МОДУЛЬ СИСТЕМНОЙ ИНТЕГРАЦИИ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ХИМИЧЕСКИХ, БИОЛОГИЧЕСКИХ, РАДИАЦИОННЫХ, ЯДЕРНЫХ И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2011 года по МПК G06Q50/00 G05B15/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в общем, к системам с датчиками для распознавания опасных веществ, включающих в себя химические, биологические, радиационные, ядерные и взрывчатые (ХБРЯВ) вещества, и, в частности, к интерфейсной системе с датчиками с модульной конструкцией и с возможностью сетевой связи.

Описание предшествующего уровня техники

Современные технологии предлагают возможность подключения для аналоговых датчиков через выделенные соединения, такие как DB9 и USB порты, которые задают конфигурацию датчику, как внешнему для выделенной вычислительной машины устройству. Другие устройства предлагают калибровку в качестве отдельной функции и аппаратного обеспечения в дополнение к подключению выделенной вычислительной машины к датчику. Эти отдельные устройства, ассоциированные с датчиками, не являются элементами распределенной сети с автоматической калибровкой и функциями поддержки для обеспечения возможности независимой полевой установки датчиков. С появлением террористической деятельности в мире существует сильный спрос на сенсорные системы, которые предлагают независимые сетевые элементы, которые могут быть установлены по распределенной сети с датчиками.

Также современные сенсорные системы, развертываемые для обнаружения химических, биологических, радиационных, ядерных и взрывчатых (ХБРЯВ) веществ, не имеют возможности высокоточной калибровки аналоговых датчиков. В связи с растущей потребностью в ХБРЯВ системах с датчиками, которые обеспечивают обнаружение, распознавание и количественную оценку конкретных химических, биологических, радиационных, ядерных и взрывчатых веществ посредством использования программного обеспечения для спектрального анализа, необходимы высокоточная калибровка и синхронизация массива датчиков.

Поэтому существует необходимость преодолеть проблемы известного уровня техники, рассмотренные выше.

Сущность изобретения

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения интерфейсная система для датчиков и модуль интеграции датчиков (МИД) обеспечивают эффективную систему и интегрированный модуль для установки одного или более датчиков в распределенной сети передачи данных для предоставления спектральных данных для анализа на удаленном процессоре. МИД обеспечивает модульный интерфейс для одного или нескольких типов датчиков.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения Модуль Интеграции Датчиков (МИД) поддерживает функции для систем с датчиками, выполненных с возможностью распознавания конкретных опасных материалов аналоговыми или цифровыми датчиками. МИД обеспечивает возможность объединять многочисленные датчики в упорядоченный массив с индивидуальной адресацией каждого датчика и возможностями связи, чтобы делать возможной архитектуру распределенной сети. МИД обеспечивает возможность передавать спектральные данные удаленному многоканальному анализатору или накапливать спектральные данные от каждого датчика с течением времени, и создавать гистограмму данных каждого датчика или из собранных данных соединения группы датчиков и пересылать спектральные данные системе анализа. Чтобы поддерживать калибровку и синхронизацию одного или более детекторов, поддерживаемых МИД, МИД обеспечивает автоматическую калибровку и сохранение калибровки посредством устройства автоматического управления усилением. Эта система также обеспечивает возможность автоматической проверки калибровки. Интерфейсы аналоговых и цифровых датчиков монтируются на дочерней плате, которая может быть подсоединена к главной плате процессора МИД. Это делает возможным быструю смену типов аналоговых или цифровых интерфейсов без воздействия на главную плату процессора МИД.

Модуль Интеграции Датчиков (МИД) согласно одному варианту осуществления делает возможным интеграцию многочисленных датчиков в массив, используя модульный блок интерфейсов для датчиков, обеспечивающий индивидуальные TCP/IP адреса для каждого чувствительного элемента, обработку сигнала для массива и возможности связи, назначая каждый детектор и массив датчиков в качестве сетевых элементов распределенной сети. Распределенная сеть может включать в себя глобальную сеть, такую как Интернет. МИД обеспечивает функции поддержки, такие как способы калибровки датчиков, процессы автоматического управления усилением для устранения аналогового дрейфа и автоматической проверки калибровки, которые являются важными вопросами, когда датчики используются для обеспечения данных, которые должны быть использованы в распознавании веществ. Функции автоматической калибровки и поддержки для установленных массивов датчиков позволяют независимую полевую установку.

Один вариант осуществления настоящего изобретения дает возможность устанавливать большое многообразие аналоговых и цифровых датчиков в качестве сетевых элементов, поддерживающих системы обнаружения и распознавания веществ, для полевой установки. Кроме того, вариант осуществления предусматривает модульную архитектуру и конструкцию для Модуля Интеграции Датчиков, в которой применяются дочерние платы для конкретных интерфейсов датчиков, чтобы делать возможным обеспечение модульного интерфейса для любого готового коммерческого или проприетарного датчика с минимальным воздействием на конструкцию интерфейса датчиков.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - упрощенная функциональная блок-схема, иллюстрирующая функциональные компоненты примера системы интерфейсов датчиков и модуля интеграции датчиков.

Фиг.2 - вид в перспективе примера модуля интеграции датчиков (МИД) с аналоговыми и цифровыми компонентами на дочерней плате.

Фиг.3 - упрощенное схематическое изображение, иллюстрирующее пример программируемой вентильной матрицы (FPGA) и встроенного процессора для использования с системой интерфейсов датчиков и модулем интеграции датчиков, показанных на фиг.1.

Фиг.4 - упрощенное схематическое изображение, иллюстрирующее цифровую схему управляющей карты МИД и соединители.

Фиг.5 - упрощенное схематическое изображение, иллюстрирующее пример резервирования карт МИД с многочисленными программируемыми вентильными матрицами и дочерними платами.

Фиг.6 - упрощенное схематическое изображение, иллюстрирующее пример Архитектуры МИД.

Фиг.7 - упрощенное схематическое изображение, иллюстрирующее пример Схемы Автоматического Управления Усилением для использования с системой интерфейсов датчиков и модулем интеграции датчиков, показанных на фиг.1.

Фиг.8 - функциональная блок-схема, иллюстрирующая пример Модуля Интеграции Датчиков, установленного в конфигурации распределенной сети с датчиками.

Подробное описание

Хотя описание заключается формулой изобретения, определяющей признаки изобретения, которые расцениваются как новые, предполагается, что изобретение будет лучше понято из рассмотрения нижеследующего описания в связи с чертежами, на которых подобные ссылочные цифры используются в дальнейшем. Должно быть ясно, что раскрытые варианты осуществления являются просто примерами изобретения, которое может быть осуществлено в различных формах. Следовательно, конкретные структурные и функциональные подробности, раскрытые здесь, должны истолковываться не как ограничивающие, а просто как основа для формулы изобретения и как типичная основа для обучения специалиста в данной области техники по-разному применять настоящее изобретение в практически любой конкретной подходящей конструкции. Кроме этого термины и фразы, используемые здесь, не предназначены для ограничения, а скорее для обеспечения понятного описания изобретения.

Настоящее изобретение согласно варианту осуществления преодолевает проблемы известного уровня техники путем обеспечения системы и способов, поддержки индивидуальных датчиков и массивов датчиков, возможности подключения к сети и важных функций, требуемых от аналоговых и цифровых датчиков, используемых для распознавания химических, биологических, радиационных, ядерных и взрывчатых (ХБРЯВ) веществ, при установке в полевых условиях.

Теперь описывается примерный Модуль Интеграции Датчиков, подключенный к цифровой сети для спектрального анализа согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения.

Примерный МИД проиллюстрирован на фиг.1 и 2. Функция Модуля Интеграции Датчиков (МИД) заключается в том, чтобы обеспечивать модульный интерфейс (102) для детекторов (101) и обрабатывать исходный сигнал от детекторов (103), и обеспечивать функции поддержки для детекторов (106), и обеспечивать контроль (106) калибровки, и обеспечивать способы (104) цифровой калибровки, и обеспечивать индивидуальные TCP/IP адреса для каждого детектора и МИД, и возможности подключения (107) к сети для посылки обработанных данных детекторов по сети (108) удаленному серверу для анализа.

Примерный МИД, датчики и система цифровой сети, такая как проиллюстрированная на фиг.8, обеспечивают значительно улучшенную эффективность и возможности развертывания над существующими конфигурациями детекторов.

Фиг.8 иллюстрирует пример Модуля Интеграции Датчиков с датчиком(ами) (805) и присоединенным интерфейсом(ами) (801) для датчиков, сигнальный процессор и центральный процессор (803), цифровую связь (804) и источник (806) питания. Ниже будут рассмотрены изобретательские признаки и преимущества примерных вариантов осуществления обнаружения радиации с помощью цифровой сети и системы распознавания. Однако допускается, что у читателя есть понимание радиационных и сенсорных технологий.

Ссылаясь на фиг.8, примерный МИД с датчиком(ами) делает возможным подключение к системе распределенной сети с датчиками, в том числе аналоговыми. Датчики (805) соединены с возможностью связи с системой (810) сбора данных и модулем (807) интеграции датчиков. Каждому датчику присвоен индивидуальный сетевой адрес, чтобы идентифицировать датчик для сетевого доступа.

Что касается фиг.8, в этом примере система (810) сбора данных соединена с возможностью связи через кабельную сеть, линию беспроводной связи и/или другую линию (816) связи с каждым из сетевых устройств (805) датчиков. Система (810) сбора данных включает в себя систему обработки информации с интерфейсами передачи данных, которые собирают сигналы от блоков (805) датчиков. Собранные сигналы в этом примере представляют собой подробные спектральные данные от каждого устройства датчика, которое обнаружило радиацию.

Система (810) сбора данных соединена с возможностью связи с локальной системой (840) управления и контроля. Локальная система (840) содержит систему обработки информации, которая включает в себя вычислительную машину, память, запоминающее устройство и пользовательский интерфейс, такой как дисплей на мониторе и клавиатура или другое устройство ввода/вывода пользователя. В этом примере локальная система также включает в себя многоканальный анализатор (842) и спектральный анализатор (843).

Многоканальный анализатор (МКА) (842) содержит устройство, состоящее из множества одноканальных анализаторов (ОКА). Одноканальный анализатор запрашивает спектральные данные у индивидуальных датчиков (805) или у группы датчиков. Накапливаются спектральное изображение или спектральные гистограммы.

Спектральные данные используются системой (843) спектрального анализа для распознавания целевых химических, биологических, радиологических или взрывчатых (ХБРЯВ) веществ, которые присутствуют. Одной из функций, выполняемых системой обработки информации, является спектральный анализ, выполняемый спектральным анализатором (843), чтобы распознавать одно или несколько целевых веществ. В отношении обнаружения и распознавания целевого вещества спектральный анализатор (843) сравнивает одно или несколько спектральных изображений веществ, которые присутствуют, с известными веществами, которые представлены одним или несколькими спектральными изображениями, хранимыми в базе (850) данных известных веществ. Вследствие захвата многочисленных вариаций целевых веществ существуют многочисленные изображения, которые могут быть сравнены с одним или несколькими спектральными изображениями присутствующих целевых веществ. Известная база (850) данных содержит в себе одно или несколько спектральных изображений каждого изотопа, который необходимо распознавать. Эти многочисленные спектральные изображения представляют собой различные уровни получения спектральных данных, так что целевые вещества могут быть сравнены и распознаны, используя различные объемы спектральных данных, доступных от одного или нескольких датчиков. Если есть малые объемы (или большие объемы) данных, полученные от датчика, то система (843) спектрального анализа данных сравнивает полученные данные от датчика с одним или несколькими спектральными изображениями для каждого целевого вещества, которое должно быть распознано. Это значительно повышает надежность и эффективность сопоставления полученных данных со спектральными изображениями от датчика с данными со спектральными изображениями каждого возможного целевого вещества, которое должно быть распознано. Как только определено, что одно или несколько возможных целевых веществ присутствуют в спектральных данных, обнаруженных датчиком(ами), система обработки информации может сравнивать смесь целевых веществ с возможными веществами, изделиями и/или продуктами, которые могут находиться под изучением.

Система (843) спектрального анализа согласно варианту осуществления включает в себя систему обработки информации и программное обеспечение, которое анализирует собранные данные и распознает изотопы, которые присутствуют.

Примерная система программного обеспечения анализа спектральных данных могла бы состоять из более чем одного способа для обеспечения множественного подтверждения распознанных изотопов. Если присутствует более чем один изотоп, система распознает пропорцию каждого присутствующего изотопа. Примеры способов, которые могут быть использованы для спектрального анализа, как, например, в программном обеспечении спектрального анализа по варианту осуществления системы проверки содержимого контейнеров, включают в себя: 1) способ установки границы, как описано в патенте США №6847731; и 2) способ LINSCAN (способ линейного анализа спектров), как описано в предварительной заявке на патент США №60/759331, поданной 17 января 2006 г. изобретателем Дэвидом Л. Франком (David L. Frank) и озаглавленной «Способ для определения присутствующих составных частей из радиационных спектров и, если имеются в наличии, вхождений нейтронов и альфа-частиц» («Method For Determination Of Constituents Present From Radiation Spectra And, If Available, Neutron And Alpha Occurrences»); все совокупные идеи которых включены здесь в состав по ссылке.

Управляя системой удаленно, как, например, из центрального контрольного пункта, можно безопасно контролировать большое количество площадок ограниченным количеством контролирующего персонала. Должно быть ясно, что датчики с поддержкой сети могут использоваться в множестве других применений. Например, блоки датчиков, с поддержкой сети из вилочных погрузчиков, поддерживающие связь с удаленной системой контроля, обеспечивают обнаружение и распознавание ХБРЯВ для большого количества применений, как, например, в портах, на железной дороге и станциях со смешенным режимом перевозок, и на кораблях, самолетах, грузовиках, складах и других транспортных окружениях, и в городах, шоссе, транспорте, метро и таких других местах, где есть необходимость в контроле ХБРЯВ веществ и распознавании ХБРЯВ веществ, как должно быть ясно специалистам в данной области техники, принимая во внимание настоящее обсуждение. Эта возможность контроля с поддержкой сети как локального, так и удаленного контроля, и при значительно сокращенной стоимости установки и эксплуатации такой системы контроля обеспечивает значительную коммерческую выгоду.

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть осуществлены в аппаратном обеспечении, программном обеспечении или сочетании аппаратного обеспечения и программного обеспечения. Система согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения может быть осуществлена централизованным образом в одной вычислительной системе или распределенным образом, где разные элементы распределены по нескольким взаимосвязанным вычислительным системам. Подходит любой вид вычислительной системы или другое устройство, выполненное с возможностью выполнения способов, описанных здесь. Типичным сочетанием аппаратного обеспечения и программного обеспечения могла бы быть вычислительная система общего назначения с машинной программой, которая при загрузке и исполнении управляет вычислительной системой так, что она выполняет описанные здесь способы.

Вариант осуществления настоящего изобретения может также быть внедрен в машинный программный продукт, который содержит все признаки, делающие возможным выполнение описанных здесь способов, и который при загрузке в вычислительную систему способен выполнять эти способы. Машинное программное средство, или машинная программа в настоящем контексте, означает любое выражение из набора команд на любом языке, коде или системе обозначений, предназначенное для того, чтобы заставлять систему, имеющую возможность обработки информации, выполнять отдельную функцию либо непосредственно, либо после одного или обоих из следующего: а) перекодировка на другой язык, код или систему обозначений; и б) воспроизведение в другой вещественной форме.

Каждая вычислительная система может включать в себя одну или несколько вычислительных машин и, по меньшей мере, машиночитаемую среду, позволяющую вычислительной машине считывать данные, команды, сообщения или пакеты сообщений и другую машиночитаемую информацию с машиночитаемой среды. Машиночитаемая среда может включать в себя энергонезависимую память, такую как ROM (постоянное запоминающее устройство), флэш-память, память на дисках, CD-ROM (компакт-диск) и другое постоянное запоминающее устройство. Сверх того, машиночитаемая среда может включать в себя, например, энергозависимое запоминающее устройство, такое как RAM (оперативная память), буферы, кэш-память и сетевые схемы. Кроме того, машиночитаемая среда может содержать машиночитаемую информацию в среде с временным состоянием, такой как сетевая линия и/или сетевой интерфейс, в том числе проводная сеть или беспроводная сеть, которая позволяет вычислительной машине считывать такую машиночитаемую информацию.

В другом варианте осуществления МИД обеспечивает функции поддержки для ХБРЯВ датчиков, такие как калибровка, синхронизация и диагностики состояния МИД и датчиков.

Способность поддерживать калиброванный сигнал на одном или нескольких аналоговых/цифровых детекторах необходима для предоставления точных данных датчиков программному обеспечению спектрального анализа для обнаружения и распознавания присутствующих веществ.

Калибровка многочисленных аналоговых/цифровых датчиков в массиве является процессом, отнимающим много времени. Как только датчики были установлены, то возможность перекалибровать является дорогостоящей и может требовать дорогостоящей инженерной поддержки. Способность использовать способ автоматической калибровки предусматривает более эффективную и полезную систему с датчиками. Способность сохранять калибровку в течение продолжительных периодов времени и устранять дрейф аналогового сигнала гарантирует, что датчик обеспечивает точную информацию. Вдобавок, способность испытывать точность калибровки датчиков, как часть возможности автоматического испытания датчиков, предусматривает проверку калибровки и решение об использовании инструментов автоматической калибровки. МИД также обеспечивает интерфейс для датчиков, который может обращаться к любому готовому коммерческому или проприетарному датчику с минимальным воздействием.

Как пример, способы автоматической калибровки используются для поддержки датчиков радиации. Это достигается посредством использования контрольных источников, чтобы делать возможным целенаправленную калибровку датчиков, как, например, сцинтиллянционных детекторов гамма-лучей, используемых для захвата данных, которые должны быть использованы в распознавании изотопов. Нижеследующий пример использует два источника: один для калибровки в отношении низкоуровневого источника энергии, а второй для калибровки в отношении высокоуровневого источника энергии. Калибровка аппаратного обеспечения выполняется и документируется для каждого из детекторов в массиве. Устройство программного обеспечения, собирающее спектральные данные, может также выполнять вторичную калибровку для тонкой настройки калибровки с предельной точностью.

Нижеследующее предлагается в качестве примера автоматической калибровки аппаратного обеспечения датчиков. Для выставления уровня предусиления детектора и для установления нижнего порога различения может быть использован низкоуровневый источник, такой как америций-241 (Am-241), в несколько микрокюри (мкКи). Am-241 испускает и альфа-, и гамма-излучение (альфа-излучение используется в AmBe «химических» нейтронных источниках), но здесь интересна малая энергия, или «мягкие» гамма-лучи. Am-241 производит 59,5 кэВ гамма-излучения с 36% вероятностью распада и 14 кэВ гамма-излучения с 43% вероятностью распада, хотя последнее настолько слабо, что лишь его незначительное количество, если вообще сколько-нибудь, может проникать в корпус детектора. Пример, такой как источник из цезия-137 (Cs-137) в несколько микрокюри, может быть использован для проверки правильной работы детектора при более высоких энергиях гамма-излучения. Cs-137 (фактически продукт распада Ba-137m) испускает 662 кэВ (0,662 МэВ) гамма-излучения с 90% вероятностью распада. Процессор управляет коэффициентом усиления на устройствах датчиков. Коэффициент усиления регулируется посредством программно реализованной программы, чтобы помещать сигнал детектора излучения от каждого детектора в пределах определенного допуска калибровки.

При использовании контрольных источников на Am-241 и Cs-137 программа системы программного обеспечения регулирует цифровой коэффициент предварительного усиления так, что гамма-луч Am-241 калибруется, чтобы соответствовать предопределенной конкретной спектральной подписи для каждого источника.

В другом примере автоматическое управление усилением достигается посредством использования контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). ФАПЧ - замкнутая система управления с обратной связью, которая поддерживает генерированный сигнал в постоянном фазовом соотношении с опорным сигналом (фиг.7). Интегральная схема может содержать в себе полный контур фазовой автоподстройки частоты с частотами сигнала от доли цикла в секунду до многих гигагерц. Использование ФАПЧ в схемах для аналогового датчика ограничивает дрейф аналогового сигнала. Необходимость удерживать сигнал датчиков в калибровке критична для тех систем, которые будут использовать данные датчиков для распознавания конкретных химических, биологических, радиационных, ядерных или взрывчатых веществ. Система распознавания образов для сравнения с данными датчиков использует спектральную подпись известных веществ. Если данные датчиков не калиброваны правильно и не сохраняются в калибровке, система распознавания образов может быть дискредитирована. Фиг.7 иллюстрирует пример схемы ФАПЧ, используемой для поддержки радиационного детектора.

Контуры ФАПЧ обычно собираются из фазового детектора, фильтра нижних частот и генератора, управляемого напряжением (ГУН), в конфигурации с отрицательной обратной связью. В цепи обратной связи, или в опорной цепи, или в той и другой может быть делитель для того, чтобы делать выходные синхронизирующие импульсы ФАПЧ рациональным кратным опорного сигнала. Заменяя простой счетчик деления на N в цепи обратной связи программируемым принимающим импульсы счетчиком, возможно получать дробные кратные опорной частоты из ФАПЧ.

Генератор порождает периодический выходной сигнал. Допустим, что изначально генератор находится на почти той же частоте, что и опорный сигнал. Тогда, если фаза от генератора отстает от фазы опорного сигнала, фазовый детектор вызывает подкачку зарядов для изменения управляющего напряжения с тем, чтобы генератор ускорялся. Аналогичным образом, если фаза опережает опорный сигнал, фазовый детектор вызывает подкачку зарядов для изменения управляющего напряжения, чтобы замедлять генератор. Фильтр нижних частот сглаживает внезапные управляющие входные сигналы от подкачки зарядов. Поскольку изначально генератор может быть далек от опорной частоты, практические фазовые детекторы могут также реагировать на частоту с тем, чтобы увеличивать диапазон синхронизации допустимых входных сигналов.

В другом варианте осуществления автоматическая проверка калибровки выполняется двумя способами. Первым способом испытывают целую систему, в том числе детектор. Второй способ - это частичное испытание, в котором используются предопределенные выходные сигналы датчиков для проверки аналоговых схем, поддерживающих детектор.

В другом варианте осуществления автоматическая калибровка выполняется путем анализирования установленного опорного сигнала относительно поступающих спектральных данных. Программное обеспечение определяет, находится ли опорный сигнал в надлежащей настройке. Программное обеспечение может корректировать спектральные данные в гистограмме на основе анализа опорного сигнала. Программное обеспечение может направлять корректировку к напряжению детектора через цифровые потенциометры и имеет возможность выполнять корректировки на модуле аналогового интерфейса, подсоединенного к детектору.

В другом варианте осуществления Модуль Интеграции Датчиков (МИД) делает возможными взаимозаменяемые модули интерфейсов датчиков, содержащиеся на дочерней плате. Возможными датчиками являются датчики химических, биологических, радиационных, ядерных и взрывчатых веществ. Для примера см. фиг.6.

Следующий пример для МИД основан на конструкции, которая обеспечивает открытый интерфейс для радиационных детекторов на основе модуля интерфейса для аналоговых датчиков, содержащегося на взаимозаменяемой дочерней плате. Аналоговый участок отвечает за усиление и формирование выходного сигнала детектора и преобразование аналоговых импульсов в цифровой сигнал. Цифровой участок считывает цифровой сигнал, обнаруживает пики поступающих импульсов и посылает данные о пиках по цепи связи процессору, который выполняет спектральный анализ (фиг.2).

МИД использует процессор, такой как программируемая вентильная матрица Altera Cyclone II. Встроенный процессор Nios II может быть помещен внутрь программируемой вентильной матрицы Cyclone. Процессор Nios может иметь Ethernet контроллер и стек протоколов TCP/IP, позволяющих ему поддерживать связь с сетью (см. фиг.3).

Объединение функциональных возможностей программируемых вентильных матриц и процессора датчика в одиночную программируемую вентильную матрицу имеет несколько преимуществ. В этой новой конструкции исключаются служебные данные связи между процессором и программируемыми вентильными матрицами. Кроме того, поскольку процессор Nios находится на той же микросхеме, что и детекторы пиков, Nios может управлять передачей данных о пиках детекторов для оптимизации пропускной способности сети. Внешняя быстрая статическая оперативная память (SRAM) может быть подсоединена с помощью интерфейса к программируемой вентильной матрице, чтобы гарантировать требуемую емкость памяти и делать возможным поддержку расширенного количества датчиков. Встроенный процессор Nios может также управлять и обновлять конфигурацию программируемой вентильной матрицы через сеть, позволяя автоматически модернизировать блок в полевых условиях. В систему для самотестирования может быть включен цифроаналоговый преобразователь. Цифровая схема будет использовать цифроаналоговый преобразователь, чтобы посылать себе испытательные импульсы, чтобы гарантировать, что вся электроника работает правильно.

Программируемая вентильная матрица Cyclone может сопрягаться с помощью интерфейса с аналоговой схемой посредством обобщенного интерфейса ввода-вывода. Контакты ввода-вывода программируемых вентильных матриц могут быть выведены в ряд соединителей на SIU (блоке системного интерфейса), как показано на фиг.4. Соединители могут поддерживать достаточно контактов ввода-вывода, чтобы позволять программируемой вентильной матрице подсоединять с помощью интерфейса до 24 детекторов за один раз.

Аналоговая или цифровая схема выполнена как отдельная монтажная плата, которую можно подсоединять с помощью интерфейса к МИД как дочернюю плату (фиг.2). Изолирование аналоговой схемы могло бы помочь сократить шум и предусмотреть более общий интерфейс для цифровой схемы.

Вследствие использования обобщенного интерфейса для цифрового аппаратного обеспечения широкий диапазон детекторов может быть подсоединен к МИД с помощью интерфейса без изменения конструкции МИД. На дочерние платы будут включены аналогово-цифровые преобразователи, так что новые типы аналоговых детекторов могут быть легко присоединены с помощью интерфейса к МИД. Для каждого нового детектора или группы детекторов только новая аналоговая дочерняя карта должна была бы быть выполнена с возможностью подсоединения с помощью интерфейса к МИД. Например, дочерняя карта, которая поддерживает 6 NaI и 6 CZT детекторов, могла бы быть подсоединена также легко, как дочерняя карта, которая поддерживает 8 NaI и 4 CZT детекторов. Дочерние карты предусматривают большую гибкость в конструкции, так что целая дочерняя плата могла бы быть выделена только для NaI или только CZT датчиков, или дочерняя карта могла бы быть сконструирована со смесью как NaI, так и CZT датчиков.

Новые типы детекторов (химические, биологические, радиационные, ядерные и взрывчатых веществ) могут быть подсоединены с помощью интерфейса к МИД посредством конструирования заказной аналоговой дочерней платы. Для размещения этих новых детекторов не нужно будет переделывать конструкцию МИД. Единственной модификацией для МИД было бы возможное обновление встроенной программы. Это позволяло бы повторно оснащать, чинить или модернизировать новыми детекторами системы в полевых условиях, просто добавляя новые детекторы, подключая новые дочерние платы и обновляя встроенную программу программируемой вентильной матрицы.

Эта конструкция может включать в себя несколько конфигураций дочерних плат программируемой вентильной матрицы, работающих по отдельности, параллельно для целей избыточности. Как показано на фиг.5, одиночный SIU (блок системного интерфейса) может поддерживать несколько программируемых вентильных матриц, причем каждая подсоединена с помощью интерфейса к выделенной дочерней карте. Если отдельная программируемая матрица или дочерняя карта выходит из строя, другие системы дочерних карт программируемых вентильных матриц продолжат функционировать обычным образом. Каждая программируемая вентильная матрица может быть подсоединена с помощью интерфейса к двум Ethernet (TCP/IP) портам на случай, когда один из портов выйдет из строя.

МИД может быть помещен в сенсорный узел наряду с NaI, CZT, нейтронными детекторами и платами энергоснабжения или выполнен как автономный модуль. Ethernet порты управляющей платы могут быть соединены с внутренним маршрутизатором. У датчика может быть два или несколько Ethernet портов для подсоединения к сети для резервирования.

В другом варианте осуществления МИД объединен с блоком энергоснабжения для поддержки датчика(ов). Энергоснабжением управляют удаленно через линию связи МИД, чтобы делать возможным цифровые корректировки к входной мощности датчика(ов).

Хотя были раскрыты конкретные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будет ясно, что в конкретных вариантах осуществления могут быть сделаны изменения, не выходя за пределы сущности и объема изобретения. Следовательно, объем изобретения не должен быть ограничен конкретными вариантами осуществления, и подразумевается, что прилагаемая формула изобретения покрывает любое и все такие применения, модификации и варианты осуществления в пределах объема настоящего изобретения.

Данная группа изобретений относится к системам с датчиками для распознавания опасных веществ. Технический результат заключается в повышении точности калибровки датчиков и обеспечении синхронизации массива датчиков. Он достигается тем, что предложены система интерфейсов для датчиков и модуль интеграции датчиков, которые поддерживают отдельные датчики и массивы датчиков, с возможностью подключения и критическими функциями, необходимыми для аналоговых и цифровых датчиков при развертывании в полевых применениях, используемые для распознавания химических, биологических, радиационных, ядерных и взрывчатых веществ. Модуль интеграции датчиков делает возможным эффективную интеграцию одиночного датчика или многочисленных датчиков в массив, используя модульный блок интерфейсов для датчиков, и предусматривает индивидуальные TCP/IP адреса для каждого датчика, обработку сигналов для данных датчиков и возможности связи, устанавливающие каждый детектор и массив датчиков в качестве сетевых элементов на распределенной сети. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система интерфейсов для датчиков для взаимодействия с набором из одного или нескольких датчиков, которые воспринимают химические, биологические, радиационные, ядерные и взрывчатые (ХБРЯВ) вещества, при этом система интерфейсов для датчиков содержит:
один или несколько интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков для соединения с химическими датчиками, биологическими датчиками, радиационными датчиками, ядерными датчиками и/или датчиками взрывчатых веществ;
преобразователь аналогового сигнала в цифровые данные для преобразования сигналов от аналоговых датчиков, которые соединены с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков, в цифровые данные;
сигнальный процессор и центральный процессор, соединенные с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков и с преобразователем аналогового сигнала в цифровые данные, для приема и обработки сигналов от одного или нескольких интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков;
устройство связи, соединенное с сигнальным процессором и центральным процессором, для соединения цифровых данных, представляющих сигналы от одного или нескольких датчиков, соединенных с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков, с сетью связи;
индивидуальный TCP/IP адрес, связанный с каждым из одного или нескольких интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков и для обеспечения сетевого доступа к цифровым данным, представляющим сигналы от каждого одного или нескольких датчиков, соединенных с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков соответственно;
модуль источника напряжения, соединенный с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков, для поддержки одного или нескольких датчиков, подсоединенных к одному или нескольким интерфейсам для цифровых и/или аналоговых датчиков соответственно, и со средствами управления с помощью программного обеспечения, чтобы регулировать мощность для калибровки одного или нескольких датчиков;
интерфейс управления с помощью программного обеспечения, соединенный с каждым одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков и с сигнальным процессором и центральным процессором, чтобы соединять средства управления с помощью программного обеспечения с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков для регулировки при калибровке датчиков, соединенных с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков;
систему сбора цифровых данных, соединенную с возможностью связи с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков, для сбора данных датчиков от одного или нескольких интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков;
систему с многоканальным анализатором, соединенную с возможностью связи с системой сбора цифровых данных, для подготовки гистограмм собранных данных датчиков;
систему спектрального анализа, соединенную с возможностью связи с системой с многоканальным анализатором и системой сбора цифровых данных, для приема и анализирования собранных данных датчиков, чтобы обнаруживать радиацию и распознавать одно или несколько целевых веществ, связанных с данными датчиков;
первое средство хранения данных для хранения данных, представляющих спектры химических, биологических, радиационных, ядерных и взрывчатых (ХБРЯВ) веществ, для использования системой спектрального анализа, где одно или несколько спектральных изображений, хранимых в первом блоке хранения данных, представляют каждое ХБРЯВ вещество, причем первое средство хранения данных соединено с возможностью связи с системой спектрального анализа;
систему обработки информации, соединенную с возможностью связи с системой спектрального анализа, для анализирования распознанных одного или нескольких целевых ХБРЯВ веществ и определения возможных веществ или изделий, которые они представляют; и
второе средство хранения данных для хранения данных, представляющих спецификацию, относящуюся к контейнеру или объекту под изучением, причем второе средство хранения данных соединено с возможностью связи с системой обработки информации; при этом система обработки информации дополнительно предназначена для сравнения определенных возможных веществ или изделий со спецификацией, относящейся к контейнеру или объекту под изучением, чтобы определять, есть ли неразрешенные вещества или изделия, содержащиеся в контейнере или в объекте под изучением.

2. Система по п.1, в которой один или несколько интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков смонтировано на дочерней плате.

3. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, один из одного или нескольких интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков предназначен для соединения с одним или несколькими радиационными детекторами любого типа детекторов, как то: нейтронными, альфа-частиц или бета-частиц.

4. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, один из одного или нескольких интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков предназначен для соединения непосредственно с одним или несколькими детекторами любого типа детекторов, как то: химическими, биологическими или взрывчатых веществ.

5. Система по п.1, в которой один или несколько интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков и модуль источника напряжения объединены и интегрированы в конструкцию детектора, чтобы обеспечивать интерфейс для датчиков с поддержкой сети для обнаружения химических, биологических, радиационных, ядерных или взрывчатых веществ.

6. Система по п.1, дополнительно содержащая, по меньшей мере, одну беспроводную или проводную систему связи для переноса цифровых данных посредством сетевого доступа, используя TCP/IP адреса, от одного или нескольких интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков, соединенных с одним или несколькими радиационными датчиками, к системе сбора цифровых данных.

7. Система по п.1, в которой один или несколько интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков и модуль источника напряжения объединены и интегрированы в конструкцию детектора, чтобы обеспечивать интерфейс для датчиков с поддержкой сети для обнаружения химических, биологических, радиационных, ядерных или взрывчатых веществ, и дополнительно содержащая:
радиологический источник, интегрированный в интерфейс для датчиков с поддержкой сети, который может непрерывно или периодически быть доступным радиационному детектору, который соединен с интерфейсом для датчиков с поддержкой сети, для обеспечения опорного сигнала, используемого для калибровки радиационного детектора.

8. Система по п.1, в которой один или несколько интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков и модуль источника напряжения объединены и интегрированы в конструкцию детектора, чтобы обеспечивать интерфейс для датчиков с поддержкой сети для обнаружения химических, биологических, радиационных, ядерных или взрывчатых веществ, и дополнительно содержащая:
интерфейс интернет-связи, соединенный с интерфейсом для датчиков с поддержкой сети, для обеспечения веб-детектора, где многочисленные пользователи через интернет могут подсоединяться к интерфейсу для датчиков с поддержкой сети и могут получать цифровые данные от радиационного детектора, который соединен с интерфейсом для датчиков с поддержкой сети.

9. Система по п.1, в которой один или несколько радиационных датчиков, соединенных с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков, либо непрерывно подвергаются, либо по выбору подвергаются воздействию незначительного количества радиологического вещества для обеспечения опорного сигнала для использования в калибровании радиационных датчиков.

10. Система по п.9, в которой система с многоканальным анализатором использует опорный сигнал, связанный с одним или несколькими радиационными датчиками, для корректировки собранных радиационных данных от одного или нескольких радиационных датчиков, чтобы получать надлежащую калибровку собранных радиационных данных.

11. Система по п.1, в которой система спектрального анализа анализирует собранные данные датчиков для обнаружения и распознавания одного или нескольких ХБРЯВ веществ, связанных с обнаруженными данными датчиков, путем использования программного обеспечения на программном продукте для вычислительной машины для обеспечения команд системе обработки информации.

12. Система по п.1, дополнительно содержащая сетевой сервер, соединенный с возможностью связи с сигнальным процессором и центральным процессором, системой сбора цифровых данных, системой с многоканальным анализатором и системой спектрального анализа, чтобы давать возможность одному или нескольким пользователям по сети получать доступ к информации с сетевого сервера, относящейся к, по меньшей мере, одному из: цифровым данным, представляющим сигналы от каждого одного или нескольких датчиков, средствам управления с помощью программного обеспечения к одному или нескольким интерфейсам для цифровых и/или аналоговых датчиков, собранным данным датчиков, данным гистограмм и обнаружению радиации и распознаванию одного или нескольких целевых веществ, связанных с собранными данными датчиков.

13. Система по п.1, дополнительно содержащая TCP/IP интерфейс сетевых средств связи для сетевой связи с устройством связи через TCI/IP протокол связи.

14. Система по п.1, в которой устройство связи обеспечивает открытый интерфейс связи для обеспечения сетевой связи с другим подключенным к сети устройством посредством традиционного протокола сетевой связи.

15. Система по п.1, в которой детектор пиков включен в состав, по меньшей мере, одного из одного или нескольких интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков для системы с многоканальным анализатором, чтобы распознавать обнаруженный энергетический диапазон из собранных данных датчиков.

16. Система по п.1, в которой детектор пиков включен в состав системы с многоканальным анализатором для распознавания обнаруженного энергетического диапазона из собранных данных датчиков.

17. Модуль интеграции датчиков для соединения данных датчиков между набором из одного или нескольких датчиков, которые воспринимают химические, биологические, радиационные, ядерные и взрывчатые (ХБРЯВ) вещества, и системой с анализатором данных датчиков, которая собирает и обрабатывает данные датчиков, чтобы распознавать одно или несколько целевых ХБРЯВ веществ, связанных с данными датчиков, причем модуль интеграции датчиков содержит:
один или несколько интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков для соединения с химическими датчиками, биологическими датчиками, радиационными датчиками, ядерными датчиками и/или датчиками взрывчатых веществ;
преобразователь аналогового сигнала в цифровые данные для преобразования сигналов от аналоговых датчиков, которые соединены с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков, в цифровые данные;
сигнальный процессор и центральный процессор, соединенные с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков и с преобразователем аналогового сигнала в цифровые данные, для приема и обработки сигналов от одного или нескольких интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков;
устройство связи, соединенное с сигнальным процессором и центральным процессором, для соединения цифровых данных, представляющих сигналы от одного или нескольких датчиков, соединенных с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков, с сетью связи;
индивидуальный TCP/IP адрес, связанный с каждым из одного или нескольких интерфейсов для цифровых и/или аналоговых датчиков и для обеспечения сетевого доступа к цифровым данным, представляющим сигналы от каждого одного или нескольких датчиков, соединенных с каждым одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков соответственно, и где система с анализатором данных датчиков может быть соединена с возможностью связи с модулем интеграции датчиков посредством сети связи, чтобы собирать и анализировать цифровые данные, представляющие сигналы от каждого одного или нескольких датчиков, посредством связи на базе TCP/IP по сети связи;
модуль источника напряжения, соединенный с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков, для поддержки одного или нескольких датчиков, подсоединенных к одному или нескольким интерфейсам для цифровых и/или аналоговых датчиков соответственно, и со средствами управления с помощью программного обеспечения, чтобы регулировать мощность для калибровки одного или нескольких датчиков; и
интерфейс управления с помощью программного обеспечения, соединенный с каждым одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков и с сигнальным процессором и центральным процессором, чтобы соединять средства управления с помощью программного обеспечения с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков для регулировки при калибровке одного или нескольких датчиков, соединенных с одним или несколькими интерфейсами для цифровых и/или аналоговых датчиков.

18. Модуль интеграции датчиков по п.17, дополнительно содержащий:
интерфейс интернет-связи, соединенный с возможностью связи с устройством связи для обеспечения веб-детектора, где многочисленные пользователи по интернету могут подсоединяться к модулю интеграции датчиков, чтобы получать цифровые данные, представляющие сигналы от каждого одного или нескольких датчиков, для обработки и анализирована цифровых данных с помощью удаленно расположенной системы с анализатором данных датчиков, чтобы распознавать удаленно одно или несколько целевых ХБРЯВ веществ, связанных с данными датчиков.

19. Модуль интеграции датчиков по п.18, в котором модуль интеграции датчиков обеспечивает цифровые данные, представляющие сигналы от каждого одного или нескольких датчиков, которые содержат информацию для удаленно расположенной системы с анализатором данных датчиков, чтобы анализировать по спектрам распознанные одно или несколько ХБРЯВ веществ и определять возможные вещества или товары, которые они представляют.