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

Изобретение относится к области дистанционного обнаружения объектов, в частности к способам обнаружения диэлектрических взрывчатых веществ, скрытых под одеждой на теле человека и в носимом багаже.

В настоящее время проблема обнаружения бомб, скрытых на теле террориста и его ручном багаже, является весьма актуальной и важной.

Для решения этой задачи применяются, в основном, способы, основанные на использовании металлодетекторов, детекторов паров, рентгеновского оборудования, служебных собак и др. Ведутся работы по созданию способов досмотра тела человека, основанных на новых физических принципах: на основе эффекта ядерного квадрупольного резонанса, обратного комбинационного рассеяния, диэлектрических порталов, пассивных и активных приборов для досмотра тела человека в террагерцовом диапазоне, пассивных радаров миллиметрового диапазона, активных микроволновых порталов.

Указанные способы не обеспечивают в достаточной степени возможность дистанционного и скрытного досмотра, а значит, не позволяют вовремя обнаружить террориста-смертника и принять меры к его обезвреживанию прежде, чем он приведет взрывное устройство в действие. Другим серьезным недостатком существующих способов является высокий уровень ложных тревог, что делает малоэффективным их применение в реальных условиях досмотра больших потоков людей.

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

- дистанционность досмотра;

- возможность осуществления скрытного досмотра;

- автоматический режим досмотра;

- обнаружение как диэлектриков, так и проводников;

- осуществление досмотра в режиме реального времени;

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

- возможность привязки сигнала опасности к конкретному человеку;

- мобильность системы и относительно невысокая стоимость.

Известен способ обнаружения предметов, скрытых под одеждой не только металлических, но и неметаллических, типа взрывчатки, скрытой под одеждой; с помощью радиоприемной антенны, сфокусированной на небольшом участке поверхности тела человека, принимают электромагнитные волны, излученные этим участком, затем с помощью радиометра и сопряженного с ним блока обработки измеряют интенсивность принятого сигнала, регистрируя при этом положение луча. Измеренную интенсивность принятого сигнала отображают в виде интенсивности свечения экрана дисплея и по распределению интенсивности определяют наличие или отсутствие металлических или неметаллических предметов, RU 2133971 С1, 27.07.1999.

Недостатком этого способа является низкая контрастность получаемого изображения, поскольку данный способ не позволяет четко дифференцировать неметаллические предметы и тело человека ввиду прозрачности диэлектрика в используемом диапазоне излучения.

Известен также 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 приемопередающих 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 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 С1, 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_o, где l_o - заданное пороговое значение l, констатируют отсутствие у цели скрытого диэлектрического объекта в количестве, превышающем предельно допустимое значение, а при l≥l_o дополнительно определяют наличие впадин в трехмерном СВЧ-изображении в областях, где l≥l_o и при глубине h впадины больше , где h_o - пороговое значение h, ε - значение диэлектрической проницаемости искомого диэлектрического объекта, констатируют наличие у цели скрытого диэлектрического объекта, RU 2411504 С1, 10.02.2011.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостатки прототипа 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 прототипа 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-прототип 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.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и достоверности результатов дистанционного досмотра цели, в частности дистанционного обнаружения объектов в контролируемой области пространства, а также обеспечение возможности осуществления досмотра цели при отсутствии достаточной освещенности контролируемой области.

Согласно изобретению в способе дистанционного обнаружения скрытых объектов в контролируемой области пространства, включающем 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,

с - 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,

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

Фсn_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<x_{пороговое} констатируют отсутствие объектов 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 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. Следует отметить, что при этом упрощается и удешевляется реализация способа, так как исключается необходимость наличия дорогостоящего специального видеооборудования. Поскольку заявленный способ 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. Кроме того, достигается важный технический результат, состоящий в обеспечении возможности досмотра цели при недостаточном освещении (или его полном отсутствии) контролируемой области, необходимого для регистрации видеоизображения.

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 цели, в частности для обнаружения скрытого объекта, находящегося в контролируемой области, эту область облучают когерентным СВЧ-излучением последовательно на 16 фиксированных частотах в пределах диапазона 8-18 ГГц. Облучение производят с помощью элементарного излучателя, представляющего в конкретном примере коммутируемую антенную решетку, состоящую из 256 элементарных передающих антенн. Прошедший через контролируемую область пространства сигнал регистрируется в данном примере с помощью широкополосной антенны Вивальди, связанной с регистратором, расположенным с противоположной стороны контролируемой зоны по отношению к излучающей антенне на расстоянии 1 метр. На линии соединяющей излучатель и регистратор (ось х) в конкретном примере располагался диэлектрический объект (материал пчелиный воск) с коэффициентом диэлектрической проницаемости равным 2.8 и толщиной равной 20 см вдоль оси х.

Для примера рассматривается одна пара излучатель-регистратор. Был выбран излучатель, расположенный посередине антенной решетки, состоящей из 256 передающих антенн, и для данной пары излучатель-регистратор на основе когерентной обработки принятых компонент сигналов Аобъект_k, Фобьект_k, Асn_k, Фсn_k на всех 16 частотах[ излучения аналитически рассчитываются значения функции F в зависимости от аргумента х исходя из формулы:

,

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,

с - 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,

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

Фсn_k - фаза зарегистрированного сигнала на k-й частоте излучения в отсутствие объекта в контролируемой области пространства.

Устанавливают F₀ - пороговое значение, которое экспериментально определяется в зависимости от уровня шумов системы излучения и регистрации, в данном примере F₀=0.1. Аналитически, без перемещения регистратора, определяют x_max - значение координаты по оси х, соединяющей регистратор и источник СВЧ-излучения, при котором функция F имеет максимальное значение F_max. Устанавливают x_{пороговое} - минимальное значение размеров объекта, в данном примере х_{пороговое}=4 см.

В данном конкретном примере для объекта толщиной 20 см и относительной диэлектрической проницаемостью 2.8 значение F_max равняется 0.75 и соответствующее ему значение x_max равно 13.46 см.

Таким образом, выполняется условие F_max>F₀ и x_max>x_{пороговое}, при котором констатируют присутствие диэлектрического объекта в контролируемой области пространства. При F_max>F₀ и x_max<x_{пороговое} констатируют отсутствие объектов в контролируемой области пространства. Присутствие проводящего объекта в контролируемой области пространства констатируют при F_max<F₀.

Данный способ обеспечивает значительное повышение точности и достоверности результатов дистанционного досмотра цели, в частности дистанционного обнаружения скрытых объектов в контролируемой области пространства, а также возможность его реализации при недостаточной освещенности контролируемой области или в полной темноте, что в ряде случаев весьма важно.

Использование: для обнаружения диэлектрических взрывчатых веществ, скрытых под одеждой на теле человека и в носимом багаже. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют облучение контролируемой 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, причем регистрацию сигнала, несущего информацию о скрытом объекте, находящемся в контролируемой области пространства, осуществляют после прохождения сигналом этой области, затем определяют зависимость заданной функции от х - координаты по оси, соединяющей регистратор и источник СВЧ-излучения, при этом определяют значение х_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<x_{пороговое} констатируют отсутствие объектов в контролируемой области пространства. Технический результат: повышение точности и достоверности результатов дистанционного обнаружения скрытых объектов, а также возможность осуществления досмотра цели при отсутствии достаточной освещенности контролируемой области.

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, отличающийся тем, что 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,

с - 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,

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

Фсn_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>х_{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.