Способ обнаружения запрещённых предметов арочным металлодетектором

Способ обнаружения запрещённых предметов арочным металлодетектором

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к методам и средствам радиотехнического обнаружения запрещенных к проносу на охраняемую территорию металлических предметов, скрытых под одеждой человека. Традиционно материалы этого направления радиотехники размещаются в разделах «металлодетекторы» (МД) и «методы и средства металлодетектирования» (методы и средства МД).

Конкретизируем рассматриваемые ниже методы и средства МД. Во-первых, основное внимание уделим арочным МД. Входящие в их состав излучающие (ИК) и приемные (ПК) катушки определяют особенности пространственной обработки сигналов. Во-вторых, среди различных вариантов зондирующего сигнала (ЗС), определяющих особенности временной обработки отраженных сигналов, ограничимся рассмотрением периодической последовательности импульсов с высокой скважностью, имеющих малую длительностью и широкий спектр. В литературе методы МД, использующие такой ЗС, принято называть импульсными методами МД.

Таким образом, аналогами предложенного изобретения являются арочно-импульсные (АИ) методы и средства МД, особенности функционирования которых изложены в источниках информации [1; 2; 3; 4; 5].

Недостаток аналогов состоит в их низкой помехозащищенности по отношению к внешней помехе, создаваемой удаленными источниками.

Среди аналогов в качестве прототипа выберем такой АИ метод МД, арочная конструкция которого содержит одну ИК, расположенную в центре основания арочного проема, и две ПК, расположенные на одинаковой высоте в левой и правой арочных стойках соответственно [3]. В прототипе из выходных сигналов S₁(t) и S₂(t) первой (ПК₁) и второй (ПК₂) катушек соответственно формируется градиентометрический сигнал S₁₂(t)=S₁(t)-S₂(t), который в дальнейшем подвергается частотной фильтрации и временной обработке. Новизна предложенного изобретения состоит в совершенствовании именно пространственной обработки сигналов, учитывая реально существующую факторизацию пространственно-временной обработки сигналов. При этом конкретный вид временной обработки в прототипе является непринципиальным и мы выберем ее традиционной для робастных локационных устройств [6]. Она заключается в выделении мгновенных значений амплитуды A(t) сигнала S₁₂(t), формировании плавающего порога P(t) путем усреднения A(t) на интервале (t-T;t), где Т - время, отводимое для мониторинга одного лица в потоке, а носителем запрещенного предмета определим лицо, пересекающее арочный проем в момент превышения A(t) порога P(t).

Важно отметить, что импульсы ЗС проникают в выходной сигнал каждой из ПК прототипа, причем их спектры совпадают со спектрами выделяемых полезных импульсов (отраженных металлическим предметом), а также наблюдается перекрытие во времени импульсов ЗС и полезных импульсов. Оба указанных эффекта являются следствием инерционности ИК, значительно превышающей эквивалентную электродинамическую инерционность запрещенных металлических предметов, что не позволяет в каждом из выходных сигналов ПК₁ и ПК₂ методами временной обработки сигналов эффективно нейтрализовать указанную внутреннюю помеху в виде импульсов ЗС и выделить в них полезную составляющую. Однако благодаря градиентометрическому соединению ПК₁ и ПК₂, которое можно рассматривать как частный случай пространственной обработки, такая нейтрализация, по крайней мере, частичная, повышающая чувствительность прототипа, достигается в сигнале S₁₂(t).

В то же время, прототипу свойственен тот же недостаток, что и аналогам, а именно низкая помехозащищенность по отношению к внешним помехам, создаваемых удаленными источникам радиоизлучения. Сказанное объясняется тем, что при широком спектре внешней помехи разность хода волны от удаленного источника радиоизлучения до ПК₁ и до ПК₂ порождает заметный фазовый сдвиг между их выходными сигналами, который препятствует нейтрализации внешней помехи в градиентометрическом сигнале S₁₂(t).

Целью изобретения является нейтрализация излучений от дальних источников и повышение тем самым эффективности обнаружения запрещенных металлических предметов методами пространственной обработки сигналов на базе усовершенствованной конструкции арочного МД.

Для достижения поставленной цели в способе обнаружения запрещенных предметов и идентификации их носителей в потоке людей, поочередно пересекающих проем арочного МД, в котором осуществляется излучение ЗС в виде последовательности коротких импульсов с высокой скважностью, прием отраженного сигнала парой ПК, формирование из выходных сигналов S₁(t), S₂(t) первой и второй ПК, установленных на высоте h₁₂ в левой и правой арочных стойках соответственно, градиентометрического сигнала S₁₂(t)=S₁(t)-S₂(t), частотная фильтрация и временная селекция арочного сигнала S_Σ(t) с последующим выделением мгновенных значений его амплитуды A(t), формирование плавающего порога P(t) путем усреднения A(t) на интервале (t-T;t), где Т - время, отводимое для мониторинга одного лица в потоке, а носителем запрещенного предмета определяется лицо, пересекающее арочный проем в момент превышения A(t) порога P(t), ДОПОЛНИТЕЛЬНО в левую и правую арочные стойки на высоте h₃₄ устанавливаются соответственно третья и четвертая ПК, из выходных сигналов которых S₃(t), S₄(t) формируется градиентометрический сигнал S₃₄(t)=S₃(t)-S₄(t), ПРИЧЕМ в качестве арочного сигнала S_Σ(t) используется разница S_Σ(t)=S₁₂(t)-S₃₄(t).

На фиг. 1, фиг. 2 изображена арочная конструкция МД с встроенными в нее ИК и четырьмя приемными катушками ПК₁÷ПК₄, причем на фиг. 1 оси ПК₁÷ПК₄ параллельны оси X, а на фиг. 2 - оси Y. На фиг. 3 изображена функциональная схема МД, реализующая предложенный способ, элементы 1÷10 которой несут следующее техническое содержание: 1 - генератор тактовых импульсов, возбуждающих ИК; 2 - ИК; 3₁÷3₄ - ПК₁÷ПК₄; 4 - арифметическая схема; 5 - частотный фильтр; 6 - амплитудный детектор; 7 - схема стробирования полезных импульсов; 8 - схема формирования порога; 9 - схема сравнения; 10 - устройство звуковой или световой сигнализации о появлении носителя запрещенного предмета.

Сущность предложенного изобретения очевидна из всего вышеизложенного и приведенной схемы фиг. 1. Новизна предложенного изобретения заключается в совершенствовании прежде всего пространственной обработки сигналов антенной решетки из ПК₁÷ПК₄, результатом которой является арочный сигнал S_Σ(t).

Докажем преимущество предложенного способа перед прототипом. Выразим выходные сигналы Si(t) приемных катушек ПК₁÷ПК₄ через их парциальные составляющие:

где α_i - полезные сигналы, порождаемые искомым металлическим предметом при появлении его в создаваемой ПК₁÷ПК₄ зоне обнаружения; ξ_i - внутренняя помеха, порождаемая импульсами ЗС; η_i - внешняя помеха, порождаемая удаленным источником радиоизлучения. Выражение для арочного сигнала

где

с учетом (1) примет вид

где

Согласно (6), суммарная внутренняя помеха ξ_Σ в арочном сигнале S_Σ(t) будет в значительной степени нейтрализована ввиду малости каждой из стоящих в скобках величин - (ξ₁-ξ₂) и (ξ₃-ξ₄) при соблюдении требуемой идентичности катушек ПК₁÷ПК₄, симметричности их расположения относительно ИК и правильным, т.е. вдоль оси X, направлением их осей при вертикальном, т.е. вдоль оси Y, направлении оси ИК (фиг. 1).

Получим выражение для суммарной внешней помехи η_Σ от удаленного источника радиоизлучения гармонического сигнала с длиной волны λ, напряженность магнитного поля которого в окрестности арочного проема выражается плоской волной:

где

Н - любая из координатных составляющих напряженности в начале координат: H_x, H_y, H_z. Ввиду того, что арочный проем располагается в картинной плоскости XY (z=0), множитель ε_z(z) равен единице и его в дальнейшем можно не учитывать. Введем следующие обозначения:

где D - ширина арочного проема (вдоль оси X). Тогда парциальные помеховые сигналы η_i катушек ПК₁÷ПК₄ примут вид:

а суммарная внешняя помеха η_Σ, согласно (7) и (12), примет вид

где H=H_x для арочного проема фиг. 1 и H=H_y для арочного проема фиг. 2.

Оценим эффективность нейтрализации внешней помехи, для чего сравним (13) с выражением для внешней помехи, т.е. до введения дополнительных ПК₃ и ПК₄, согласно (7):

Для этого введем коэффициент подавления внешней помехи:

Подставляя в (15) выражения, вытекающие из (9), (11)

получим

Преобразуем (17):

и учтем малость произведения k_y(h₃₄-h₁₂)=k_yh. Тогда модуль γ получается равным

где значение волнового числа k_y (впрочем, как и k_x, и k_z) лежит в диапазоне 0÷(2π/λ), в зависимости от направления на удаленный источник. Следовательно, модуль коэффициента подавления не может быть хуже величины (l/2π)(h/λ):

и для типовых значений λ, и h составляет

Что касается суммарного полезного сигнала α_Σ, то с большой вероятностью его величина никогда не будет равной нулю, что обосновывается либо несимметричность формы искомых металлических предметов, либо - в случае их симметрии - несовпадением их оси симметрии с осью симметрии ИК (ось Y, фиг. 1), либо расположением металлических предметов вне этой оси.

Вместе с тем, для уменьшения влияния нескомпенсированных остатков обоих видов помех - внутренней и внешней, - на эффективность АИ средства МД используются элементы 8, 9, с помощью которых регистрируются возмущения стационарного распределения магнитного поля в зоне обнаружения, вызванные пересечением носителями металлических предметов арочного проема.

Источники информации

1. Березанский Д.П. Металлодетекторы - обнаружители оружия. Обзор принципов действия. Специальная техника, 1998, №4-5.

2. Синелыциков Г.А. Зарубежные арочные металлодетекторы: осознанный выбор. Специальная техника, 1999, №1-2.

3. Металлообнаружитель. Патент RU №2165094.

4. Металлообнаружитель. Патент RU №2297018.

5. Щедрин А.И. Новые металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - М.; «Горячая линия - Телеком», 2003 г.

6. Оводенко А.А. Робастные локационные устройства. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1981 г.

Способ обнаружения запрещённых предметов и идентификации их носителей в потоке людей, поочерёдно пересекающих проём арочного металлодетектора, в котором осуществляется излучение зондирующего сигнала в виде последовательности коротких импульсов с высокой скважностью, приём отражённого сигнала парой приёмных катушек, формирование из выходных сигналов первой S₁(t) и второй S₂(t) приёмных катушек, установленных на высоте h₁₂ в левой и правой арочных стойках, соответственно, градиентометрического сигнала S₁₂(t)=S₁(t)-S₂(t), частотная фильтрация и временная селекция арочного сигнала S_∑(t) с последующим выделением мгновенных значений его амплитуды A(t), формирование плавающего порога P(t) путём усреднения A(t) на интервале (t-T;t), где Т - время, отводимое для мониторинга одного лица в потоке, а носителем запрещённого предмета определяется лицо, пересекающее арочный проём в момент превышения A(t) порога P(t), отличающийся тем, что дополнительно в левую и правую арочные стойки на высоте h₃₄ устанавливаются соответственно третья и четвёртая приёмные катушки, из выходных сигналов которых S₃(t) и S₄(t) формируется градиентометрический сигнал S₃₄(t)=S₃(t)-S₄(t), причем в качестве арочного сигнала S_∑(t) используется разница S_∑(t)=S₁₂(t)-S₃₄(t).