СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ВЗРЫВЧАТЫХ И НАРКОТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01N22/00 

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, в частности к способам и устройствам обнаружения взрывчатых и наркотических веществ в различных закрытых объемах и на теле человека, находящегося в местах массового скопления людей.

Известны способы и устройства обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ (авт. свид. СССР №№1.131.138, 1.800.333; патенты РФ №№2.086.963, 2.150.105, 2.161.300, 2.179.716, 2.185.614, 2.226.686, 2.283.485, 2.436.073; патенты США №№4.529.710, 4.599.740, 4.651.085, 4.756.866, 5.668.734, 6.507.278; патент Великобритании №1.033.452 и другие).

Из известных способов обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ наиболее близким к предлагаемому является «Способ обнаружения и идентификации взрывчатых веществ» (патент РФ №2.283.485, G01N 22/00, 2004), который и выбран в качестве прототипа.

Известный способ основан на том, что предварительно в память измерительного средства записывают эталонные значения фазовых сдвигов, соответствующие диэлектрическим свойствам включений определенных типов взрывчатых и наркотических веществ, облучение контролируемого объекта осуществляют импульсным СВЧ-сигналом с заданными значениями несущей частоты зондирующих импульсов, из длительности и амплитуды в диапазоне частот от 300 МГц до 150 ГГц при длительности зондирующих импульсов, не превышающей 10 мс, измеряют величину фазового сдвига принятого сигнала относительно излученного и его интенсивность, по величине которой определяют коэффициент поглощения контролируемого объекта, сравнивают измеренную величину фазового сдвига принятого сигнала относительно излученного с эталонными значениями, после чего по результатам сравнения с учетом определенного коэффициента поглощения контролируемого объекта определяют наличие взрывчатого или наркотического вещества и его тип.

Однако известные технические решения не обеспечивают возможности для определения местонахождения контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей известных технических решений путем определения местонахождения контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество.

Поставленная задача решается тем, что способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ, включающий, в соответствии с ближайшим аналогом, облучение контролируемого объекта импульсным СВЧ-сигналом с заданными значениями несущей частоты зондирующих импульсов, их длительности и амплитуды, прием отраженного от контролируемого объекта сигнала, усиление и аналого-цифровое преобразование принятого сигнала, измерение значений параметров преобразованного сигнала и сравнение их с эталонными значениями измерительным средством, при этом предварительно в память измерительного средства записывают эталонные значения фазовых сдвигов, соответствующие диэлектрическим свойствам включений определенных типов взрывчатых и наркотических веществ, облучение контролируемого объекта осуществляют в диапазоне частот от 300 МГц до 150 ГГц при длительности зондирующих импульсов, не превышающей 10 мс, измеряют величину фазового сдвига принятого сигнала относительно излученного и его интенсивность, по величине которой определяют коэффициент поглощения контролируемого объекта, сравнивают измеренную величину фазового сдвига принятого сигнала относительно излученного с эталонными значениями, после чего по результатам сравнения с учетом определенного коэффициента поглощения контролируемого объекта определяют наличие взрывчатого или наркотического вещества и его тип, отличается от ближайшего аналога тем, что после обнаружения взрывчатого или наркотического вещества на контролируемом объекте перемножают отраженный сигнал, принятый приемопередающей антенной, с зондирующим сигналом, пропущенным через первый блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное первой корреляционной функции R₁(τ), где τ - текущая временная задержка, изменяют временную задержку τ до наступления равенства τ=τ_з1 где τ_з1= $$\frac{2R}{c}$$ , где R - расстояние до контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество, с - скорость распространения радиоволн, поддерживают указанное равенство, что соответствует максимальному значению первой корреляционной функции R₁(τ), и определяют расстояние R до контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество, одновременно перемножают отраженный сигнал, принятый приемной антенной, разнесенной в горизонтальной плоскости на расстояние d, где d - измерительная база, с отраженным сигналом, принятым приемопередающей антенной и пропущенным через второй блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное второй корреляционной функции R₂(τ), изменяют время задержки τ до наступления равенства τ=τ_з2, где τ_з2=t₁-t₂, где t₁, t₂ - время прохождения отраженными сигналами расстояний от контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество, до приемопередающей и приемной антенн соответственно, поддерживают указанное равенство, что соответствует максимальному значению второй корреляционной функции R₂(t), и определяют азимут на контролируемый объект, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество

$$\beta =\arccos \frac{c}{d}{\tau }_{з}{}_2$$ .

Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно включенные передатчик, антенный переключатель, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первый усилитель высокой частоты, аналого-цифровой преобразователь, процессор, вход-выход которого связан с передатчиком, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, и блок индикации, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено ключом, двумя перемножителями, двумя фильтрами нижних частот, двумя экстремальными регуляторами, двумя блоками регулируемой задержки, индикатором дальности, приемной антенной, вторым усилителем высокой частоты и индикатором азимута, причем к выходу первого усилителя высокой частоты последовательно подключены ключ, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, первый перемножитель, второй вход которого через первый блок регулируемой задержки соединен с выходом передатчика, первый фильтр нижних частот и первый экстремальный регулятор, выход которого соединен со вторым входом первого блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор дальности, к выходу приемной антенны последовательно подключены второй усилитель высокой частоты, второй перемножитель, второй вход которого через второй блок регулируемой задержки соединен с выходом ключа, второй фильтр нижних частот и второй экстремальный регулятор, выход которого соединен со вторым входом второго блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор азимута.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Устройство содержит последовательно включенные передатчик 3, антенный переключатель 2, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 1, первый усилитель 5 высокой частоты, аналого-цифровой преобразователь 6, процессор 11, вход-выход которого связан с передатчиком 3, блок 12 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 8 памяти, и блок 9 индикации. К выходу первого усилителя 5 высокой частоты последовательно подключены ключ 13, второй вход которого соединен с выходом блока 12 сравнения, первый перемножитель 15, второй вход которого через первый блок 18 регулируемой задержки соединен с выходом передатчика 3, первый фильтр 16 нижних частот и первый экстремальный регулятор 17, выход которого соединен со вторым входом первого блока 18 регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор 19 дальности. К выходу приемной антенны 20 последовательно подключены второй усилитель 21 высокой частоты, второй перемножитель 23, второй вход которого через второй блок 26 регулируемой задержки соединен с выходом ключа 13, второй фильтр 24 нижних частот и второй экстремальный регулятор 25, выход которого соединен со вторым входом второго блока 26 регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор 27 азимута.

Первый усилитель 5 высокой частоты и аналого-цифровой преобразователь образуют приемник 4. Процессор 11, блок 12 сравнения и блок 8 памяти образуют измерительное средство 7. Первый перемножитель 15, первый фильтр 16 нижних частот, первый экстремальный регулятор 17 и первый блок 18 регулируемой задержки образуют первый коррелятор 14. Второй перемножитель 23, второй фильтр 24 нижних частот, второй блок 26 регулируемой задержки образуют второй коррелятор 22. Устройство содержит также контролируемый объект 10.

Способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ осуществляется следующим образом.

Контролируемый объект 10, подлежащий проверке на наличие взрывчатых или наркотических веществ, облучается слабым высокочастотным электромагнитным излучением. СВЧ-сигнал в диапазоне частот от 300 МГц до 150 ГГц длительностью, не превышающей 10 мс, формируется в передатчике 3. Для облучения контролируемого объекта 10 может быть сформирован импульсный СВЧ-сигнал в виде последовательности пачек импульсов. В этом случае для каждой пачки импульсов задается свое значение несущей частоты, причем значение несущей частоты для последующей пачки импульсов либо увеличивают, либо уменьшают. Сформированный в передатчике 3 СВЧ-сигнал с заданными параметрами через антенный переключатель 2 поступает в антенну 1 и излучается в направлении контролируемого объекта 10. Поскольку мощность излучаемого (зондирующего) СВЧ-сигнала небольшая, проверке на наличие взрывчатых или наркотических веществ могут подвергаться непосредственно пассажиры либо люди, находящиеся в местах массовых мероприятий.

Отраженные сигналы от контролируемого объекта 10:

u₁(t)=U₁·Cos[w_c(t-τ_з1)+φ₁],

u₂(t)=U₂·Cos[w_c(t-τ_з2)+φ₂], 0<t≤T_c,

где τ₃1= $$\frac{2R}{c}$$ - время задержки отраженного сигнала относительно зондирующего;

τ_з2=t₁-t₂, t₁, t₂ - время прохождения сигналом расстояний от контролируемого объекта 10 до приемопередающей антенны 1 и приемной антенны 20;

R - расстояние от приемопередающей антенны 1 до контролируемого

объекта 10;

с - скорость распространения радиоволн.

Отраженный сигнал u₁(t) воспринимается антенной 1 и поступает через антенный переключатель 2 на вход приемника 4, в котором он усиливается усилителем 5 высокой частоты и преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя 6 в вид, удобный для его дальнейшей обработки в измерительном средстве 7, выполненном, например, с использованием процессора 11, позволяющего осуществлять цифровую обработку принятого сигнала с определением величин его фазового сдвига относительно зондирующего и интенсивности с последующим сравнением в блоке 12 сравнения с эталонными значениями, записанными в блок 8 памяти. При наличии диэлектрических включений на контролируемом объекте 10 (в частности, на теле человека) параметры принятого сигнала будут отличаться от параметров принятого сигнала, отраженного от контролируемого объекта, не содержащего взрывчатых или наркотических веществ. Отличия будут заключаться в изменении фазы принятого сигнала и его интенсивности. Изменение фазы будет различным для различных диэлектриков. Сравнивая фазу принятого сигнала с записанными в блок 8 памяти эталонными значениями фазовых сдвигов, соответствующих диэлектрическим свойствам включений определенных типов взрывчатых и наркотических веществ, можно идентифицировать взрывчатое или наркотическое вещество. Полученные данные могут отображаться на дисплее в блоке 9 индикации. В простейшем случае может быть использована индикаторная лампа, включение которой свидетельствует об обнаружении взрывчатых или наркотических веществ.

При обнаружении взрывчатого или наркотического вещества на контролируемом объекте 10, на выходе блока 12 сравнения образуется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 13, открывая его. В исходном состоянии ключ 13 всегда закрыт. При этом отраженный сигнал u₁(t) с выхода усилителя 5 высокой частоты через открытый ключ 13 поступает на первый вход первого перемножителя 15 и на первый вход второго блока 26 регулируемой задержки.

На второй вход первого перемножителя 15 с выхода передатчика 3 через первый блок 18 регулируемой задержки поступает зондирующий сигнал

u_c(t)=U_c·Cos[w_c(t-τ_з2)+φ₂], 0≤t≤T_c,

где τ - переменная задержка, вводимая первым блоком 18 регулируемой задержки.

Полученное на выходе перемножителя 15 напряжение пропускается через фильтр 16 нижних частот, на выходе которого формируется низкочастотное напряжение, пропорциональное первой корреляционной функции R₁(τ). Экстремальный регулятор 17, предназначенный для поддержания максимального значения первой корреляционной функции R₁(τ) и подключенный к выходу фильтра 16 нижних частот, воздействует на управляющий вход первого блока 18 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ равной τ_з1(τ=τ_з1), что соответствует максимальному значению первой корреляционной функции R₁(x). Индикатор 19 дальности, связанный со шкалой блока 18 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение дальности R до контролируемого объекта 10, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество,

$$R=\frac{c{\tau }_{з1}}{2}$$ .

Отраженный сигнал u₂(t) с выхода приемной антенны 20 через усилитель 21 высокой частоты поступает на первый вход второго перемножителя 23, на второй вход которого через второй блок 26 регулируемой задержки подается отраженный сигнал u₁(t) с выхода первого усилителя 5 высокой частоты через открытый ключ 13. В этом случае шкала второго блока 26 регулируемой задержки (индикатор 27 азимута) градуируется непосредственно в значения угловой координаты контролируемого объекта 10, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество

$$\beta =\arccos \frac{c}{d}{\tau }_{з}{}_2$$ ,

где d - расстояние между приемопередающей 1 и приемной 20 антеннами (измерительная база);

τ_з2=t₁-t₂, t₁, t₂ - время прохождения отраженных сигналов расстояний от контролируемого объекта до приемопередающей 1 и приемной 20 антенн соответственно.

Обнаружение взрывчатых и наркотических веществ может быть осуществлено и в случае, если контролируемый объект представляет собой многослойную структуру (например, взрывчатое или наркотическое вещество под одеждой человека), поскольку предварительно записанные в блок 8 памяти эталонные значения, с которыми сравнивают значения параметров принятых сигналов, представляют собой набор значений параметров принятых сигналов от различных объектов (в том числе и с многослойной структурой), с имеющимися в них взрывчатыми или наркотическими веществами, т.е. от объектов, которые будут близки по своим характеристикам с подлежащими проверке объектами, содержащими взрывчатые или наркотические вещества. Обычно используется компьютерная модель, позволяющая имитировать любые многослойные структуры.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, может быть выполнено с тремя антеннами, одна из которых служит для излучения сигнала, а две другие - для приема отраженных сигналов.

При облучении контролируемого объекта с многослойной структурой происходят многократные переотражения. Многослойная структура может облучаться последовательностью монохроматических пакетов, содержащих не менее 100 длин воли. В этом случае прохождение волн через многослойную структуру можно считать периодическим. При этом результат получают решением одномерного уравнения Гельмгольца (М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М., Наука, 1974, с.72). Решение для каждого волнового пакета зависит от расстояния до слоистой структуры, толщины слоев и их электрофизических свойств, причем расстояние до слоистой структуры может быть легко определено по параметрам принятого сигнала (по времени его задержки относительно излученного). Общее количество неизвестных равно 3N+1, где N - число слоев. Измеряя фазу и амплитуду принятого сигнала для каждого волнового пакета, легко решить соответствующую систему уравнений, если 2М≥3N+1, где М - количество волновых пакетов.

Решая указанную систему, мы получаем значения проводимости, диэлектрической проницаемости и толщины каждого слоя. Это дает нам возможность определить, имеются ли опасные вещества в указанной слоистой структуре.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство, по сравнению с прототипом и другими техническими решениями, обеспечивают не только надежное обнаружение и идентификацию взрывчатых и наркотических веществ, но и позволяют точно и однозначно определять направление на контролируемый объект, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество, и дальность до его местонахождения. При этом повышение точности пеленгации контролируемого объекта достигается увеличением измерительной базы d, а возникающая при этом неоднозначность устраняется корреляционной обработкой отраженных сигналов. Тем самым функциональные возможности способа и устройства расширены.

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, в частности к способам и устройствам обнаружения взрывчатых и наркотических веществ в различных закрытых объемах и на теле человека, находящегося в местах массового скопления людей. Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей известных технических решений путем определения местонахождения контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит приемопередающую антенну, антенный переключатель, передатчик, приемник, первый и второй усилители высокой частоты, аналого-цифровой преобразователь, измерительное средство, блок памяти, блок индикации, контролируемый объект, процессор, блок сравнения, ключ, первый и второй перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, первый и второй экстремальные регуляторы, первый и второй блоки регулируемой задержки, первый и второй корреляторы, индикатор дальности и индикатор азимута. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ, включающий облучение контролируемого объекта импульсным СВЧ-сигналом с заданными значениями несущей частоты зондирующих импульсов, их длительности и амплитуды, прием отраженного от контролируемого объекта сигнала, усиление и аналого-цифровое преобразование принятого сигнала, измерение значений параметров преобразованного сигнала и сравнение их с эталонными значениями измерительным средством, при этом предварительно в память измерительного средства записывают эталонные значения фазовых сдвигов, соответствующие диэлектрическим свойствам включений определенных типов взрывчатых и наркотических веществ, облучение контролируемого объекта осуществляют в диапазоне частот от 300 МГц до 150 ГГц при длительности зондирующих импульсов, не превышающей 10 мс, измеряют величину фазового сдвига принятого сигнала относительно излученного и его интенсивность, по величине которой определяют коэффициент поглощения контролируемого объекта, сравнивают измеренную величину фазового сдвига принятого сигнала относительно излученного с эталонными значениями, после чего по результатам сравнения с учетом определенного коэффициента поглощения контролируемого объекта определяют наличие взрывчатого или наркотического вещества и его тип, отличающийся тем, что после обнаружения взрывчатого или наркотического вещества на контролируемом объекте перемножают отраженный сигнал, принятый приемопередающей антенной, с зондирующим сигналом, пропущенным через первый блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное первой корреляционной функции R₁(τ), где τ - текущая временная задержка, изменяют временную задержку τ до наступления равенства τ=τ_з1, где $${\text{τ}}_{\text{з1}}=\frac{\text{2R}}{\text{c}}$$ , где R - расстояние до контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество, с - скорость распространения радиоволн, поддерживают указанное равенство, что соответствует максимальному значению первой корреляционной функции R₁(τ), и определяют расстояние R до контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество, одновременно перемножают отраженный сигнал, принятый приемной антенной, разнесенной в горизонтальной плоскости на расстояние d, где d - измерительная база, с отраженным сигналом, принятым приемопередающей антенной и пропущенным через второй блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное второй корреляционной функции R₂(τ), изменяют время задержки τ до наступления равенства τ=τ_з2, где τ_з2=t₁-t₂, где t₁, t₂ - время прохождения отраженными сигналами расстояний от контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество, до приемопередающей и приемной антенн соответственно, поддерживают указанное равенство, что соответствует максимальному значению второй корреляционной функции R₂(τ), и определяют азимут на контролируемый объект, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество,
$$\beta =\arccos \frac{c}{d}{\tau }_{з}{}_2$$ .

2. Устройство для обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ, содержащее последовательно включенные передатчик, антенный переключатель, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первый усилитель высокой частоты, аналого-цифровой преобразователь, процессор, вход-выход которого связан с передатчиком, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, и блок индикации, отличающееся тем, что оно снабжено ключом, двумя перемножителями, двумя фильтрами нижних частот, двумя экстремальными регуляторами, двумя блоками регулируемой задержки, индикатором дальности, приемной антенной, вторым усилителем высокой частоты и индикатором азимута, причем к выходу первого усилителя высокой частоты последовательно подключены ключ, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, первый перемножитель, второй вход которого через первый блок регулируемой задержки соединен с выходом передатчика, первый фильтр нижних частот и первый экстремальный регулятор, выход которого соединен со вторым входом первого блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор дальности, к выходу приемной антенны последовательно подключены второй усилитель высокой частоты, второй перемножитель, второй вход которого через второй блок регулируемой задержки соединен с выходом ключа, второй фильтр нижних частот и второй экстремальный регулятор, выход которого соединен со вторым входом второго блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор азимута.