СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАПРЕЩЁННЫХ ПРЕДМЕТОВ АРОЧНЫМ МЕТАЛЛОДЕТЕКТОРОМ
METHOD OF DETECTING ILLEGAL SUBSTANCES WITH ARCHED METAL DETECTOR

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.
1
2
1
2
12
1
2
12
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 S(t) и S(t) первой (ПК) и второй (ПК) катушек соответственно формируется градиентометрический сигнал S(t)=S(t)-S(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 S(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).
1
2
1
2
12
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 ПК и ПК методами временной обработки сигналов эффективно нейтрализовать указанную внутреннюю помеху в виде импульсов ЗС и выделить в них полезную составляющую. Однако благодаря градиентометрическому соединению ПК и ПК, которое можно рассматривать как частный случай пространственной обработки, такая нейтрализация, по крайней мере, частичная, повышающая чувствительность прототипа, достигается в сигнале S(t).
1
2
12
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 ПК и до ПК порождает заметный фазовый сдвиг между их выходными сигналами, который препятствует нейтрализации внешней помехи в градиентометрическом сигнале S(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.
1
2
12
12
1
2
Σ
34
3
4
34
3
4
Σ
Σ
12
34
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 S(t), S(t) первой и второй ПК, установленных на высоте h в левой и правой арочных стойках соответственно, градиентометрического сигнала S(t)=S(t)-S(t), частотная фильтрация и временная селекция арочного сигнала S(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 h устанавливаются соответственно третья и четвертая ПК, из выходных сигналов которых S(t), S(t) формируется градиентометрический сигнал S(t)=S(t)-S(t), ПРИЧЕМ в качестве арочного сигнала S(t) используется разница S(t)=S(t)-S(t).
1
4
1
4
1
4
1
4
На фиг. 1, фиг. 2 изображена арочная конструкция МД с встроенными в нее ИК и четырьмя приемными катушками ПК÷ПК, причем на фиг. 1 оси ПК÷ПК 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; 3÷3 - ПК÷ПК; 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.
1
4
Σ
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 ПК÷ПК, результатом которой является арочный сигнал S(t).
1
4
Докажем преимущество предложенного способа перед прототипом. Выразим выходные сигналы Si(t) приемных катушек ПК÷ПК через их парциальные составляющие:
i
1
4
i
i
где α - полезные сигналы, порождаемые искомым металлическим предметом при появлении его в создаваемой ПК÷ПК зоне обнаружения; ξ - внутренняя помеха, порождаемая импульсами ЗС; η - внешняя помеха, порождаемая удаленным источником радиоизлучения. Выражение для арочного сигнала
где
с учетом (1) примет вид
где
Σ
Σ
1
2
3
4
1
4
Согласно (6), суммарная внутренняя помеха ξ в арочном сигнале S(t) будет в значительной степени нейтрализована ввиду малости каждой из стоящих в скобках величин - (ξ-ξ) и (ξ-ξ) при соблюдении требуемой идентичности катушек ПК÷ПК, 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).
Σ
Получим выражение для суммарной внешней помехи η от удаленного источника радиоизлучения гармонического сигнала с длиной волны λ, напряженность магнитного поля которого в окрестности арочного проема выражается плоской волной:
где
x
y
z
z
Н - любая из координатных составляющих напряженности в начале координат: H, H, H. Ввиду того, что арочный проем располагается в картинной плоскости XY (z=0), множитель ε(z) равен единице и его в дальнейшем можно не учитывать. Введем следующие обозначения:
i
1
4
где D - ширина арочного проема (вдоль оси X). Тогда парциальные помеховые сигналы η катушек ПК÷ПК примут вид:
Σ
а суммарная внешняя помеха η, согласно (7) и (12), примет вид
x
y
где H=H для арочного проема фиг. 1 и H=H для арочного проема фиг. 2.
3
4
Оценим эффективность нейтрализации внешней помехи, для чего сравним (13) с выражением для внешней помехи, т.е. до введения дополнительных ПК и ПК, согласно (7):
Для этого введем коэффициент подавления внешней помехи:
Подставляя в (15) выражения, вытекающие из (9), (11)
получим
Преобразуем (17):
y
34
12
y
и учтем малость произведения k(h-h)=kh. Тогда модуль γ получается равным
y
x
z
где значение волнового числа k (впрочем, как и k, и k) 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
Σ
Что касается суммарного полезного сигнала α, 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.