МЕТОД ДИСТАНЦИОНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И АНАЛИЗА ОБЪЕКТОВ Российский патент 2018 года по МПК G01S13/88 G01S17/36 

[001] Данная патентная заявка имеет приоритет и включает полностью по ссылке патентную заявку США №14/319,222 «МЕТОД ДИСТАНЦИОННОГО ДОСМОТРА И АНАЛИЗА ОБЪЕКТОВ», поданную 30 июня 2014 года, которая имеет приоритет относительно предварительной заявки на патент США №61/905,940, поданной 19 ноября 2013 года; она также имеет приоритет относительно патентной заявки США на частичное продолжение №14/160,895 «УСТРОЙСТВО И МЕТОД НА ОСНОВЕ АКТИВНОГО МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ», поданной 22 января 2014 года; она также имеет приоритет относительно заявки на патент США №14/259,603 «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ДОСМОТРОВЫЙ БАРЬЕР И СИСТЕМА», поданной 23 апреля 2014, которая имеет приоритет относительно предварительной заявки на патент США №61/945,921, поданной 28 февраля 2014 года.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[002] Данная группа изобретений относится к методам дистанционного обнаружения объектов и измерения диэлектрических характеристик таких объектов в реальном времени. В частности, она относится к методам обнаружения взрывчатых веществ, скрытых на теле человека, в ручной клади или в рюкзаках.

ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[003] До настоящего дня проблема обнаружения так называемых террористов-смертников, переносящих бомбы на теле с возможностью их активации мгновенно при малейшем признаке того, что служба безопасности намеревается их задержать, является значительной проблемой безопасности.

[004] В настоящее время используются металлодетекторы и различные типы следовых детекторов, рентгеновские установки и специально натренированные собаки. Также в настоящий момент в различных странах разрабатываются подходы к обнаружению подобного типа опасностей, например детекторы, основанные на следующих принципах: ядерный квадрупульный резонанс, Рамановское рассеяние, диэлектрические порталы, пассивные и активные устройства для досмотра тела человека (терагерцовый диапазон), пассивные радары (миллиметровый диапазон) и активные микроволновые порталы.

[005] У современных методов и устройств досмотра отсутствуют важные характеристики: они не могут производить досмотр скрытно (т.е. они не могут обнаружить террориста-смертника в реальном времени или дать время на осуществление его задержания до того, как он активирует взрывное устройство); они не могут автоматически определить уровень опасности/угрозы обнаруженного объекта и имеют высокий уровень ложных срабатываний, который ограничивает использование таких устройств в реальных условиях, т.е. на движущемся потоке людей.

[006] Предыдущие методы в целом не имеют почти половины из ниже перечисленных свойств: удаленный досмотр; автоматический досмотр; досмотр в реальном времени; скрытый досмотр; независимости от внешних условий; безопасность для здоровья человека; возможность сопоставить сигнал тревоги с реальным человеком; мобильность; и сравнительно низкая стоимость.

[007] Настоящее изобретение представляет собой способ (метод) дистанционного обнаружения объектов, основанный на измерении толщины указанного объекта и дальнейшего расчета значения диэлектрической постоянной; производится сравнение указанного значения диэлектрической постоянной со значением в базе данных, содержащей набор значений диэлектрической постоянной, так что можно определить, к какой предварительно отобранной группе объектов принадлежит обнаруженный объект и принадлежит ли он к предварительно отобранной группе опасных объектов. Например, подобную предварительную группу могут составлять товары, украденные из магазина. Предварительно отобранная группа опасных объектов может быть, в частности, сформирована группой взрывчатых веществ или группой самодельных взрывных устройство (СВУ).

[008] Существует целый набор методов для измерения значения комплексной диэлектрической постоянной твердых веществ, основанных на использовании высоких частот. Методы, использующие частоты в микроволновом диапазоне, основаны на свойствах электромагнитных волн, проходящих через среду, или свойствах волновых процессов на границах двух сред. Все известные методы регистрируют изменение фазы, когда микроволны проходят через диэлектрический объект. Данные методы связывают изменение значения фазы и значение диэлектрической постоянной интересующего материала. Данные связи могут отличаться в каждом частном случае, что объясняет разнообразие методов измерения, используемых для определения комплексной диэлектрической постоянной материала (ε=ε'+ε'') и коэффициента затухания (tan(δ)=ε''/ε'), где ε' и ε'' реальные и воображаемые части диэлектрической постоянной соответственно.

[009] Существует несколько методов для измерения диэлектрической постоянной материала, основанных на анализе сигнала на высоких и супервысоких частотах:

[0010] (1) Методы, использующие направленные волны: волноводные методы, использующие коаксиальные кабели и прямоугольные волноводы; используя один из наиболее распространенных волноводных методов - метод короткого замыкания - можно определить характеристики диэлектрического образца, расположенного на замыкающемся конце волновода, на основании данных о фазе и коэффициенте прохождения волны по кабелю.

[0011] (2) Резонансные методы, измеряющие резонансные частоты и качественные коэффициенты.

[0012] (3) Методы, которые используют свойства волн в свободном пространстве, например, основанные на измерении коэффициентов отражения и прохождения, т.е. квази-оптические методы, используемые для измерения характеристик волны в свободном пространстве.

[0013] Выбор метода, который будет использоваться, зависит от типа измерений (лабораторные исследования, промышленный неразрушающий контроль и т.д.), диапазона частот и характеристик материала. Основным недостатком второго и третьего методов, описанных выше (2, 3), является невозможность их использования при наличии объектов странной и нестандартной формы. Такие методы могут производить измерения на образцах материалов с двумя плоскими поверхностями (например, прямоугольной формы). Но наличие множества различных вариантов форм опасных диэлектрических объектов требует улучшения существующих методов для проведения дистанционного досмотра исследуемого пространства и для определения диэлектрических характеристик всех объектов, даже тех, которые имеют нестандартную форму.

[0014] Также методы использующие направленные волны (1, выше) и резонансные методы (2, выше) наиболее точные методы, если брать волны дециметрового и сантиметрового диапазонов; однако, они требуют использования образцов, которые бы подходили бы под поперечное сечение волновода или резонансной линии.

[0015] Наиболее близким из предыдущих методов к представленному методу измерения диэлектрической постоянной является метод, описанный в патенте РФ №2418269, «Метод и устройство для томографических измерения многофазового потока". Данный описанный метод основан на облучении диэлектрической многофазовой жидкой среды (смесь газа и жидкости), расположенной внутри трубки Вентури, электромагнитными волнами микроволнового диапазона, и также включает регистрацию и анализ прошедшего поля. Комплексная диэлектрическая постоянной определяется путем измерения фазовой постоянной и коэффициента затухания планарной электромагнитной волны, проходящей внутри трубки Вентури. Этот метод включает измерение разницы между фазами электромагнитных волн на двух приемных антеннах, расположенных внутри трубки на различных расстояниях от третьей, передающей антенны. Фаза измеряется на двух и более частотах в диапазоне от 1 МГц до 10 ГГц. Коэффициент затухания измеряется так же, как и фазовая постоянная проходящей волны, за исключением того, что вместо разницы фаз рассчитывается разница в затухании, (где = комплексный коэффициент распространения, коэффициент затухания, а = фазовая постоянная волны) is estimated.

[0016] К недостаткам вышеописанного метода можно отнести следующее: (1) требование использовать по меньшей мере 3 антенны (1 передающую и две принимающих); (2) требование использовать диэлектрическую жидкость внутри специальной трубки Вентури, что не позволяет производить измерения на твердых объектах или проводить дистанционный скрытый досмотр и обнаружение; (3) принимающая антенна располагается близко к передающей антенне, поэтому модель прохождения планарной волны должна быть скорректирована с учетом (а) зависимости между расстоянием между принимающими антеннами и длиной волны, которую они принимают, и (б) слабой зависимостью между расстоянием и проводимостью необходимой жидкой многофазовой среды (дополнительные зависимости, которые требуется добавить в алгоритм, что делает расчеты более сложными и времени затратными); (4) метод может использоваться только в лабораторных условиях (например, обнаружение плоских/простых объектов).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность изобретения в части способа заключается в том, что способ обнаружения и досмотра объекта в контролируемом (исследуемом) пространстве между, по меньшей мере, одним передатчиком и, по меньшей мере, одним приемником, предусматривает, что передатчиком осуществляется излучение электромагнитного/микроволнового сигнала через контролируемое пространство при отсутствии и при наличии объекта, находящегося в этом пространстве, и получение приемником сигнала, прошедшего через контролируемое пространство, с регистрацией комплексной амплитуды, модуль и аргумент которой равны соответственно амплитуде и фазе сигнала, полученного приемником, а также сравнение значения комплексной амплитуды сигнала, полученного и регистрируемого приемником при наличии объекта в контролируемом пространстве, с предварительно заданным пороговым значением, причем в случае превышения регистрируемой величиной этого порогового значения, по зарегистрированным значениям комплексной амплитуды производится определение изменения оптической длины пути сигнала через контролируемое пространство при наличии объекта, по сравнению с оптической длиной пути сигнала через контролируемое пространство при отсутствии в нем объектов, с последующим измерением толщины объекта, находящегося в контролируемом пространстве, и вычислением по полученным данным значения диэлектрической проницаемости указанного объекта, которая сравнивается с значениями диэлектрической проницаемости, имеющимися в предварительно созданной базе значений диэлектрической проницаемости опасных и неопасных объектов, для определения принадлежит ли объект, находящийся в контролируемом пространстве, к опасным объектам.

Предпочтительно, предусматривает определение и сравнение оптической длины пути сигнала через контролируемое пространство, измеренного при наличии объекта, с оптической длиной пути сигнала через контролируемое пространство, измеренного при отсутствии объектов, по соотношению значений комплексных амплитуд, соответствующих наличию и отсутствию объекта в контролируемом пространстве.

Предпочтительно, толщина объекта измеряется вдоль прямой линии между передатчиком и приемником.

Предпочтительно, толщина указанного объекта измеряется с использованием набора видеокамер, расположенных с возможностью обзора контролируемого пространства и формирования соответствующего стереоизображения.

Предпочтительно, одновременно с измерением длины оптического пути с использованием набора видеокамер измеряются геометрические размеры и форма досматриваемого объекта и осуществляется воссоздание трехмерного оптического стереоизображения объекта.

В частных случаях реализации способа передатчик передает сигналы с помощью одной антенной решетки и приемник принимает сигналы с помощью одной антенны.

В частных случаях реализации способа передатчик передает сигналы с помощью одной антенной решетки и приемник принимает сигналы с помощью двух антенных решеток.

В частных случаях реализации способа передатчик передает сигналы с помощью одной антенной решетки и приемник принимает сигналы с помощью трех антенных решеток.

В частных случаях реализации способа передатчик передает сигналы с помощью нескольких антенн, расположенных по окружности, и приемник принимает сигналы с помощью нескольких антенн, расположенных по окружности.

В частных случаях реализации способа передатчик передает сигналы с помощью двух антенн, расположенных напротив двух антенн приемника.

Предпочтительно, формируют видеоизображение объекта для его досмотра в контролируемом пространстве в реальном времени.

Предпочтительно, осуществляют подачу сигнала тревоги или подтверждения безопасности при выявлении объекта, принадлежащего, соответственно, к предварительно отобранной группе опасных или неопасных объектов.

В частных случаях реализации способа сигнал подтверждения или тревоги формируется беззвучным.

Сущность изобретения в части устройства заключается в том, что система обнаружения и досмотра объекта в контролируемом (исследуемом) пространстве содержит: передатчик для передачи электромагнитного/микроволнового сигнала через контролируемое пространство и любой объект на пути указанного сигнала, приемник для приема указанного сигнала после того, как он прошел через контролируемое пространство и любой объект на пути указанного сигнала, средства измерения толщины указанного объекта, и блок обработки и формирования, выполненный с возможностью:

- хранения предварительно заданного порогового значения комплексной амплитуды, модуль и аргумент которой равны соответственно амплитуде и фазе сигнала;

- хранения базы значений диэлектрической постоянной, соответствующей группам опасных или неопасных объектов;

- определения комплексной амплитуды, модуль и аргумент которой равны соответственно амплитуде и фазе сигнала, полученного приемником;

- сравнения значения комплексной амплитуды сигнала, полученного и регистрируемого приемником при наличии объекта в контролируемом пространстве, с предварительно заданным пороговым значением;

- выявления случая превышения регистрируемой величиной этого порогового значения;

- определения по зарегистрированным значениям комплексной амплитуды изменения оптической длины пути сигнала через контролируемое пространство при наличии объекта, по сравнению с оптической длиной пути сигнала через контролируемое пространство при отсутствии в нем объектов;

- измерения и сохранения измеренного значения толщины объекта, находящегося в контролируемом пространстве;

- вычисления по полученным данным значения диэлектрической проницаемости объекта;

- сравнения значения диэлектрической проницаемости объекта со значениями диэлектрической проницаемости, имеющимися в базе значений диэлектрической проницаемости опасных и неопасных объектов;

- определения принадлежит ли объект, находящийся в контролируемом пространстве, к опасным объектам,

при этом блок обработки снабжен системой получения видеоизображения, с возможностью создания портала для прохождения объекта и его досмотра в контролируемом пространстве в реальном времени, а также средствами подачи сигнала тревоги или подтверждения безопасности при выявлении объекта, принадлежащего, соответственно, к предварительно отобранной группе опасных или неопасных объектов.

[0017] В некоторых случаях, изменение длины оптического пути рассчитывается через преобразование Фурье, применяемого к соотношению между комплексными амплитудами сигнала в присутствии объекта в исследуемом пространстве и комплексными амплитудами сигнала в отсутствии объекта в исследуемом пространстве.

[0018] В некоторых случаях, несколько ЭМ/МВ сигналов, распределенных в пространстве, можно объединить для получения карты распределения значений диэлектрической постоянной в реальном времени.

[0019] В некоторых случаях, метод также включает передачу подтверждающего или сигнала опасности при наличии в пространстве объекта, относящегося к определенной группе опасных или неопасных объектов. В некоторых случаях, сигнал тревоги беззвучный, например, визуальный или с применением вибрации. Беззвучный сигнал - это любой сигнал, который не будет замечен человеком, несущим или прячущим объект, относящийся к предварительно отобранной группе объектов.

[0020] В некоторых случаях, метод также включает использование одного или более дополнительных передатчиков, передающих ЭМ/МВ сигнал на указанный приемник. В некоторых случаях метод также включает использование одного или более дополнительных передатчиков, принимающих ЭМ/МВ сигнал с единственного или более передатчиков. В некоторых случаях, один передатчик включает решетку передающих антенн. В некоторых случаях, один приемник включает решетку приемных антенн. В некоторых случаях, один передатчик включает решетку передающих антенн и один приемник включает решетку приемных антенн. В некоторых случаях, каждый один передатчик соответствует только одному приемнику и каждый приемник соответствует только одному передатчику.

[0021] В некоторых случаях, метод может обнаруживать объект, имеющий нестандартную форму. В других случаях метод обнаруживает объекты правильной формы.

[0022] В некоторых случаях, объект обнаруживается в пространстве и времени, когда он движется сквозь исследуемую область.

[0023] В некоторых случаях, объект является оптически прозрачной средой. В некоторых случаях, объект является оптически непрозрачной средой.

[0024] Описывается также система для обнаружения объектов в исследуемом пространстве, основанная на методах, описанных здесь.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0025] На Фиг. 1 показан пример расчетов преобразования Фурье для «свободного пространства».

[0026] На Фиг. 2 показан пример расчетов преобразования Фурье, когда диэлектрик находится между приемником и передатчиком.

[0027] На Фиг. 3 показан пример расчетов преобразования Фурье, когда между приемником и передатчиком находится проводник.

[0028] На Фиг. 4 показан пример составления карты распределения, полученной описываемым здесь методом. На Фиг. 4А показан сценарий при отсутствии объектов в исследуемом пространстве (т.е. между приемником и передатчиком) и соответствующая карта. На Фиг. 4 В показан сценарий при нахождении диэлектрика в исследуемом пространстве и соответствующая карта. На Фиг. 4С показан сценарий при нахождении проводника в исследуемом пространстве и соответствующая карта. На Фиг. 4D показан сценарий при нахождении как диэлектрика, так и проводника в исследуемом пространстве, и соответствующая карта..

[0029] На Фиг. 5А показан пример конфигурации устройства, когда одна антенная решетка передает сигналы и одна приемная антенна принимает данные сигналы.

[0030] На Фиг. 5В показан пример конфигурации устройства, когда одна антенная решетка передает сигналы и три приемных антенны принимают данные сигналы.

[0031] На Фиг. 5С показан пример конфигурации устройства, когда одна (передающая) антенная решетка передает сигналы и другая (приемная) антенная решетка принимает данные сигналы.

[0032] На Фиг. 6 показан пример конфигурации устройства с несколькими передающими и принимающими антеннами, расположенными по кругу или в виде сферы вокруг исследуемого пространства.

[0033] На Фиг. 7 показан пример конфигурации устройства, когда две передающих антенных решетки расположены напротив принимающих антенн, и данных механизм получения MB изображения соединен с системой получения видеоизображения, что создает портал для прохождения целей и их досмотра в реальном времени.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0034] Настоящее изобретение значительно расширяет применение методов, описанных выше, в частности потому, что позволяет обнаруживать и определять расположение объектов всех форм, находящихся в пространстве на каком-либо расстоянии (т.е., дистанционное обнаружение), и автоматически измерять диэлектрическую постоянную объекта, а затем классифицировать объект, соотнося его с предварительно отобранной группой объектов, осуществляя это в реальном времени.

[0035] Метод определения диэлектрической постоянной материала включает анализ амплитуды и фазы прошедшего широкополосного квази-когерентного микроволнового излучения (рекомендуемый диапазон частот 8-18 ГГц), которое проходит через исследуемое пространство. К преимуществам настоящего изобретения можно отнести: (1) создание «карты диэлектрической проницаемости» исследуемого пространства и автоматический анализ, определение соответствующей области (т.е. сохраненного значения для материала) с тем же значением диэлектрической постоянной; (2) регистрация изменения «карты диэлектрической проницаемости» в реальном времени для измерения диэлектрической постоянной движущейся цели (не только с целью обнаружения, но и с целью наблюдения за движущимися диэлектрическими целями); (3) регистрация распределения диэлектрической постоянной (i) в пространстве и (ii) времени; (4) определение диэлектрической постоянной объекта нестандартной формы (т.е. любой формы); (5) определение диэлектрической постоянной для оптически прозрачных и оптически непрозрачных сред.

[0036] В соответствии с описанным здесь методом, обследование объекта, находящегося в исследуемом (контролируемом) пространстве, основывается на анализе параметров квази-когерентного микроволнового излучения, прошедшего сквозь область досмотра. Такой анализ позволяет определить диэлектрическую постоянную, форму и объем объекта, проносимого на теле или в багаже.

[0037] Настоящий метод определения диэлектрической постоянной объекта основан на эффекте удлинения оптического пути электромагнитного излучения в контролируемом пространстве, когда оно проходит через диэлектрический объекта. Например, если диэлектрический объект с толщиной (t) и диэлектрической постоянной (ε), расположен между приемником и передатчиков, при этом приемник и передатчик располагаются на расстоянии (L) друг от друга, то оптический путь будет равен Одним из методов определения удлинения оптического пути электромагнитного излучения является преобразование Фурье, при этом значения соответствующие изменению фазы и амплитуды электромагнитного излучения, прошедшего через поле с диэлектрическим объектом в нем, сравниваются с фазой и амплитудой для того же поля, но при отсутствии в нем объектов (т.е. для «свободного пространства»).

[0038] В одной из реализаций модуль числа преобразования Фурье выражается следующей формулой:

[0039] Рабочая форма выше включает следующие переменные:

[0040] относительная амплитуда, j = номер частоты; где

[0041] Amp_j = амплитуда полученного сигнала для частоты j, прошедшего через исследуемый объем, j = номер частоты; и где

[0042] Ampfree_j = амплитуда в свободном пространстве (т.е. при отсутствии объектов между приемником и предатчиком), j = номер частоты;

[0043] относительная фаза для i-передатчика с номером частоты = j; где

[0044] Phase_j = фаза рабочего сигнала для сигнала, прошедшего через исследуемый объем, j = номер частоты; и где

[0045] Phasefree_j = фаза в свободном пространстве, j = номер частоты;

[0046] Freq_j = значение частоты; j = номер частоты;

[0047] N_ƒ = количество используемых частот; и

[0048] с = скорость света в вакууме.

[0049] Изменение длины оптического пути можно рассчитать на основе распределения AF(dist), и оно равно переменной «dist», где AF(dist) максимальное значение. AF - амплитуда функции преобразования Фурье. «dist» - переменная распределения AF(dist), и ее можно рассматривать так (ось «X», смещенная на значение L (длину оптического пути в свободном пространстве)), как это показано на Фиг. 1-3. В случае «свободного пространства» изменение длины оптического пути равно нулю и максимальное значение AF(dist) достигается при dist = 0.

[0050] Метод, составляющий настоящее изобретение, включает метод обнаружения и анализа объекта в контролируемом (исследуемом) пространстве, включающий: первое излучение электромагнитного/микроволнового (ЭМ/МВ) сигнала одним из передатчиком, после чего сигнал проходит через исследуемое пространство, таким образом ЭМ/МВ сигнал проходит через исследуемое пространство, указанный сигнал проходит через какой-либо объект на своем пути к одному приемнику, расположенному на расстоянии и напротив указанного одного передатчика, указанный приемник регистрирует амплитуду и фазу (т.е. комплексную амплитуду) принятого ЭМ/МВ сигнала, прошедшего через исследуемое пространство; указанный приемник также осуществляет первичную обработку указанного полученного сигнала, чтобы определить, выше ли указанная амплитуда установленного амплитудного порога, указанный приемник также осуществляет и вторичную обработку указанного полученного сигнала, если предустановленное пороговое значение амплитуды превышено; указанная вторичная обработка включает определение изменения длины оптического пути указанного ЭМ/МВ сигнала по сравнению с оптическим путем того же сигнала, прошедшего через свободное пространство; указанное изменение оптического пути происходит при прохождении ЭМ/МВ сигнала через объект, данные об изменении посылаются на процессор, а затем измеряется толщина указанного объекта (обозначаемая t) при помощи какого-либо метода в соответствии с данным изобретением или метода, известного в данной области (к примеру, использование набора видеокамер, расположенных для обзора исследуемого пространства), данные об указанной толщине передаются в обрабатывающий процессор, который затем рассчитывает значение диэлектрической постоянной (ε) указанного объекта через соотношение указанного изменения пути равного и указанный обрабатывающий процессор сравнивает указанное значение диэлектрической постоянной со значениями диэлектрической постоянной в базе данных (к примеру, база данных включает предварительно отобранные группы объектов, которые рассматриваются как опасные или неопасные), чтобы определить к какой из предварительно отобранных групп объектов принадлежит обнаруженный объект и принадлежит ли он к предварительно отобранной группе опасных объектов (т.е. является опасным объектом, к примеру, из-за высокого значения диэлектрической проницаемости).

[0051] В некоторых случаях, изменение длины оптического пути можно рассчитать, применив преобразование Фурье к соотношению комплексных амплитуд сигнала при наличии и при отсутствии объекта (тот же сигнал, проходящий через свободное пространство) в контролируемой/исследуемой области пространства.

[0052] На чертежах 1, 2 и 3 показан пример экспериментальных данных (диапазон частот 8-18 ГГц), полученных методом с применением преобразования Фурье для свободного пространства (т.е. между передатчиком 200 и приемником 100 отсутствуют объекты) (Фиг. 1), когда диэлектрический объект 300 расположен между передатчиком 200 и приемником 100 (Фиг. 2) и когда проводящий объект (т.е. проводник) 400 расположен между передатчиком 200 и приемником 100 (Фиг. 3). Как показано на Фиг. 2 и 3, диэлектрик, расположенный между приемником и передатчиком приводит к смещению максимума в преобразовании Фурье на расстояние, определяемое толщиной диэлектрического объекта (t) и значением его диэлектрической постоянной (ε), соотношение и сдвиг равны значению t*(ε^0.5-1). Амплитуда функции также меньше, чем амплитуда «свободного пространства» за счет рассеяния и поглощения волн диэлектрическим объектом. Таким образом, задав определенные параметры для поиска - например, диапазон максимального сдвига и диапазон соответствующих амплитуд - можно определить наличие или отсутствие в исследуемой области диэлектрического объекта.

[0053] Как показано на Фиг. 3, когда между приемником и передатчиком располагается проводник (например, человеческое тело), амплитуда максимумов преобразования Фурье в десятки раз ниже, чем значения для свободного пространства. Таким образом, задав порог амплитуды, можно определить наличие в исследуемом пространстве объектов из определенного типа материала. Предустановленные значения амплитуды также помогают отличать проводники от диэлектриков.

[0054] Представленный здесь метод также позволяет создавать «пространственную карту» (или «карту распределений») распределения значений диэлектрической постоянной. Благодаря наличию решетки передающих (или принимающих) антенн - например, антенная решетка, состоящая из множества более мелких элементарных излучателей - преобразование Фурье рассчитывается для каждого такого излучателя. Таким образом, распределение проекций диэлектрических постоянных для обследуемого объекта воссоздается вдоль плоскости антенной решетки. Путем (1) восстановления распределения значений диэлектрической постоянной объектов, расположенных или движущихся в исследуемой области и путем (2) разделения определенных частей данного пространства, в которых значения диэлектрической постоянной соответствуют значениям диэлектрических постоянных реальных взрывчатых веществ или других опасных объектов, данный метод позволяет определить, (1) присутствует ли подобный объект вообще и (2) где именно он располагается. В целом, можно обнаружить любой тип диэлектрического объекта (не только взрывчатые вещества) в зависимости от выбранного порога чувствительности, который может составлять любое значение. Значение диэлектрической постоянной объекта определяется одновременным измерением фазы и амплитуды микроволнового (MB) сигнала, проходящего через досматриваемую область и проходящего (т.е. проходящего сквозь) через движущуюся в исследуемой области цель. Используется один или множество источников MB излучения, и один или множество приемников MB излучения. В некоторых реализациях изобретения, источник (-и) излучения генерирует (-ют) излучение на множестве частот.

[0055] Принимаемый сигнал (или сигналы) используется (-ются) для получения информации об изменениях в длине оптического пути. Микроволновый сигнал, прошедший через исследуемый объект, такой как например, сумка в руках, сравнивается с сигналом, который прошел то же расстояние, но без сумки на пути (т.е. с длиной оптического пути в свободном пространстве). Для того, чтобы определить изменение длины оптического измеряется сдвиг между максимальными значениями (1) сигнала, прошедшего через объект (т.е. преобразованный сигнал, который можно измерить, используя преобразование Фурье, формула которого дана выше) и того же сигнала (2), когда в пространстве объект отсутствовал. Когда измерен «сдвиг», можно определить значение диэлектрической постоянной при помощи формулы где t - толщина объекта и ε - значение диэлектрической постоянной. Значение t может быть измерено различными инструментами и другими известными уже в данной области методами (например, но не исключительно, используя видеосистем для получения соответствующего стереоизображения).

[0056] Распознавание объектов как потенциально опасных по их диэлектрическим свойствам основано на том, что все взрывчатые вещества, например ТНТ, гексоген, тетрил и т.д., имеют реальный числовой коэффициент диэлектрической проницаемости в диапазоне между 2,8 и 7. Обычные предметы, не являющиеся опасными, например пластик или книги, имеют значение диэлектрической постоянной не более 2,5. Таким образом, устанавливая пороги детектирования на основании этой информации, можно обнаружить объект, имеющий аномально высокую диэлектрическую постоянную, который попадает и движется сквозь исследуемую область.

[0057] На Фиг. 4 приведен пример модели распределения для случаев, когда между передающей решеткой 201 и приемником 100 (следует учесть, что приемник, как и передатчик, может иметь форму решетки, хотя в данном примере присутствует только решетка передатчиков) располагается свободное пространство, (Фиг. 4А), есть диэлектрик 300 (Фиг. 4 В), есть проводник 400 (Фиг. 4С), или же есть как диэлектрик 300, так и проводник 400 (Фиг. 4D). Таким образом, в соответствии с распределением на основании преобразования Фурье для различных отдельных излучателей в антенной решетке (например, количество, как близко располагаются сходит отклики и т.д.) можно определить, есть ли в исследуемом пространстве диэлектрический (или иной) объект. Также для исследуемой области можно определить размер объекта (например, при помощи стерео видеосистем).

[0058] В предпочитаемом варианте реализации данного изобретения необходимо определять и физические размеры досматриваемого объекта. Для получения этой информации наряду с микроволновой технологией получения изображения (т.е. с применением преобразования Фурье), описанной здесь, применяются различные дополнительные технологии. Такой комбинированный метод может интегрироваться в различные типы досмотровых систем, используемых для обнаружения потенциально опасных объектов на теле человека (например, взрывчатых веществ). Вместе с измерением длины оптического пути путем воссоздания трехмерного оптического стереоизображения объекта измеряются также геометрические размеры и форма досматриваемого объекта. Это возможно благодаря использованию видеокамер, составляющих стереопару. Обобщенная информация о (1) размерах объекта в исследуемом пространстве и (2) значение сдвига из-за удлинения оптического пути электромагнитных волн выбранного диапазона частот позволяет определить диэлектрическую постоянную объекта. Это значение вместе с измеренными геометрическими размерами и формой объекта, анализируется и затем используется для определения уровня опасности, присвоенного объекту, путем сравнения характеристик объекта с характеристиками опасных объектов, хранящимися в базе данных, включая, но не ограничиваясь, взрывными устройствами и взрывчатыми веществами.

[0059] Предлагаемый метод может быть использован для определения диэлектрической постоянной различных диэлектрических объектов, включая, но не ограничиваясь, твердые и жидкие вещества. Важное условие, при котором работает данный метод, - низкий уровень поглощения излучения исследуемым объектом (предпочтительно и оптимально, чтобы это значение было равно нулю).

[0060] На Фиг. 5А-5С приведены примеры различных конфигураций для описываемого метода. Могут быть использованы один передатчик 200 и один приемник 100, множественные передатчики 200 и/или приемники 100, решетка (или матрица) передатчиков 201 и/или решетка (или матрица) приемников 101 в различных реализациях описываемого здесь изобретения. На Фиг. 5А непосредственно показана решетка передатчика (т.е. передающая решетка антенн) 201, посылающая сигналы (например, электромагнитные, микроволновые и т.д.) 202 на один приемник 100, сигнал проходит через человеческое тело и предметы, переносимые или спрятанные на нем 5, в то время как человек и данные объекты движутся через исследуемую область в каком-либо направлении 40. На Фиг. 5В непосредственно показана передающая решетка 201, посылающая сигналы 202 на решетку приемников (т.е. принимающую решетку) 101, каждый сигнал проходит через человеческое тело и предметы, переносимые или спрятанные на нем 5, в то время как человек и данные объекты движутся через исследуемую область в каком-либо направлении 40. На Фиг. 5С непосредственно показана передающие решетки 201, расположенные с противоположных сторон исследуемого пространства, посылающие сигналы 202 на отдельные соответствующие приемники 100, расположенные на расстоянии напротив соответствующим передающих решеток. Каждый сигнал проходит через человеческое тело и предметы, переносимые или спрятанные на нем 5, в то время как человек и данные объекты движутся через исследуемую область в каком-либо направлении 40.

[0061] На Фиг. 6 показан другой вариант реализации (другая конфигурация) описываемого здесь метода. В данной реализации передатчики 200 и приемники 100 располагаются по кругу (360 градусов) вокруг исследуемой области, что позволяет собирать данные о сигнале с различных углов относительно цели. Такая конфигурация потенциально может быть развита до трехмерной конфигурации из передатчиков и приемников (т.е. сферическое расположение), что создаст еще большее количество углов для сбора данных. Передатчики и приемники могут заменять друг друга, но при этом сам смысл изобретения останется неизменным. Каждый сигнал проходит через человеческое тело и предметы, переносимые или спрятанные на нем 5, в то время как человек и данные объекты движутся через исследуемую область в каком-либо направлении 40.

[0062] На Фиг. 7 детально показана еще одна реализация и конфигурация из передатчиков 200 и приемников 100. В данной реализации исследуемая область располагается в рамках портала, через который постоянной проходят досматриваемые цели. Досмотр осуществляется в реальном времени, пока человек движется сквозь рамку портала. Данная конфигурация включает две передающих решетки 200 (каждая решетка, например, состоит из 512 элементов, при этом каждый элемент передает свой собственный сигнал/волну), расположенных с двух сторон портала, и две приемных антенны 100, расположенных напротив передающей антенной решетки 200 так, чтобы зона досмотра была как можно больше (например, с различными углами для получения вида с различных точек при прохождении волны под различными углами). Конфигурация данной конкретной реализации также включает стереопару видеокамер 500, которые располагаются между двумя передающими антенными решетками 200. Видеокамеры 500 создают дополнительный угол обзора (или аспект) 501 и позволяют произвести дополнительные измерения и расчеты для исследуемых объектов, например, они могут использоваться для измерения толщины (t) объекта. Процедура досмотра проходит в то время, когда человек, несущий объекты 5, проходит через исследуемую область между двумя передающими антенными решетками 200. Каждый сигнал проходит человеческое тело и предметы 5, переносимые или спрятанные на нем, в то время как человек и данные объекты движутся через исследуемую область в каком-либо направлении 40. Пока цель движется через портал, данные со всем принимающих антенн/приемников 100 передаются в блок обработки (в некоторых реализация, блок обработки уже имеется в самом приемнике), который в реальном времени принимает решение об уровне опасности цели, сравнивая расчетные диэлектрические постоянны со значениями в базе данных, которые соответствуют определенному известному материалу. Блок обработки посылает сигнал тревоги сотрудникам безопасности, предупреждая о наличии опасности, если такие значения совпадают со значениями для опасных материалов. Блок обработки также может посылать подтверждающий сигнал, который будет указывать на то, что объект принадлежит к другой предварительно отобранной группе объектов, которые могут быть как опасными, так и безопасными.

[0063] Настоящее изобретение также включает систему для обнаружения опасных материалов, с блоками, которые осуществляют все этапы, соответствующие методу, описанному выше. А именно, система включает систему обнаружения объекта в исследуемом пространстве, принадлежащего к одной или более предварительно отобранной группе опасных и неопасных объектов, и данная система в свою очередь состоит из: передающей антенны, служащей для передачи ЭМ/МВ сигнала через исследуемую область и любой объект, который встретится на пути сигнала; принимающей антенны, служащей для получения информации об указанном сигнале, после того, как он прошел через исследуемую область и любой объект, который встретился на пути сигнала; инструмент, который может определить толщину указанного объекта, а также блок обработки, служащий для определения амплитуды и фазы указанного сигнала, для определения, соответствуют ли данные амплитуда и фаза предустановленному порогу для амплитуды и фазы; для определения сдвига в длине оптического пути указанного сигнала, для определения толщины указанного объекта в исследуемом пространстве, для определения диэлектрической постоянной указанного объекта и для сравнения указанного значения диэлектрической постоянной со значениями, хранящимися в базе данных, чтобы определить, есть ли в исследуемом пространстве объект, относящийся к предварительно отобранной группе объектов, если диэлектрическая постоянная этого объекта соответствует одной или более предварительно отобранной группе опасных и неопасных объектов.

[0064] В некоторых случаях, система включает блок обработки, служащий для определения сдвига в длине оптического пути указанного сигнала при помощи модуля преобразования Фурье путем соотнесения и сравнения комплексной амплитуды сигнала (т.е. амплитуды и фазы) при наличии объекта в контролируемом/досматриваемом/исследуемом пространств и комплексных амплитуд сигнала при отсутствии объекта в исследуемом пространстве. В некоторых случаях система включает блок обработки, служащий для определения значения диэлектрической постоянной объекта, которая включает составление уравнения для сдвига в длине оптического пути сигнала вида t*(ε^0.5-1), где t - толщина объекта, а ε - значение диэлектрической постоянной.

[0065] Характеристики поля передающей антенны, которое используется в описанном здесь методе, в десятки и сотни раз ниже, чем разрешенным пороговые значения, указанные в санитарных нормативах, и таким образом, они абсолютно безопасны для здоровья человека.

[0066] Описание предпочтительной реализации изобретения представлено в иллюстративных и описательных целях. Оно не предписывает и не ограничивает возможные формы реализации изобретения теми, что здесь описаны. Очевидно, для квалифицированных специалистов в данной области может быть ясно, что возможны множественные модификации и вариации.

[0067] Более того, слова «образец» и «образцовый» здесь используются для обозначения примера, конкретного образца или иллюстрации. Любой аспект или конфигурация, описанная здесь словом «образцовый» не обязательно обозначает предпочтительный или наилучший по сравнению с другими аспектами или конфигурациями. Скорее, использование слов «образец» и «образцовый» служит для представления концепции в определенном аспекте. Также при использовании в данной заявке союз «или» скорее имеет включающую, а не исключающую функцию. Если не сказано иное или это не очевидно из контекста, «X включает А или Б» обозначает обычную включающую комбинацию. А именно, если X включает А; X включает Б; или X включает как А, так и Б, тогда «X включает А или Б», что подтверждается последующими примерами. В дополнение, местоимения «какой-то», «любой» используются в заявке и соответствующей формуле изобретения обычно для обозначения «один и более», если только не указано иное или из контекста не явствует, что речь идет о единственном числе.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу дистанционного досмотра и анализа объектов с измерением диэлектрических характеристик объектов в реальном времени и основан на свойствах волновых процессов на границах двух сред. Способ включает передачу сигнала через исследуемое пространство, который проходит от передатчика к приемнику, при этом сигнал проходит сквозь объекты, встречающиеся на его пути, при этом, если сигнал встречает на пути объект, сквозь который он должен пройти, скорость распределения сигнала снижается и амплитуда падает. Обработчик сигнала затем определяет амплитуду сигнала, выше ли она заданного порога или же соответствует ему, затем определяется изменение длины оптического пути сигнала, толщина объекта, рассчитывается диэлектрическая постоянная, которая сравнивается с известными значениями диэлектрической постоянной для различных материалов, что позволяет определить к какой заранее определенной группе материалов принадлежит объект, находящийся в зоне досмотра, а также принадлежит ли обнаруженный объект к заранее определенной группе опасных объектов. Также описывается система для обнаружения и анализа подобных материалов. Способ позволяет обнаруживать взрывчатые вещества, скрытые на теле человека, в ручной клади или в рюкзаках. Повышение степени точности анализа объектов в исследуемом пространстве с расчетом их диэлектрических постоянной, при безопасных характеристиках поля передающей антенны является техническим результатом изобретения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ обнаружения и досмотра объекта в контролируемом пространстве между, по меньшей мере, одним передатчиком и, по меньшей мере, одним приемником, для чего передатчиком осуществляется излучение электромагнитного/микроволнового сигнала через контролируемое пространство при отсутствии и при наличии объекта, находящегося в этом пространстве, и получение приемником сигнала, прошедшего через контролируемое пространство, с регистрацией комплексной амплитуды, модуль и аргумент которой равны соответственно амплитуде и фазе сигнала, полученного приемником, а также сравнение значения комплексной амплитуды сигнала, полученного и регистрируемого приемником при наличии объекта в контролируемом пространстве, с предварительно заданным пороговым значением, причем в случае превышения регистрируемой величиной этого порогового значения, по зарегистрированным значениям комплексной амплитуды производится определение изменения оптической длины пути сигнала через контролируемое пространство при наличии объекта, по сравнению с оптической длиной пути сигнала через контролируемое пространство при отсутствии в нем объектов, с последующим измерением толщины объекта, находящегося в контролируемом пространстве, и вычислением по полученным данным значения диэлектрической проницаемости указанного объекта, которая сравнивается с значениями диэлектрической проницаемости, имеющимися в предварительно созданной базе значений диэлектрической проницаемости опасных и неопасных объектов, для определения принадлежит ли объект, находящийся в контролируемом пространстве, к опасным объектам.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предусматривает определение и сравнение оптической длины пути сигнала через контролируемое пространство, измеренного при наличии объекта, с оптической длиной пути сигнала через контролируемое пространство, измеренного при отсутствии объектов, по соотношению значений комплексных амплитуд, соответствующих наличию и отсутствию объекта в контролируемом пространстве.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщина объекта измеряется вдоль прямой линии между передатчиком и приемником.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что толщина указанного объекта измеряется с использованием набора видеокамер, расположенных с возможностью обзора контролируемого пространства и формирования соответствующего стереоизображения

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что одновременно с измерением длины оптического пути с использованием набора видеокамер измеряются геометрические размеры и форма досматриваемого объекта и осуществляется воссоздание трехмерного оптического стереоизображения объекта.

6. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что передатчик передает сигналы с помощью одной антенной решетки и приемник принимает сигналы с помощью одной антенны.

7. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что передатчик передает сигналы с помощью одной антенной решетки и приемник принимает сигналы с помощью двух антенных решеток.

8. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что передатчик передает сигналы с помощью одной антенной решетки и приемник принимает сигналы с помощью трех антенных решеток.

9. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что передатчик передает сигналы с помощью нескольких антенн, расположенных по окружности, и приемник принимает сигналы с помощью нескольких антенн, расположенных по окружности.

10. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что передатчик передает сигналы с помощью двух антенн, расположенных напротив двух антенн приемника.

11. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что формируют видеоизображение объекта для его досмотра в контролируемом пространстве в реальном времени.

12. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что осуществляют подачу сигнала тревоги или подтверждения безопасности при выявлении объекта, принадлежащего, соответственно, к предварительно отобранной группе опасных или неопасных объектов

13. Способ п. 12, отличающийся тем, что сигнал подтверждения или тревоги формируется беззвучным.

14. Система обнаружения и досмотра объекта в контролируемом пространстве, содержащая: передатчик для передачи электромагнитного/микроволнового сигнала через контролируемое пространство и любой объект на пути указанного сигнала, приемник для приема указанного сигнала после того, как он прошел через контролируемое пространство и любой объект на пути указанного сигнала, средства измерения толщины указанного объекта, и блок обработки и формирования, выполненный с возможностью:

- хранения предварительно заданного порогового значения комплексной амплитуды, модуль и аргумент которой равны соответственно амплитуде и фазе сигнала;

- хранения базы значений диэлектрической постоянной, соответствующей группам опасных или неопасных объектов;

- определения комплексной амплитуды, модуль и аргумент которой равны соответственно амплитуде и фазе сигнала, полученного приемником;

- сравнения значения комплексной амплитуды сигнала, полученного и регистрируемого приемником при наличии объекта в контролируемом пространстве, с предварительно заданным пороговым значением;

- выявления случая превышения регистрируемой величиной этого порогового значения;

- определения по зарегистрированным значениям комплексной амплитуды изменения оптической длины пути сигнала через контролируемое пространство при наличии объекта, по сравнению с оптической длиной пути сигнала через контролируемое пространство при отсутствии в нем объектов;

- измерения и сохранения измеренного значения толщины объекта, находящегося в контролируемом пространстве;

- вычисления по полученным данным значения диэлектрической проницаемости объекта;

- сравнения значения диэлектрической проницаемости объекта со значениями диэлектрической проницаемости, имеющимися в базе значений диэлектрической проницаемости опасных и неопасных объектов;

- определения принадлежит ли объект, находящийся в контролируемом пространстве, к опасным объектам,

при этом блок обработки снабжен системой получения видеоизображения, с возможностью создания портала для прохождения объекта и его досмотра в контролируемом пространстве в реальном времени, а также средствами подачи сигнала тревоги или подтверждения безопасности при выявлении объекта, принадлежащего, соответственно, к предварительно отобранной группе опасных или неопасных объектов.