ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮ АКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
IDENTIFICATION OF POTENTIALLY HAZARDOUS SUBSTANCES USING ACTIVE ELECTROMAGNETIC WAVES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к системам формирования изображения, предназначенным для обнаружения скрытых предметов, и, в частности, к досмотровым системам формирования изображения. Изобретение применимо к системам формирования изображения, работающим в любом диапазоне частот.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В ответ на угрозы безопасности на транспорте и в общественных местах становится общепринятой проверка людей на наличие у них наркотических, взрывчатых веществ и других контрабандных товаров на контрольно-пропускных пунктах, например, в аэропортах, на железнодорожных станциях, на спортивных мероприятиях и концертах, в правительственных зданиях и в других общественных и частных учреждениях. Известны системы, использующие неионизирующее излучение, например излучение в терагерцовом и миллиметровом диапазоне, для визуализации интересующих скрытых предметов. Подобные системы описаны, например, в документах WO 200875948, US 7304306 и US 7295019.
Документ WO 200875948 описывает анализ формирующего изображение излучения для визуализации таких свойств человеческого тела как удельная электропроводность, диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость. При этом излучение некогерентных волн осуществляется в широкой полосе частот для того, чтобы гарантировать их безвредность. Полосу частот предпочтительно выбирают равной половине контрольной частоты. Источником излучения может быть, например, генератор широкополосного некогерентного шума.
Документ US 7304306 описывает систему формирования изображения с терагерцовым излучением, при этом используется модуль обнаружения с прямым преобразованием. Обнаруженное излучение разбивают на несколько компонентов и ослабляют. Целью является обнаружение взрывчатого вещества. Для получения композитного сигнала объединяют несколько разных сигналов.
Документ US 7295019 описывает использование емкостных и индуктивных датчиков для обнаружения скрытых предметов, например пластиковых бомб и керамических ножей.
Целью данного изобретения является предоставление улучшенного способа обнаружения неметаллических скрытых предметов, в частности, с улучшенной дифференциацией между опасными и неопасными предметами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Система формирования изображения включает:
передатчик для направления излучения в объем, в котором находится цель;
приемник для приема рассеянного излучения от цели; и
процессор для обработки рассеянного излучения для формирования изображения в соответствии с амплитудой и фазой принимаемого излучения. Также система может включать дисплей, соединенный с процессором, для формирования изображения на экране.
В одном из вариантов осуществления изобретения процессор выполнен с возможностью классификации скрытого диэлектрического вещества в соответствии с диэлектрической проницаемостью относительно диэлектрической проницаемости человеческого тела, при этом упомянутую относительную диэлектрическую проницаемость получают из информации об амплитуде и фазе принимаемого излучения.
В одном из вариантов осуществления изобретения передатчик выполнен с возможностью передачи падающего излучения по существу одной частоты.
В одном из вариантов осуществления изобретения упомянутая частота лежит в диапазоне от 1 ГГц до 300 ГГц.
В одном из вариантов осуществления изобретения упомянутая частота лежит в диапазоне от 1 ГГц до 80 ГГц.
В другом варианте осуществления изобретения процессор выполнен с возможностью автоматической идентификации аномалий на границах в записанных изображениях и использования упомянутых аномалий при получении данных относительной диэлектрической проницаемости.
В одном из вариантов осуществления изобретения процессор выполнен с возможностью классификации веществ на основе базы данных относительной диэлектрической проницаемости, при этом упомянутая база данных содержит данные диэлектрической проницаемости или данные относительной диэлектрической проницаемости для заданных опасных веществ, например взрывчатки или наркотиков.
В другом варианте осуществления изобретения процессор производит измерение фазы и амплитуды рассеянного излучения вблизи скрытого вещества и в скрытом веществе, при этом значение вблизи скрытого вещества используется в качестве эталонного.
В одном из вариантов осуществления изобретения система выполнена с возможностью обнаружения излучения от двух или более элементов объема, при этом один из элементов объема предоставляет эталонные данные, если он не содержит скрытое вещество.
В другом варианте осуществления изобретения процессор выполнен с возможностью обработки различий в амплитуде и фазе от элемента к элементу исследуемого объема для формирования изображения исследуемого объема.
В одном из вариантов осуществления изобретения разные по амплитуде и фазе ответные сигналы для разных элементов используются процессором для обнаружения местоположения и ориентации скрытого вещества.
В одном из вариантов осуществления изобретения передатчик и приемник включают рупорную антенну в конфокальной системе, при этом рупорная антенна облучает отражающий массив, выполненный с возможностью фокусирования излучения на элементе исследуемого объема, при этом отраженные сигналы, в свою очередь, перенаправляются отражающим массивом в апертуру рупорной антенны, причем процессор выполнен с возможностью управления отражающим массивом для систематического перемещения точки фокуса по исследуемому объему и использования диаграммы направленности рупорной антенны и стратегии сканирования для вычисления геометрии, связанной с каждым элементом объема, для каждого отдельного луча, при этом разница в амплитуде и фазе между объектом и окружающим его объемом, а также вычисленная геометрия используются для оценки относительной диэлектрической проницаемости.
В одном из вариантов осуществления изобретения для каждого передаваемого луча данные для двух отраженных лучей обрабатываются процессором, при этом первый луч является отраженным от поверхности объекта, а второй луч проходит сквозь объект и отражается от границы между объектом и человеческим телом, причем процессор выполнен с возможностью выполнения процесса оценивания, который включает отслеживание обоих лучей и определение следующих событий:
ни один луч не принят рупорной антенной и поэтому не участвует в процессе оценивания,
первый луч принят и участвует в процессе оценивания, а второй луч потерян,
второй луч принят и участвует в процессе оценивания, а первый луч потерян, и
оба луча приняты и вносят вклад в процесс оценивания.
model
model
В одном из вариантов осуществления изобретения процессор выполнен с возможностью выполнения алгоритмов, использующих закон Снеллиуса, связанный с электромагнитными свойствами полей вблизи границ, для вычисления амплитуды как уровня затухания и фазы, τ и Ф, принимаемого излучения.
model
model
В одном из вариантов осуществления изобретения процессор выполнен с возможностью выполнения алгоритмов, отражающих электромагнитные свойства волнового сопротивления и коэффициент отражения вблизи границ, для вычисления амплитуды как уровня затухания и фазы, τ и Ф, принимаемого излучения.
model
model
В одном из вариантов осуществления изобретения процессор выполнен с возможностью реализации алгоритмов теории конфокальных изображений для вычисления амплитуды как уровня затухания и фазы, τ и Ф, принимаемого излучения.
В одном из вариантов осуществления изобретения система также включает отражатель для отражения рассеянного излучения, при этом приемник устанавливают таким образом, чтобы он принимал излучение после его отражения.
В одном из вариантов осуществления изобретения отражатель включает отражающий массив, выполненный с возможностью фокусирования передаваемого излучения на последовательные элементы в исследуемом объеме.
В одном из вариантов осуществления изобретения передатчик и приемник включают рупорную антенну, при этом система включает отражающий массив в виде плиток, каждая из которых состоит из массива полосковых антенн с переключающими транзисторами и соответствующим контроллером для управления транзисторами, при этом упомянутый контроллер выполнен с возможностью конфигурирования фазы полосковых антенн для формирования заданной диаграммы направленности в пространстве при облучении массива рупорной антенной, причем процессор выполнен с возможностью:
вычисления и суммирования расстояния от рупорной антенны до полосковой антенны и расстояния от полосковой антенны до точки фокуса,
конвертирования упомянутого расстояния в единицы длины волны рабочей частоты, и
конвертирования дробной части расстояния в значение фазы путем умножения на число градусов, при этом для конструктивного вклада каждой полосковой антенны в фокус упомянутые фазы должны быть по существу идентичны.
В одном из вариантов осуществления изобретения осуществляют выбор транзистора для добавления фазового сдвига 0 или 180 градусов в зависимости от рассчитанной фазы путем его включения и 0 градусов путем его выключения, при этом сканирование по объему выполняется путем применения соответствующих шаблонов переключения транзисторов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Краткое описание чертежей
Изобретение станет более понятным из описания некоторых вариантов его осуществления, которые представлены только в качестве примеров со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 и 2 представлено аппаратное обеспечение системы, предлагаемой в изобретении.
На фиг.3 схематично представлено падающее и рассеянное излучение в случае отсутствия потенциально опасного объекта.
На фиг.4 показано излучение при наличии потенциально опасного объекта.
Описание вариантов осуществления изобретения
Изобретение включает использование различных изображений, получаемых с помощью аппаратуры формирования изображения с использованием активных СВЧ волн, и автоматическую классификацию вещества, переносимого на человеческом теле, как безопасного или как потенциально опасного. Автоматическая классификация основана на том факте, что человеческое тело имеет намного большую отражательную способность (поскольку его диэлектрическая проницаемость намного выше), чем многие диэлектрические вещества, такие как потенциально опасные взрывчатые или наркотические вещества.
В данном описании изобретения, если не указано обратное, «и» может означать «или», а «или» может означать «и». Например, если признак изобретения описан как имеющий А, В или С, то этот признак может иметь А, В и С или любую комбинацию из А, В и С. Аналогично, если признак изобретения описан как имеющий А, В и С, то этот признак может иметь только одно или два из А, В или С.
Также, если не указано обратное, при описании изобретения любое существительное в единственном числе может означать «один или более». Например, если устройство описано как имеющее элемент X, указанное устройство может иметь один или более элементов X.
Система формирования изображения с использованием СВЧ волн позволяет обнаруживать скрытые опасные предметы на человеческом теле благодаря способности СВЧ волн проникать сквозь материалы. Термин "электромагнитные волны" в данном контексте означает электромагнитное излучение в диапазоне от 1 до 300 ГГц.
Система формирования изображения может использовать любое неионизирующее излучение, включая, не ограничиваясь этим, миллиметровые волны или терагерцовое излучение. В одном из вариантов осуществления изобретения система использует излучение миллиметрового диапазона для создания изображения объекта. Падающий пучок может быть сфокусирован при помощи отражающего массива. Для формирования изображения отражающий массив может размещаться в виде "плиток". Каждая плитка может состоять из массива полосковых антенн с переключающими полевыми транзисторами и соответствующей электроникой для управления полевыми транзисторами. Каждая панель является отражающим массивом. Фазы отдельных полосковых антенн могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы при облучении массива рупорной антенной в пространстве формировалась заданная диаграмма направленности. Расстояния от антенны до полосковой антенны и от полосковой антенны до точки фокуса могут быть вычислены и просуммированы. Суммарное расстояние может быть затем переведено в длину волны рабочей частоты. Дробная часть расстояния может быть переведена в фазу путем умножения на 360 градусов. Для того чтобы каждая полосковая антенна конструктивно вносила свой вклад в фокус, полученные из предыдущих вычислений фазы должны быть идентичны или по существу идентичны. Это можно приблизительно обеспечить, если сделать фазы отличающимися не более чем на 180 градусов. Чтобы этого достигнуть, полевые транзисторы должны быть выбраны таким образом, чтобы они добавляли фазовый сдвиг величиной 0 или 180 градусов в зависимости от рассчитанной фазы. Полевой транзистор может быть подключен с возможностью производить фазовый сдвиг в 180 градусов при его включении и 0 градусов при его выключении. Таким образом, сканирование объема может быть реализовано путем применения соответствующих шаблонов из единиц и нулей к полевым транзисторам.
На фиг.1 и 2 представлен вариант осуществления системы формирования изображения, работающей в реальном времени и имеющей контроллер 20, ответственный за принятие решений. Контроллер 20 управляет воспроизведением изображений и графическим пользовательским интерфейсом. Цифровой приемник 21 может управлять панелями через триггерные платы 22 и 23. Прием излучения осуществляется через схемы 24 и 25 рупорных антенн. Контроллер (компьютер) 20 соединен с цифровым приемником 21 через две линии Ethernet. Отправка контроллером всех команд и прием всех ответных сигналов из системы могут осуществляться через цифровой приемник 21. Последовательное соединение цифрового приемника с плитками 26 позволяет осуществлять передачу основных команд и данных, например передачу команд записи, загрузку шаблонов переключения отражателей и выполнение диагностики. В общем последовательные соединения могут использоваться для двусторонней связи. На фиг.2 показаны триггерные платы 22, 23 и параллельные соединения между ними и каждой плиткой. Через эти параллельные соединения обеспечивается передача адресов блоков сканирования и сигналов синхронизации. Питание плиток 26 осуществляется также через триггерные платы 22 и 23.
Частота излучения в одном из вариантов осуществления изобретения составляет 24,12 ГГц. Было обнаружено, что диапазон частот от 1 до 80 ГГц, в частности, эффективен в некоторых вариантах осуществления изобретения и, в частности, эффективен поддиапазон частот от 1 до 40 ГГц. Однако предполагается, что в других вариантах осуществления изобретения могут применяться различные длины волн, частоты до 300 ГГц.
Для того чтобы опасный предмет был обнаружен с помощью СВЧ-волн, он должен обладать свойствами (в отношении распространения электромагнитных волн), отличающимися от свойств окружающих материалов (человеческого тела).
Система формирования изображения, использующая активные СВЧ-волны, облучает заранее заданный исследуемый объем и измеряет амплитуду и фазу сигнала, принимаемого от каждого элемента объема в исследуемом объеме. Разница в амплитуде и фазе от элемента к элементу используются для формирования изображения исследуемого объема.
Амплитуда и фаза принимаемого сигнала являются функциями геометрии формирующих изображение лучей, геометрии объекта и диэлектрических свойств объекта. Анализ данных об амплитуде и фазе позволяет вычислить эти свойства объекта.
Вычисление электрических свойств объекта
Электрические свойства объекта, такие как диэлектрическая проницаемость, могут быть получены из информации о падающих, отраженных и пропущенных электромагнитных волнах. Отражение и пропускание электромагнитных волн или лучей являются функциями геометрии, текстуры поверхности и волнового сопротивления на обеих сторонах объекта. Волновое сопротивление зависит от магнитной и диэлектрической проницаемости материала. Для большинства материалов относительная магнитная проницаемость не является дифференцирующим признаком, поэтому может не приниматься во внимание. Диэлектрические свойства относятся к внутренним свойствам вещества и состоянию объекта. Диэлектрическая проницаемость s является комплексным числом (ε=ε'-jε"), где ε' и ε" относятся соответственно к сохранению энергии и рассеянию энергии в веществе. Таким образом, диэлектрическая проницаемость может использоваться для классификации веществ.
Геометрия сканирования основана на конфокальной системе, в которой рупорная антенна облучает отражающий массив, при этом упомянутый отражающий массив выполнен с возможностью фокусирования излучения на одном элементе исследуемого объема. Отраженные волны в свою очередь перенаправляются отражающим массивом в апертуру рупорной антенны. Отражающий массив электронным способом сконфигурирован для систематического перемещения фокальной точки по исследуемому объему. Знание диаграммы направленности рупорной антенны и стратегии сканирования позволяет системе вычислить геометрию, связанную с каждым элементом объема. Этот процесс часто называют «отслеживание лучом» («ray tracing»). Разница в амплитуде и фазе между объектом и окружающим пространством и вычисленная геометрия используются для оценивания относительной диэлектрической проницаемости и, таким образом, служит для классификации объекта с использованием базы данных диэлектрической проницаемости материалов.
На фиг.3 и 4 показана геометрия, используемая в процессе оценивания. На фиг.3 показан случай формирования изображения тела, а на фиг.4 - случай обнаружения скрытого предмета, расположенного на человеческом теле, с оцениванием относительной диэлектрической проницаемости этого предмета. Все начинающиеся и заканчивающиеся в рупорной антенне лучи участвуют в процессе оценивания.
Оценивание относительной диэлектрической проницаемости основано на разнице в затухании и фазовой задержке в ситуациях, показанных на фиг.3 и 4. Значения затухания и фазовой задержки извлекаются из данных изображения. Затем их записывают в виде уравнения, где неизвестными являются относительная диэлектрическая проницаемость и толщина объекта. Результирующие уравнения решают, чтобы получить оценку относительной диэлектрической проницаемости и толщины объекта.
Как показано на фиг.4, для каждого падающего луча должны рассматриваться два отраженных луча. Луч 1 (обнаруженный как q1) отражается от поверхности объекта, а луч 2 (обнаруженный как q2) проходит через объект и отражается от границы между объектом и телом человека. Внутреннее отражение от поверхности объекта не принимается в расчет. Система формирования изображения выполняет процесс оценивания, который включает отслеживание обоих лучей и расчет для четырех случаев:
1) Ни один луч не принят рупорной антенной и поэтому не участвует в процессе оценивания.
2) Луч 1 принят и участвует в процессе оценивания, но Луч 2 потерян.
3) Луч 2 принят и участвует в процессе оценивания, но Луч 1 потерян.
4) Оба луча приняты и вносят вклад в процесс оценивания.
Как было описано выше, каждый падающий луч формирует соответствующие Луч 1 и Луч 2. Процесс оценивания, осуществляемый системой формирования изображения, производит вычисления для всех падающих лучей от рупорной антенны.
Программное обеспечение обнаружения объектов обрабатывает изображение для идентификации объектов на теле человека, а программное обеспечение классификации материалов автоматически сообщает оценку относительной диэлектрической проницаемости и ее классификацию. Программное обеспечение обнаружения использует границы на изображении для идентификации аномалий.
Процессом классификации материалов может также управлять пользователь, при этом оператор выделяет скрытый объект на изображении, а затем выделяет ближайшую часть тела для использования ее в качестве эталона для измерений.
Вычисление электрических свойств объекта: подробное описание процесса оценивания
Луч Ер с единичной амплитудой излучается рупорной антенной по направлению к полосковой антенне р. Для случая, приведенного на фиг.3, луч после отражения от объекта направлен в сторону полосковой антенны q, положение которой можно определить по законам геометрической оптики. Луч, отраженный от участка q, направлен к рупорной антенне. Принимаемый луч с комплексной амплитудой Rp определяется выражением: Rp=Ep.Gp.pq.Gq.exp(iφq), где Gp и Gq - коэффициенты усиления рупорной антенны в точках расположения полосковых антенн р и q, pq - коэффициент отражения человеческого тела, а φq - общая длина электрического пути.
В случае, изображенном на фиг.4, луч после отражения от объекта и человеческого тела, формирует два луча, один из которых направлен к полосковой антенне q1, а другой - к полосковой антенне q2. Положения полосковых антенн q1 и q2 можно определить по законам геометрической оптики. Отраженные от полосковых антенн q1 и q2 лучи направлены к рупорной антенне, таким образом, принимаемый составной луч с комплексной амплитудой Rp определяется выражением: Rp=Ep.Gp.(pq1.Gq1.exp(i(pq1)+pq2.Gq2.exp(iφq2)), где Gp, Gq1 и Gq2 - коэффициенты усиления рупорной антенны в точках расположения полосковых антенн р, q1 и q2; pq1 и pq2 - коэффициенты отражения объекта и человеческого тела соответственно; φq1 и φq2 - длины соответствующих электрических путей.
Показанный на фиг.4 принимаемый сигнал является ослабленным и имеет фазовый сдвиг по отношению к принимаемому сигналу, показанному на фиг.3.
р
ρ - затухание относительно луча, излучаемого к полосковой антенне р.
р
φ - фазовый сдвиг относительно луча, излучаемого к полосковой антенне р.
Все лучи, исходящие из рупорной антенны (один луч на полосковую антенну), используются при оценивании затухания (τ) и фазового сдвига (Ф) между принимаемыми сигналами, показанными на фиг.3 и 4.
где number_of_Patches - число полосковых антенн,
abs - модуль,
angle - фаза.
model
model
r
τ и Ф записывают в виде уравнений, где неизвестными являются относительная диэлектрическая проницаемость ε и толщина объекта Т.
r
model
model
Относительную диэлектрическую проницаемость ε и толщину объекта Т выбирают таким образом, чтобы вычисленные значения τ и Ф максимально соответствовали измеренным значениям τ и Ф.
model
model
Для вычисления значений τ и Ф существует несколько способов.
Способ 1. Использование Формул отслеживания лучей
model
model
Для вычисления значений τ и Ф используют закон Снеллиуса в связи с электромагнитными свойствами полей вблизи границ.
Способ 2. Использование волнового сопротивления
model
model
Для вычисления значений τ и Ф описывают изменение волнового сопротивления и коэффициента отражения при распространении волны от рупорной антенны к цели и обратно к рупорной антенне. При этом в способе используют электромагнитные свойства волнового сопротивления и коэффициента отражения вблизи границ.
Способ 3 основан на теории конфокальных изображений
model
model
Сначала вычисляют пропускаемый пучок, который затем облучает тело и опасный предмет, в результате чего формируется отраженный пучок. Отраженный пучок, в свою очередь, отражается от панели и направляется к рупорной антенне. Принятый рупорной антенной сигнал используется для вычисления затухания и фазового сдвига между пропускаемым и отраженным сигналами, что соответствует τ и Ф.
Другие варианты: Использование множества отражающих пластин для моделирования человеческого тела
model
model
Если опасный объект располагается не на плоской части человеческого тела, тело может быть смоделировано с использованием пластин, ориентация которых получена из данных изображения. Далее вычисления продолжают обычным способом, только при вычислении τ и Ф учитывают пластины и их ориентацию.
Человеческое тело имеет очень большой коэффициент отражения, поэтому отражающие пластины являются эффективной моделью.
Пример
Панель отражающего массива размером 1 м×1 м, состоящая из 15000 полосковых антенн, формирует пучок гауссовой формы. Этот пучок предназначен для формирования изображения бруска воска (е=2,59) толщиной 1,8 см, прикрепленного к отражающей поверхности (представляющей тело человека). Воск расположен на расстоянии 70 см от панели формирования изображения. Шаг элементов изображения составляет 0,4 см по горизонтали, 0,4 см по вертикали и 1,25 см по направлению вперед.
min
max
Простая обработка результатов показывает положение воска и дает близкие значения его ширины и длины. Толщина воска по расчетам лежит в диапазоне от T=1,2 см до T=2,4 см.
min
max
min
max
min
max
molel
model
Два элемента объема выбраны в качестве тестовых точек, при этом один из них расположен внутри опасного объекта, а другой расположен на теле человека, но вне опасного объекта. Значения толщины и диэлектрической проницаемости находятся соответственно в диапазонах от T до T (шаг 0,2 см), от ε до ε (ε=1 и ε=4, шаг =0,5). Вычисления τ и Ф производились по способу 3 для выбранных тестовых точек. Затем результаты вычислений сравнили с результатами измерений для того, чтобы найти диэлектрическую проницаемость и толщину воска. Наилучший результат для двух тестовых точек был достигнут при значении толщины 1,6 см и диэлектрической проницаемости 2,5.
В идеале две тестовые точки должны привести к правильному решению, но рекомендуется использовать множество тестовых точек для поиска/подтверждения соответствующих значений диэлектрической проницаемости и толщины.
Главным преимуществом изобретения является использование существующего аппаратного обеспечения систем формирования изображения не только для получения изображения исследуемого объема, но также и для оценивания диэлектрической проницаемости скрытых объектов. При использовании совместно с соответствующей базой данных система может обеспечить предположение о типе вещества на основе оценок диэлектрической проницаемости.
Изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления и может изменяться в конструкции и деталях.