоторого контролируемого пространства остронаправленным излучением фазированной антенной решетки 1;

- формирование сигналов управления передающими усилителями 10, усилителем 16 и пиковым амплитудным детектором 17;

- фиксацию обнаружения металлического предмета, который может представлять потенциальную угрозу, и фиксация направления излучения, в котором обнаружен этот предмет;

- формирование координат местоположения обнаруженного металлического предмета, определяемых направлением излучения, в котором этот предмет обнаружен;

- прием видеоизображения сектора сканирования от видеокамеры 5;

- совмещение на экране дисплея 4 видеоизображения сектора сканирования и координат местоположения обнаруженного металлического предмета, который может представлять потенциальную угрозу.

Для последующего обнаружения металлических предметов в процессоре 3 обеспечено запоминание кодов амплитуды А₀ сигналов приемника 2 для всех направлений излучения в начальный (0-й) период сканирования, когда в пространственном секторе сканирования не допускается нахождение металлических предметов, представляющих угрозу.

В процессоре 3 обеспечена фиксация обнаружения металлического предмета в любом последующем за начальным i-м (i>0) периоде сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения

или

где А_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;

А₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, при котором получен код амплитуды A_i;

Δ>0 - допуск отклонения кода амплитуды А₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала (этот допуск может задаваться пользователем/оператором по аналогии с тем, как задается порог в прототипе).

Условия (1) и (2) обусловлены непрерывностью излучения фазированной антенной решетки 1. Условие (1) выполняется, если в каком-либо направлении излучения фаза отраженного сигнала в 0-м периоде сканирования совпадает с фазой отраженного сигнала в i-м (i>0) периоде сканирования. Условие (2) выполняется, если в каком-либо направлении излучения фаза отраженного сигнала в 0-м периоде сканирования противоположна фазе отраженного сигнала в i-м (i>0) периоде сканирования.

Предлагаемая система работает следующим образом.

Фазированная антенная решетка 1 формирует остронаправленное электромагнитное излучение, которым она сканирует некоторое пространство, называемое пространственным сектором сканирования или просто сектором сканирования либо сценой. В секторе сканирования располагаются объекты, которые могут содержать металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, а также металлические предметы, не представляющие потенциальной угрозы. Необходимое для сканирования изменение направления остронаправленного электромагнитного излучения в секторе сканирования производится по управляющим сигналам процессора 3, подаваемым на управляющие входы антенной фазированной решетки 1, а именно на вторые входы регуляторов 9 фазы и передающих усилителей 10 всех модулей 8.

Модулирующий генератор 6 формирует непрерывный сигнал постоянной частоты, который модулирует выходной сигнал СВЧ-генератора 7. Непрерывный частотно-модулированный сверхвысокочастотный выходной сигнал СВЧ-генератора 7 поступает на входы всех модулей 8 фазированной антенной решетки 1. В каждом модуле 8 фаза этого сигнала регулируется регулятором 9, а амплитуда - усилителем 10. Непрерывный сигнал с выхода передающего усилителя 10 в каждом модуле 8 излучается передающей антенной 11. Излучаемые антеннами 11 электромагнитные волны суммируются в секторе сканирования и образуют остронаправленное излучение, направление которого может быть изменено за счет изменения фазы выходного сигнала СВЧ-генератора 7 в регуляторах 9 фазы.

При нахождении металлического предмета в секторе сканирования электромагнитное излучение отражается от этого предмета, и отраженный сигнал принимается приемником 2. В приемнике 2 отраженный сигнал выделяется приемной антенной 12, усиливается антенным усилителем 13 и демодулируется в смесителе 14 за счет перемножения с выходным сигналом СВЧ-генератора 7. Демодулированный сигнал на выходе смесителя 14 фильтруется полосовым фильтром 15, усиливается до требуемого уровня усилителем 16 и детектируется амплитудным детектором 17.

Сигнал с выхода приемника 2 поступает на вход процессора 3, который преобразует этот сигнал в цифровой код и производит его обработку, как будет показано ниже.

Сканирование контролируемого пространства фазированной антенной решеткой 1 производится периодами, в каждом из которых остронаправленное излучение подается по всем направлениям излучения по одному разу.

Перед началом работы предлагаемой системы в пространственном секторе сканирования оставляются только металлические предметы, стационарно в нем находящиеся и не представляющие угрозы. Такими предметами могут быть, например, решетки ограждения. В начальном (или иначе нулевом) периоде сканирования коды амплитуды А₀ выходных сигналов приемника 2, полученные в каждом направлении излучения фазированной антенной решетки 1, запоминаются в памяти процессора 3.

В последующих i-x (i>0) периодах сканирования процессор 3 сравнивает коды амплитуды выходных сигналов А_i с полученным ранее кодом амплитуды А₀ для каждого направления излучения и фиксирует обнаружение металлического предмета, если выполняется одно из приведенных выше условий (1) или (2).

Если для какого-либо направления излучения выполняется одно из условий (1) или (2), то процессор 3 формирует координаты местоположения обнаруженного металлического предмета, определяемые этим направлением излучения.

Если ни одно из условий (1) и (2) не выполняется, то считается, что металлический предмет в направлении излучения не появился. При этом возможно, что код амплитуды А₀ соответствует металлическому предмету, стационарно находящемуся в секторе сканирования и не представляющему угрозы.

Из видеокамеры 5 видеоизображение всего сектора сканирования передается в процессор 3. Он совмещает это видеоизображение с координатами местоположения обнаруженного металлического предмета, определяемыми направлением излучения, в котором обнаружен этот предмет, и передает совмещенную картину на дисплей 4. В результате на экране дисплея 4 наблюдается совмещенное видеоизображение сектора сканирования и координат местоположения обнаруженного металлического предмета.

Изобретение относится к способам и системам для дистанционного обнаружения металлических предметов, например оружия. Технический результат состоит в расширении диапазона допустимых расстояний до обнаруживаемых металлических предметов, повышение помехоустойчивости, облегчение работы оператора, увеличение скорости сканирования и надежности. Для этого система содержит фазированную антенную решетку, излучающую непрерывный частотно-модулированный СВЧ-сигнал и сканирующую контролируемое пространство, приемник отраженного сигнала, процессор, дисплей и видеокамеру. Процессор 3 обнаруживает металлический предмет, представляющий угрозу, если выполняется одно из двух условий: A_i>A₀+Δ или А_i<A₀-Δ, где А_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем после начального периоде сканирования при каком-либо направлении излучения; A₀ - код амплитуды сигнала на том же выходе, полученный при том же направлении излучения в начальном периоде сканирования, когда в секторе сканирования не допускается нахождение металлических предметов, представляющих потенциальную угрозу; Δ>0 - допуск отклонения кода А₀. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ дистанционного обнаружения металлических предметов, например, оружия, при котором сканируют электромагнитным излучением контролируемое пространство, в котором могут находиться металлические предметы, представляющие потенциальную угрозу, и определяют наличие этих предметов по выходному сигналу приемника отраженного сигнала, отличающийся тем, что в нем:

в качестве электромагнитного излучения используют непрерывный частотномодулированный сверхвысокочастотный сигнал;

в начальный период сканирования, когда в секторе сканирования не допускается нахождение металлических предметов, представляющих потенциальную угрозу, запоминают в процессоре коды амплитуды выходных сигналов приемника отраженного сигнала для всех направлений излучения;

фиксируют в процессоре обнаружение металлических предметов, представляющих потенциальную угрозу, в последующих периодах сканирования, если при каком-либо направлении излучения выполняется одно из двух условий сравнения:

A_i>А₀+Δ или А_i<А₀-Δ,

где А_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;

А₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, при котором получен код А_i;

Δ>0 - допуск отклонения кода А₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала.

A_i>А₀+Δ или А_i<A₀-Δ,

где А_i - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в любом последующем, после начального, периоде сканирования при каком-либо направлении излучения;

А₀ - код амплитуды сигнала на выходе приемника отраженного сигнала в начальном периоде сканирования при том же направлении излучения, при котором получен код А_i;

Δ>0 - допуск отклонения кода A₀, учитывающий допустимые изменения отраженного сигнала.