(57)【要約】サンプル内の選択された材料を検出する方法および装置が開示される。方法において、サンプル８４２が、サンプルソース放射で作られる電磁時間領域信号を生成するための検出器コイル８４６に隣接して配置される。生成された信号は、第１に、選択された周波数より上の周波数成分が取り除かれる増幅され調整された信号に変換するように調整され、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の周波数範囲であり、（ｉｉ）選択された材料の特性である低周波数スペクトル成分を選択的に通過するようにフィルタリングされる。フィルタリングされた信号は、直流から５０ｋＨｚの周波数範囲の周波数領域スペクトルを生成するように、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の周波数範囲であり、（ｉｉ）選択された材料の特性である低周波数スペクトル成分のデータセットと、相互相関される。このスペクトルは、周波数領域スペクトルが、選択された材料の特性であり、かつそのような材料の存在または不在の診断である、１つまたは複数の低周波数信号成分を含むかどうかを判定するために使用される。
2005523460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル内の選択された材料の検出に使用する装置であって、
（ａ）前記選択された材料を含む１つまたは複数の各事前選択された材料に関して、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の選択された周波数範囲内であり、かつ（ｉｉ）その材料の特性である低周波数スペクトル成分を含むデータセットを記憶するデータ記憶デバイスと、
（ｂ）前記サンプルがコイルに隣接して配置されたとき、前記サンプル内の選択された材料によって作られた低周波数電磁放射に関連する信号成分を有する時間領域信号を生成する検出器コイルを含む検出器アセンブリと、
（ｃ）前記検出器コイルからの信号を、選択された周波数より上の周波数成分が取り除かれる増幅され調整された信号に変換する信号調整構成部品と、
（ｄ）前記信号調整構成部品に動作可能に接続され、該信号調整構成部品から調整された信号を受ける電子コンピュータと
を具え、
前記電子コンピュータは、前記調整された信号を、
（ｉ）前記データ記憶デバイス（ａ）から、前記選択されたサンプル材料の低周波数スペクトル成分特性のデータセットを検索し、
（ｉｉ）検索されたデータセットの低周波数スペクトル成分に対応する、低周波数スペクトル成分を選択的に通過するために、そのようなデジタル形態で前記調整された信号をフィルタリングし、
（ｉｉｉ）直流から５０ｋＨｚの周波数範囲の周波数領域スペクトルを作るために、（ｉｉ）からのフィルタリングされた信号を（ｉ）からの低周波数スペクトル成分のデータセットと相互相関し、
（ｉｖ）前記周波数領域スペクトルが、前記選択された材料の特性であり、かつ前記サンプル内のそのような材料の存在または不在の診断である、１つまたは複数の低周波数信号成分を含むかどうかを判定し、
さらに、
（ｅ）処理の出力を表示するために前記コンピュータに動作可能に接続されたインタフェースデバイスを具えることによって処理することを特徴とする装置。
【請求項２】
流体サンプル内の材料の検出に使用するためのものであって、
前記アセンブリは、サンプル入口ポートおよびサンプル出口ポートを有するサンプルチューブを含み、
前記サンプル入口ポートおよび前記サンプル出口ポートによって、サンプルが、前記チューブを通って向けられることができ、
前記検出器コイルは、前記チューブ内のサンプルの流れの方向に実質的に垂直な巻き方向に、前記チューブの周りで巻かれることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記チューブは、パイレックスガラスで作られることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記検出器アセンブリは、コアの周辺の少なくとも一部の周りに配置されたコレクタチューブを有するトロイダルフェライトコアをさらに含み、
前記検出器コイルは、径方向巻き方向に前記チューブおよびコアの周りに巻かれることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項５】
前記検出器アセンブリは、ガウシアンノイズのソースと、前記トロイダルコアの周辺の周りに巻かれたノイズ注入コイルとをさらに含み、
該ノイズ注入コイルを通って、ガウシアンノイズは、前記ソースから前記チューブ内のサンプルに導入されることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記検出器コイルは、間に前記サンプルが配置される、一対の対向するコイル要素を有するヘルムホルツコイルを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記対向するコイル要素は、その間に開放サンプル検出器領域を規定し、前記開放サンプル検出器領域を通って、自己支持サンプルが挿入されかつ取り除かれることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記検出コイルは、テスラコイルを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
気体流サンプル内の気体状または粒子材料の検出に使用するためのものであって、
前記アセンブリは、前記サンプルがフィルタを通過するときに、気体状または粒子材料を有効に捕らえるコレクタフィルタを含み、
前記検出器コイルは、前記フィルタに対して配置され、かつ前記フィルタに実質的に平行な巻き方向を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記コンピュータは、（ｉｖ）の実行において、その相互スペクトル相関が、背景スペクトルノイズより上の選択された統計的な基準を有する、スペクトルにおける低周波数信号成分の周波数の識別で動作可能であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記コンピュータは、（ｉｖ）の実行において、
（ｉｖａ）所定のサンプルに関する追加の周波数領域スペクトルを受け、
（ｉｖｂ）元の作られたスペクトルに追加のスペクトルを追加し、前記追加されたスペクトルを平均化し、
（ｉｖｃ）合計されかつ平均化されたスペクトルにおける成分が、背景ノイズより上の選択された統計的な基準を有するまで、（ｉｖａ）および（ｉｖｂ）を繰り返す
ように動作することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１２】
サンプル内の選択された材料を検出する方法であって、
（ａ）サンプルソース放射で作られる電磁時間領域信号を生成するように、前記サンプルを検出器コイルに隣接して配置する工程と、
（ｂ）前記生成された信号を、選択された周波数より上の周波数成分が取り除かれる増幅され調整された信号に変換するように、前記時間領域信号を調整する工程と、
（ｃ）（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の周波数範囲であり、かつ（ｉｉ）前記選択された材料の特性である、低周波数スペクトル成分を選択的に通過するように、前記調整された時間領域信号をフィルタリングする工程と、
（ｄ）直流から５０ｋＨｚの周波数範囲の周波数領域スペクトルを生成するように、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の周波数範囲であり、かつ（ｉｉ）前記選択された材料の特性である、低周波数スペクトル成分のデータセットで、（ｃ）からの前記フィルタリングされた信号を相互相関する工程と、
（ｅ）前記周波数領域スペクトルが、前記選択された材料の特性であり、かつ前記サンプル内のそのような材料の存在または不在の診断である、１つまたは複数の低周波数信号成分を含むかどうかを判定する工程と
を具えたことを特徴とする方法。
【請求項１３】
流体サンプル内の材料の検出に使用するものであって、
前記配置する工程は、
サンプル入口ポートおよびサンプル出口ポートを有するサンプルチューブを通して前記サンプルを流す工程を含み、
前記検出器コイルは、前記チューブ内のサンプルの流れの方向に実質的に垂直な巻き方向に、前記チューブの周りで巻かれることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記サンプルチューブは、トロイダルフェライトコアに隣接して配置され、
前記検出器コイルは、径方向巻き方向で前記チューブおよびコアの周りに巻かれ、
前記時間領域信号の生成中に、前記サンプルにガウシアンノイズを注入する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記検出器コイルは、一対の対向するコイル要素を有するヘルムホルツコイルを含み、
前記配置する工程は、前記コイル要素間に前記サンプルを配置する工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
気体流サンプル内の気体状または粒子材料の検出に使用するものであって、
前記配置する工程は、
前記サンプルがフィルタを通過するときに、気体状または粒子材料を有効に捕らえる平面フィルタに前記サンプルを通過させる工程を含み、
前記検出器コイルは、前記フィルタの平面に実質的に平行な巻き方向を有することを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
前記判定する工程は、
相互スペクトル相関が、背景スペクトルノイズより上の選択された統計的な基準を有するスペクトルにおける、低周波数信号成分の周波数を識別する工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１８】
前記判定する工程は、
（ａ）所定のサンプルに関する追加の周波数領域スペクトルを受ける工程と、
（ｂ）元の作られたスペクトルに追加のスペクトルを追加し、前記追加されたスペクトルを平均化する工程と、
（ｃ）合計されかつ平均化されたスペクトルにおける成分が、背景ノイズより上の選択された統計的な基準を有するまで、（ａ）および（ｂ）を繰り返す工程と
を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１９】
サンプル内の選択された材料を検出するシステムであって、
サンプルソース放射で作られる電磁時間領域信号を生成するように、検出器コイルに隣接して前記サンプルを配置する手段と、
前記生成された信号を、選択された周波数より上の周波数成分が取り除かれる増幅され調整された信号に変換するために、前記時間領域信号を調整する手段と、
（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の選択された周波数範囲内であり、かつ（ｉｉ）選択された材料の特性である低周波数スペクトル成分を選択的に通過するために、前記調整された時間領域信号をフィルタリングする手段と、
直流から５０ｋＨｚの周波数範囲の周波数領域スペクトルを生成するように、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の周波数範囲であり、かつ（ｉｉ）選択された材料の特性である低周波数スペクトル成分のデータセットと、前記フィルタリングされた信号を相互相関する手段と、
前記周波数領域スペクトルが、前記選択された材料の特性であり、かつ前記サンプル内のそのような材料の存在または不在の診断である、１つまたは複数の低周波数信号成分を含むかどうかを判定する手段と
を具えたことを特徴とするシステム。
【請求項２０】
前記サンプルは、空気または気体であり、
前記システムを囲む環境から前記サンプルを自動的に引き出す手段をさらに具えたことを特徴とする請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
前記配置する手段は、前記サンプルから電磁信号を検出するトロイダル検出器手段を含むことを特徴とする請求項１９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低周波数スペクトル成分に基づくサンプル検出の方法、装置、並びに、そのシステムに関し、例えば、武器、爆発物、および生物学的危険物の遠隔検知、遺伝的に修正された穀物および農作物の検出、大腸菌およびエイズウイルスなどの生物の実時間検出、揮発性、腐食性、または熱環境における処理流の実時間化学解析等を行う遠隔検知システムの分野に適用される。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、参照によって全体が全て本明細書に組み込まれる、２００２年４月１９日に出願された米国特許仮出願第６０／３７４９４１号、２００２年４月１９日に出願された米国特許仮出願第６０／３７４０４３号、および２００２年１２月１３日に出願された米国特許仮出願第６０／４３５３６１号の優先権を主張する。
【０００３】
原子または分子化合物を特徴付けるための様々な分光計ツールが存在する。これらには、ｘ線、ＵＶ、可視光、赤外およびマイクロ波分光計、ならびに原子核および電子スピン共鳴（ＮＭＲおよびＥＳＲ）分光計を含むが、これらに限定されない。一般に、分光計ツールは、少なくとも４つの異なるタイプの化学分析的な問題に有用である。第１に、そのスペクトログラフィック特性により、例えばスペクトル成分により原子および分子化合物を特徴付け、第２に、化合物を形成する原子のスペクトル特徴により化合物の原子組成を決定し、第３に、化合物における原子−原子の相互作用のスペクトル特徴により分子組成の２次元または３次元構造を決定し、および第４に、検出される化合物のスペクトル特徴の識別によりサンプル内の成分、例えば汚染を検出しかつ識別する問題である。
【０００４】
既存のほとんどの分光計ツールは、感度、得られた情報、測定の容易性、およびコストに関していくつかの独特の利点を提供する。各ツールは、そうでなければ利用できない情報を提供するので、可能な限り多くの化学分析的な適切な分光計ツールに関連させることが一般に有利である。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４７５１５１５号明細書
【特許文献２】米国特許第５７３４３５３号明細書
【特許文献３】米国特許第５９５２９７８号明細書
【特許文献４】米国特許第５９５９５４８号明細書
【特許文献５】米国特許第６０２８５５８号明細書
【特許文献６】米国特許第６２０４８２１号明細書
【特許文献７】米国特許第６３２３６３２号明細書
【非特許文献１】Proakis およびManolakis, "Introduction to Digital Signal Processing", Macmillan, 1988, ISBN 0-02-396810-9
【非特許文献２】Proakis, Rader, Ling およびNikias, " Advanced Digital Signal Processing", Macmillan, 1992, ISBN 0-02-396841-9
【非特許文献３】Brigham, E. Oren, "The Fast Fourier Transform and its Applications", Prentice-Hall, Inc., 1988
【非特許文献４】Bracewell, Ron N., "The Fourier Transform and its Applications", McGraw-Hill Book Company, 1965
【非特許文献５】Brault, J. W. およびWhite, O. R., "The analysis and restoration of astronomical data via the fast Fourier transform", Astronomy & Astrophysics., 13, pp. 169-189
【非特許文献６】Duhamel, P. およびHollmann, H., "Split-radix FFT Algorithm", 1984, Electr. Letters, vol. 1, pp. 14-16, January
【非特許文献７】Cooley, J. W. およびTukey, J. W., "An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series", 1965, Mathematics of Computation, 19, 90, pp. 297-301
【非特許文献８】Oppenheim, Alan & Schafer, Ronald, "Digital Signal Processing", 1975, ISBN 0-13-214635-5
【非特許文献９】Forrest Hoffman, "An Introduction to Fourier Theory", http://aurora.phys.utk.edu/〜forrest/papers/fourier/index.html#introduction
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、自然に発生する熱電磁放射を検出し、非常に小さな分子の濃度を遠隔において高速で簡単に検知することが可能な、低周波数スペクトル成分に基づくサンプル検出の方法、装置、並びに、そのシステムを提供することを課題とする。
【０００７】
すなわち、本発明は、例えば、武器、爆発物、および生物学的危険物の遠隔検知、遺伝的に修正された穀物および農作物の検出、大腸菌およびエイズウイルスなどの生物の実時間検出、揮発性、腐食性、または熱環境における処理流の実時間化学解析を行う遠隔検知システムにおいて、非常に小さな分子の濃度を高速で簡単に検知することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態として、サンプルまたは環境における選択された材料の検出で使用する装置を含む。
【０００９】
装置におけるデータ記憶デバイスは、選択された材料を含む１つまたは複数の各事前選択された材料に関して、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の選択された周波数範囲内であり、かつ（ｉｉ）その材料の特性である低周波数スペクトル成分を含むデータセットを記憶する。装置における検出器アセンブリは、時間領域信号を生成する検出器コイルを有し、この時間領域信号は、サンプルがコイルに隣接して配置されたときに、サンプル内の選択された材料によって作られた低周波数電磁放射に関連する信号成分を有する。装置における信号調整構成部品は、検出器コイルからの信号を、増幅され調整された信号に変換し、この増幅され調整された信号から、選択された周波数より上の周波数成分が取り除かれる。
【００１０】
本発明に係る装置における電子コンピュータは、調整された信号を受け、かつその調整された信号を以下のステップによって処理する。
【００１１】
（ｉ）選択されたサンプル材料の低周波数スペクトル成分特性のデータセットを、データ記憶デバイス（ａ）から検索するステップと、
（ｉｉ）調整された信号を、検索されたデータセットの低周波数スペクトル成分に対応する低周波数スペクトル成分を選択的に通過するように、そのようなデジタル形態でフィルタリングするステップと、
（ｉｉｉ）直流から５０ｋＨｚ内の周波数範囲の周波数領域スペクトルを生成するように、（ｉ）からの低周波数スペクトル成分のデータセットと、（ｉｉ）からのフィルタリングされた信号を相互相関するステップと、
（ｉｖ）周波数領域スペクトルが、選択された材料の特性であり、かつサンプル内のそのような材料の存在または不在の診断である１つまたは複数の低周波数信号成分を含むかどうかを判定するステップとである。
【００１２】
処理ステップの出力は、記憶され、またはコンピュータに接続されたインタフェースデバイスに表示されることができる。
【００１３】
流体サンプル内の材料の検出で使用するために、検出器アセンブリは、サンプル入口ポートおよびサンプル出口ポートを有するサンプルチューブを含むことができ、これらのポートによって、サンプルは、チューブを通って向けられることができる。検出器コイルは、チューブ内のサンプル流の方向と実質的に垂直な巻き方向で、チューブの周りを巻かれることができる。チューブは、好ましくは、低周波数電磁信号を透過するが、自体でほとんどまたは全く低周波数信号を生成しない、パイレックス（登録商標）ガラスまたは他の材料から形成される。検出器アセンブリは、さらに、コアの周囲の少なくとも一部の周りに配置されたコレクタチューブを有するトロイダルフェライトコアを含むことができ、検出器コイルは、径方向巻き方向でチューブおよびコアの周りを巻かれる。また、この一般的な実施形態において、検出器アセンブリは、さらに、ガウシアンノイズソース、およびトロイダルコアの周囲の周りに巻かれたノイズ注入コイルを含むことができ、トロイダルコアを介して、ガウシアンノイズが、ソースからチューブ内のサンプルに導入されることができる。
【００１４】
他の一実施形態として、検出器アセンブリ内の検出器コイルは、一対の対向するコイル要素を有するヘルムホルツコイルを含み、これらのコイル要素間にサンプルが配置されることができる。
【００１５】
他の一実施形態として、対向するコイル要素は、それらの間に開放サンプル検出領域を画定し、その開放サンプル検出領域を介して、自己支持サンプルが、挿入されかつ取り除かれることができる。
【００１６】
さらに他の一実施形態として、検出器コイルは、テスラコイルとしてもよい。
【００１７】
ガス状流サンプル内の気体状または粒子状材料の検出に使用するために、検出器アセンブリは、サンプルがフィルタを通過するときに、サンプル材料を有効に捕らえるフィルタを含む。検出器コイルは、フィルタに実質的に平行な巻き線方向で、フィルタに対して配置される。
【００１８】
コンピュータは、処理ステップ（ｉｖ）を実行するさいに、相互スペクトル相関が、背景スペクトルノイズより上の選択された統計的な基準を有する、スペクトルにおける低周波数信号成分の周波数を識別するように動作することができる。
【００１９】
コンピュータは、処理ステップ（ｉｖ）を実行するさいに、（ｉｖａ）所与のサンプルに関する追加の周波数領域スペクトルを受け、（ｉｖｂ）追加のスペクトルを元々生成されたスペクトルに追加し、かつ追加されたスペクトルを平均化し、かつ（ｉｖｃ）合計されかつ平均化されたスペクトルにおける成分が、背景ノイズより上の選択された統計的な基準を有するまで、ステップ（ｉｖａ）および（ｉｖｂ）を繰り返すように動作することができる。
【００２０】
他の一実施形態として、本発明は、サンプル内の選択された材料を検出する方法を含む。この方法の実施において、サンプルは、検出器コイルに隣接して配置され、それによって、サンプルソース放射から作られる電磁時間領域信号を生成する。
【００２１】
その生成された信号は、選択された周波数より上の周波数成分が取り除かれる増幅され調整された信号に変換され、次に、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の周波数範囲にあり、および（ｉｉ）選択された材料の特性である低周波数スペクトル成分を選択的に通過させるようにフィルタリングされる。
【００２２】
フィルタリングされた信号は、直流から５０ｋＨｚまでの周波数範囲における周波数領域スペクトルを生成するために、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の周波数範囲にあり、および（ｉｉ）選択された材料の特性である低周波数スペクトル成分のデータセットと相互相関される。周波数領域スペクトルが、選択された材料の特性である１つまたは複数の低周波数信号成分を含むかどうかが判定され、サンプルにおけるそのような材料の存在または不在が検出される。
【００２３】
流体サンプル内の材料の検出に使用するために、サンプルは、サンプル入口ポートおよびサンプル出口ポートを有するサンプルチューブを通して流されることができる。ここで、検出器コイルは、チューブにおけるサンプル流の方向に実質的に垂直な巻き方向にチューブの周りを巻かれることができる。サンプルチューブは、トロイダルフェライトコアに隣接して配置されることができ、検出器コイルは、径方向巻き方向でチューブおよびコアの周りを巻かれる。この実施形態における方法において、時間領域信号の生成の間にサンプル内にガウシアンノイズを注入することをさらに含むことができる。
【００２４】
代わりに、検出器コイルは、一対の対向するコイル要素を有するヘルムホルツコイルであってよい。この実施形態において、サンプルは、コイル要素間に配置されることができる。
【００２５】
ガス状流サンプル内の気体状または粒子状材料の検出に使用するために、サンプルは、サンプルがフィルタを通過するときに、サンプル材料を有効に捕らえるフィルタを通過することができる。検出器コイルは、好ましくは、フィルタの平面に実質的に平行な巻き線方向で、フィルタに隣接して配置される。
【００２６】
周波数領域スペクトルが、選択された材料の特性である１つまたは複数の低周波数信号成分を含むかどうかを判定するステップは、その相互スペクトル相関が、背景スペクトルノイズより上の選択された統計的な基準を有するスペクトルにおける低周波数信号成分の周波数を識別することを含むことができる。
【００２７】
周波数領域スペクトルが、選択された材料の特性である１つまたは複数の低周波数信号成分を含むかどうかを判定するステップは、（ａ）所与のサンプルに関する追加の周波数領域スペクトルを受け、（ｂ）追加のスペクトルを元々生成されたスペクトルに追加し、かつ追加されたスペクトルを平均化し、かつ（ｃ）合計されかつ平均化されたスペクトルにおける成分が、背景ノイズより上の選択された統計的な基準を有するまで、ステップ（ａ）および（ｂ）を繰り返すことを含むことができる。
【００２８】
本発明の実施形態の特徴は、以下の詳細な記載および添付の図面から、より完全に明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
Ｉ．定義
以下の用語は、他に示されない限り、以下の定義を有する。
【００３０】
「分子回転を示すサンプル」とは、サンプルを形成しまたはサンプルに存在する１つまたは複数の分子化合物または原子イオンが回転を示す、気体状、液体、または固定形態（固体金属以外の）であり得るサンプル材料を言及する。
【００３１】
「時間領域信号」または「時間連続信号」とは、時間にわたって変化する過渡信号特性を有する信号を言及する。
【００３２】
「サンプルソース放射」とは、磁界内の分子双極子の回転の結果からの磁束放出を言及する。
【００３３】
「ガウシアンノイズ」とは、ガウシアンパワー分布を有するランダムノイズを意味する。
【００３４】
「静止ホワイトガウシアンノイズ」とは、予測可能な成分が無いランダムガウシアンノイズを意味する。
【００３５】
「周波数領域スペクトル」とは、時間領域信号のフーリエ周波数プロットを言及する。
【００３６】
「スペクトル成分」とは、周波数、強度、および／または位相領域において測定されることができる時間領域信号内の単一のまたは繰り返し品質を言及する。スペクトル成分は、一般に、周波数領域に存在する信号を言及する。
【００３７】
第１のサンプルを参照する「類似のサンプル」とは、同一のサンプル、または第１のサンプルと実質的に同一のサンプル成分を有するサンプルを言及する。
【００３８】
ＩＩ．装置
本発明に係る装置は、直流（ＤＣ）から５０キロヘルツ（ｋＨｚ）の間の電磁スペクトルの非常に低い端で動作する。この技術は受動的であり、受動的とは、有害なまたはイオン化放射でターゲットを「ペインティング」する必要がないことを意味する（いくつかの実施形態は、システム／サンプルにホワイトノイズを注入するが）。
【００３９】
本発明の少なくとも１つの実施形態において、分子を検知する発明は、自然に発生する熱電磁放射を検出し、非常に小さい分子濃度を遠隔に検知するための高速で簡単な方法を提供する。
【００４０】
本発明は、これに限定されるものではなく、以下の適用を含む。
【００４１】
すなわち、本発明は、武器、爆発物、および生物学的危険物の遠隔検知、遺伝的に修正された穀物および農作物の検出、大腸菌およびエイズウイルスなどの生物の実時間検出、揮発性、腐食性、または熱環境における処理流の実時間化学解析を行うことが可能な遠隔検知システムに適用可能である。
【００４２】
この遠隔検知システムは、分子電磁放出を検出し、時間連続フーリエスペクトル解析を実行し、かつ得られたデータに対して結果を比較して、そうでなければ検出することができないほぼ実時間での分子材料を識別する。デバイスは、同時に複数の材料を検出することができ、小さな携帯デバイスから大きな工業的な適用まで拡張可能である。
【００４３】
図１は、選択された材料、例えばサンプル内に含まれる、化合物、イオン種、粒子材料などを検出するための、本発明の一実施形態により構成された装置２０を示す。装置は、サンプル内の材料によって作られた低周波数電子放射に関連する時間領域信号を生成する検出器コイル２４を有する検出器アセンブリ２２を含む。図１には示されていないが、サンプルは、コイルに隣接してサンプル領域２６に配置される。以下から分かるように、サンプル領域は、サンプルコイル間の開放領域、膜などのサンプルコレクタ、またはサンプル材料が通って流れることができるサンプルチューブを含むことができる。特定のサンプルホルダを含むサンプル領域は、検出器アセンブリの一部とも考えられる。図６Ａは、本発明の装置で記録された０．２５ＭのＮａＣｌサンプルに関する一般的な時間領域信号を示す。
【００４４】
検出器コイルからの信号を増幅され調整された信号に変換する信号調整構成部品が、２７で示され、増幅され調整された信号から、選択された周波数より上の周波数成分が取り除かれる。図３に示され、また２５で示されるターゲットアナログ信号であるこれらの成分は、検出器アセンブリもよって生成される。図における構成部品２７は、例えば１から１０００の利得で、信号を使用可能なレベルに増幅する低ノイズ増幅器２８（ＡＤ６２０ＬＮＡ７または等価物が適している）を含む。増幅器の利得は、検知デバイスの感度を調整する方法としてユーザによってアドレス指定可能である。構成部品２７にアナログローパスフィルタも含まれ、アナログローパスフィルタは、従来のＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈアナログフィルタなど、５０ｋＨｚより低い周波数を通過することによってＡ／Ｄ変換のために信号を調整するように機能する。このフィルタは、下流処理要件に応じて受けた信号の帯域幅を調整しかつ制限する。このフィルタは、アーカイブに保持されたデータ特性に応じて、ユーザおよびインタープリタによってアドレス指定可能である。アーカイブされた信号の主要なスペクトル成分が、狭い帯域幅内で発生する場合、インタープリタは、フィルタに帯域幅を狭めるように指示することができ、それによって、フーリエプロセッサの効率を増大する。デジタルフィルタは、またノイズの多い環境で望ましくない信号を取り除くためにノッチフィルタを提供することができる。図６Ｂは、増幅し、かつ５０ｋＨｚより上の周波数成分を取り除くようにバンドパスフィルタリングした後の０．２５ＭのＮａＣｌサンプルに関する図６Ａ信号を示す。
【００４５】
ローパスフィルタの出力は、増幅されてフィルタリングされたアナログ信号をデジタル形態に変換するアナログデジタルコンバータ３４に供給される。一般的なＡ／Ｄコンバータは、２４ビットなどの他の解決方法も可能であるが、Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ（カリフォルニア、ロサンジェルス）が供給するなどの１６ビットアナログデジタルコンバータである。
【００４６】
Ａ／Ｄコンバータの出力は、記載されるように、識別されるサンプル材料の診断であるスペクトル成分の識別を導く、一連の信号処理ステップを実行する装置における電子コンピュータ３６に動作可能に接続される。コンピュータは、記載されるような高速信号処理動作に関して構成されたデジタル信号処理モジュール３５を含む。従来の薄膜記憶デバイス３７などのデータ記憶デバイス３７も、コンピュータに含まれることができ、データ記憶デバイス３７は、選択された材料を含む各１つまたは複数の事前選択された材料に関して、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の選択された周波数範囲にあり、および（ｉｉ）その材料の特性である低周波数スペクトル成分を含むデータセットを記憶する。
【００４７】
このデータセットは、参照によって本明細書に組み込まれる、２００３年３月２８日に出願されたＰＣＴ出願 、「Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ  ａ  Ｓａｍｐｌｅ  ｂｙ  Ｌｏｗ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｐｅｃｔｒａ（低周波数スペクトルによりサンプルを特徴付けるシステムおよび方法）」に記載される低周波数記録デバイスを使用して、高い磁気および電磁遮蔽の状態の下で選択された材料からの低周波数信号を記録しかつ処理することによって生成される。さらなる詳細は、「信号生成」のセクションで以下に与えられる。
【００４８】
簡単には、低周波数記録デバイスは、複数の低周波数スペクトル成分を含むデータセットを作り、このデータセットは、一般には１００Ｈｚから６．６ｋＨｚの範囲にあるが、直流から５０ｋＨｚの広い範囲を含む。この低周波数スペクトル成分は、例えば、水、イオン化された塩、溶液材料、望ましくない汚染、生物学サンプル材料などのサンプル材料の特性である。一般に、サンプル材料がより複雑になれば、より複雑な（より多数の特性スペクトル成分）サンプル材料データセットが含まれる。
【００４９】
以下から理解されるように、本発明の方法によって選択されたサンプル材料を検出する能力は、対象の様々な選択された材料が、材料の特性スペクトル成分の少なくとも１つ、一般的にはいくつかが、その材料に独特であるように、異なるスペクトル「サイン」、すなわち特性低周波数成分の異なるセットによって特徴付けられるという事実による。
【００５０】
装置における記憶デバイスにインストールされたデータセットの性質は、装置で検出されることが望まれる選択された材料に応じる。一般に、移動フィールドユニットに関して、データセットは、例えば水サンプルに存在する可能性がある様々な汚染物、または大気粒子、空気で運ばれる生物学粒子、または空気中に存在する化学成分などの検出を望むことがある様々な空気で運ばれるサンプルを含む、ファイルされた設定において検出することを望む全ての材料に関するデータセットを含む。
【００５１】
上記されたように、コンピュータは、図３で示されるような様々な信号処理動作を実行するように構成される。第１の動作信号処理は、対象のサンプル材料の低周波数スペクトル成分に対応する周波数成分を選択的に通過させて実行される。したがって、この段階は、複数のノッチフィルタの機能を実行し、各ノッチは、対象の材料に関するデータセットにおける１つのスペクトル帯域を通過させる。この動作の実行において、コンピュータは、第１に、データ記憶デバイスから、選択されたサンプル材料の低周波数スペクトル成分特性のデータセットを検索し、かつその材料に関連する低周波数スペクトル成分を記録する。このデータは、（ｉ）６０Ｈｚ周波数成分を取り除き（ノッチフィルタ）、かつ検索されたデータセットにおけるスペクトル周波数に対応する周波数を通過させる（バンドパスフィルタ）ように、従来のデジタルノッチおよびバンドパスフィルタ３８で使用される。一般に、デジタルフィルタは、直流と５０ｋＨｚの間の選択された周波数を通過する。バンドパスフィルタは、複数の通過帯域を提供できるが、パワーライン周波数および他の知られているノイズ周波数でのノッチフィルタも提供できるアドレス指定可能なデジタルフィルタのアレイからなることができる。デジタルフィルタは、プロセッサによってアドレス指定可能であり、ユーザがアドレス指定可能であるようにも構成されることができる。
【００５２】
信号のＡ／Ｄ変換である程度圧縮されることができる。入力からストリーミングデータを一時的に記憶するために、ＡＤＣとフーリエプロセッサとの間にデータバッファ３９もある。解析の結果（信号ではない）は、ある形態のグラフィック表示で与えられ、かつ、後の検索のためにオンボードデータアーカイブにも記憶される。
【００５３】
次の処理ステップにおいて、バンドパスフィルタリングされた時間領域信号は、４０で、検索されたデータセットのスペクトル成分と相互相関され、スペクトル成分として、フィルタリングされた信号およびデータセットの両方に存在するスペクトル周波数を含む直流から５０ｋＨｚ内の周波数範囲における周波数領域スペクトルを生成する。
すなわち、スペクトルは、特性スペクトル成分の存在または不在によって、対称のサンプル材料の存在または不在の証拠である。相互相関モジュールは、ｒａｄｉｘ−２、ｒａｄｉｘ−４、またはｓｐｌｉｔ−ｒａｄｉｘアルゴリズムを使用して、受けたデータに対して時間で連続する高速フーリエ変換を実行する。結果としてのデータは、サイクル当たり数秒で測定されたスペクトル強度（時間に等価な時間連続、周波数、および強度）からなる元の信号を示す。このサンプルに関してスペクトル成分のデータセットで、図６Ｂ信号を相互相関することによって生成された０．２５ＭのＮａＣｌのスペクトルが、６Ｃに示される。
【００５４】
相互相関機能は、知られている信号からのフーリエデータと比較されて知られていない信号のフーリエ相関解析を実行するようにプログラムされたモノリシックプロセッサチップによって実行されることができる。解析結果は、知られていない信号と知られている信号との間のパーセンテージスペクトルフィットとして行われる。「フィット」パーセンテージは、統計的重要性と相関し、このデータは、次に、インタープリタに送られ、確実な検出または一致の尤度（ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ）を判定するために、アルゴリズムを介してフィルタリングされる。
【００５５】
プロセッサは、アーカイブされたデータに対して相互スペクトル相関を実行するように命令されたデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）またはマイクロプロセッサであり得る。プロセッサは、アーキテクチャに応じて、独立してまたは他のプロセッサとともに動作することができる。このプロセッサは、また、相互スペクトル相関に関して信号準備としてフーリエフィルタを確立するために、命令を能動デジタルフィルタに提供することができる。プロセッサは、データ記憶装置および出力デバイス（例えば、可視表示、音響のためのスピーカ、無線送受信機など）との適切なユーザインタフェースを含むより大きな処理システムの一部であることができる。ユーザインタフェースは、増幅器およびフィルタモジュール、ＡＤＣ、および相関器に対するユーザ制御を提供することができる。
【００５６】
一般に、上述で生成されたスペクトルは、スペクトル成分を強調し、かつ／またはスペクトル成分が、選択されたサンプル材料の識別の信頼性のある基準を可能にする所定の統計的な閾値より上かどうかを評価するために、追加のフィルタリングおよび／または合計および平均化動作を必要とする。
【００５７】
１つの例示的な方法において、相互相関されたサンプル信号スペクトルは、相互相関されたノイズ（サンプル無しの）信号と比較される。比較器アルゴリズムは、次に、相互相関されたサンプルスペクトルおよび相互相関されたノイズスペクトルにわたって、例えば０．１Ｈｚの間隔で増分して進みながら、各周波数ポイントで相関値を調べて、そのポイントでノイズ相関をサンプル相関から減算して、修正された相関値の周波数プロットを作る。（もちろん、より大きいまたはより小さい周波数間隔は、適用に応じて使用されることができる。）これらの値は、特定のサンプルに関連し、かつ例えば、任意のノイズ成分の相対強度に応じる。
【００５８】
代わりに、信号読み取り値から生成されたスペクトルは、合計され、かつ同一のサンプルから作られたスペクトルで連続して平均化されることができる。すなわち、同一のサンプルから上述のように作られた第２のスペクトルは、第１のスペクトルに加えられ、かつ２つのスペクトルは、合計されかつ平均化される。このプロセスは、統計的な閾値より上のスペクトル成分が観測されるまで、繰り返される。これらの成分は、次に、これらの成分が選択された材料の特性周波数に一致するかどうかを判定するために、「読み取られ」または比較される。上述の動作は、図３において４２で示されるように実行される。ＮａＣｌサンプルに関する合計されかつ平均化されたスペクトルが、図６Ｄに示される。
【００５９】
インタープリタは、イベントからの結果を判定するための単純なアルゴリズムを記憶しかつ使用することができる、他のモノリシックプロセッサチップであることができる（または、上記プロセッサチップまたはシステム構成部品によって実行されるルーチンであることができる）。イベントは、知られていない信号と知られている信号との間のフィットの統計的重要性（パーセントとして）を反映する数である。アルゴリズムは、特定の分子に関するスペクトルデータの知られている特性に基づき一致の尤度を判定するために、事前設定された閾値に対する「フィット」を評価する。一例として、ある分子は、時間にわたる所定の周波数およびサイクル内の特に高いスペクトルエネルギーを有することができる。他の分子は、同一の周波数および時間にわたるより均一なスペクトルエネルギーを有することができる。これら分子の各々は、異なるが等しい重みである統計的重要性を作ることができる。インタープリタは、データアーカイブ内に複数の知られている分子データセットが存在するとき、これを補償する。その最も単純な実施形態において、インタープリタは、パーセンテージフィット信号が比較される閾値である。閾値は、様々な要因に応じて調整されることができる（例えば、環境ノイズレベルが高いなら、閾値を減少する）。
【００６０】
データおよび／または判定結果は、コンピュータ表示４４でユーザに示される。代わりにまたは追加して、結果は、一般的にはコンピュータに結合された記憶手段である記憶手段４６に記憶される。また図１に示されるように、コンピュータはキーボード４８を有し、キーボード４８によって、ユーザは、信号処理パラメータ、サンプル識別などを特定することができる。
【００６１】
一般的な出力は、選択された対象のサンプルを識別し、かつ（ｉ）選択されたサンプルに関連するスペクトル成分と、（ｉｉ）データセットからのスペクトル成分と一致する統計的に意味があるサンプル成分とを列挙する、並んだ列を備えるテーブルを表示する。これから、ユーザは、選択された材料がサンプルにあるかどうかを判定することができる。出力は、ユーザに結果の信頼性のある統計的な基準を提供するために、スペクトル成分が導かれる平均化されたスペクトルも示すことができる。
【００６２】
図２は、本発明の第２の実施形態により構成された装置５０を示す。
【００６３】
ここで、装置は、上記図１の装置とは検出器アセンブリで記載された装置２０だけが異なる。従って、装置の他の構成部品は、装置２０で示されたものと同一の参照符号で示される。
【００６４】
５２で示された装置における検出器アセンブリは、検出器コイルとしての、一対の対向するコイル素子５６、５８からなるヘルムホルツコイル５４を含む。２つのコイル素子は、素子間にサンプル領域６０を画定し、サンプル領域を介して、６２で示されるようなサンプルが移動されることができる。この実施形態は、例えば、スクリーンされまたは検査される携帯対象物などのサンプルの検出に有用である。示されるように、コイル素子は、ノイズ注入コイルにおける信号増幅器に別々に接続される。動作において、２つの別々の信号は、上述と同じに処理される。
【００６５】
多数の代わりの構成部品が可能である。例えば、検出器コイルは、特定の領域に存在する低周波数電磁放出を検出できる、直流と５０ｋＨｚの間で動作するように構成された同調されたコイルであるが、これらに限定されることなく、テスラコイル、トロイダルコイル、ヘルムホルツコイル、スラグ同調コイル、および測定された波長およびランダムワイヤループを含む、様々なコイルが実施されることができる。
【００６６】
次の２つのセクションは、代わりの検出器アセンブリを記載する。第１の検出器アセンブリは、流体サンプル内の材料を検出するためのサンプルチューブおよびトロイダルコイルを有し、第２の検出器アセンブリは、空気で運ばれるサンプル材料を検出するためのフィルタサンプルコレクタを有する。
【００６７】
Ａ．トロイダル検出器
多くの商業的および工業的な適用は、材料が、雑音が多い電磁環境内のプロセス流において評価されることを必要である。トロイダル変換器内部の分子材料を検知することは、高いレベルの電磁絶縁を提供する。このシステムに関する適用は、揮発性、腐食性、または熱環境におけるプロセス流、商業的または公共の環境における汚染に関する試験空気、および検査する水供給物または他の商業的に利用可能な消費物の実時間化学分析を含むが、これらに限定されない。
【００６８】
システムは、主要な放出要素の置き換えとして流体または気体を使用するが、トロイダル変換器を通る流体および気体を移動する能力を提供する。気体または流体は、トラースコアとインダクションコイルとの間のトロイドの周辺の周りにポンプ給送される。ガウシアンホワイトノイズは、サンプルチューブを有する１：１の比で巻かれた（他の比も使用されることができるが）ノイズ素子を介して、トロイドの内側に注入され、サンプルチューブは、トロイドを通って気体または液体を移動させる。
【００６９】
分子材料は、トロイドを通って移動するので、ガウシアンホワイトノイズは、分子信号のレベルより上の３０ｄＢから３５ｄＢで注入される。分子信号は、分子信号の特性の識別を維持する確率論的成果を形成するために、ホワイトノイズと合計される。信号は、次に、独特の低周波数スペクトルサインを有するサンプルにおける材料を識別するために、上述のように増幅されかつ処理される。
【００７０】
デバイスは、トロイドの重ねられた磁界を使用し、かつ一次素子および二次素子（サンプルチューブおよび検出コイル）の間のインダクタンスを提供する。トロイド空洞内部の閉じ込められた磁界（Ｂ）は、以下の簡単な式によって正確に定量化される。すなわち、Ｂ＝Ａ／ｒ、ここで、Ａは比例定数（トーラス係数）であり、およびｒは空洞の長手軸からの径方向の距離である。
【００７１】
本発明の実施形態により構成されたトロイダル検出器アセンブリは、図４において６４として平面図で示される。
【００７２】
ガラス、プラスチック、好ましくはパイレックス（登録商標）チューブ６６が、フェライトなどの強磁性体で形成されたトロイダルコア７２の外部周辺の周りに配置される。チューブは、その反対側の端部で、それぞれ入口ポート６８および出口ポート７０と連通し、液体または気体サンプルが、検出動作の間にチューブを通ってポンプ給送されることを可能にする。トロイドおよびチュービングの寸法は、個々の適用に応じ、最終製品の設計仕様にだけ重要である。さらに、チューブリングは、コア７２の中心内などのコイル内の他の場所に配置されることができる。
【００７３】
ノイズ注入コイル７６は、示されるようにチューブの外側周囲の周りに配置される。コイル７６は、１つのループとして示されているが、巻き線７４として配置されるコイルの形態をとることができる。コイル７６の目的は、ガウシアンノイズソース７８から供給されるガウシアンノイズの、サンプル内への追加を可能にすることである。
【００７４】
アセンブリにおける検出器コイルを形成する二次巻き線７４は、トロイドコア、チューブ６６、およびノイズコイル７６の周りに径方向に巻かれる。ワイヤのサイズおよびタイプ、ならびにトロイドの周りの巻き数は、二次コイルの共振周波数に依存する。重要ではないが、構成は、変換器に関して可能な限り高いＱ値を達成するなどのようにされなければならない。検出器コイルは、上述のように信号調整のために信号増幅器に接続される。
【００７５】
動作において、流体または気体は、維持された低い速度の流れを提供するように、変換器を通ってポンプ給送される。チュービングを通って輸送されるサンプル材料は、コイルによって検出される非常に低い強度の電磁波を放出する。ホワイトノイズは、ターゲット材料からの自然電磁放出と混合するように、ノイズコイルを介してサンプルの領域に注入される。ノイズが、ターゲット信号より上の３０ｄＢから３５ｄＢになるまで、利得がノイズに対して与えられる。この点で、ノイズが、下にある信号の特性を持ち、確率論的共振として知られている自然な状態の下で、分子信号を効果的に増幅する。確率論的成果は、ピックアップされかつ前置増幅器回路によって増幅される二次コイルに誘導される電圧を作る。
【００７６】
本システムは、確率論的ソースとして周囲の電磁環境ノイズを有効に使用し、特定の分子の特性（波形）に類似する確率論的特性（波形）を識別するようにフーリエ解析を適用する。これも、検出器の機能的範囲での理論的制限を確立する。
【００７７】
トロイドの縮尺が、適用に応じることに留意されたい。例えば、非常に大きな検出器が、大きなトロイドを有して作られることができ、それによって、材料の大きな堆積をサンプリングする。
【００７８】
Ｂ．空気検出器
気体状形態で運ばれ知られていない材料、例えば空気で運ばれる粒子の検出および識別を意図した空気サンプル検出器アセンブリを有する装置８０が、図５に示される。アセンブリは、例えば１ミクロン粒子フィルタなどの空気輸送チューブ、検出コイル８４、無線周波数シールド８６、およびチューブおよびフィルタを通って空気をポンプ給送するポンプ８８を含む。検出器コイルは、フィルタ平面と平行にその巻き線とともに向けられ、かつフィルタの背面に対して直接に配置される。
【００７９】
空気チューブは、プラスチックおよびファイバの複合材料が好ましいが、任意の適切な材料で作られることができる。空気チューブの目的は、空気で運ばれる粒子を、デバイスを通って移動させることを可能にすることである。取り外し可能な１ミクロン静電フィルタが、空気がフィルタを通って移動するとき、空気で運ばれる粒子を捕らえることに使用される。代わりに、装置が、ＮＯ、ＳＯ2、フルオロクロロ炭化水素、アルキルガスなど分子気体形態の材料を測定することが意図されているとき、フィルタは、化学反応性表面を備えることができ、化学反応性表面で、材料が吸着または吸収され、または化学反応性表面と材料が反応することができる。
【００８０】
対象の選択された材料の低周波数回転モードを検出するために、対象の選択された材料を溶液に溶解することが必要なとき、装置における検出器アセンブリは、代わりに、別個のコレクタおよび検出ステーションを含むことができる。したがって、例えば、装置は、フィルタ上で材料を収集するシステムと、フィルタが配置される溶剤のリザーバを含む別個の検出システムとを含むことができ、フィルタ上に捕らえられた材料を、溶剤、例えば水または有機溶剤に放すことができる。懸濁した材料の溶液は、容器の外側の周りを巻く検出器コイルを有する、パイレックス（登録商標）容器内の溶液で調べられることができる。
【００８１】
さらに他の実施形態において、空気が、分子気体材料が溶解された、例えば水または有機溶剤などの溶剤のリザーバを通って引かれる。すなわち、空気サンプルは、対象の選択された材料を有効に捕らえる速度で、リザーバで泡立たせられる。この実施形態において、検出器コイルは、空気が泡立たせられる容器の外側、例えばパイレックス（登録商標）円筒状容器の外側の周りで巻かれることができる。捕らえられた気体材料を有する液体サンプルは、別個の検出器、例えば上述した上記トロイダル検出器に移されることもできる。
【００８２】
ＩＩＩ．信号生成
サンプリングされた信号と比較するために使用されるベースラインまたはデータセット信号などのような所定の信号に関する詳細が、以下に記載される。
【００８３】
図７を参照すると、本発明の態様を用いる処理ユニットは、サンプル８４２が挿入されかつ取り出されることを可能にするサンプルトレイ８４０、ファラデーケージ８４４、およびヘルムホルツコイル８４６を含む。ＳＱＵＩＤ／グラディオメータ検出器アセンブリ８４８は、低温デュワー８５０内に配置される。磁束固定ループ８５２は、ＳＱＵＩＤ／グラディオメータ検出器アセンブリ８４８とＳＱＵＩＤコントローラ８５４との間に結合される。ＳＱＵＩＤコントローラ８５４は、サンジエゴのＴｒｉｓｔａｎよって提供されるモデルｉＭＣ−３０３ｉＭＡＧマルチチャネルコントローラであることができる。
【００８４】
アナログノイズ生成器８５６は、位相ロックループ８５８にノイズ信号（上述のように）を提供する。位相ロックループのｘ軸出力は、ヘルムホルツコイル８４６に提供され、２０ｄＢなどに減衰されることができる。位相ロックループのｙ軸出力は、信号スプリッタ８６０によって分割される。ｙ軸出力のある部分は、グラディオメータに関する別個の入力を有するＳＱＵＩＤで、ノイズキャンセレーションコイルに入力される。ｙ軸出力の他の部分は、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ  ＴＤＳ  ３０００ｂなどのフーリエ機能を有するアナログ／デジタルオシロスコープなどのオシロスコープ８６２に入力される。すなわち、位相ロックループのｘ軸出力は、ヘルムホルツコイルを駆動し、かつ反転形態であるｙ軸出力は、ＳＱＵＩＤおよびオシロスコープの入力に分割される。したがって、位相ロックループは、信号インバータとして機能する。オシロスコープトレースは、例えば、非固定スペクトル成分を生成するためのノイズの十分なレベルが達成されるときの決定に関して、アナログノイズ信号をモニタするために使用される。コントローラ８５４に結合された、アナログテープレコーダまたは記録デバイス８６４が、デバイスからの信号出力を記録し、かつ好ましくは広帯域（例えば５０ｋＨｚ）記録計である。ＰＣコントローラ８６６は、例えばＲＳ２３２ポートを介して、コントローラ８５４とインタフェースするＭＳウインドウベースのＰＣであることができる。
【００８５】
図８は、処理ユニットの他の実施形態のブロック図を示す。
【００８６】
デュアル位相ロックイン増幅器２０２は、第１の信号（例えば、「ｘ」またはノイズ信号）をコイル７２６、７２８に提供し、かつ第２の信号（「ｙ」またはノイズキャンセレーション信号）を超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）２０６のノイズキャンセレーションコイルに提供するように構成される。増幅器２０２は、外部基準なしにロックするように構成され、かつＰｅｒｋｉｎｓ  Ｅｌｍｅｒモデル７２６５ＤＳＰロックイン増幅器であることができる。この増幅器は、「仮想モード」で作用し、仮想モードで、増幅器は、その初期基準周波数をロックし、かつその後、自由に動作し「ノイズ」に固定することを可能にするように基準周波数を取り除く。
【００８７】
アナログノイズ生成器２００は、増幅器２０２に電気的に接続される。生成器２００は、増幅器２０２を介して、コイル７２６、７２８にアナログホワイトガウシアンノイズを生成または誘導するように構成される。一例として生成器２００は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｒａｄｉｏによって製造されたモデル１３８０であることができる。
【００８８】
インピーダンス変換器２０４は、ＳＱＵＩＤ２０６と増幅器２０２との間に電気的に結合される。インピーダンス変換器２０４は、ＳＱＵＩＤ２０６と増幅器２０２との間にインピーダンスマッチングを提供するように構成される。
【００８９】
ＳＱＵＩＤ２０６のノイズキャンセレーション特性は、オンまたはオフされることができる。ノイズキャンセレーション特性がオンされたとき、ＳＱＵＩＤ２０６は、検出された放出からの注入されたノイズ成分をキャンセルまたは取り消すことができる。ノイズキャンセレーションを提供するために、コイル７２６、７２８への第１の信号は、検出されるよう求められる分子電磁放出より上の２０ｄＢのノイズ信号である。このレベルで、注入されたノイズは、確率論的共振を介して分子電磁信号の特性を持つ。ＳＱＵＩＤ２０６への第２の信号は、４５ｄＢのノイズキャンセレーション信号であり、ＳＱＵＩＤ出力でノイズを取り消すのに十分な強度で第１の信号から反転される（例えば、第１の信号に対して１８０°ずれた位相）。
【００９０】
ＳＱＵＩＤ２０６は、低温直流素子ＳＱＵＩＤである。一例として、ＳＱＵＩＤ２０６は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．によって製造されたモデルＬＳＱ／２０ＬＴＳ  ｄＣ  ＳＱＵＩＤであることができる。代わりに、高温または交流電流ＳＱＵＩＤが使用されることができる。コイル７２２、７２４（例えば、グラディオメータコイル）および組み合わせられたＳＱＵＩＤ２０６（全体に、ＳＱＵＩＤ／グラディオメータ検出器アセンブリと呼ばれる）は、ほぼ５マイクロテスラ／√Ｈｚの磁界測定感度を有する。コイル７２２、７２４に誘導された電圧は、ＳＱＵＩＤ２０６によって検出されかつ増幅される。ＳＱＵＩＤ２０６の出力は、ほぼ０．２〜０．８マイクロボルトの範囲内の電圧である。
【００９１】
ＳＱＵＩＤ２０６の出力は、ＳＱＵＩＤコントローラ２０８への入力である。ＳＱＵＩＤコントローラ２０８は、ＳＱＵＩＤ２０６の動作状態、およびさらに検出された信号の状態を制御するように構成される。一例として、ＳＱＵＩＤコントローラ２０８は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．よって製造されるｉＭＣ−３０３ｉＭＡＧマルチチャネルＳＱＵＩＤコントローラであることができる。磁束固定ループは、ＳＱＵＩＤとＳＱＵＩＤコントローラとの間に作動可能に配置されることができる。
【００９２】
ＳＱＵＩＤコントローラ２０８の出力は、増幅器２１０に入力される。増幅器２１０は、０〜１００ｄＢの利得を提供するように構成される。ノイズキャンセレーションノードが、ＳＱＵＩＤ２０６でオンされると、ほぼ２０ｄＢの利得が提供される。ＳＱＵＩＤ２０６が、ノイズキャンセレーションを提供しないとき、ほぼ５０ｄＢの利得が提供される。
【００９３】
増幅された信号は、レコーダまたは記憶デバイス２１２に入力される。レコーダ２１２は、その増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、かつデジタル信号を記憶するように構成される。一実施形態として、レコーダ２１２は、Ｈｚ当たり８６００データポイントを記憶し、２．４６メガビット／秒を扱うことができる。
【００９４】
１例として、レコーダ２１２は、Ｓｏｎｙデジタルオーディオテープ（ＤＡＴ）レコーダであることができる。ＤＡＴレコーダを使用して、未加工の信号またはデータセットは、所望であれば表示または特定の処理のために、第三者に送られることができる。ローパスフィルタ２１４は、レコーダ２１２からのデジタル化されたデータセットをフィルタリングする。ローパスフィルタ２１４は、アナログフィルタであり、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈフィルタであることができる。カットオフ周波数は、ほぼ５０ｋＨｚである。
【００９５】
バンドパスフィルタ２１６は、次に、フィルタリングされたデータセットをフィルタリングする。バンドパスフィルタ２１６は、直流から５０ｋＨｚの間の帯域幅を有するデジタルフィルタであるように構成される。バンドパスフィルタ２１６は、異なる帯域幅に調整されることができる。
【００９６】
バンドパスフィルタ２１６の出力は、フーリエ変換プロセッサ２１８へ入力される。フーリエ変換プロセッサ２１８は、時間領域にあるデータセットを、周波数領域のデータセットに変換するように構成される。フーリエ変換プロセッサ２１８は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）タイプの変換を実行する。
【００９７】
フーリエ変換されたデータセットは、相関および比較プロセッサ２２０へ入力される。レコーダ２１２の出力も、プロセッサ２２０へ入力される。プロセッサ２２０は、データセットを前に記録されたデータセットと相関し、閾値を判定し、かつノイズキャンセレーションを実行するように構成される（ノイズキャンセレーションが、ＳＱＵＩＤ２０６によって提供されないとき）。プロセッサ２２０の出力は、サンプルの分子低周波数電磁放出のスペクトルを表す最終データセットである。
【００９８】
グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）などのユーザインタフェース（ＵＩ）２２２も、信号処理パラメータを特定するために、少なくともフィルタ２１６およびプロセッサ２２０に接続されることができる。フィルタ２１６、プロセッサ２１８、およびプロセッサ２２０は、ハードウエア、ソフトウエア、またはファームウエアとして実装されることができる。例えば、フィルタ２１６およびプロセッサ２１８は、１つまたは複数の半導体チップに実装されることができる。プロセッサ２２０は、計算デバイス内に実装されるソフトウエアであることができる。
【００９９】
この増幅器は、「仮想モード」で動作し、仮想モードで、初期基準周波数に固定し、次に自由に動作しかつ「ノイズ」を固定することを可能にするために、基準周波数を取り除く。アナログノイズ生成器（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｒａｄｉｏによって作られた真にアナログノイズ生成器）は、それぞれヘルムホルツコイルとノイズキャンセレーションコイルに関して、２０ｄＢと４５ｄＢの減衰を必要とする。
【０１００】
ヘルムホルツコイルは、１％の１／１００の平衡を有する、約１６立方センチメートル（約１立方インチ）のスイートスポットを有することができる。代わりの実施形態において、ヘルムホルツコイルは、垂直方向に２方向に、（垂直方向アクセスの周りで）回転して、かつパイ形状に離れて広がるように平行に移動することができる。一実施形態において、ＳＱＵＩＤ、グラディオメータ、および駆動変換器（コントローラ）は、それぞれ１．８、１．５、および０．３マイクロヘンリーの値を有する。ヘルムホルツコイルは、スイートスポットでａｍｐ当たり０．５ガウスの感度を有することができる。
【０１０１】
ほぼ１０マイクロボルトから１５マイクロボルトが、確率論的応答に必要である可能性がある。ノイズを注入することによって、システムは、ＳＱＵＩＤデバイスの感度を上げる。ＳＱＵＩＤデバイスは、ノイズなしで約５フェムトテスラの感度を有する。このシステムは、ノイズを注入しかつこの確率論的共振応答を使用することによって、ほぼ１５００％の量に増大して、感度を２５ｄＢから３５ｄＢに改善することができる。
【０１０２】
システムから信号を受信しかつ記録した後、メインフレームコンピュータ、スーパーコンピュータ、または高性能コンピュータなどのコンピュータは、前処理および後処理の両方を行い、前処理に関して、ＣＡ  ＲｉｃｈｍｏｎｄのＳｙｓｔａｔ  ＳｏｆｔｗａｒｅによるＡｕｔｏｓｉｇｎａｌソフトウエア製品を用い、一方Ｆｌｅｘｐｒｏソフトウエア製品が後処理を行う。Ｆｌｅｘｐｒｏは、Ｄｅｗｅｔｒｏｎ  Ｉｎｃ．によって供給されるデータ（統計）解析ソフトウエアである。
【０１０３】
図９は、システムによって実行される信号検出および処理のフロー図を示す。
【０１０４】
サンプルが対象のものであるとき、少なくとも４つの信号検出またはデータランが行われることができる。第１のデータランは、サンプルなしで時間ｔ1で行われ、第２のデータランは、サンプルとともに時間ｔ2で行われ、第３のデータランは、サンプルとともに時間ｔ3で行われ、かつ第４のデータランは、サンプルなしに時間ｔ4で行われる。１つ以上のデータランからデータセットの実行および収集は、最終（例えば相関された）データセットの精度を増大する。４回のデータランにおいて、システムのパラメータおよび状態が一定に維持される（例えば、温度、増幅量、コイル位置、ノイズ信号など）。
【０１０５】
ブロック３００で、適切なサンプル（または、その第１あるいは第４のデータランであれば、サンプルがない）が、システムに配置される。注入されるノイズなしに所定のサンプルは、ほぼ０．００１マイクロテスラ以下の強度で直流から５０ｋＨｚ範囲の電磁放出を放出する。そのような低い放出を捕らえるために、ホワイトガウシアンノイズが、ブロック３０１で注入される。
【０１０６】
ブロック３０２で、コイル７２２、７２４は、サンプルの放出および注入されたノイズを表す誘導された電圧を検出する。誘導された電圧は、データランの期間の時間に応じて、電圧値（強度および位相）の連続するストリームを含む。データランは、２〜２０分の長さであることができ、したがって、データランに対応するデータセットは、時間に応じて２〜２０分の電圧値を含む。
【０１０７】
ブロック３０４で、注入されたノイズは、誘導された電圧が検出されるときキャンセルされる。このブロックは、ＳＱＵＩＤ２０６のノイズキャンセレーション特性がオフされているときに省略される。
【０１０８】
ブロック３０６で、データセットの電圧値は、ブロック３０４でノイズキャンセレーションが行われたかどうかに応じて、２０〜５０ｄＢで増幅される。またブロック３０８で、増幅されたデータセットは、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換され、レコーダ２１２に記憶される。デジタル化されたデータセットは、データの数百万の列を含むことができる。
【０１０９】
得られたデータセットが記憶された後、ブロック３１０で、サンプルに対して少なくとも４回のデータランが行われたかどうか（例えば、少なくとも４つのデータセットが得られたかどうか）のチェックが実行される。所定のサンプルに関して４つのデータセットが得られているなら、次に、ブロック３１２でローパスフィルタリングが行われる。そうでなければ、次のデータランが開始される（ブロック３００に戻る）。
【０１１０】
デジタル化されたデータセットのローパスフィルタリング（ブロック３１２）およびバンドパスフィルタリング（ブロック３１４で）後、データセットは、フーリエ変換ブロック３１６で周波数領域に変換される。
【０１１１】
次に、ブロック３１８で、類似するデータセットは、各データポイントで互いに相関される。例えば、第１のデータランに対応する第１のデータセット（例えば、ベースラインまたは環境ノイズデータラン）と、第４のデータランに対応する第４のデータセット（例えば、他のノイズデータラン）とが、互いに相関される。所定の周波数での第１のデータセットの強度値が、その所定の周波数での第４のデータセットの強度値と同一であれば、その所定の周波数に関する相関値または数は、１．０である。代わりに、相関値の範囲は、０〜１００の間に設定されることができる。そのような相関または比較は、第２および第３のデータラン（例えば、サンプルデータラン）に関して行われる。得られたデータセットは記憶されているので、残りのデータランが完了したときに、後で得られたデータセットにアクセスすることができる。
【０１１２】
ＳＱＵＩＤ２０６が、ノイズキャンセレーションを提供しないとき、所定の閾値レベルが、確率論的に関連性が無い相関値を除去するために、各相関されたデータセットに適用される。様々な閾値が、データランの長さ（データランが長くなれば、得られるデータの精度が高くなる）、および他のタイプのサンプルに対するサンプルの実際の放出スペクトルの類似性に応じて、使用されることができる。閾値レベルに加えて、相関は平均化される。閾値および平均相関の使用により、結果としての相関されたデータセットで非常に小さくなる注入されたノイズ成分を結果として生じる。
【０１１３】
ノイズキャンセレーションが、ＳＱＵＩＤ２０６で提供される場合、閾値および平均相関の使用は必要ない。
【０１１４】
２つのサンプルデータセットが、相関されたサンプルデータセットに変更され、かつ２つのノイズデータセットが、相関されたノイズデータセットに変更されると、相関されたノイズデータセットは、相関されたサンプルデータセットから減算される。結果として生じるデータセットは、最終データセット（例えば、サンプルの放出スペクトルを表すデータセット）である（ブロック３２０）。
【０１１５】
Ｈｚ当たり８６００のデータポイントが存在することがあり、最終データセットが、直流から５０ｋＨｚの周波数範囲に関するデータポイントを有することがあるので、最終データセットは、データの数億の列を含むことができる。データの各列は、周波数、強度、位相、および相関値を含むことができる。
【０１１６】
ＩＶ．方法および適用
このセクションは、液体または気体状サンプル内の１つまたは複数の選択された材料の検出を問い合わせる本発明の方法を記載する。方法の実施において、選択された対象の材料を含むサンプルは、検出コイルに隣接して、例えば上記された検出器アセンブリの１つに配置される。検出器コイルは、次に、材料の回転モードの少なくとも一部のために、材料における低周波数電磁放出を、サンプルソース放射からなる電磁時間領域信号に変換する。
【０１１７】
その変換された信号は、それを増幅され調整された信号に変換するように調整され、その増幅され調整された信号から、選択された周波数より上の周波数成分が取り除かれる。フィルタリングされ調整された時間領域信号は、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の周波数範囲内、および（ｉｉ）選択された材料の特性である低周波数スペクトル成分を選択的に通過する。これは、その材料の特性であるスペクトル成分のデータセットを検索することによって、また、例えば０．５Ｈｚから１Ｈｚの帯域幅で、１つまたは複数の材料の周波数成分特性を選択的に通過するように調整された信号をフィルタリングすることによって、行われる。
【０１１８】
フィルタリングされた信号は、次に、直流から５０ｋＨｚの間の周波数範囲内の周波数領域スペクトルを作るために、（ｉ）直流から５０ｋＨｚの間の周波数範囲内、および（ｉｉ）選択された材料の特性である、低周波数スペクトル成分のデータセットと相関される。このスペクトルから、周波数領域スペクトルが、選択された材料の特性である１つまたは複数の低周波数信号成分、およびサンプルにおけるそのような材料の存在または不在の診断を含むかどうかを判定する。
【０１１９】
空気、水、食品、化粧品、および工業サンプルを検出する方法の適用が上述され、有害なまたは不法な物質に関して、荷物または定期航空の乗客のスクリーニングに適用される。
【０１２０】
前述から、本発明の様々な目的および特徴がいかに満たされるが理解されるであろう。方法および装置は、サンプルの活性化は必要なく、ｘ放射線または他の可能性がある有害な放射を用いない。本発明は、広範な材料に適用可能であり、材料が、分子回転運動を可能にする任意の環境にある必要性だけがある。さらに、テストされるサンプルは、液体または空気、スクリーニングする目的の人物または人物の身の回りの品であることができる。
【０１２１】
文脈が、明らかに他の意味を要求しない限り、記載および請求項を通して、用語「具える」、「具え」などは、排他的または網羅的な意味とは反対に、含有する意味で解釈され、すなわち、「含むが、それに限定されない」との意味である。単一の数または複数を用いる用語は、それぞれ単一または複数をも含む。さらに、本願で使われるとき、「ここで」、「上記」、「下記」、および同じような意味の用語は、全体として本願を参照し、本願の任意の特定の部分を参照するものではない。請求項で、２つ以上のアイテムの列挙を参照して、用語「または」を使用するときは、この用語は、以下の全ての用語解釈を包含する。すなわち、列挙における任意のアイテム、列挙における全てのアイテム、および列挙におけるアイテムの任意の組み合わせである。
【０１２２】
本発明の実施形態の上記詳細な記載は、網羅することを意図するものではなく、または上記で開示された精確な形態に本発明を限定することを意図するものでもない。本発明の特定の実施形態および例は、例示の目的で上述されたが、当業者が理解するように、様々な等価な変形形態が、本発明の範囲内で可能である。例えば、プロセスまたはステップが、所定の順序で示されたが、代わりの実施形態は、異なる順序のステップを有するルーチンを実行することができる。これらのステップは、特定の順番で示されているが、いくつかの実施形態において、これらのステップは、再構成され、いくつかのステップは、削除され、移動され、追加され、分割され、組み合わせられ、かつ／または修正されることがある。これらの各ステップは、様々な異なる方法で実装されることができる。また、これらのステップは、連続して実行されるように示されているが、これらのステップは、代わりに平行して実行され、または異なるときに実行されることができる。
【０１２３】
本明細書で与えられる本発明の教示は、必ずしも本明細書に記載されたシステムではなく、他のシステムに適用されることができる。これらおよび他の変更は、詳細な記載に照らして本発明にすることができる。上述された様々な実施形態の要素および作用は、さらなる実施形態を提供するために組み合わせられることができる。
【０１２４】
上述した米国特許、米国出願、および他の引用文献の全ては、参照によって本明細書に組み込まれる。本発明の態様は、必要であれば、本発明のさらに他の実施形態を提供するために、上述された様々な引用文献のシステム、機能、および概念を用いて修正されることができる。
【０１２５】
これらの変更および他の変更は、上述した詳細な記載に照らして本発明にすることができる。一般に、以下の請求項において使用される用語は、上述の詳細な記載が、そのような用語を明らかに定義しない限り、明細書に開示された特定の実施形態に本発明を限定するように解釈されるべきではない。したがって、本発明の実際の範囲は、実施形態だけではなく、請求項の下で本発明を実施するまたは実装する全ての等価の方法をも含む。
【０１２６】
本発明の所定の態様は、以下の所定の請求項の形態で示されているが、本発明者は、いくつかの数の請求項の形態で本発明の様々な態様を意図した。例えば、本発明のただ１つの態様が、方法として実現されるように詳述されたが、他の態様が、同様にある方法として実現されることができる。本発明者は、本発明の他の態様に関するそのようなさらなる請求項の形態を追求するために、本願を出願した後、さらなる請求項を追加する権利を有する。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の一実施形態により構成された装置の構成部品を示す。
【図２】本発明の他の実施形態により構成された装置の構成部品を示す。
【図３】ストリーミングデータに関する信号処理のブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態により構成されたトロイダル検出器アセンブリの要素を示す。
【図５】本発明の他の実施形態により構成された空気で運ばれる材料のためのコレクタアセンブリの要素を示す。
【図６Ａ】本発明の方法によりＮａＣｌ溶液から記録された時間領域信号を示す。
【図６Ｂ】信号増幅および高周波数成分の除去後の図６Ａからの時間領域信号を示す。
【図６Ｃ】ＮａＣｌ溶液の選択された低周波数スペクトル成分を通過させるためのノッチフィルタリング後の図６Ｂからの時間領域信号を示す。
【図６Ｄ】ＮａＣｌの低周波数スペクトル成分特性を示す、図６Ｃからフィルタリングされた信号を、ＮａＣｌに関連する低周波数スペクトル成分のデータセットと相互相関することによって作られた、ＮａＣｌの周波数領域スペクトルを示す。
【図７】検出システムに含まれる処理ユニットの図である。
【図８】図７の処理ユニットの代わりの処理ユニットの図である。
【図９】本システムによって実行される信号検出および処理のフロー図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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