УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРЕДМЕТОВ, СКРЫТЫХ ПОД ОДЕЖДОЙ ЛЮДЕЙ

Полезная модель относится к системам обеспечения безопасности, использующим электромагнитное излучение, и может применяться для обнаружения переносимых на теле предметов, например взрывчатки, наркотиков или других скрытых предметов, которые не могут быть выявлены металлодетекторами.
Среди мер, необходимых для предотвращения террористических актов, важное место занимает досмотр людей при проходе в аэропорты, вокзалы и в другие места массового скопления людей. В настоящее время существуют эффективные способы обнаружения металлических предметов, скрытых под одеждой. Более сложной задачей является обнаружение скрытых диэлектрических предметов, к которым относится, например, пластичное взрывчатое вещество (пластид) в виде прилегающего к телу слоя, дополненного поражающими элементами из твердого диэлектрика.
Известны устройства, решающие эту задачу, в которых используется принцип получения изображений скрытых предметов в инфракрасном или в миллиметровом диапазоне волн за счет температурного контраста между скрытым предметом и телом (патент США № 6777684, МПК G01N 21/01). Однако электромагнитные волны указанного диапазона сильно поглощаются в веществе, поэтому при наличии у проверяемого плотной или влажной одежды вероятность обнаружения снижается. Кроме того, при длительном нахождении в помещении температурный контраст между телом и находящимися на теле предметами практически исчезает, что также является недостатком устройств данного типа.
Известны устройства, использующие методы томографии для обнаружения скрытых предметов при проведении досмотра (патент США № 6057761, МПК G08B 21/00). Однако устройства данного типа являются технически сложными, дорогостоящими стационарными установками и требуют высокой квалификации персонала, что делает неоправданным их применение в тех случаях, когда необходимо мобильное устройство для досмотра в местах массового скопления людей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является способ обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей [патент РФ № 2301432, МПК G01V 3/12, опубл. 20.06.2007, бюл. № 17]. Устройство состоит из антенны и прибора для измерения комплексного коэффициента отражения с выводом информации в числовой форме или в виде графика на экран. Принцип работы этого устройства основан на облучении человека электромагнитными волнами дециметрового диапазона и анализе коэффициента отражения на входе антенны. В процессе досмотра антенну перемещают по поверхности одежды человека, а о наличии скрытых под одеждой предметов судят по характеру изменения фазы и модуля коэффициента отражения или путем сравнения этих данных с эталонными значениями, то есть с усредненными значениями, полученными заранее при обследовании людей, у которых скрытые предметы отсутствуют.
Недостатки известного устройства заключаются в следующем.
Поскольку характеристики отраженной волны зависят от толщины скрытого предмета и его диэлектрической проницаемости, в указанном изобретении выбирают частоту электромагнитной волны, соответствующую этим параметрам. Таким образом, предполагается, что заранее известно приближенное значение параметров скрытого предмета. Это ограничивает эффективность процесса обнаружения, снижает вероятность достоверного обнаружения скрытого предмета.
В предлагаемой полезной модели решается задача повышения эффективности досмотра людей при поиске скрытых под одеждой предметов. Технический результат, который может быть получен при ее использовании, заключается в повышении вероятности обнаружения скрытых объектов и в упрощении используемой аппаратуры.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в предлагаемом устройстве к корпусу антенны прикреплена диэлектрическая пластина 2 так, что направление максимального излучения антенны 1 проходит через центр пластины 2 ортогонально ей, а в качестве измерительного прибора 3 используется измеритель модуля коэффициента отражения.
Описание иллюстраций.
фиг. 1. - Блок-схема предлагаемого устройства;
фиг. 2. - Блок-схема предлагаемого устройства с облучаемым объектом;
фиг. 3. - Экспериментальные зависимости модуля коэффициента отражения в полосе частот: сплошная линия - при наличии скрытого предмета; штриховая линия - при его отсутствии. Тонкая одежда (толщина 1 мм);
фиг. -4. Экспериментальные зависимости модуля коэффициента отражения в полосе частот: сплошная линия - при наличии скрытого предмета; штриховая линия - при его отсутствии. Толстая одежда (толщина 10 мм).
Обозначения на фиг. 1-4:
1 - антенна;
2 - диэлектрическая пластина;
3 - прибор для измерения модуля коэффициента отражения;
4 - одежда;
5 - скрытый предмет;
6 - тело человека.
Физические основы работы предлагаемого устройства заключаются в следующем.
Электромагнитная волна, излучаемая антенной 1 (фиг. 2), проходит через пластину 2, через воздушный промежуток, через одежду 4, через скрытый предмет 5 и распространяется далее в теле человека 6, испытывая отражение и поглощение. Благодаря пластине 2 на пути волны образован проходной резонатор с полупрозрачными стенками. Одной стенкой данного резонатора является пластина 2, другой стенкой - поверхность тела человека 6, а одежду 4 и скрытый предмет 5 можно рассматривать как наполнение резонатора.
Проходные резонаторы применяются в технике СВЧ в качестве согласующих устройств или полосно-пропускающих фильтров. Для создания такого резонатора в волноводный тракт, соединяющий генератор с нагрузкой, добавляют две неоднородности (например металлические штыри), разнесенные на некоторое расстояние [Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ: учебное пособие. М.: Высшая школа. 1981, с. 172]. Подбор расстояния или параметров иеоднородностей позволяет получить явление резонанса между неоднородностями на заданной частоте. При этом коэффициент отражения становится равным нулю, и волна полностью проходит в нагрузку.
Известно, что явление резонанса в закрытом одномерном резонаторе происходит, когда его размер кратен целому числу полуволн [Григорьев А.Д. Электродинамика и микроволновая техника. СПб.: Изд-во «Лань». 2007, с. 405]. Резонатор, образованный в предлагаемом устройстве, является открытым, поэтому для него условие резонанса имеет вид:
эф
где d - расстояние между стенками резонатора, показанное на фиг. 2; λ - длина волны в вакууме; n=1,2,3…; ε - эффективная диэлектрическая проницаемость, учитывающая свойства объектов 4 и 5, находящихся в резонаторе; А - константа, учитывающая свойства стенок резонатора. Из (1) следуют выражения для резонансных частот, соответствующих резонансам с номерами n и n+1:
где c - скорость света в вакууме.
Разность выражений (2) дает интервал между двумя соседними резонансными частотами:
эф
Очевидно, что при наличии под одеждой предмета значение ε больше, чем при его отсутствии, а согласно формуле (3), значение Δƒ будет меньше. Таким образом, значение интервала Δƒ между соседними резонансными частотами может служить критерием, определяющим наличие или отсутствие скрытого диэлектрического предмета.
Задаваясь возможными значениями параметров:
получим из формулы (3) область возможных значений интервала Δƒ между соседними резонансными частотами:
Неравенство (5) позволяет приближенно определить требования к рабочей полосе частот антенны и измерительного прибора, входящих в предлагаемое устройство.
Предлагаемое устройство работает следующим образом (фиг. 2).
кр
кр
Проверяющий направляет антенну 1 с закрепленной на ней пластиной 2 на исследуемый участок тела человека так, чтобы расстояние от пластины 2 до поверхности одежды человека находилось в пределах 30-80 мм. Прибор 3 генерирует СВЧ-колебания, а антенна 1 излучает электромагнитные волны, которые отражаются от облучаемого объекта, принимаются антенной 1 и поступают в прибор 3, на экране которого возникает изображение частотной зависимости модуля коэффициента отражения волны. Благодаря наличию в устройстве пластины 2 указанная частотная зависимость имеет резонансный характер, то есть имеет резко выраженные минимумы на резонансныхчастотах. Значения резонансных частот легко определяется визуально по шкале на экране прибора. Если разность Δƒ между соседними резонансными частотами меньше, чем некоторое критическое значение Δƒ, то это указывает на возможное присутствие предмета под одеждой. Значение Δƒ определяется заранее при калибровке устройства, поскольку оно зависит от вида используемых в устройстве элементов и от выбранного расстояния между пластиной 2 и поверхностью одежды 4.
В опытном образце устройства в качестве антенны 1 использовалась рупорная антенна П6-23А с полосой частот, включающей диапазон 1-4 ГГц; в качестве прибора 3 использовался измеритель модуля коэффициента отражения Р2М-04, в котором предусмотрен вывод данных на экран ноутбука; в качестве пластины 2 использовалась керамическая пластина толщиной 5 мм (может быть использована пластина толщиной 4-8 мм) с поперечными размерами 200×300 мм и с диэлектрической проницаемостью ε=2,5 (диэлектрическая проницаемость может находиться в пределах 1,5-3). Пластина 2 с помощью скотча закреплялась в апертуре антенны 1. Чтобы фиксировать расстояние от пластины 2 до поверхности одежды 4, к центру пластины 2 ортогонально ей прикреплялся брусок, который в рабочем режиме касался одежды проверяемого человека. Брусок изготовлен из полиэтилена средней жесткости, имеет длину 70 мм и квадратное сечение 15×15 мм.
кр
Опыты, имитирующие досмотр человека, проводились с людьми, имеющими различное телосложение и различные виды одежды. При этом использовались различные варианты скрытых предметов. Измерения показали, что кривые имеют резонансный характер, причем при наличии под одеждой предмета интервал между соседними резонансными частотами не превышает 1000 МГц, а при его отсутствии указанный интервал больше, чем 1000 МГц. Таким образом, для данного варианта устройства значение Δƒ 1000 МГц может служить критерием для распознавания скрытых под одеждой предметов.
В качестве примера на фиг. 3-4 демонстрируются результаты, полученные для человека, под одеждой которого находился пояс из плотной ткани с аналогом взрывчатого устройства (аналог пластида с кусками керамики). Для тонкой одежды (фиг. 3) интервал между соседними резонансными частотами при наличии скрытого предмета Δƒ=900 МГц, а при его отсутствии Δƒ>1500 МГц. Для толстой одежды (фиг. 4) при наличии скрытого предмета Δƒ=800 МГц, а при его отсутствии Δƒ=1400 МГц.
Сравним данные кривые с кривыми, полученными при отсутствии дополнительной пластины 2. Для этого обратимся к приведенным в прототипе [патент РФ № 2301432] фиг. 3а-4а, из которых видно, что невозможно обнаружить скрытый предмет, используя информацию о модуле коэффициента отражения, поскольку характер кривых сильно зависит от толщины одежды.
Таким образом, наличие в устройстве пластины 2 является существенным признаком, позволяющим при досмотре людей использовать простой количественный критерий, основанный на определении только двух чисел - значений соседних резонансных частот. Благодаря этому повышается вероятность распознавания скрытых под одеждой предметов. Кроме того, отпадает необходимость в измерении фазы коэффициента отражения, следовательно, можно использовать более простой и дешевый, чем в устройстве-прототипе, прибор, измеряющий только модуль коэффициента отражения.