Система дистанционного обнаружения вещества

Система дистанционного обнаружения вещества

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемая система относится к радиотехническим средствам, использующим магнитный резонанс для поиска и обнаружения преимущественно наркотиков и взрывчатых веществ в составе предъявленных для исследования предметов, а также поляризационную селекцию и фазовый анализ для поиска и обнаружения наркотиков, упакованных в неметаллическую оболочку и находящихся в укрывающих средах, например в брюшной полости человека, используемого для транспортировки наркотических средств, багаже, чемоданах, дипломатах, сумках и т.п., и может найти применение в аэропортах, таможенных терминалах, блокпостах, автопарковках и т.п.

Известны способы и системы дистанционного обнаружения вещества (патенты РФ №2.128.832, 2.148.817, 2.150.105, 2.161.300, 2.165.104, 2.179.716, 2.185.614, 2.226.686, 2.244.942, 2.249.202; патенты США №4.756.866, 5.986.455, 6.194.898, 6.392.408; патенты Великобритании №2.159.626, 2.254.923, 2.289.344, 2.293.885; Гречишкин В.Д. и др. Локальный ЯКР в твердых телах. Успехи физических наук, 1993, т.163, №10 и др.).

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является система, реализующая «Способ дистанционного обнаружения вещества» (патент РФ №2.244.942, G01R 33/20, 2003), которая и выбрана в качестве прототипа.

Указанная система основана на дистанционном обнаружении вещества с использованием дистанционного возбуждения электромагнитной волной магнитного резонанса в веществе с последующим измерением частоты отклика, по наличию которого делается заключение о наличии данного вещества, при этом возбуждающий электромагнитный сигнал излучается на частоте, много большей частоты магнитного резонанса подлежащего обнаружению вещества, и модулируют излучаемый возбуждающий электромагнитный сигнал по поляризации на частоте магнитного резонанса, а отклик регистрируется на частоте модуляции.

Однако известная система не полностью реализует свои потенциальные возможности, она может использовать поляризационную селекцию и фазовый анализ для поиска и обнаружения наркотиков, упакованных в неметаллическую оболочку и находящихся в укрывающих средах, например в брюшной полости человека, используемого для транспортировки наркотических средств, багаже, сумках, чемоданах, дипломатах и т.п.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы путем поиска и обнаружения наркотиков, упакованных в неметаллическую оболочку и находящихся в укрывающих средах, например в брюшной полости человека, используемого для транспортировки наркотических средств, багаже, сумках, чемоданах, дипломатах и т.п.

Поставленная задача решается тем, что система дистанционного обнаружения вещества, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом исследуемое вещество, последовательно включенные синхронизатор, генератор импульсов, передатчик, второй вход которого соединен с вторым выходом синхронизатора, и передающую антенну, последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора, и накопитель, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена наркотическим средством, помещенным в укрывающую среду, блоком временной задержки, ключом, второй приемной антенной, вторым приемником, смесителем, гетеродином, усилителем промежуточной частоты, перемножителем, узкополосным фильтром, фазовым детектором, блоком сравнения и блоком регистрации, причем к выходу второй приемной антенны последовательно подключены второй приемник, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, перемножитель, узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, блок сравнения и блок регистрации, второй вход которого соединен с выходом накопителя, к четвертому выходу синхронизатора последовательно подключены блок временной задержки и ключ, второй вход которого соединен с выходом первого приемника, а выход подключен к второму входу перемножителя, передающая антенна, первая и вторая приемные антенны снабжены поляризаторами и объединены в антенный блок.

Структурная схема предлагаемой системы представлена на чертеже.

Система содержит исследуемое вещество 8, наркотическое средство 9, помещенное в укрывающую среду, последовательно включенные синхронизатор 4, генератор 3 импульсов, передатчик 2, второй вход которого соединен с вторым выходом синхронизатора 4, и передающую антенну 1, последовательно включенные первую приемную антенну 5, первый приемник 6, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора 4, накопитель 7, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора 4, последовательно включенные вторую приемную антенну 13, второй приемник 14, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора 4, смеситель 15, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 16, усилитель 17 промежуточной частоты, перемножитель 18, узкополосный фильтр 19, фазовый детектор 20, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 16, блок 21 сравнения и блок 22 регистрации, второй вход которого соединен с выходом накопителя 7, последовательно подключенные к четвертому выходу синхронизатора 4 блок 11 временной задержки и ключ 12, второй вход которого соединен с выходом первого приемника 6, а выход подключен к второму входу перемножителя 18. Передающая антенна 1, первая 5 и вторая 13 приемные антенны снабжены поляризаторами и объединены в антенный блок 10.

Предлагаемая система может работать в двух режимах.

Первый режим основан на дистанционном возбуждении электромагнитной волной магнитного резонанса в исследуемом веществе с последующим измерением частоты отклика.

Второй режим основан на радиомагнитном радиолокационном зондировании плоскополяризованной волной предполагаемого места закладки наркотического средства, упакованного в неметаллическую оболочку и размещенного в укрывающей среде, с последующим измерением сдвига фаз между двумя отраженными составляющими, которые в общем случае имеют эллиптическую поляризацию с противоположными направлениями вращения вектора электромагнитного поля.

В первом режиме импульсы с частотой заполнения ω₁ и (ω₁-ω), формируемые в генераторе 3 импульсов, поступают в передатчик 2 и излучаются передающей антенной 1 в направлении исследуемого вещества 8. Последнее может располагаться, например, на теле человека под его одеждой. Передающая 1 и приемные 5, 13 антенны выполнены, например, в виде рупорных антенн, которые снабжены поляризаторами. Сигнал в передающую антенну 1 поступает с круглого волновода, на который, в свою очередь, с передатчика 2 подаются две ортогональные (по поляризации) составляющие, одна на частоте ω₁, а другая - на частоте (ω₁-ω), в результате чего излучаемая антенной 1 волна будет модулирована по поляризации с частотой магнитного резонанса ω.

Исследуемое вещество 8, облученное электромагнитной волной, содержащей составляющую по частоте магнитного резонанса ω, возбуждается и по окончании импульса облучения излучает сигнал отклика на этой же частоте. Сигнал отклика принимается приемной антенной 5, содержащей четыре ферритовых стержня диаметром 8 мм и длиной 138 мм, при этом на стержни намотаны катушки индуктивности, содержащие по 20 витков и соединенные параллельно. Работой системы управляет синхронизатор 4.

Сигнал с приемной антенной 5 поступает на первый вход приемника 6, на второй вход которого поступает опорное напряжение с третьего выхода синхронизатора 4, запирающее приемник 6 на время излучения импульсов. С выхода приемника 6 сигналы поступают на вход накопителя 7, где они постепенно накапливаются, что позволяет увеличить дальность от приемной антенны 5 до исследуемого вещества 8 в 2-3 раза. На второй вход накопителя 7 поступает также опорное напряжение с третьего выхода синхронизатора 4, обеспечивающее синхронизацию накапливаемых импульсов.

В случае модуляции по поляризации излучаемого сигнала с частотой ω, равной частоте магнитного резонанса исследуемого вещества 8, при частоте излучаемого сигнала ω₁>>ω, вектор напряженности магнитного поля излучаемого электромагнитного сигнала содержит составляющую:

Исследуемое вещество 8 будет активно взаимодействовать с магнитном полем на частоте ω (Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. Основы квантовой электроники. СПб-ГТУ, 2001). Поскольку частота ω₁ может быть выбрана достаточно высокой ω₁>>ω, то в этом случае реализация передающей антенны 1 может быть осуществлена, например, с помощью техники антенн сверхвысоких частот (СВЧ), на которую модулированный по поляризации сигнал поступает из круглого волновода, на который, в свою очередь, поступают две линейно-поляризованные ортогональные волны и частоты которых равны соответственно ω₁ и (ω₁-ω).

Переход на частоту возбуждающего излучения в диапазоне СВЧ позволяет обеспечить «дальнюю зону» для излучаемого электромагнитного сигнала уже при дальности в несколько десятков сантиметров. В результате на расстояниях порядка нескольких метров от излучателя обеспечивается уровень электромагнитного излучения, достаточный для возбуждения резонанса в веществе.

Во втором режиме генератор 3 импульсов формирует зондирующий импульс:

U₁(t)=V₁·cos(ω₁·t+φ₁), 0≤t≤T₁,

где V₁, ω₁, φ₁, T₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность импульса; который поступает на вход передатчика 2, а затем на вход передающей антенны 1, где он приобретает плоскую поляризацию и излучается в направлении поверхности укрывающей среды, под которой может находиться наркотическое средство 9.

Обнаружение наркотических средств в укрывающих средах осуществляется оператором путем перемещения антенного блока 10 над предполагаемым местом закладки наркотического средства 9. При этом в укрывающей среде создается электромагнитное поле путем его электромагнитного зондирования. При достижении зондирующим сигналом наркотического средства 9 происходит его частичное отражение в сторону поверхности укрывающей среды.

Когда плоскополяризованная электромагнитная волна отражается от наркотического средства 9, на которое воздействует внешнее магнитное поле Земли, то она разделяется на две независимые составляющие, которые в общем случае имеют эллиптическую поляризацию с противоположными направлениями вращения вектора электромагнитного поля. На частотах дециметрового диапазона обе составляющие имеют круговую поляризацию. Наркотическое средство 9 имеет отличные от укрывающей среды электрические параметры (проводимость и диэлектрическую проницаемость).

Обе волны отражаются и распространяются с различными скоростями, вследствие чего фазовые соотношения между этими волнами изменяются. Это явление обычно называют эффектом Фарадея, из-за которого отраженный сигнал испытывает вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации, который определяется разной скоростью распространения и отражения сигналов с правой и левой круговой поляризацией от наркотического средства 9, находится из соотношения:

δZ=1/2(φ_п-φ_л),

где φ_п, φ_л - фазовые запаздывания отраженных сигналов с правой (вращение плоскости поляризации по часовой стрелке) и левой (вращение плоскости поляризации против часовой стрелки) круговой поляризации соответственно.

Отраженный сигнал улавливается приемными антеннами 5 и 13. При этом приемная антенна 5 восприимчива только к отраженному сигналу с правой круговой поляризацией, а приемная антенна 13 - только к отраженному сигналу с левой круговой поляризацией.

На выходе приемников 6 и 14 образуются следующие сигналы:

U_п(t)=V_п·cos[(ω₁±Δω)·t+φ_п],

U_л(t)=V_л·cos[(ω₁±Δω)·t+φ_л], 0≤t≤T₁,

где индексы «п» и «л» относятся соответственно к сигналам с правой и левой круговой поляризацией;

±Δω - нестабильность несущей частоты, обусловленная некогерентным отражением и другими дестабилизирующими факторами.

Сигнал U_п(t) с выхода приемника 6 через ключ 12 поступает на первый вход перемножителя 18. Чтобы измеряемая разность фаз соответствовала глубине h залегания наркотического средства 9, перемножитель 18 стробируется по времени с помощью ключа 12, на управляющий вход которого поступают стробирующие импульсы, формируемые блоком 11 временной задержки. Последний управляется синхронизатором 4. Временная задержка импульсов определяется глубиной h залегания наркотического средства 9 в укрывающей среде. При изменении глубины меняется и время задержки.

Отраженный сигнал U_л(t) с выхода приемника 14 поступает на первый вход смесителя 15, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 16:

U_г(t)=V_г·cos(ω_г+φ_г).

На выходе смесителя 15 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 17 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты:

U_пp(t)=V_пр·cos[(ω_пр±Δω)·t+φ_пр], 0≤t≤T₁,

где V_пр=1/2V_л·V_г;

ω_пр=ω₁-ω_г - промежуточная частота;

φ_пр=φ_л-ω_г,

которое поступает на второй вход перемножителя 18. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение:

U₂(t)=V₂·cos(ω_г·t+φ_г+Δφ), 0≤t≤T₁,

где V₂=1/2 V_п·V_пр;

Δφ=φ_п-φ_л - разность фаз между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией, которая выделяется узкополосным фильтром 19 и поступает на первый вход фазового детектора 20, на второй вход которого подается напряжение гетеродина U_г(t). На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение:

U_н(Δφ)=V_н·cosΔφ,

где V_н=¹/₂ V₂·V_г;

пропорциональное измеряемому сдвигу фаз Δφ. Это напряжение сравнивается в блоке 21 сравнения с эталонным напряжением:

Uэ(Δφ_э)=V_э·cosΔφ_э,

где Δφ_э - неизменяемый фазовый сдвиг, получаемый при зондировании укрывающей среды при отсутствии наркотического средства 9.

Сдвиг фаз Δφ_э определяется частотой зондирующего сигнала и электрическими параметрами укрывающей среды. Этот сдвиг фаз остается неизменным при зондировании укрывающей среды в отсутствии наркотических средств.

Если U_н(Δф)≈V_э(Δφ_э), то в блоке 21 сравнения постоянное напряжение не формируется.

При U_н(Δφ)>V_э(Δφ_э), в блоке 21 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на второй вход блока 22 регистрации.

Причем факт регистрации этого напряжения свидетельствует о наличии наркотического средства в данной укрывающей среде.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает поиск и обнаружение наркотических средств, упакованных в неметаллическую оболочку и находящихся в укрывающих средах, например в брюшной полости человека, используемого для транспортировки наркотических средств, багаже, чемоданах, дипломатах, сумках и т.п.

При этом предлагаемая система позволит повысить достоверность поиска и обнаружение, и разрешающую способность по глубине при определении местоположения наркотических средств, находящихся в укрывающих средах. Это достигается за счет использования поляризационной селекции и устранения неоднозначности фазовых измерений, что обеспечивается тем, что фазовые измерения осуществляются между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией, а не между зондирующими и отраженными сигналами. При этом фазовый сдвиг между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией измеряется на стабильной частоте ω_г гетеродина. Поэтому процесс измерения фазового сдвига Δφ инвариантен к нестабильности несущей частоты отраженного сигнала, возникающей при некогерентном отражении сигнала от наркотического средства и других дестабилизирующих факторах, что позволяет повысить точность измерения фазового сдвига Δφ, а следовательно, и точность определения местоположения наркотического средства.

Тем самым функциональные возможности системы расширены.

Система дистанционного обнаружения вещества, содержащая исследуемое вещество, последовательно включенные синхронизатор, генератор импульсов, передатчик, второй вход которого соединен с вторым выходом синхронизатора, и передающую антенну, последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, второй вход которого соединен с третьим входом синхронизатора, и накопитель, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора, отличающаяся тем, что она снабжена наркотическим средством, помещенным в укрывающую среду, блоком временной задержки, ключом, второй приемной антенной, вторым приемником, смесителем, гетеродином, усилителем промежуточной частоты, перемножителем, узкополосным фильтром, фазовым детектором, блоком сравнения и блоком регистрации, причем к выходу второй приемной антенны последовательно подключены второй приемник, второй вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, перемножитель, узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, блок сравнения и блок регистрации, второй вход которого соединен с выходом накопителя, к четвертому выходу синхронизатора последовательно подключены блок временной задержки и ключ, второй вход которого соединен с выходом первого приемника, а выход подключен к второму входу перемножителя, передающая антенна, первая и вторая приемные антенны снабжены поляризаторами и объединены в антенный блок.