Устройство и способ инспектирования ноги для обнаружения проносимых скрываемых объектов
DEVICE AND METHOD FOR INSPECTING A LEG TO DETECT CARRIED CONCEALED OBJECTS

Область техники
Изобретение относится к детекторам, предназначенным для обнаружения объектов или материалов, которые не разрешено проносить в зону контролируемого доступа.
Уровень техники
В настоящее время представляется необходимым с высокой надежностью контролировать попытки внести в контролируемую зону или вынести из нее определенные объекты, не исчерпывающими примерами которых являются взрывчатые материалы.
Данная проблема охватывает очень широкий набор ситуаций, который включает (не ограничиваясь ими) попытки вноса объектов в контролируемую зону, такую как магазин, школа, железнодорожная станция, общественное или даже частное помещение, или попытки вынести объекты за пределы определенного периметра, например кражи из компании или в защищенной зоне.
В последние годы были разработаны сканеры тела, чтобы обнаруживать оружие, взрывчатку и другие предметы, спрятанные под одеждой людей, входящих в контролируемую зону. Все эти системы используют технологии, основанные на детектировании излучения, модулируемого или испускаемого телами инспектируемых людей. Излучения, используемые для этой цели, включают рентгеновское излучение, излучение в микроволновом, миллиметровом или терагерцовом диапазоне, инфракрасное излучение и ультразвук.
Несмотря на использование различных типов излучения и различных схем получения изображения, принцип всех этих сканеров тела состоит в создании электронного изображения человека, одежда которого представляется прозрачной. Затем данное изображение отображается на мониторе и рассматривается оператором, который определяет, проносит ли человек целевой объект. Для этого оператор, прошедший специальную подготовку для детектирования целевых объектов, должен быть способен определять, соответствуют ли объекты, идентифицированные сканером тела, анатомии человека, разрешенным объектам (таким как зажигалка, платок или другие подобные предметы) или целевому объекту, такому как оружие или взрывчатое вещество.
В настоящее время имеют место случаи, когда люди, которые пытаются обманным путем вынести объект за пределы контролируемой зоны или внести в нее такой объект, используют обувь, чтобы скрыть проносимый объект. Представляется, что такие действия в значительной степени связаны с тем обстоятельством, что эту зону трудно контролировать визуально или прощупыванием.
При этом представляется, что известные сканеры тела неспособны обнаруживать объекты, проносимые таким способом. С одной стороны, шумы, генерируемые инфраструктурами, связанными с полом, создают помехи обнаружению посредством сканеров тела. Поэтому сканеры тела обычно анализируют только часть тела, находящуюся на определенном расстоянии от пола. С другой стороны, возможности обнаружения посредством обычных сканеров тела ограничивает имеющая существенную толщину верхняя часть туфли или ботинка, которая действует как экран, так что современные технологии не позволяют определить форму стопы и, следовательно, идентифицировать целевые объекты.
Именно поэтому некоторые операторы, в попытке улучшить качество инспекции, требуют от людей, желающих войти или выйти из контролируемой зоны, снять обувь. Такое требование создает серьезные ограничения и дискомфорт.
В связи с этим заявителем было разработано устройство, содержащее рамку. Рамка содержит опорное основание, образованное прямоугольной пластиной в форме ступеньки, на верхней плоской поверхности которой сформированы профиль в форме отпечатка подошвы и ограничитель, предназначенные для приема и позиционирования одной обутой ступни человека. Рамка содержит также две симметричные боковые панели, в которых размещены средства обнаружения, и информационный модуль.
Примеры этого устройства раскрыты в документах FR 2860631, ЕР 1574879, FR 2889338 и FR 2911212.
Средства обнаружения, описанные в указанных документах, могут быть образованы обмотками для обнаружения металлов; средствами отбора проб в виде всасывающих сопел, обеспечивающих анализ пара или следов частиц, например наркотиков или взрывчатых веществ; средствами анализа, основанными на ядерно-магнитном резонансе и содержащими, например, катушки Гельмгольца, или средствами анализа суммарного импеданса, или устройствами обнаружения радиоактивного излучения.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы предложить новое средство обнаружения для повышения надежности обнаружения целевых объектов, которые могут быть скрытно размещены в обуви или на ноге человека.
Конкретная задача изобретения состоит в том, чтобы предложить средство обнаружения, эффективное независимо от того, в каком именно месте или местах на ноге человека закреплен скрываемый объект (скрываемые объекты): на голени (в частности на ее передней, задней, наружной боковой или внутренней боковой части).
Согласно изобретению эти задачи решены созданием устройства для инспектирования ноги человека, которое содержит:
- опорное основание, сконфигурированное для приема стопы человека,
-две боковые панели, сконфигурированные с возможностью расположения с каждой стороны ноги человека,
- средства позиционирования стопы и ноги относительно опорного основания и панелей,
- преобразователи в форме микроволновых излучателей/приемников, размещенные на каждой боковой панели напротив противолежащей боковой панели, и
- средства анализа сигналов, детектированных посредством микроволновых приемников и соответствующих сигналам, переданным от одной панели к противолежащей панели, и сигналам, исходящим из одной панели и отраженным к той же панели.
Изобретение относится также к способу обнаружения, посредством данного устройства, скрываемых объектов, проносимых на ноге человека.
Краткое описание чертежей
Другие свойства, решаемые задачи и преимущества изобретения станут более понятны из нижеследующего подробного описания и прилагаемых чертежей, соответствующих неограничивающим примерам.
На фиг. 1 представлено перспективное изображение устройства по изобретению.
Фиг. 2 иллюстрирует то же устройство, а также схематично иллюстрирует позиционирование в устройстве нижней части ноги человека.
На фиг. 3 устройство по изобретению схематично иллюстрируется в продольном вертикальном разрезе.
Фиг. 4а схематично иллюстрирует, в разрезе горизонтальной плоскостью, испускание микроволн (СВЧ-излучения) от одной панели в направлении противолежащей панели, когда между двумя панелями находится объект, непроницаемый для микроволн, тогда как фиг. 4b, 4с, 4d, 4е, 4f схематично иллюстрируют сигналы, принятые приемниками на второй панели и зависящие от положения приемников относительно объекта.
Фиг. 5а схематично иллюстрирует, на виде в плане, испускание/прием микроволн, когда между двумя панелями введена нога, тогда как фиг. 5b и 5с схематично иллюстрируют соответственно сигнал, прошедший, без задержки и без ослабления, через зону нахождения ноги, и сигнал, отраженный ногой.
Фиг. 6а схематично иллюстрирует, на виде в плане, испускание/прием микроволн, когда между двумя панелями введена нога, на боковой поверхности которой закреплен скрываемый объект, тогда как фиг. 6b схематично иллюстрирует сигнал, отраженный этим объектом.
Фиг. 7а схематично иллюстрирует, на виде в плане, испускание/прием микроволн, когда между двумя панелями введена нога, на передней поверхности которой закреплен скрываемый объект, тогда как фиг. 7b схематично иллюстрирует сигнал, прошедший через этот объект и характеризующийся определенной задержкой и ослаблением.
Осуществление изобретения
Прилагаемые чертежи иллюстрируют устройство по изобретению, содержащее рамку 100, которая содержит:
- опорное основание 110, сконфигурированное для приема стопы человека и образованное прямоугольной пластиной в форме ступеньки, на верхней плоской поверхности которой сформированы маркер (профиль) 112 и ограничитель (упор) 114, предназначенные для приема и позиционирования одной обутой ступни человека;
- две симметричные боковые панели 120, которые сконфигурированы с возможностью расположения с каждой стороны ноги человека и в которых размещены средства обнаружения, и
- информационный модуль 130.
Устройство, проиллюстрированное на чертежах, может соответствовать по своей геометрии, размерам, выполнению позиционирующего маркера 112, ограничителя 114, характеру сообщений, выводимых на модуль 130, и рекомендациям, изложенным в упомянутых документах FR 2860631, ЕР 1574879, FR 2889338 и FR 2911212.
Как было отмечено выше, устройство по изобретению содержит также:
- средство 140 позиционирования колена человека относительно опорного основания 110 и панелей 120,
- преобразователи 200 в форме микроволновых излучателей/приемников, размещенные на каждой боковой панели 120 напротив противолежащей боковой панели, и
- средства 300 анализа сигналов, детектированных посредством микроволновых приемников и соответствующих сигналам, переданным от панели 120 к противолежащей панели, и сигналам, исходящим из одной панели 120 и отраженным к той же панели.
Средство 140 позиционирования колена предпочтительно выполнено в форме поперечины 142, соединяющей внутренние поверхности двух боковых панелей 120 на высоте примерно 40 см.
Микроволновые преобразователи 200 предпочтительно представляют собой группу микроволновых излучателей/приемников, расположенных на каждой панели 120 в форме матрицы из горизонтальных строк и вертикальных столбцов. Как показано на фиг. 1, 2 и 3, такая матрица предпочтительно состоит из пяти горизонтальных строк (рядов), в каждой (в каждом) из которых имеются три микроволновых преобразователя.
В качестве неограничивающих примеров, горизонтальный зазор между двумя преобразователями 200 в одном ряду составляет около 75 мм, вертикальный зазор между двумя рядами преобразователей 200 составляет около 55 мм, самый верхний ряд преобразователей 200 расположен на расстоянии примерно 350 мм над поверхностью опорного основания 110.
Каждый микроволновый преобразователь 200 предпочтительно снабжен фокусирующим конусом 202. Выходной конец каждого фокусирующего конуса 202 предпочтительно расположен на расстоянии 130 мм от вертикальной медианной плоскости устройства.
Преобразователи 200 предпочтительно функционируют в интервале частот 5-30 ГГц, предпочтительно 12-20 ГГц.
Преобразователи 200, находящиеся на панели 120, например 15 преобразователей, распределенных по 5 вертикальным столбцам по 3 преобразователя в столбце, расположены коаксиально с соответствующими преобразователями, находящимися на противолежащей панели 120.
Каждый преобразователь 200 может функционировать, под управлением средств 300, альтернативно как излучатель или приемник или как излучатель и приемник.
Каждый излучатель предпочтительно сконфигурирован для испускания микроволн в направлении коаксиального с ним приемника на противолежащей панели 120, а также в направлении преобразователей, смежных с этим противолежащим коаксиальным приемником 200.
Аналогично, каждый приемник предпочтительно сконфигурирован для приема излучения от коаксиального с ним излучателя, расположенного на противолежащей панели 120, а также от преобразователей, смежных с этим противолежащим коаксиальным излучателем.
DREF
Как проиллюстрировано на фиг. 4, если объект X, состоящий из вещества, непроницаемого для микроволн и закрепленный на голени человека, находится напротив матрицы преобразователей 200, пучки излучения, проходящие от излучателя 200Тх, находящегося на первой панели 120, в направлении одного или более приемников 200Rx, находящихся на противолежащей второй панели 120, которые не перекрыты объектом X, падают на приемники с небольшой задержкой t, обусловленной прохождением по воздуху, без заметного уменьшения амплитуды (см. фиг. 4b, 4е и 4f).
Однако пучки, излучаемые излучателем 200Тх в направлении объекта X, прерываются объектом и не достигают противолежащего приемника 200Rx (фиг. 4с и 4d).
С учетом этого управление парами излучатель/приемник 200Tx/200Rx и анализ сигналов, формируемых приемником 200Rx, позволяет обнаружить присутствие на ноге человека объекта X, непроницаемого для микроволн.
Как это иллюстрируется фиг. 5, нога человека, вследствие существенного содержания в ней воды, почти полностью отражает микроволны.
Как это следует из фиг. 5b, пучки, проходящие от излучателя 200Тх, находящегося на первой панели 120, в направлении одного или более приемников 200Rx, находящихся на противолежащей второй панели 120, которые не перекрыты ногой, достигают противолежащих приемников почти без задержки и без заметного ослабления амплитуды.
Однако пучки, излученные излучателем 200Тх в направлении ноги, отражаются ею в направлении того же излучателя, функционирующего как приемник, с задержкой, равной 2*d/c, где d - расстояние между излучателем и ногой, с - скорость микроволн в воздухе (см. фиг. 5с).
На фиг. 6 иллюстрируется функционирование устройства для обнаружения скрываемого объекта Х1, закрепленного на боковой стороне голени человека.
В этом случае пучки, испущенные излучателем 200Тх, находящимся на первой панели 120, в направлении одного или более приемников 200Rx, находящихся на противолежащей второй панели 120 и не перекрытых ногой, достигают противолежащих приемников почти без задержки и без заметного уменьшения амплитуды (см. фиг. 5b).
Однако пучки, испущенные излучателями 200Тх в направлении объекта Х1, отражаются на одной стороне наружной поверхностью объекта Х1, а на другой стороне ногой в направлении излучателя, функционирующего также, как приемник (см. фиг. 6b).
Как показано на фиг. 6b, в этом случае приемники 200Rx последовательно принимают, с различными задержками, два сигнала, первый из которых обусловлен отражением от вещества Х1, а второй - отражением от ноги.
Тесты, проведенные автором изобретения, показали, что, как правило, амплитуда второго эхо-сигнала больше, чем у первого эхо-сигнала, поскольку вещество Х1 имеет довольно низкую отражательную способность.
Сопоставительный анализ сигналов типа проиллюстрированных на фиг. 5b, 5с и 6b позволяет обнаружить скрываемый объект, закрепленный на боковой стороне голени.
Фиг. 7 иллюстрирует функционирование устройства при обнаружении скрываемого объекта Х2, закрепленного на передней стороне голени.
В этом случае также, подобно тому, как это показано на фиг. 5b, пучки, прошедшие от излучателя 200Тх, находящегося на первой панели 120, в направлении одного или более приемников 200Rx, находящихся на противолежащей, второй панели 120, и не перекрытые ногой, достигают противолежащих приемников почти без задержки и без заметного уменьшения амплитуды.
В то же время пучки, испущенные излучателем 200Тх в направлении объекта Х2 и не перекрытые ногой, достигают противолежащих приемников, находящихся на противолежащей панели, с задержкой и ослаблением, вносимыми веществом Х2.
Сопоставительный анализ сигналов типа проиллюстрированных на фиг. 5b, 5с и 7b позволяет обнаружить скрываемый объект, закрепленный на передней (или на задней) стороне голени.
В результате рассмотрения данного описания специалисту будет понятно, что изобретение позволяет обнаруживать неметаллические скрываемые объекты, например взрывчатые вещества или наркотики, переносимые на нижней части ноги, путем детектирования задержки и амплитуды микроволновых сигналов, прошедших сквозь подобное вещество и/или отраженных им, а также ногой.
Матрица преобразователей 200 предпочтительно сконфигурирована так, чтобы перекрыть всю нижнюю часть ноги между икрой и коленом, а средства 300 анализа производят сравнение сигналов, прошедших, с отражением или без отражения, с референтными значениями, соответствующими прохождению сигналов по воздуху, и/или сигналам, отраженным от ноги, не несущей скрываемого объекта.
DREF
DREF
Средства 300 анализа сконфигурированы для генерирования тревожного сигнала при детектировании существенного (превосходящего пороговое значение) отличия от референтных значений (t, A).
Позиционирование ноги на маркере 112 и правильное позиционирование колена, упирающегося в поперечину 142, может контролироваться предназначенными для этого оптическими датчиками, размещенными на панели 120.
Средства 300 анализа согласно изобретению предпочтительно сконфигурированы для выполнения по меньшей мере одной из следующих операций (функций), предпочтительно в комбинации со всеми другими из следующих операций:
- измерение задержки и амплитуды микроволн, прошедших напрямую между каждой парой, образованной коаксиальными излучателем 200Тх и приемником 200Rx, находящимися на двух противолежащих панелях 120;
- измерение задержки и амплитуды микроволн, прошедших под острым углом к одной из осей панели между каждым излучателем 200Тх, находящимся на одной панели 120, и приемниками 200Rx, расположенными по обе стороны от приемника, находящегося на противолежащей панели 120 коаксиально с излучателем;
- измерение задержки и амплитуды микроволн, испущенных каждым преобразователем 200 в форме излучателя/приемника и отраженных в направлении того же преобразователя, образующего приемник 200Rx, или в направлении приемников 200Rx, расположенных по обе стороны от указанного преобразователя, ногой или скрываемым объектом, зафиксированным на ноге или вокруг нее;
- детектирование присутствия двойного эхо-сигнала, соответствующего микроволнам, отраженным скрываемым объектом и ногой;
- сравнение микроволн, прошедших напрямую, с референтным значением для прохождения через воздух, и генерирование тревожного сигнала в случае детектирования задержки, превышающей пороговое значение, и сигнала с амплитудой, соответствующей веществам, вносящим задержку и ослабляющим микроволны;
- сравнение микроволн, прошедших напрямую, с микроволнами, дошедшими до смежных преобразователей, и генерирование тревожного сигнала в случае детектирования превышающего пороговое значение различия между соответствующими сигналами (что указывает на присутствие неметаллического вещества, непроницаемого для микроволн);
- сравнение микроволн, прошедших под острым углом к одной из осей панели, с референтным значением для прохождения через воздух, и генерирование тревожного сигнала в случае детектирования задержки, превышающей пороговое значение, и сигнала с амплитудой, соответствующей веществам, вносящим задержку и ослабляющим микроволны;
- сравнение микроволн, прошедших под острым углом к одной из осей панели, со смежными микроволнами, прошедшими напрямую, и генерирование тревожного сигнала в случае детектирования превышающих пороговое значение различий между соответствующими сигналами (такое детектирование указывает на присутствие неметаллического вещества, непроницаемого для микроволн);
- сравнение детектированного двойного эхо-сигнала со значением для прохождения через воздух и генерирование тревожного сигнала в случае детектирования превышающей пороговое значение задержки между пиками двух эхо-сигналов с амплитудами, превышающими пороговое значение (первый эхо-сигнал соответствует веществу, которое отражает часть волны, а второй эхо-сигнал соответствует веществу, вносящему задержку и поглощающему неотраженный сигнал).
Описанное устройство по изобретению может быть дополнено вспомогательным оборудованием, например средствами, формирующими металлодетектор, использующий обмотки, интегрированные в боковые панели 120, и/или средствами для отбора проб и анализа веществ, пара или следов частиц, и/или средствами анализа по методу ядерно-магнитного резонанса, средствами анализа суммарного импеданса и/или средствами обнаружения радиоактивного излучения.
Такие средства сами по себе в принципе известны и поэтому в данном описании подробно не рассматриваются.
Описанное устройство по изобретению может быть также дополнено средствами, которые будут описаны далее и которые раскрыты в патентных заявках Франции FR 1653385, FR 1655726 и FR 1655729. Эти средства могут быть интегрированы в основание 110 и/или в боковые панели 120.
Таким образом, устройство 100 может содержать:
- микроволновые излучающие/приемные средства 400 (например функционирующие в интервале частот 5-30 ГГц, предпочтительно в интервале 12 ГГц-20 ГГц), предпочтительно интегрированные в основание каждой боковой панели 120 и распределенные по длине опорного основания 110 (эти микроволновые излучающие средства и микроволновые приемные средства размещены соответственно по разные стороны от подошвы обуви, помещаемой в устройство, и предпочтительно сконфигурированы для детектирования приемными средствами сигнала, поступающего от противолежащих излучающих средств, а также сигнала, поступающего от излучающих средств, смещенных относительно приемных средств и расположенных на том же вертикальном уровне или на разных уровнях);
- средства 400 для измерения ширины элемента, в типичном варианте подошвы, помещенной между микроволновыми излучателем 400 и приемником 400;
- средства 300 анализа по меньшей мере одного из следующих параметров: длительности прохождения излучения между микроволновыми излучателем 400 и приемником 400 и амплитуды сигнала, переданного от излучателя к приемнику 400, и
- средства нормализации результатов анализа относительно стандартного значения ширины, определенного с помощью средства для измерения ширины.
Средства 300 могут быть также сконфигурированы для анализа амплитуды сигналов, формируемых приемниками, и для извлечения из этих сигналов информации о толщине подошвы.
Средства 400 содержат по меньшей мере один микроволновый излучатель, находящийся на одной стороне основания 110, и по меньшей мере один микроволновый приемник, находящийся на противолежащей стороне основания 110 таким образом, что микроволны, испущенные микроволновым излучателем, проходят сквозь подошву обуви, установленной на переднюю часть опорного основания 110, и достигают ассоциированного микроволнового приемника, находящегося на противоположной стороне основания 110.
Средства 400 для измерения ширины элемента, помещенного между микроволновыми излучателем и приемником, содержат, например, группу инфракрасных излучающих/приемных средств, сконфигурированных для измерения времени обратного прохождения излучения между инфракрасным излучателем и ассоциированным с ним инфракрасным приемником.
Несколько пар инфракрасных излучателей и ассоциированных с ними инфракрасных приемников могут быть размещены соответственно на противоположных сторонах основания 110 таким образом, что инфракрасное излучение, испущенное каждым инфракрасным излучателем, отражается от подошвы обуви, установленной на переднюю часть опорного основания 110, и падает на ассоциированные инфракрасные приемники, находящиеся по ту же сторону от основания 110.
Устройство может также содержать средства, предпочтительно использующие микроволны, причем предпочтительно группа таких средств распределена по длине устройства и сконфигурирована для детектирования расслоения подошвы путем детектирования последовательных эхо-сигналов после испускания волны в направлении подошвы.
Средство нормализации сигнала, формируемого средством для обнаружения расслоения подошвы, может быть сформировано с использованием сигнала, характеризующего оценку высоты подошвы.
Устройство может также содержать средство для измерения электрической емкости, образуемой подошвой обуви, установленной на опорное основание 110. Такое средство может содержать электроды на рукоятках 122, находящихся в верхней части панелей 120. Эти электроды изготовлены, например, из электропроводного материала, введенного в материал панелей 120. Электрический генератор (генерирующий, например, напряжение 0,1-10 В, предпочтительно около 1 В) подключен по последовательной схеме к рукояткам 122, имеющимся на боковых панелях 120, и к электродам, размещенным на опорном основании 110, предпочтительно соосно с конусами, ассоциированными с микроволновыми преобразователями 450 (см. фиг. 3), сконфигурированными для генерирования микроволн, распространяющихся вертикально в подошву.
Разумеется, изобретение не ограничивается рассмотренными вариантами, а охватывает все варианты в пределах изобретательского замысла.
В частности, осуществление изобретения было описано в контексте устройства, имеющего общие признаки с устройством, раскрытым в документах FR 2860631, ЕР 1574879, FR 2889338 и FR 2911212 и содержащим опорное основание 10, образованное ступенькой, на верхней плоской поверхности 12 которой сформированы профиль в форме стопы и ограничитель 14, предназначенные для приема и позиционирования одной обутой ступни человека.
Однако изобретение не ограничивается подобным вариантом. Как показано, например, на фиг. 23 патентной заявки US 2017343666, поданной заявителем настоящего изобретения, оно применимо также в устройствах, в которых опорное основание выполнено с возможностью установки на него одновременно двух ног человека.
Однако, в этом случае для обеспечения процесса обнаружения отдельно для каждой из двух ног проверяемого человека целесообразно предусмотреть (как это показано на указанной фиг. 23) три выступающих из верхней поверхности основания блока 320, 330 и 340, между которыми следует размещать две ноги Р так, чтобы центральный из этих блоков 330 располагался между двумя ногами Р, а два боковых блока 320, 340 находились соответственно снаружи ног. Центральный блок 330 содержит средства обнаружения, связанные соответствующим образом с блоками 320 и 340 для обеспечения описанных выше измерений соответственно для каждой из двух ног Р. При этом центральный блок 330 в данном случае предпочтительно содержит также излучатели 142 и приемники 144 для измерения амплитуды поглощения микроволн и времени их распространения, а также инфракрасные преобразователи 152/154 для измерения, по отдельности, ширины каждой из двух подошв S.