Способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ и устройство для его осуществления
METHOD OF DETECTION AND IDENTIFICATION OF EXPLOSIVE AND NARCOTIC SUBSTANCES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, в частности, к способам и устройствам обнаружения взрывчатых и наркотических веществ в различных закрытых объемах и на теле человека, находящегося в местах массового скопления людей.
Известны способы и устройства обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ (авторские  свидетельства СССР №№ 1.131.138, 1.800.333, патенты РФ №№ 2.086.963, 2.150.105,2.161.300,2.179.716, 2.185.614, 2.226.686, 2.283.485, 2.436.073, 2.507.505, 2.632.564; патенты США №№ 4.529.710, 4.599.740, 4.651.085, 4.756.866, 5.668.734, 6.507.278; патент Великобритании № 1.033.452 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ и устройство для его осуществления» (патент РФ № 2.632.564, GO1N 22/OO, 2016),которые и выбраны в качестве прототипов.
1
2
3
з1
з2
з3,
з4,
1
2
4
Известные способ и устройство позволяют определять местоположение контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество. При этом повышение точности пеленгации контролируемого объекта достигается увеличением измерительных баз d, d, d, а возникающая при этом неоднозначность устраняется корреляционной обработкой отраженных сигналов. Для этого измеряются временные задержки τ, τ, τи τсоответствующие максимуму корреляционных функций R(τ),R(τ),R3(τ) и R(τ), где τ - текущая временная задержка.
1
4
1
2
3
4
Однако в области максимума корреляционные функции R(τ) - R(τ) имеют малую крутизну и изменяются незначительно при изменениях τ, что снижает точность определения местоположения контролируемого объекта. Гораздо более благоприятной для поиска максимума является форма производных от корреляционных функций dR(τ)/dτ, dR(τ)/dτ, dR(τ)/dτ, dR(τ)/dτ. В точке τ=0 производные имеют значительную крутизну и, кроме того, меняют знак в зависимости от положения относительно точки τ=0.
Таким образом, отыскание максимума корреляционных функций (максимальный принцип – экстремальная задача) заменяется минимальным принципом – стабилизацией нулевого значения регулируемой величины τ.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения местоположения контролируемого объекта путем использования производных корреляционных функций.
з1,
з1
1
1
з2,
з2 =
1
2
1,
2
з2
2
2
з3,
з3
1
3
1,
3
з3
з4,
з4
4
5
4,
5
Поставленная задача решается тем, что способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ, включающий, в соответствии с ближайшим аналогом, облучение контролируемого объекта импульсным СВЧ-сигналом с заданными значениями несущей частоты зондирующих импульсов, их длительности и амплитуды, прием отраженного  от контролируемого объекта сигнала, усиление и аналого-цифровое преобразование принятого сигнала и сравнение их с эталонными значениями измерительным средством, при этом предварительно в память измерительного средства записывают эталонные значения фазовых сдвигов, соответствующие диэлектрическим свойствам включений определенных типов взрывчатых и наркотических веществ, облучение контролируемого объекта осуществляют в диапазоне частот от 300МГц до 150 ГГц при длительности зондирующих импульсов, не превышающей 10 мс, измеряют величину фазового сдвига принятого сигнала относительно излученного и его интенсивность, по величине которой определяют коэффициент поглощения контролируемого объекта, сравнивают измеренную величину фазового сдвига принятого сигнала относительно излученного с эталонными значениями, после чего по результатам сравнения с учетом определенного коэффициента поглощения контролируемого объекта определяют наличие взрывчатого или наркотического вещества и его тип по измеренным значениям азимута  β, угла места  α  и угла ориентации   Ψ  точно и однозначно определяют местоположение контролируемого объекта, приемопередающей и двумя приемными антеннами образуют прямоугольный треугольник, в вершине которого помещают приемопередающую антенну, отличается от ближайшего аналога тем, что после обнаружения взрывчатого или наркотического вещества на контролируемом объекте отраженный сигнал, принятый приемопередающей антенной, дифференцируют по времени, продифференцируемый по времени сигнал перемножают с зондирующим сигналом, пропущенным через первый блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное производной  первой корреляционной функции , где τ - текущая временная задержка, изменяют временную задержку τ для поддержания производной первой корреляционной функции  на нулевом уровне, фиксируют временную задержку  τ = τгде τ=, R – расстояние до контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество, c – скорость распространения радиоволн, поддерживают указанное равенство, что соответствует нулевому значению производной первой корреляционной функции , и определяют расстояние R до контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество, одновременно отраженный сигнал, принятый первой приемной антенной, разнесенной в горизонтальной плоскости на расстояние dот приемопередающей антенны, где d – измерительная база, дифференцируют по времени, продифференцированный по времени сигнал перемножают с отраженным сигналом, принятым приемопередающей антенной и пропущенным через второй блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное производной второй корреляционной функции изменяют временную задержку τ для поддержания производной второй корреляционной функции  на нулевом уровне, фиксируют временную задержку τ = τ где τ t– t, tt – время прохождения отраженными сигналами расстояний от контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество, до приемопередающей и первой приемной антенн   соответственно, поддерживают указанное равенство, что соответствует нулевому значению производной второй корреляционной функции  и определяют азимут на контролируемый объект β = arccos τ, отраженный сигнал, принятый второй приемной антенной, разнесенной в вертикальной плоскости от приемопередающей антенны на расстояние d, где d – измерительная база, дифференцируют по времени, продифференцированный по времени сигнал перемножают с отраженным сигналом, принятым приемопередающей антенной и пропущенным через третий блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное производной третьей корреляционной функции   изменяют временную задержку τ для поддержания производной третьей корреляционной функции  на нулевом уровне, фиксируют временную задержку τ = τ где τ = t– t, tt – время прохождения отраженными сигналами расстояний от контролируемого объекта до приемопередающей и второй приемной антенн соответственно, поддерживают указанное равенство, что соответствует нулевому значению производной третьей корреляционной функции и определяют угол места контролируемого объекта α = arccos τ, отраженный и продифференцированный по времени сигнал, принятый второй приемной антенной, перемножают с отраженным сигналом, принятым первой приемной антенной и пропущенным через четвертый блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное производной четвертой корреляционной функции  изменяют временную задержку τ для поддержания производной четвертой корреляционной функции  на нулевом уровне, фиксируют временную задержку τ = τ где τ = t– t, tt – время прохождения отраженными сигналами расстояний от контролируемого объекта до первой и второй приемных антенн соответственно, поддерживают указанное равенство, что соответствует нулевому значению производной четвертой корреляционной функции   , и определяют угол ориентации  Ψ  контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество.
з4
Ψ = arccos τ
Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно включенные передатчик, антенный переключатель, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первый усилитель высокой частоты, аналого-цифровой преобразователь, процессор, вход-выход которого связан с передатчиком, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, и блок индикации, подключенный к выходу первого усилителя высокой частоты ключ, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, последовательно включенные первый перемножитель, второй вход которого через первый блок регулируемой задержки соединен с выходом передатчика, и первый фильтр нижних частот, последовательно включенные первый блок регулируемой задержки и индикатор дальности, последовательно включенные первую приемную антенну и второй усилитель высокой частоты, последовательно включенные второй перемножитель, второй вход которого через второй блок регулируемой задержки соединен с выходом ключа, и второй фильтр нижних частот, ко второму выходу второго блока регулируемой задержки подключен индикатор азимута, последовательно включенные вторую приемную антенну и третий усилитель высокой частоты, последовательно включенные третий перемножитель, второй вход которого через третий блок регулируемой задержки соединен с выходом ключа, и третий фильтр нижних частот, ко второму выходу третьего блока регулируемой задержки подключен индикатор угла места, последовательно включенные четвертый перемножитель, второй вход которого через четвертый блок регулируемой задержки соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, и четвертый нижних частот, ко второму выходу четвертого блока регулируемой задержки подключен индикатор угла ориентации, приемопередающей и двумя приемными антеннами образован прямоугольный треугольник, в вершине которого помещена приемопередающая антенна, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено тремя дифференциаторами и четырьмя усилителями нижних частот, причем первый вход первого перемножителя через первый дифференциатор соединен с выходом ключа, первый вход второго перемножителя через второй дифференциатор соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, первый вход третьего и четвертого перемножителей через третий дифференциатор соединен с выходом третьего усилителя высокой частоты, выход первого фильтра нижних частот через первый усилитель нижних частот соединен со вторым входом первого блока регулируемой задержки, выход второго фильтра нижних частот через второй усилитель нижних частот соединен со вторым входом второго блока регулируемой задержки, выход третьего фильтра нижних частот через третий усилитель нижних частот соединен со вторым входом третьего блока регулируемой задержки, выход четвертого фильтра нижних частот через четвертый усилитель нижних частот соединен со вторым входом четвертого блока регулируемой задержки.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 1. Взаимное расположение приемопередающей антенны 1, приемных антенн 20, 28 и контролируемого объекта 10 показано на фиг. 2. Вид корреляционных функций и их производных  изображен на фиг. 3.
Устройство содержит последовательно включенные передатчик 3, антенный переключатель 2, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 1, первый усилитель 5 высокой частоты, аналого-цифровой преобразователь 6, процессор 11, вход-выход которого связан с передатчиком 3, блок 12 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 8 памяти, и блок 9 индикации. К выходу первого усилителя 5 высокой частоты  последовательно подключены ключ 13, второй вход которого соединен с выходом блока 12 сравнения, первый дифференциатор 42, первый перемножитель 15, второй вход которого через первый блок 18 регулируемой задержки соединен с выходом передатчика 3, первый фильтр 16 нижних частот и первый усилитель нижних частот17, выход которого соединен со вторым входом первого блока 18 регулируемой задержки, ко второму выходу которого подключен индикатор 19 дальности. К выходу первой приемной антенны 20 последовательно подключены второй усилитель 21 высокой частоты, второй дифференциатор 43, второй перемножитель 23, второй вход которого через второй блок 26 регулируемой задержки соединен с выходом ключа 13, второй фильтр 24 нижних частот и второй усилитель нижних частот 25, выход которого соединен со вторым входом второго блока 26 регулируемой задержки, ко второму выходу которого подключен индикатор 27 азимута.
К выходу второй приемной антенны 28 последовательно подключены третий усилитель 29 высокой частоты, третий дифференциатор 44, третий перемножитель 31, второй вход которого через третий блок 34 регулируемой задержки соединен с выходом ключа 13, третий фильтр 32 нижних частот и третий усилитель нижних частот 33, выход которого соединен со вторым входом третьего блока 34 регулируемой задержки, ко второму выходу которого подключен индикатор 35 угла места. К выходу третьего дифференциатора 44 последовательно подключены четвертый перемножитель 37, второй вход которого через четвертый блок 40 регулируемой задержки соединен с выходом второго усилителя 21 высокой частоты, четвертый фильтр 38 нижних частот и четвертый усилитель нижних частот 39, выход которого соединен со вторым входом четвертого блока 40 регулируемой задержки, ко второму выходу которого подключен индикатор 41 угла ориентации.
Первый усилитель 5 высокой частоты и аналого-цифровой преобразователь 6 образуют приемник 4. Процессор 11, блок 12 сравнения и блок 8 памяти образуют измерительное средство 7. Первый перемножитель 15, первый фильтр 16 нижних частот, первый усилитель нижних частот 17 и первый блок 18 регулируемой задержки образуют первый коррелятор 14. Второй перемножитель 23, второй фильтр 24 нижних частот, второй усилитель 25 нижних частот, второй блок 26 регулируемой задержки образуют второй коррелятор 22. Третий перемножитель 31, третий фильтр 32 нижних частот, третий усилитель 33 нижних частот и третий блок 34 регулируемой задержки образуют третий коррелятор 30. Четвертый перемножитель 37, четвертый фильтр 38 нижних частот, четвертый усилитель 39 нижних частот и четвертый блок 40 регулируемой задержки образуют четвертый коррелятор 36.
Приемопередающая антенна 1 и приемные антенны 20 и 28 размещены в виде прямоугольного треугольника, в вершине которого помещена приемопередающая антенна 1. Устройство содержит также контролируемый объект 10.
Способ обнаружения и идентификации, взрывчатых и наркотических веществ осуществляется следующим образом. Контролируемый объект 10, подлежащий проверке на наличие взрывчатых или наркотических веществ, облучается слабым высокочастотным электромагнитным излучением. СВЧ-сигнал в диапазоне частот от 300 МГц до 150 ГГц длительностью, не превышающей 10 мс, формируется в передатчике 3. Для облучения контролируемого объекта 10 может быть сформирован импульсный СВЧ-сигнал в виде последовательности пачек импульсов. В этом случае для каждой пачки импульсов задается свое значение несущей частоты, причем значение несущей частоты для последующей пачки импульсов либо увеличивают, либо уменьшают. Сформированный в передатчике 3 СВЧ-сигнал с заданными параметрами через антенный переключатель 2 поступает в антенну 1 и излучается в направлении контролируемого объекта 10. Поскольку мощность излучаемого (зондирующего) СВЧ-сигнала небольшая, проверке на наличие взрывчатых или наркотических веществ могут подвергаться непосредственно пассажиры либо люди, находящиеся в местах массовых мероприятий.
Отраженные от контрольного объекта сигналы:
1
1
c
з1
1
u(t) = U cos[ω (t - τ) + ф ],
2
2
c
з2
2
u(t) = U cos[ω (t - τ) + ф ],
3
3
c
з3
3
c
u(t) = U cos[ω (t - τ) + ф ], 0≤t≤T,
з1
где τ =  время задержки отраженного сигнала относительно зондирующего;
з2
1
2,
τ =t – t
з3
1
3,
τ =t – t
1
2
3
t, t, t – время прохождения сигналом расстояний от контролируемого объекта 10 до приемопередающей 1, первой 20 и второй 28 приемных антенн соответственно;
R – расстояние от приемопередающей антенны 1 до контролируемого объекта 10;
c – скорость распространения радиоволн;
воспринимаются антеннами 1, 20 и 28 соответственно.
1
Отраженный сигнал u(t) воспринимается антенной 1 и поступает через антенный переключатель 2 на вход приемника 4, в котором он усиливается усилителем 5 высокой частоты и преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя 6 в вид, удобный для его дальнейшей обработки в измерительном средстве 7, выполненном, например, с использованием процессора 11,позволяющего осуществлять цифровую обработку принятого сигнала с определением величин его фазового сдвига относительно зондирующего и интенсивности с последующим сравнением в блоке 12 сравнения с эталонными значениями, записанными в блок 8 памяти. При наличии диэлектрических включений на контролируемом объекте 10 (в частности, на теле человека) параметры  принятого сигнала будут отличаться от параметров принятого сигнала, отраженного от контролируемого объекта, не содержащего взрывчатых или наркотических веществ. Отличия будут заключаться в изменении фазы принятого сигнала и его интенсивности. Изменение фазы будет различным для различных диэлектриков. Сравнивая фазу принятого сигнала с записанными в блок 8 памяти эталонными значениями фазовых сдвигов, соответствующих диэлектрическим свойствам включений определенных типов взрывчатых и наркотических веществ, можно идентифицировать взрывчатое или наркотическое вещество. Полученные данные могут отображаться на дисплее в блоке 9 индикации. В простейшем случае может быть использована индикаторная лампа, включение которой свидетельствует об обнаружении взрывчатых или наркотических веществ.
1
При обнаружении взрывчатого или наркотического вещества на контролируемом объекте 10 на выходе блока 12 сравнения образуется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 13, открывая его. В исходном состоянии ключ 13 всегда закрыт. При этом отраженный сигнал u(t) с выхода усилителя 5 высокой частоты через открытый ключ 13 и первый дифференциатор 42 поступают на первый вход первого перемножителя 15, на второй вход которого с выхода передатчика 3 через первый блок 18 регулируемой задержки поступает зондирующий сигнал
c
c
c
c
c
u(t)= U cos[ω (t - τ) + ϕ ], 0≤t≤T,
где τ - переменная временная задержка, вводимая первым блоком 18 регулируемой задержки.
з1,
Полученное на выходе перемножителя 15 напряжение пропускается через фильтр 16 нижних частот, на выходе которого формируется низкочастотное напряжение, пропорциональное производной первой корреляционной функции  Это напряжение через первый усилитель 17 нижних частот воздействует на управляющий вход первого блока 18 регулируемой задержки, поддерживают производную первой корреляционной функции  на нулевом уровне, фиксируют временную задержку τ = τсоответствующую нулевому значению производной первой корреляционной функции  , и по ее значению определяют расстояние R до контролируемого объекта. Индикатор 19 дальности, связанный со шкалой первого блока 18 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение дальности R до контролируемого объекта 10, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество R = c .
2
1
Отраженный сигнал u(t) с выхода приемной антенны 20 через усилитель 21 высокой частоты и второй дифференциатор 43 поступает на первый вход второго перемножителя 23, на второй вход которого через второй блок 26 регулируемой задержки подается отраженный сигнал u(t) с выхода первого усилителя 5 высокой частоты через открытый ключ 13. В этом случае шкала второго блока 26 регулируемой задержки (индикатор 27 азимута) градуируется непосредственно в значениях угловой координаты контролируемого объекта 10, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество
з2,
β = arccos  τ
1
где d – расстояние между приемопередающей 1 и приемной 20 антеннами (измерительная база);
з2
1
2,
1,
2
τ = t – t t t – время прохождения отраженных сигналов расстояний от контролируемого объекта до приемопередающей 1 и приемной 20 антенн соответственно.
3
1
Отраженный сигнал u(t) с выхода приемной антенны 28 через усилитель 29 высокой частоты и третий дифференциатор 44 поступает на первый вход третьего перемножителя 31, на второй вход которого через третий блок 34 регулируемой задержки подается отраженный сигнал u(t) с выхода первого усилителя 5 высокой частоты через открытый ключ 13. В этом случае шкала третьего блока 34 регулируемой задержки (индикатор 35 угла места) градуируется непосредственно в значениях угловой координаты   контролируемого объекта 10, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество
з3,
α = arccos τ
2
где d – расстояние между приемопередающей антенной 1 и второй приемной антенной (измерительная база);
з3
1
3
1
3
τ = t – t, t, t – время прохождения отраженных сигналов расстояний от контролируемого объекта 10 до приемопередающей 1 и приемной 28 антенной соответственно.
3
2
Отраженный сигнал u(t) с выхода приемной антенны 28 через усилитель 29 высокой частоты и третий дифференциатор44 поступает на первый вход четвертого перемножителя 37, на второй вход которого через четвертый блок 40 регулируемой задержки подается отраженный сигнал u(t) с выхода второго усилителя 21 высокой частоты. В этом случае шкала четвертого блока 40 регулируемой задержки (индикатор 41угла ориентации) градуируется непосредственно в значениях угловой координаты     контролируемого объекта 10, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество
з4
Ψ = arccos  τ,
3
где d – расстояние между приемными антеннами 20 и 28 (измерительная база);
з4
4
5
4
5
τ = t – t,  t, t – время прохождения отраженных сигналов расстояний от контролируемого объекта 10 до первой 20 и второй 28 приемных антенн.
Обнаружение взрывчатых и наркотических веществ может быть осуществлено и в случае, если контролируемый объект представляет собой многослойную структуру (например, взрывчатое или наркотическое вещество под одеждой человека), поскольку предварительно записанные в блок 8 памяти эталонные значения, с которыми сравнивают значения параметров принятых сигналов, представляют собой набор значений параметров принятых сигналов от различных объектов (в том числе и с многослойной структурой), с имеющимися в них взрывчатыми или наркотическими веществами, т.е. от объектов, которые будут близки по своим характеристикам с подлежащими проверке объектами, содержащими взрывчатые или наркотические вещества. Обычно используется компьютерная модель, позволяющая имитировать любые многослойные структуры.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, может быть выполнено с тремя антеннами, одна из которых служит для излучения сигнала, а две другие – для приема отраженных сигналов. При облучении контролируемого объекта с многослойной структурой происходят многократные переотражения. Многослойная структура может облучаться последовательностью монохроматических пакетов, содержащих не менее 100 длин волн. В этом случае прохождение волн через многослойную структуру можно считать периодическим. При этом результат получают решением одномерного уравнения Гельмгольца (М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М.: Наука, 1974, с. 72). Решение для каждого волнового пакета зависит от расстояния до слоистой структуры, толщины слоев и их электрофизических свойств, причем расстояние до слоистой структуры может быть легко определено по параметрам принятого сигнала (по времени его задержки относительно излученного). Общее количество неизвестных равно 3N+1, где N – число слоев. Измеряя фазу и амплитуду принятого сигнала для каждого волнового пакета, легко решить соответствующую систему уравнений, если 2M>3N+1, где M – количество волновых пакетов.
Решая указанную систему, мы получаем значения проводимости, диэлектрической проницаемости и толщины каждого слоя. Это дает нам возможность определить, имеются ли опасные вещества в указанной слоистой структуре.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение точности определения местоположения контролируемого объекта.
Это достигается использованием производных корреляционных функций, которые позволяют значительно повысить точность и чувствительность измерителей дальности R, азимута β, угла места α и угла ориентации Ψ контролируемого объекта, на котором обнаружено взрывчатое или наркотическое вещество.
При этом отыскание максимума корреляционных функций (максимальный принцип – экстремальная задача) заменяется минимальным принципом – стабилизацией нулевого значения регулируемой величины τ.