Система дистанционной маркировки материальных объектов и их идентификации
SYSTEM FOR REMOTE MARKING OF MATERIAL OBJECTS AND THEIR IDENTIFICATION

Изобретение относится к системам извлечения информации об объекте (продукте) путем дистанционной маркировки, удаленного запрашивания информации об объекте и последующему использованию полученной информации для оперативного решения задач:
- контроля перемещения маркированных объектов, трудно поддающихся исчислению: грузов, багажа на морских, авиа и железнодорожных пунктах контроля;
- контроля несанкционированной вырубки и вывоза леса.
Известны система и способ дистанционного обеспечения информацией о продукте (изобретение по патенту RU 2591177), в котором для повышения точности идентификации продукта сенсорная система содержит бирку, по меньшей мере, с одним радиочастотным чипом и первую антенну и одной проводящей полимерной системой, соединенную посредством электрической связи с, по меньшей мере, одним выходным контактом чипа и выполненную с возможностью изменения электрического состояния в связи с заранее определенным изменением в окружающей среде проводящей полимерной системы. Первая антенна соединена посредством электрической связи с выходным (выходными) контактом (контактами) чипа и проводящей полимерной системы.
В качестве прототипа предлагаемого технического решения принята система идентификации материальных объектов (патент на полезную модель RU 44855), содержащая передающее устройство, приемное устройство, материальный объект, который маркирован установкой на нем скрытой радиочастотной метки в виде транспондера, выполненного с возможностью отклика на излучаемый передатчиком радиосигнал путем излучения радиосигнала с ранее записанной на транспондер идентификационной информацией, который может быть принят и обработан приемным устройством, которая закреплена на поверхности материального объекта.
Недостатком вышеуказанных систем маркировки материальных объектов и их идентификации является невозможность маркирования объектов дистанционно, объектов с криволинейными поверхностями, объектов с дальнейшей переработкой.
Технической задачей изобретения является создание системы дистанционной маркировки и идентификации материальных объектов с криволинейными поверхностями и объектов с возможностью дальнейшей переработки.
Сущность решения технической задачи заключается в том, что система дистанционной маркировки материальных объектов и их идентификации, содержащая материальный объект и опрашивающее устройство (устройство обнаружения и идентификации - радар), выполненное с возможностью генерирования электромагнитного излучения, обнаружения электромагнитного излучения и демодулирования обнаруженного излучения с извлечением вложенных данных из обнаруженного излучения радиочастотной метки, которой маркирован материальный объект, выполненной с возможностью отклика на излучаемый (антенной) радиосигнал опрашивающего устройства путем излучения радиосигнала с идентификационной информацией, которая может быть принята и обработана опрашивающим устройством, согласно изобретению в системе радиочастотная метка, дистанционно наносимая на объект ударным способом (например, выстрелом), выполнена в виде гибкой полимерной композиции полупроводниковых структур (гибкий полимерный микроэлектронный сенсор), расположенных в биоразлагаемой капсуле, разрушаемой при столкновении с маркируемым объектом и формирующей на объекте двухслойное пятно из композиции полупроводниковых структур.
В вариантах выполнения системы:
- капсула снабжена расположенным внутри ее объема металлическим грузиком, фиксирующим положение ее центра тяжести, исключая вращение капсулы в момент полета и изменения ее положения при ударе о поверхность маркируемого объекта;
- основой химического состава капсулы является смесь с следующим соотношением компонентов, мас. %:
белково-полисахаридная смесь - 72;
10% раствор желатина -13;
пластификатор - 13;
1-2% раствор альгината натрия - 2;
p
n
- капсула выполнена с перегородкой, по химическому составу аналогично капсуле, разделяющей её внутренний объем на два изолированных объема, в которых размещены компоненты полимерных композитов  и  типа, образующие при смешивании полупроводниковую структуру;
p
n
- основой полимерных композитов  и  типа являются соответственно дифенилбензидин и карбазолилсодержащий полимер;
p
n
- в каждый из объемов капсулы помещена шайба из алюминиевой фольги, которые за счет адгезии приклеиваются на полимеры  и  типов при ударе капсулы о поверхность маркируемого объекта для увеличения эффективной поверхности рассеяния электромагнитного излучения;
- радиочастотная метка (маркер, гибкий полимерный микроэлектронный сенсор) выполнена с возможностью работы в диапазоне частот 450-850 МГц с шумоподобным сигналом полосой 10-30 МГц;
- капсула из направляющего ствола выбрасывается пневматическим устройством.
- опрашивающее устройство содержит антенну, вход которой через антенный переключатель соединен со смесителем, второй вход которого соединен с выходом генератора гармонического сигнала, второй выход которого подключен через последовательно включенные модулятор и усилитель мощности к второму входу антенного переключателя, генератор шумоподобного сигнала, один из выходов которого соединен со вторым входом модулятора, а другой выход через нелинейный преобразователь подключен к первому входу коррелятора, второй вход которого соединен с выходом смесителя, при этом выход коррелятора подключен к решающему устройству;
- опрашивающее устройство содержит дополнительно вторые и третьи нелинейные преобразователи и корреляторы, включенные по входу параллельно, при этом выходы дополнительных нелинейных преобразователей соединены с соответствующими входами соответствующих дополнительных корреляторов, выходы которых подключены к дополнительным входам решающего устройства.
Сущность изобретения поясняется рисунками, на которых изображено:
на фиг. 1 - упрощенная схема принципа работы системы дистанционной маркировки и идентификации объекта и обмена радиочастотной информацией для его идентификации;
на фиг. 2 - поперечное сечение капсулы с металлическим грузиком, фиксирующим положение ее центра тяжести, варианты расположения перегородки в капсуле (а - горизонтальное, б - вертикальное) и шайбы из алюминиевой фольги;
на фиг. 3 и 4 - виды маркеров на основе полупроводниковых структур: а) поперечное сечение, б) вид сверху;
на фиг. 5 - структурная химическая формула полимера с характеристиками полупроводниковой структуры: а) полимерный композит p типа, б) допанты сенсибилизаторы, в) полимерный композит n типа;
на фиг. 6 - пример устройства нанесения маркера выстрелом из пневматического устройства;
на фиг. 7 - структурная схема опрашивающего устройства системы обнаружения и идентификации радиочастотных меток;
на фиг. 8 - структурная схема системы обнаружения и идентификации трех типов радиочастотных меток.
На рисунках обозначено:
1
2
3
1
2
3
1 - опрашивающее устройство (устройство обнаружения и идентификации - радар); 2 - материальный маркируемый объект; 3 - маркер (радиочастотная метка, гибкий полимерный микроэлектронный сенсор); 4 - капсула; 5 - перегородка в капсуле; 6 - металлический грузик; 7 - шайба из алюминиевой фольги; 8 - полимерный композит p типа; 9 - полимерный композит n типа; 10 - композиция полупроводниковых структур p-n типа; 11 - контейнер для капсул; 12 - штуцер баллона со сжатым воздухом; 13 - антенна (А); 14 - антенный переключатель (АП); 15 - смеситель (СМ); 16 - генератор гармонического сигнала (ГГС); 17 - модулятор (М); 18 - усилитель мощности (УМ); 19 - генератор шумоподобного сигнала (ГШПС); 20, 20, 20 - нелинейные преобразователи (НП); 21, 21, 21 - корреляторы (К); 22 - решающее устройство и индикации (РУ).
Система включает (фиг. 1) опрашивающее устройство (устройство обнаружения и идентификации) 1, маркируемый объект 2, радиочастотную метку 3, которая наносится выстрелом на поверхность самого маркируемого объекта 2. Радиочастотная метка (фиг.2) выполнена в виде полимерной композиции полупроводниковых структур p и n типов, расположенных в биоразлагаемой капсуле 4, разрушаемой при столкновении с маркируемым объектом 2 и формирующей на объекте двухслойное пятно из композиции полупроводниковых структур.
Основой химического состава капсулы является смесь с следующим соотношением компонентов (массовых частей):
- белково-полисахаридная смесь - 72%;
- 10% раствор желатина - 13%;
- глицерин - 13%;
- 1-2% раствор альгината натрия - 2%.
p
n
Капсула 4 выполнена в виде сферы с диаметром от 14 мкм до 17.5 мм. Внутри капсулы выполнена перегородка 5 (её химический состав аналогичен химическому составу капсулы 4), разделяющая внутренний объём капсулы на два изолированных объема, в которых размещены компоненты полимерных композитов соответственно  и  типа, образующие при смешивании полупроводниковую структуру. В вариантах выполнения капсулы перегородка 5 располагается горизонтально (фиг.2а) или вертикально (фиг.2б). Внутри объема капсулы 4 помещен металлический грузик 6, фиксирующий положение ее центра тяжести, исключая вращение капсулы в момент полета и изменения ее положения при ударе о поверхность маркируемого объекта 2. Варианты взаимного положения в капсуле 4 перегородок 5 и грузиков 6 позволяют получить маркеры на основе полупроводниковых структур разных видов (фиг.2).
p
n
С целью повышения эффективной поверхности рассеяния полупроводниковых структур при облучении их электромагнитным полем в каждый из двух отсеков капсулы помещается шайба 7 из фольги (фиг.3,4 а и б), которая за счет адгезии приклеивается на полимеры типов  и  при ударе капсулы 4 о поверхность маркируемого объекта 2. Шайбы на поверхности полимеров типов p и n создают аналог симметричной дипольной антенны.
p-n
Полупроводниковая структура на заданной поверхности, обладающая нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), образуется в результате совмещения компонентов, находящихся исходно в жидкой фазе в изолированных друг от друга объемах капсулы. Для создания  полупроводниковой структуры, обеспечивающей нелинейную ВАХ, используют органические полимерные композиты, допированные, соответственно, донорными и акцепторными группами. Химические формулы композитов p и n типа и технологии их синтеза приведены на фиг. 5. Органические полимерные композиты p-типа: создание растворимых электро-(фотопроводящих) полиимидов на основе дифенилбензидина (фиг. 5а). В качестве допантов могут быть использованы низкомолекулярные сенсибилизаторы - производные перилендиимидов и диимидов других конденсированных ароматических углеводородов (например, террилена) (фиг. 5б). Органические полимерные композиты n-типа (фиг. 5в). В качестве n-транспортных композитов могут быть использованы:
- композиты карбазолилсодержащих полимеров (поли-N-винилкарбазол, поли-N-эпоксипропилкарбазол);
- полиэфиримида типа «Ультем 1000» (полимер П6) с допантом Д1 и производным перилендиимида в агрегированной форме;
- растворимые сополиэфиримиды, содержащие антраценовые звенья в основной цепи.
-3
2
Полимер обладает молекулярной структурой, обуславливающей его высокую стабильность и улучшенные зарядово-транспортные свойства. Дырочная подвижность в пленках полимера достигает 4⋅10 см/В⋅с. Высокие электрофизические характеристики обусловлены планарной структурой основной цепи (фиг. 3а) и высокой степени ее линейности, а в частности, вследствие оптимального замещения карбазольного фрагмента цепи.
3
3
2
5
2
5
Дырочно-инжектирующие слои могут быть представлены комплексом полиэтилендиокситиофена с полистиролсульфоновой кислотой или оксидами ряда металлов в высших степенях окисления: МоО, WO, VO, NbO, NiO, CuO.
Дырочно-транспортный слой может быть представлен производными ароматических полиаминов, в частности, различными полимерными формы трифениламина.
2
Электрон-транспортный слой представляет собой органический полупроводник с проводимостью n типа. Это может быть соединение на основе конденсированных азот-содержащих гетероциклов, например батокупроин или батофенантролин, производные триазина, бензотиадиазола, бензооксадиазола и другие, в т.ч. с оксидами металлов, например TiO и ZnO.
Регулировка уровня электропроводности слоев полимерных композитов p и n типов для создания полимеров с различной крутизной их ВАХ возможна путем использования допированных нанодисперсных материалов, таких как углеродные (графены, нанотрубки), так и оксиды и сульфиды металлов, диспергированные в жидкой фазе (органические растворители, спирты, вода). Это обеспечит создание нескольких типов микроэлектронных сенсоров на основе полупроводниковой структуры и идентификацию маркируемых ими объектов.
Упаковка полимерного микроэлектронного маркера в сферическую биоразлагаемую капсулу позволяет осуществлять ее дистанционное нанесение на маркируемый объект, например, с помощью выстрела из пневматического устройства, аналогичного широко распространенным видам пейнтбольного оружия с пружинным (ручным), газовым или электропневматическим приводами взвода (фиг 6).
Краткие технические характеристики устройства для стрельбы маркерами:
- диаметр, дюйм (мм): 0.55 (14); 0.69 (17.5);
- скорость вылета, м/с: 90-130;
- скорострельность, в/сек: 1-25.
1
1
Опрашивающее устройство 1 системы содержит антенну 13, вход которой через антенный переключатель 14 соединен со смесителем 15, второй вход которого соединен с выходом генератора гармонического сигнала 16, второй выход которого подключен через последовательно включенные модулятор 17 и усилитель мощности 18 ко второму входу антенного переключателя 14, генератор шумоподобного сигнала 19, один из выходов которого соединен с вторым входом модулятора 17, а другой выход через нелинейный преобразователь 20 подключен к первому входу коррелятора 21, второй вход которого соединен с выходом смесителя 15, при этом выход коррелятора 211 подключен к решающему устройству и индикации 22 (фиг. 7).
2
3
2
3
В варианте выполнения опрашивающее устройство (фиг. 8) содержит дополнительно вторые и третьи нелинейные преобразователи 20, 20 и корреляторы 21, 21, включенные по входу параллельно, при этом выходы дополнительных нелинейных преобразователей соединены с соответствующими входами соответствующих дополнительных корреляторов, выходы которых подключены к дополнительным входам решающего устройства и индикации 22. Это позволяет идентифицировать несколько типов микроэлектронных сенсоров.
Принцип работы системы дистанционной маркировки материальных объектов и их идентификации.
1
1
1
Опрашивающее устройство 1 включает антенну 13 (логопериодическую), выполненную с возможностью генерирования электромагнитного излучения, 14 -антенный переключатель, передатчик (в составе: 16 - генератор гармонического сигнала, 17 - модулятор, 18 - усилитель мощности, 19 - генератор шумоподобного сигнала) и приемник (в составе: 15 - смеситель, 20 - нелинейный преобразователь, 21 - коррелятор, 22 - решающее устройство и индикации), настроенный на удвоенную и утроенную частоты зондирующего сигнала передатчика, выполненный с возможностью обнаружения электромагнитного излучения и демодулирования обнаруженного излучения с извлечением вложенных данных из обнаруженного излучения радиочастотной метки 3, которой маркирован материальный объект 2. Излучаемый антенной 13 сигнал преобразуется на облучаемой радиочастотной метке 3 в виде гибкой полимерной композиции полупроводниковых структур и переизлучается. Переизлученные широкополосные сигналы с центральной частотой, равной второй и третьей гармонике частоты гармонического сигнала передатчика принимаются и обрабатываются приемником. Опрашивающее устройство 1 может интерпретировать данные, принятые от радиочастотной метки 3 с помощью коррелятора 21, решающего устройства и индикации 22.
В связи с тем, что опрашивающее устройство содержит и приемник и передатчик, связь между опрашивающим устройством и радиочастотной меткой достигаемой под разными углами между опрашивающим устройством и меткой.
Выбор типа зондирующего сигнала и алгоритмов его обработки обеспечит увеличение дальности обнаружения объекта за счет широкополосного резонанса, периодического перемещения рабочей точки p-n структуры по ее вольт-амперной характеристике и увеличения эффективной поверхности рассеяния радиочастотной метки, возможность идентификации нескольких типов радиочастотных меток, высокое разрешение по дальности и эффективную борьбу с многолучевым распространением за счет высокого сжатия шумоподобного сигнала.
Таким образом, в предлагаемой системе дистанционной маркировки: - применение технологии синтеза полупроводниковых полимеров на основе представленных композитов, имеющих преимущества органических полимерных материалов при создании p-n гетероструктур (управляемая растворимость в органических растворителях; возможность нанесения на подложки методом полива; гибкое управление технологией смешения, маркирование объектов с возможностью их дальнейшей переработки), обеспечивает их заданные физико-химические свойства (эластичность, диапазон рабочих температур, вязкость), возможность создания полимеров с различной крутизной их вольт-амперной характеристик и идентификацию нескольких типов гибких полимерных микроэлектронных сенсоров и маркируемых ими объектов;
- процесс заполнения капсулы и ее химическая формула обеспечивает возможность дистанционного нанесения гибких полимерных микроэлектронных сенсоров на любые твердые, в том числе, криволинейные поверхности;
- применение пневматического устройства обеспечивает высокую скорость и дальность нанесения микроэлектронных сенсоров на маркируемые объекты при невысоких финансовых затратах.