Устройство дистанционного обнаружения скрытых опасных объектов Российский патент 2021 года по МПК G01V3/12 G01N22/00 

Область техники

Изобретение относится к области дистанционного скрытного определения опасных объектов под одеждой людей, передвигающихся естественно, и также может быть использовано для определения опасных объектов, скрытых за преградами, непрозрачными в видимом и инфракрасном диапазонах излучения и прозрачными/полупрозрачными в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне излучения.

Уровень техники

Использование СВЧ диапазона излучения для создания устройств дистанционного обнаружения скрытых опасных объектов (оружия, компонентов самодельных взрывчатых устройств (СВУ)) обусловлено тем, что данное излучение хорошо проникает сквозь одежду, пластик, дерево и другие неметаллические преграды, непрозрачные в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах. При этом излучение хорошо отражается металлическими и другими твердыми материалами, например керамикой и скотчем, которые могут входить в состав оружия и СВУ.

Известен способ дистанционного обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей, и устройство для его осуществления (MiRTLE™ www.radiophysicssolutions.com). Изобретение заключается в том, что человек облучается сфокусированным на небольшом участке СВЧ излучением в диапазоне 75-110 ГГц (длина волны 2,7-4 мм) и с помощью радиоприемной рупорно-линзовой антенны регистрируется уровень отраженного от человека сигнала. Одновременно с помощью ТВ-камеры на монитор выводится изображение объекта контроля. Расположение СВЧ излучателя относительно ТВ-камеры обеспечивает освещение области СВЧ излучением, находящейся в центре видеоизображения. Расположение рупорно-линзовой антенны относительно СВЧ излучателя обеспечивает регистрацию отраженного СВЧ излучения, исходящего из центра освещенной области, совпадающей с центром видеоизображения. Величина полученного отраженного сигнала выводится на монитор в виде марки в центре изображения, совпадающей с освещенной областью, при этом цвет марки меняется с величиной сигнала. Устройство содержит два источника СВЧ излучения с взаимно перпендикулярной поляризацией, радиоприемную рупорно-линзовую антенну, видеокамеру и монитор для вывода изображения, а также блок управления и обработки сигнала. Для формирования пучка СВЧ излучения используется выходная линза из фторопласта, либо рупор прямоугольного сечения. Два источника излучения с взаимно перпендикулярной поляризацией используются для уменьшения паразитных интерференционных эффектов, ухудшающих точность идентификации скрытых опасных объектов. Радиоприемная антенна содержит входную линзу из фторопласта, фокусирующую излучение, отраженное от человека, на чувствительную часть антенны. Данный метод позволяет скрытно обследовать человека в свободном движении, не требует портальных систем или других средств организации движения людей.

Конструкция устройства обладает следующими недостатками. Наличие раздельных двух источников излучения и радиоприемной антенны увеличивает массогабаритные параметры и потребляемую мощность, что ограничивает возможности автономного применения. Очевидно, что интенсивность отраженного сигнала от одного и того же объекта будет зависеть от расстояния до объекта. В данном устройстве интенсивность будет падать как квадрат расстояния. При отсутствии информации о дальности расположения объекта контроля это существенно усложняет идентификацию опасных объектов и отделения их от безопасных объектов. Для фокусировки падающего и отраженного излучения используются линзы из фторопласта, которые приводят к частичной потере мощности излучения. Использование в качестве формирователя пучка рупора не позволяет сфокусировать СВЧ излучение в небольшой области, таким образом, освещенность объекта быстро падает с расстоянием, что приводит к уменьшению полезного сигнала. Кроме того, данное устройство работает только при достаточном дневном или искусственном освещении, достаточном для работы ТВ-камеры.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание устройства дистанционного обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей или за непрозрачными преградами, с функцией сканирования по глубине пространства, позволяющей одновременно детектировать как интенсивность отраженного сигнала от объекта, так и расстояние до объекта, и без влияния интерференционных эффектов. При этом устройство работает в любое время суток и обладает малыми массогабаритными параметрами и низким энергопотреблением, что позволяет использовать его в носимом, переносном и стационарном варианте.

Технический результат: повышение точности идентификации опасных объектов, всесуточный режим работы, снижение массогабаритных и энергетических параметров.

Поставленная задача решена тем, что в известном устройстве дистанционного обнаружения скрытых опасных объектов, включающем связанные с блоком управления и обработки сигнала источник и приемник СВЧ излучения, снабженные формирователями пучка излучения, телевизионную камеру и монитор, согласно изобретению, в качестве источника и приемника СВЧ излучения использован единый СВЧ приемо-передающий модуль с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) излучения с расширенным диапазоном модуляции, в качестве формирователя пучка излучения использована отражательная антенна, устройство снабжено ИК-светодиодом с длиной волны, совпадающей с диапазоном чувствительности ТВ-камеры, причем формирователь СВЧ пучка и ИК-светодиод установлены относительно телевизионной камеры так, чтобы освещать область в центре видеоизображения.

Монитор является отдельным устройством, связанным с остальным устройством по проводу или по радиоканалу.

Устройство может быть выполнено в переносном/стационарном варианте.

Управление устройством может осуществляться по проводу или радиоканалу.

Описание устройства

Схема устройства поясняется фигурой 1. Устройство состоит из СВЧ приемопередающего модуля с линейной частотной модуляцией излучения (7), волновода (2), гиперболического (3) и параболического (4) отражателей (антенна Кассегрена) как формирователя пучка излучения (5), телевизионной камеры (6), ИК-светодиода (7), блока управления и обработки сигнала (8), монитора (9).

По сути, СВЧ ЛЧМ модуль с антенной является классическим радарным устройством (Радар), отличающийся меньшими габаритами, ближней локацией и увеличенным диапазоном частотной модуляции излучения, что снижает, практически устраняет, влияние интерференционных эффектов на величину выходного сигнала. СВЧ ЛЧМ модуль и ИК-светодиод установлены относительно ТВ-камеры таким образом, что центр зоны облучения как СВЧ, так и ИК излучением совпадает с центром видеоизображения.

Устройство работает следующим образом.

Излучение СВЧ модуля (1) с линейной частотной модуляцией в пределах ƒ₀±Δƒ_{модуляции} проходит по волноводу (2), далее антенна Кассегрена (5) формирует выходной пучок излучения, сфокусированный на объекте контроля (10). Отраженный от объекта контроля пучок излучения попадает через антенну (5) и волновод (2) опять в СВЧ модуль (7), где смешивается и исходящим из модуля излучением. Блок обработки сигнала (8) вычисляет разностную частоту Δƒ_{разности}=ƒ_исход-ƒ_{отражен} и амплитуду сигнала (S). Разностная частота Δƒ_{разности} дает информацию о дистанции до объекта (d), а амплитуда сигнала S - о величине отражения от объекта. По величине амплитуды сигнала с учетом дистанции до объекта судят о наличии или отсутствии опасных предметов (угроз). Параллельно блок обработки сигнала формирует на экране монитора (9) видеоизображение от ТВ-камеры (6). Сигнал от СВЧ модуля (S) отображается на экране монитора, например, в виде цветной марки, цвет которой меняется от величины сигнала: зеленый - нет угрозы, желтый - возможна угроза, красный - наличие угрозы. Пороги переключения цвета определяются предварительной калибровкой устройства. Способ отображения величины сигнала на видеоизображении может быть любой, известный из уровня техники. Для работы в темное время суток при отсутствии или недостаточности внешнего освещения используется подсветка от ИК-светодиода (7) с длиной волны, совпадающей с диапазоном чувствительности ТВ-камеры, и невидимая человеческим глазом, что обеспечивает всесуточность и скрытность наблюдения. ИК-светодиод установлен относительно ТВ-камеры так, чтобы освещаемая им область совпадала с центром видеоизображения и с областью, освещенной СВЧ излучением.

Калибровка устройства для селекции опасных объектов может проводиться следующим способом. Вначале, из всех возможных опасных объектов (оружия, СВУ) выбирается объект с минимальной эквивалентной поверхностью рассеяния (ЭПР). Далее, с помощью него измеряется зависимость величины сигнала от этого объекта от расстояния до него. В устройствах с линейной частотной модуляцией величина сигнала линейно падает с расстоянием. Таким образом, получается зависимость (11), приведенная на фигуре 2. Сигналы, лежащие заведомо ниже этой прямой (область I), являются безопасными, например, сигнал от ключей, часов, мобильных телефонов и т.д. Сигналы, лежащие в непосредственной близости данной прямой (область II), свидетельствуют о возможной угрозе. Сигналы, лежащие заведомо выше данной прямой (область III), свидетельствуют о наличие угрозы. Далее, в программном обеспечении устройства этим типам сигналов присваивается разный цвет марки, например, зеленый, желтый, красный. Количество цветовых градаций может быть больше, в зависимости от конкретной задачи, решаемой с помощью данного детектора.

В носимом варианте исполнения устройство снабжено ручкой, для удержания оператором и ориентировании устройства в нужном направлении, ориентируясь на видеоизображение.

В переносном или стационарном исполнении устройство может монтироваться на опорно-поворотном устройстве и управляться дистанционно по проводам или по радиоканалу.

Монитор может быть частью конструкции устройства (вмонтирован в корпус) или, для удобства оператора, выполнен в виде отдельного устройства с питанием от аккумуляторных батарей, соединенного с остальным детектором по проводу или по радиоканалу.

В данном детекторе, в отличие от прототипа, один приемо-передающий СВЧ модуль с антенной заменяет два излучателя и детектор, каждый из которых содержит индивидуальную антенну (линзу). Расширенный диапазон частотной модуляции ЛЧМ модуля избавляет от влияния интерференционных эффектов на величину сигнала. Таким образом, повышается точность определения величины отраженного сигнала, а, значит, и точность интерпретации объекта, снижаются массогабаритные характеристики и энергопотребление. Отражательная антенна Кассегрена имеет меньшие потери мощности излучения по сравнению с линзами из фторопласта, высокий коэффициент усиления и наиболее узкую диаграмму направленности, что обеспечивает большую дальность действия (рабочую дальность локации) при относительно меньших габаритах. Данное устройство может быть использовано не только для обнаружения скрытых под одеждой опасных предметов, но и для обнаружения спрятанных в стенах закладках, полостях, трещинах. Особенно эффективно данное устройство для обследования легких конструкций из фанеры, гипсокартона, пластика и т.п.

Таким образом, введенные признаки обеспечивают заявленные технические характеристики: более точная идентификация опасных предметов с разрешением по глубине пространства, меньшие массогабаритные параметры, меньшее энергопотребление, всесуточный режим работы.

Источники информации

[1] MiRTLE™, www.radiophysicssolutions.com

[2] Peter W. Hannan, Harold A. Wheeler. Double-reflector antenna with critical dimensioning to achieve minimum aperture blocking. USA Patent 3,218,643, filed 1.03.1961, published 16.11.1965.

[3] Комаров И.В., Смольский С.М. Основы теории радиолокационных систем с непрерывным излучением частотно-модулированных колебаний. - М.: Горячая линия-Телеком, 2010. - 366 с.: ил.

Stove, A.G.; Linear FMCW radar techniques. Radar and Signal Processing, IEE Proceedings F, Volume 139, Issue 5, Oct. 1992, pp. 343-350.

Изобретение относится к области дистанционного скрытного определения опасных объектов под одеждой людей, скрытых за преградами, непрозрачными в видимом и инфракрасном диапазонах излучения и прозрачными/полупрозрачными в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне излучения. Технический результат: повышение точности идентификации опасных объектов, обеспечение всесуточного режима работы, снижение массогабаритных и энергетических параметров. Сущность: устройство дистанционного обнаружения скрытых опасных объектов включает единый СВЧ приемо-передающий модуль с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) излучения с расширенным диапазоном модуляции, связанный с блоком управления и обработки сигнала, телевизионную камеру и монитор. В качестве формирователя пучка излучения использована отражательная антенна. Устройство снабжено ИК-светодиодом с длиной волны, совпадающей с диапазоном чувствительности ТВ-камеры. Формирователь СВЧ пучка и ИК-светодиод установлены относительно телевизионной камеры так, чтобы освещать область в центре видеоизображения. Монитор является отдельным устройством, связанным с остальным устройством по проводу или по радиоканалу. Устройство может быть выполнено в переносном/стационарном варианте. Управление устройством может осуществляться по проводу или радиоканалу. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство дистанционного обнаружения скрытых опасных объектов, включающее связанные с блоком управления и обработки сигнала источник и приемник СВЧ излучения с формирователем пучка излучения, телевизионную камеру и монитор, отличающееся тем, что в качестве источника и приемника СВЧ излучения использован единый СВЧ приемо-передающий модуль с линейно-частотной модуляцией излучения с расширенным диапазоном модуляции, в качестве формирователя пучка излучения использована отражательная антенна, устройство снабжено ИК-светодиодом с длиной волны, совпадающей с диапазоном чувствительности ТВ-камеры, причем формирователь СВЧ пучка и ИК-светодиод установлены относительно телевизионной камеры так, чтобы освещать область в центре видеоизображения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве СВЧ приемо-передающего модуля использован СВЧ модуль с рабочей частотой 93±1 ГГц и диапазоном частотной модуляции излучения 500-1000 МГц.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве ТВ-камеры использована камера с размерностью матрицы 1280×900 пикселей и спектральным диапазоном чувствительности 0.4-0.9 мкм.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве ИК-светодиода использован светодиод с максимумом излучения в диапазоне 0.8-0.9 мкм и мощностью излучения 0.2 Вт.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что монитор является отдельным устройством, связанным с остальным устройством по проводу.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что монитор является отдельным устройством, связанным с остальным устройством по радиоканалу.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в переносном/стационарном варианте устройство смонтировано на опорно-поворотном устройстве.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что управление устройством и опорно-поворотным устройством осуществляется по проводу.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что управление устройством и опорно-поворотным устройством осуществляется по радиоканалу.