СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ДОСМОТРА БАГАЖА В КОНТРОЛИРУЕМОЙ ОБЛАСТИ ПРОСТРАНСТВА Российский патент 2017 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к области дистанционного досмотра багажа, в частности к способам обнаружения диэлектрических взрывчатых веществ, провозимых в багаже пассажира, где под багажом подразумевается сумка, рюкзак, чемодан или кейс.

Одна из нерешенных до конца проблем, связанных с обеспечением безопасности на транспорте и в прочих местах массового скопления людей, - это проблема обнаружения опасных диэлектрических объектов, в частности взрывчатых веществ и самодельных взрывчатых устройств, которые находятся в багаже.

Для решения этой задачи применяются, в основном, способы, основанные на использовании металлодетекторов, детекторов паров, рентгеновского оборудования, служебных собак и др.

Указанные способы не обеспечивают в достаточной степени возможность дистанционного и скрытного досмотра багажа и заблаговременного выявления взрывчатых веществ. Другим серьезным недостатком существующих способов является высокий уровень ложных тревог и низкая скорость обнаружения, что делает малоэффективным их применение в реальных условиях досмотра багажа больших потоков людей. Кроме того, существующие способы досмотра работают не в автоматическом режиме, для их работы необходим оператор, который принимает решение об уровне опасности досматриваемого багажа, а значит на окончательное решение влияет человеческий фактор.

Таким образом, задача обнаружения взрывных устройств требует соблюдения особых условий ее решения:

- дистанционность досмотра;

- возможность осуществления скрытного досмотра;

- автоматический режим досмотра;

- осуществление досмотра в режиме реального времени;

- безопасность человека, проходящего досмотр, а также окружающих людей;

- возможность привязки сигнала опасности к конкретному человеку при проведении досмотра в режиме реального времени;

- мобильность системы и относительно невысокая стоимость.

Известен способ дистанционного досмотра цели в контролируемой области пространства, включающий облучение этой области СВЧ-излучением с помощью двух или более элементарных излучателей, регистрацию отраженного от контролируемой области сигнала с помощью одного или более параллельных каналов регистрации, когерентную обработку отраженного сигнала и отображение полученной в результате обработки информации, US 5557283, 17.09.1996.

При реализации способа облучение СВЧ-излучением контролируемой области пространства происходит в полосе частот без корреляции ее ширины с радиальным пространственным разрешением изображения контролируемой области и интервалом времени регистрации, в течение которого возможна когерентная обработка зарегистрированного отраженного сигнала. Это обусловливает следующие недостатки:

- невозможность использования способа в случае движущегося досматриваемого объекта (цели), так как при движении объекта во время регистрации отраженного сигнала изменяется положение объекта относительно приемо-передающих антенн и нарушается условие применимости когерентной обработки зарегистрированного сигнала, а некогерентная обработка не позволяет получить изображение хорошего качества при неизвестной траектории досматриваемого объекта; таким образом, не обеспечивается скрытность досмотра объекта;

- низкое качество изображения, не позволяющее осуществлять его анализ с целью получения количественной информации о диэлектрической проницаемости объектов (компонентов цели) и их эквивалентной массе.

Известен способ обнаружения опасных объектов и веществ, который содержит генерацию микроволнового сигнала, который отражается объектом для воспроизведения одного или нескольких отраженных сигналов; один или несколько отраженных сигналов принимаются в антенной решетке; один или несколько отраженных сигналов преобразуются в цифровые отраженные сигналы; микроволновый сигнал преобразуется в цифровой сигнал; цифровые отраженные сигналы и цифровой сигнал обрабатываются для определения трехмерного положения мишени; цифровые отраженные сигналы и цифровой сигнал обрабатываются для идентификации мишени; цифровые отраженные сигналы и цифровой сигнал обрабатываются для определения состояния мишени; и определения того, является ли мишень опасным объектом, RU 2415402, опубл. 27.03.2011.

Недостатком этого технического решения является невысокая точность и достоверность обнаружения опасного диэлектрического объекта, т.к. отражательная способность диэлектрических объектов зависит от ориентации относительно излучающей антенны, при этом при некоторых ориентациях отражается только малая часть энергии, и обнаружение объекта становится невозможным.

Известен способ дистанционного досмотра цели в контролируемой области пространства, включающий облучение этой области СВЧ-излучением с помощью двух или более элементарных СВЧ-излучателей, регистрацию отраженного от контролируемой области сигнала с помощью одного или более параллельных каналов регистрации, когерентную обработку зарегистрированного сигнала с получением максимальных значений интенсивности восстановленной конфигурации рассеивателей в области досмотра в зависимости от дальности элементарных излучателей до цели и отображение полученной в результате обработки информации путем построения СВЧ-изображения в виде нескольких трехмерных поверхностей, RU 2294549 C1, 27.02.2007.

Недостатки данного способа в следующем:

- малая величина сигнала отражения от границы воздух-диэлектрик - около 7% по интенсивности для диэлектриков с диэлектрической проницаемостью ~3, характерной для взрывчатых веществ; это приводит к тому, что сигнал отражения от границы диэлектрик-тело человека (~90% по интенсивности) может существенно искажать трехмерную поверхность, изображающую физическую границу воздух-диэлектрик, а это, в свою очередь, приводит к ошибкам при определении наличия взрывчатого вещества;

- малый диапазон углов падения и приема СВЧ-излучения, при которых излучение, отраженное от границы воздух-диэлектрик, может быть зарегистрировано; это связано с тем, что, как правило, поверхность диэлектрика достаточно гладкая в сравнении с длиной волны в СВЧ-диапазоне, и рассеяние на границе приобретает характер зеркального отражения, таким образом, этот способ может быть эффективно реализован лишь в узком диапазоне возможных ракурсов досмотра.

Известен способ дистанционного досмотра цели в контролируемой области пространства, включающий облучение этой области СВЧ-излучением с помощью двух или более элементарных СВЧ-излучателей, регистрацию отраженного от контролируемой области сигнала с помощью одного или более параллельных каналов регистрации, когерентную обработку зарегистрированного сигнала с получением максимальных значений интенсивности восстановленной конфигурации рассеивателей в области досмотра в зависимости от дальности элементарных излучателей до цели и отображение полученной в результате обработки информации путем построения СВЧ-изображения соответствующей трехмерной поверхности; дополнительно получают видеоизображение цели с помощью двух или более видеокамер, синхронизированных с СВЧ-излучателями, преобразуют полученное видеоизображение в цифровой вид и строят трехмерное видеоизображение цели, переводят трехмерное видеоизображение и СВЧ-изображение в общую систему координат, определяют расстояние l в общей системе координат между СВЧ- и видеоизображениями, при l<l_о, где l_о - заданное пороговое значение l, констатируют отсутствие у цели скрытого диэлектрического объекта в количестве, превышающем предельно допустимое значение, а при l≥l_о дополнительно определяют наличие впадин в трехмерном СВЧ-изображении в областях, где l≥l_о, и при глубине h впадины больше где h_о - пороговое значение h, ε - значение диэлектрической проницаемости искомого диэлектрического объекта, констатируют наличие у цели скрытого диэлектрического объекта, RU 2411504 C1 10.02.2011.

Недостатки этого решения состоят в следующем.

Процесс сравнения сложных видеоизображений и СВЧ-изображений в ряде случаев может быть источником ошибок, поскольку наличие прозрачной в СВЧ-области излучения и непрозрачной в видеодиапазоне оболочки (например, некоторых видов одежды или упаковки), под которой расположен объект, находящийся в контролируемой области пространства, приводит к некомпенсируемым ошибкам при определении разности между СВЧ- и видеоизображениями. Поскольку способ основан на регистрации рассеянного излучения, уровень регистрируемых сигналов существенно ослабляется в зависимости от расстояний: от СВЧ-излучателя до контролируемого объекта и от этого объекта до регистратора, а также сечения рассеивания объекта. Таким образом отношение сигнал/шум весьма невелико, что обусловливает существенные погрешности при формировании трехмерных СВЧ-изображений и, соответственно, увеличивает возможность ошибок в результатах реализации способа.

Кроме того, способ реализуем только при достаточном уровне освещенности контролируемой области, необходимом для регистрации видеосигналов и построения трехмерных видеоизображений. Вместе с тем, в ряде случаев освещение контролируемой области не осуществляется исходя из специальных условий; также следует указать, что освещение может быть прервано в связи с перебоями в энергоснабжении, задымлением контролируемой области и т.п.

Известен способ дистанционного обнаружения скрытых объектов в контролируемой области пространства, включающий облучение этой области когерентным СВЧ-излучением на N частотах, регистрацию сигнала, несущего информацию о скрытом объекте, находящемся в контролируемой области пространства, с помощью одного или более параллельных каналов регистрации и когерентную обработку зарегистрированного сигнала, регистрацию сигнала, несущего информацию о скрытом объекте, находящемся в контролируемой области пространства, осуществляют после прохождения сигналом этой области, затем определяют зависимость функции F:

где N - количество частот СВЧ-излучения,

k - номер частоты СВЧ-излучения из N частот,

f_k - k-я частота СВЧ-излучения из N частот,

i - мнимая единица,

c - скорость света в вакууме,

Аобъект_k - амплитуда зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в присутствии объекта в контролируемой области пространства,

Фобъект_k - фаза зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в присутствии объекта в контролируемой области пространства,

Асп_k - амплитуда зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в отсутствие объекта в контролируемой области пространства,

Фсп_k - фаза зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в отсутствие объекта в контролируемой области пространства,

от х-координаты по оси, соединяющей регистратор и источник СВЧ-излучения, при этом определяют значение x_max, при котором функция F имеет максимальное значение F_max, устанавливают F₀ - пороговое значение, и при F_max<F₀ констатируют присутствие проводящего объекта в контролируемой области пространства, при F_max>F₀ и x_max>x_{пороговое}, где x_{пороговое} - установленное минимальное значение размеров объекта, констатируют присутствие диэлектрического объекта в контролируемой области пространства, а при F_max>F₀ и x_max<х_{пороговое} констатируют отсутствие объектов в контролируемой области пространства, RU 2014129117 A1, опубл. 10.02.2016.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Благодаря тому что регистрацию сигнала, несущего информацию об объекте, находящемся в контролируемой области пространства, осуществляют после прохождения сигналом этой области, достигается технический результат, состоящий в исключении необходимости построения СВЧ-изображения, трехмерного видеоизображения и последующего сравнения СВЧ- и видеоизображений, поскольку в заявленном способе происходит определение длин оптического пути СВЧ-излучения, проходящего через контролируемую область, в присутствии и в отсутствие в ней объекта. Таким образом исключаются ошибки, связанные с построением и сравнением СВЧ- и видеоизображений. При этом упрощается и удешевляется реализация способа, так как исключается необходимость наличия дорогостоящего специального видеооборудования. Поскольку способ-прототип не базируется на регистрации рассеянного излучения, уровень регистрируемых сигналов, практически, не ослабляется, в результате чего увеличивается отношение сигнал/шум, что позволяет уменьшить ошибки в результатах при осуществлении способа.

Недостатками прототипа являются:

- невозможность определить диэлектрическую проницаемость объекта и выявить опасные диэлектрические объекты,

- невозможность определить положение объекта в пространстве и его размеры.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности выявления опасных диэлектрических объектов за счет определения их диэлектрической проницаемости и сравнения ее с диэлектрической проницаемостью, характерной для опасных диэлектрических объектов, а также обеспечение возможности определения положения выявленного объекта в пространстве и его размеров.

Согласно изобретению в способе дистанционного досмотра багажа в контролируемой области пространства, включающем облучение этой области когерентным СВЧ-излучением на наборе частот, регистрацию сигнала после прохождения сигналом этой области с помощью нескольких каналов регистрации и обработку зарегистрированного сигнала, который несет информацию о диэлектрических объектах в багаже, согласно изобретению облучение области СВЧ-излучением осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, а при обработке зарегистрированного сигнала определяют множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре излучатель-регистратор на наборе частот, затем вычисляют распределение плотности удлинения оптического пути в конкретной области пространства методом обратного проецирования, выделяют непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути методом сегментации трехмерного изображения, затем для каждого выделенного непрерывного участка вычисляют среднюю плотность удлинения оптического пути ρ, положение и размеры диэлектрического объекта, диэлектрического объекта, находящегося в багаже, в системе координат (x, y, z), диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат, при этом:

среднюю плотность удлинения оптического пути ρ вычисляют по формуле:

где:

ρ - средняя плотность удлинения,

N - количество вокселей (аналог двумерных пикселов для трехмерного пространства) в выделенном непрерывном участке,

ρ_i - плотность удлинения в i-м вокселе,

размеры объекта в системе координат (x, y, z) вычисляют по формуле:

L_i=6σ_i, где:

где:

i - x, y или z координата,

N - количество вокселей в выделенном непрерывном участке,

r_ij - координата j-гo вокселя по i-й координате,

μ_i - i-я координата центра выделенного непрерывного участка,

диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат вычисляют по формуле:

где:

ε - диэлектрическая проницаемость,

ρ - средняя плотность удлинения оптического пути для диэлектрического объекта,

Lx - размер по оси х,

Lz - размер по оси z,

при этом задают значения ε_ниж и ε_верх, которые характерны для опасных диэлектрических объектов, и при ε_ниж<ε<ε_верх констатируют присутствие опасного диэлектрического объекта в контролируемой области пространства.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «Новизна».

Благодаря тому что облучение области СВЧ-излучением осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, обеспечивается возможность вычисления распределения плотности удлинения оптического пути, соответствующего определенной паре излучатель-регистратор на наборе частот в конкретной области пространства, что позволяет определить положение объекта в пространстве, его размеры и диэлектрическую проницаемость, которую сравнивают с диэлектрической проницаемостью, характерной для опасных диэлектрических объектов, и тем самым выявляют опасный объект.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат.

Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «Изобретательский уровень».

Реализация способа поясняется конкретным примером.

Для осуществления дистанционного досмотра багажа, находящегося в контролируемой области, эту область облучают когерентным СВЧ-излучением последовательно набором из 32 фиксированных эквидистантных частот в диапазоне 8-18 ГГц. Облучение производят с помощью множества элементарных излучателей, собранных в конкретном примере в два массива по 16×16 элементарных передающих антенн. Прошедший через контролируемую область пространства сигнал регистрируют в данном примере с помощью 6-и широкополосных антенн Вивальди, расположенных в различных точках пространства так, чтобы обеспечивать достаточно широкую область геометрических пересечений. Антенны Вивальди связаны с регистратором.

В данном примере размеры области в ширину, высоту и глубину соответственно составляли 80×30×30 см (размеры по осям X, Y и Z). В качестве объекта поиска использовали брусок из поливинилхлорида размером 15×15×8 см с заранее измеренной диэлектрической проницаемостью ε=4,0±0,2. Исследуемый объект помещали в чемодан размером 80×60×40 см. Заранее были установлены верхний и нижний пороги диэлектрической проницаемости: ε_ниж=2.5 и ε_верх=5, характерные для опасных диэлектрических объектов.

Определяли множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре излучатель-регистратор на наборе частот, затем вычисляли распределение плотности удлинения оптического пути в конкретной области пространства методом обратного проецирования (см. Троицкий И.Н. Статистическая теория томографии. Москва: Радиосвязь, 1989 г., стр. 25, формула 1.48), выделяли непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути методом сегментации 3-мерного изображения (см. выкопировку с сайта в Интеренете: Wolfram Language System. Documentation Center, http://reference.wolfram.com/language/guide/3DImages.html, http://reference.wolfram.com/language/guide/Segmentation Analysis.html, http://reference.wolfram.com/language/ref/ArrayComponents.html), аналитически для каждого выделенного участка вычисляли среднюю плотность удлинения ρ оптического пути, положение и размеры диэлектрического объекта, находящегося в багаже, в системе координат (x, y, z), диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат.

Среднюю плотность удлинения оптического пути ρ вычисляли по формуле:

где:

ρ - средняя плотность удлинения,

N - количество вокселей (аналог двумерных пикселов для трехмерного пространства) в выделенном непрерывном участке,

ρ_i - плотность удлинения в i-м вокселе.

В данном примере ρ=13,7194 см.

Размеры объекта в системе координат (x, y, z) вычисляли по формуле:

L_i=6σ_i, где:

где:

где:

i - x, y или z координата,

N - количество вокселей в выделенном непрерывном участке,

r_ij - координата j-гo вокселя по i-й координате,

μ_i - i-я координата центра выделенного непрерывного участка.

В примере положение объекта - (-20.7778; 0.253086; -19.3025) см и размеры объекта в системе координат (x, y, z) составили L_x=16.9645 см, L_y=10.6471 см, L_z=10.8513 см.

Диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат вычисляли по формуле:

где:

ε - диэлектрическая проницаемость,

ρ - средняя плотность удлинения оптического пути для диэлектрического объекта,

Lx - размер по оси х,

Lz - размер по оси z.

В данном примере диэлектрическая проницаемость ε=4.14736.

Сравнивали полученное значение диэлектрической проницаемости ε=4.14736 со значениями ε_ниж=2,5 и ε_верх=5, которые характерны для опасных диэлектрических объектов.

Таким образом, выполняется условие ε_ниж<ε<ε_верх, при котором констатируют присутствие опасного диэлектрического объекта в контролируемой области пространства.

Данный способ обеспечивает возможность выявления опасных диэлектрических объектов в багаже, а также обеспечивает возможность определения положения выявленного объекта в пространстве и его размеров.

Использование: для дистанционного досмотра багажа. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют облучение контролируемой области пространства когерентным СВЧ-излучением на наборе частот, регистрацию сигнала после прохождения сигналом этой области с помощью нескольких каналов регистрации и обработку зарегистрированного сигнала, который несет информацию о диэлектрических объектах в багаже, при этом облучение области СВЧ-излучением осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, а при обработке зарегистрированного сигнала определяют множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре излучатель-регистратор на наборе частот, затем вычисляют распределение плотности удлинения оптического пути в конкретной области пространства, выделяют непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути, затем для каждого выделенного участка вычисляют среднюю плотность удлинения ρ оптического пути, положение и размеры диэлектрического объекта, находящегося в багаже, в системе координат (x, y, z), диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат, причем диэлектрическую проницаемость вычисляют по заданной математической формуле, задают значения ε_ниж и ε_верх, которые характерны для опасных диэлектрических объектов, и при ε_ниж<ε<ε_верх констатируют присутствие опасного диэлектрического объекта в контролируемой области пространства. Технический результат: обеспечение возможности выявления опасных диэлектрических объектов, а также обеспечение возможности определения положения выявленного объекта в пространстве и его размеров.

Способ дистанционного досмотра багажа в контролируемой области пространства, включающий облучение этой области когерентным СВЧ-излучением на наборе частот, регистрацию сигнала после прохождения сигналом этой области с помощью нескольких каналов регистрации и обработку зарегистрированного сигнала, который несет информацию о диэлектрических объектах в багаже, отличающийся тем, что облучение области СВЧ-излучением осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, а при обработке зарегистрированного сигнала определяют множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре излучатель-регистратор на наборе частот, затем вычисляют распределение плотности удлинения оптического пути в конкретной области пространства методом обратного проецирования, выделяют непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути методом сегментации трехмерного изображения, затем для каждого выделенного непрерывного участка вычисляют среднюю плотность удлинения оптического пути ρ, положение и размеры диэлектрического объекта, находящегося в багаже, в системе координат (х, y, z), диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат, при этом:

среднюю плотность удлинения оптического пути ρ вычисляют по формуле:

,

где:

ρ - средняя плотность удлинения,

N - количество вокселей в выделенном непрерывном участке,

ρ_i - плотность удлинения в i-м вокселе,

размеры объекта в системе координат (х, y, z) вычисляют по формуле:

L_i=6σ_i, где:

,

где:

,

где i - х, y или z координата,

N - количество вокселей в выделенном непрерывном участке,

r_ij - координата j-гo вокселя по i-й координате,

μ_i - i-я координата центра выделенного непрерывного участка,

диэлектрическую проницаемость диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат вычисляют по формуле:

,

где:

ε - диэлектрическая проницаемость,

ρ - средняя плотность удлинения оптического пути для диэлектрического объекта,

Lx - размер по оси х,

Lz - размер по оси z,

при этом задают значения ε_ниж и ε_верх, которые характерны для опасных диэлектрических объектов, и при ε_ниж<ε<ε_верх констатируют присутствие опасного диэлектрического объекта в контролируемой области пространства.