способ дистанционного обнаружения вещества

Формула изобретения

Способ дистанционного обнаружения вещества с использованием дистанционного возбуждения электромагнитной волной магнитного резонанса в веществе и с последующим измерением частоты отклика, по наличию которого делают заключение о наличии данного вещества, при этом возбуждающий электромагнитный сигнал излучают на частоте, много большей частоты магнитного резонанса подлежащего обнаружению вещества, и модулируют излучаемый возбуждающий электромагнитный сигнал по поляризации на частоте магнитного резонанса, а отклик регистрируют на частоте модуляции, осуществляют электромагнитное зондирование предполагаемого места закладки наркотического вещества плоскополяризованным сигналом и прием сигналов с правой и левой круговой поляризацией, отраженных от наркотического вещества, находящегося в укрывающей среде, при этом отраженный сигнал с правой круговой поляризацией стробируют по времени, пропорциональном глубине залегания наркотического вещества, а отраженный сигнал с левой круговой поляризацией преобразуют по частоте с использованием частоты w_г1 первого гетеродина, выделяют первое напряжение промежуточной частоты, а затем выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте w_г1 первого гетеродина, измеряют сдвиг фаз между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте w_г1 первого гетеродина, сравнивают измеренное значение сдвига фаз с эталонным значением и по результату сравнения принимают решение о наличии наркотического вещества в укрывающей среде, отличающийся тем, что отраженный сигнал с левой круговой поляризацией одновременно преобразуют по частоте с использованием частоты w_г2 второго гетеродина, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, перемножают его с первым напряжением промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R( ), сравнивают его с пороговым напряжением U_пор и в случае его превышения разрешают дальнейшую обработку принимаемых сигналов, которую начинают с перемножения первого напряжения промежуточной частоты с отраженным сигналом правой круговой поляризацией, причем частоты w_г1 и w_г2 первого и второго гетеродинов разносят на удвоенное значение промежуточной частоты

w_г2-w_г1=2w_up

и выбирают симметричными относительно частоты w_c основного канала приема

w_c-w_г1=w_г2 -w_c=w_up.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый способ относится к физическим измерениям, а именно к радиотехническим средствам, использующим магнитный резонанс для поиска и обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ в составе предъявленных для исследования веществ, а также поляризационную селекцию и фазовый анализ для поиска и обнаружения наркотиков, упакованных в неметаллическую оболочку и находящихся в укрывающих средах, например в брюшной полости человека, используемого для транспортировки наркотических средств, багаже, чемоданах, дипломатах, сумках и т.п., и может найти применение в аэропортах, таможенных терминалах, блокпостах, автопарковках, железнодорожных вокзалах и т.п.

Известны способы дистанционного обнаружения вещества (патенты РФ № № 2.128.832, 2.148.817, 2.150.105, 2.161.300, 2.165.104, 2.179.716, 2.185.614, 2.226.686, 2.244.942, 2.249.202, 2.308.734, 2.340.913; патенты США № 4.756.866, 5.986.455, 6.194.898, 6.392.408; патенты Великобритании № 2.159.626, 2.254.923, 2.289.344, 2.293.885; Гречишкин В.Д. и др. Локальный ЯКР в твердых телах. Успехи физических наук, 1993, т.163, № 10; Дикарев В.И. Безопасность, защита и спасение человека. СПб, 2007, с.446-467 и др.).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ дистанционного обнаружения вещества» (патент РФ № 2.308.734, G01R 33/20, 2006), который и выбран в качестве прототипа.

В указанном способе отраженный сигнал с левой круговой поляризацией преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с отраженным сигналом с правой круговой поляризацией, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина, измеряют сдвиг фаз между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте гетеродина, сравнивают измеренное значение сдвига фаз с эталонным значением и по результату сравнения принимают решение о наличии наркотического вещества в укрывающей среде.

В известном способе для приема отраженных сигналов с левой круговой поляризацией используется супергетеродинный приемник, в котором одно и то же значение промежуточной частоты w_up может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах w_c и w_з1, т.е.

w_c-w_г1=w_up и w _г1-w_з1=w_up.

Следовательно, если частоту настройки w_c принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота w_з1 которого отличается от частоты w_c на 2w_up и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина w_г1 (фиг.2). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К_пр, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость супергетеродинного приемника.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнений условия

,

где w_ki - частота i-го комбинационного канала приема;

m, n, i - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третьей и т.д.), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты

w_к1=2w_г1-w_up и w _к2=2w_г1+w_up.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости приема сигналов и достоверности обнаружения вещества.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости приема сигналов и достоверности обнаружения вещества путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам.

Поставленная задача решается тем, что согласно способа дистанционного обнаружения вещества с использованием дистанционного возбуждения электромагнитной волной магнитного резонанса в веществе и с последующим измерением частоты отклика, по наличию которого делают заключение о наличии данного вещества, при этом возбуждающий электромагнитный сигнал излучают на частоте, много большей частоты магнитного резонанса подлежащего обнаружению вещества, и модулируют излучаемый возбуждающий электромагнитный сигнал по поляризации на частоте магнитного резонанса, а отклик регистрируют на частоте модуляции, осуществляют электромагнитное зондирование предполагаемого места закладки наркотического вещества плоскополяризованным сигналом и прием сигналов с правой и левой круговой поляризацией, отраженных от наркотического вещества, находящегося в укрывающей среде, при этом отраженный сигнал с правой круговой поляризацией стробируют по времени, пропорциональном глубине залегания наркотического вещества, а отраженный сигнал с левой круговой поляризацией преобразуют по частоте с использованием частоты w_г1 первого гетеродина, выделяют первое напряжение промежуточной частоты, а затем выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте w_г1 первого гетеродина, измеряют сдвиг фаз между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте w_г1 первого гетеродина, сравнивают измеренное значение сдвига фаз с эталонным значением и по результату сравнения принимают решение о наличии наркотического вещества в укрывающей среде, отличается от ближайшего аналога тем, что отраженный сигнал с левой круговой поляризацией одновременно преобразуют по частоте с использованием частоты w_г2 второго гетеродина, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, перемножают его с первым напряжением промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R( ), сравнивают его с пороговым напряжением U_пop и в случае его превышения разрешают дальнейшую обработку принимаемых сигналов, которую начинают с перемножения первого напряжения промежуточной частоты с отраженным сигналом правой круговой поляризацией, причем частоты w_г1 и w_г2 первого и второго гетеродинов разносят на удвоенное значение промежуточной частоты

w_г2-w_г1=2w_up

и выбирают симметричными относительно частоты w _c основного канала приема

w_c-w _г1=w_г2-w_c=w_up.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов, показана на фиг.2.

Устройство содержит последовательно включенные генератор 3 импульсов, управляющий вход которого соединен с первым выходом синхронизатора 4, передатчик 2, управляющий вход которого соединен с вторым выходом синхронизатора 4, и передающую антенну 1, последовательно включенные первую приемную антенну 5, первый приемник 6, управляющий вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора 4, накопитель 7, управляющий вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора 4, и блок регистрации 22, последовательно включенные вторую приемную антенну 13, второй приемник 14, управляющий вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора 4, первый смеситель 15, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 16, первый усилитель 17 промежуточной частоты, второй ключ 28, перемножитель 18, узкополосный фильтр 19, фазовый детектор 20, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 16, и блок 21 сравнения, выход которого соединен с вторым входом блока 22 регистрации, последовательно подключенные к четвертому выходу синхронизатора 4 блок 11 временной задержки и первый ключ 12, второй вход которого соединен с выходом второго приемника 6, а выход подключен к второму входу перемножителя 18, последовательно подключенные к выходу второго приемника 14 второй смеситель 23, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 24, второй усилитель 25 промежуточной частоты, коррелятор 26, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 17 промежуточной частоты, и пороговый блок 27, выход которого соединен с вторым входом второго ключа 28.

Передающая антенна 1, приемные антенны 5 и 13 образуют антенный блок 10. Кроме того, устройство содержит исследуемое вещество 8 и наркотическое вещество 9, помещенное в укрывающую среду. Передатчик 2, приемники 6 и 14 снабжены поляризаторами.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, может работать в двух режимах.

Первый режим основан на дистанционном возбуждении электромагнитной волной магнитного резонанса в исследуемом веществе с последующим измерением частоты отклика.

Второй режим основан на электромагнитном радиолокационном зондировании плоскополяризованной волной предполагаемого места закладки наркотического вещества, упакованного в неметаллическую оболочку и размещенного в укрывающей среде, с последующим измерением сдвига фаз между двумя отраженными составляющими, которые в общем случае имеют эллиптическую поляризацию с противоположными направлениями вращения вектора электромагнитного поля.

В первом режиме импульсы с частотой заполнения w₁ и (w ₁-w), формируемые в генераторе 3 импульсов, поступают на передатчик 2 и излучаются передающей антенной 1 в направлении исследуемого вещества 8. Последнее может располагаться, например, на теле человека под его одеждой. Передающая 1 и приемные 5, 13 антенны выполнены, например, в виде рупорных антенн, которые снабжены поляризаторами. Сигнал на передающую антенну 1 поступает с круглого волновода, на который в свою очередь с передатчика 2 подаются две ортогональные (по поляризации) составляющие, одна на частоте w₁, а другая - на частоте (w₁ -w), в результате чего излучаемая антенной 1 волна будет модулирована по поляризации с частотой магнитного резонанса w.

Исследуемое вещество 8, облученное электромагнитной волной, содержащей составляющую на частоте магнитного резонанса w, возбуждается и по окончании импульса облучения излучает сигнал отклика на этой же частоте. Сигнал отклика принимается приемной антенной 5, содержащей четыре ферритовых стержня диаметром 8 мм и длиной 138 мм, при этом на стержни намотаны катушки индуктивности, содержащие по 20 витков и соединенные параллельно. Работой устройства управляет синхронизатор 4.

Сигнал с приемной антенны 5 поступает на приемник 6, на который поступает также опорное напряжение с выхода синхронизатора 4, запирающее приемник 6 на время излучения импульсов. С выхода приемника 6 сигнал поступает на накопитель 7, где сигналы постепенно накапливаются, что позволяет увеличить дальность от приемной антенны 5 до исследуемого вещества 8 в 2-3 раза. На накопитель 7 поступает также опорное напряжение, обеспечивающее синхронизацию накапливаемых импульсов.

В случае модуляции по поляризации излучаемого сигнала с частотой w, равной частоте магнитного резонанса исследуемого вещества 8, при частоте излучаемого сигнала w₁>w, вектор напряженности Н магнитного поля излучаемого электромагнитного сигнала содержит составляющую

.

Исследуемое вещество 8 будет активно взаимодействовать с магнитным полем на частоте w (Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. Основы квантовой электроники. СПб-ГТУ, 2001). Поскольку частота w₁ может быть выбрана достаточно высокой w₁>w, то в этом случае реализации передающая антенна 1 может быть осуществлена, например, с помощью техники антенн сверхвысоких частот (СВЧ), на которую модулированный по поляризации сигнал поступает из круглого волновода, на который, в свою очередь, поступают две линейно-поляризованные ортогональные волны и , частоты которых равны соответственно w₁ и (w₁-w).

Переход на частоту возбуждающего излучения в диапазоне СВЧ позволяет обеспечить «дальнюю зону» для излучаемого электромагнитного сигнала уже при дальности в несколько десятков сантиметров. В результате на расстояниях порядка нескольких метров от излучателя обеспечивается уровень электромагнитного излучения, достаточный для возбуждения резонанса в веществе.

Во втором режиме генератор 3 импульсов формирует зондирующий сигнал

u₁(t)=U ₁·Cos(w₁t+ ₁), 0 t T₁,

где U₁, w ₁, ₁, T₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала (импульса),

который поступает на вход передатчика 2, где он приобретает плоскую поляризацию. Указанный сигнал через передающую антенну 1 излучается в направлении поверхности укрывающей среды, под которой может находиться наркотическое вещество 9.

Обнаружение наркотических веществ в укрывающих средах осуществляется оператором путем перемещения антенного блока 10 над предполагаемым местом закладки наркотического вещества 9. При этом в укрывающей среде создается электромагнитное поле путем его электромагнитного зондирования. При достижении зондирующим сигналом наркотического вещества происходит его частичное отражение в сторону поверхности укрывающей среды.

Когда плоскополяризованная электромагнитная волна отражается от наркотического вещества 9, на которое воздействует внешнее магнитное поле Земли, то она разделяется на две независимые составляющие, которые в общем случае имеют эллиптическую поляризацию с противоположными направлениями вращения вектора электромагнитного поля. На частотах дециметрового диапазона обе составляющие имеют круговую поляризацию. Наркотическое вещество 9 имеет отличные от укрывающей среды электрические параметры (проводимость и диэлектрическую проницаемость).

Обе волны отражаются и распространяются с различными скоростями, вследствие чего фазовые соотношения между этими волнами изменяются. Это явление обычно называют эффектом Фарадея, из-за которого отраженный сигнал испытывает вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации, который определяется разной скоростью распространения и отражения сигналов с правой и левой круговой поляризацией от наркотического вещества, находится из соотношения

,

_п, _л - фазовые запаздывания отраженных сигналов с правой (вращение плоскости поляризации по часовой стрелке) и левой (вращение плоскости поляризации против часовой стрелки) круговой поляризации соответственно.

Отраженный сигнал улавливается приемными антеннами 5 и 13. При этом приемная антенна 5 восприимчива только к отраженному сигналу с правой круговой поляризацией, а приемная антенна 13 - только к отраженному сигналу с левой круговой поляризацией.

На выходе приемников 6 и 14 образуются следующие сигналы:

u_п(t)=U_п·Cos[(w₁± w)t+ _п],

u_л(t)=U_л ·Cos[(w₁± w)t+ _л], 0 t T₁,

где индексы «п» и «л» относятся соответственно к сигналам с правой и левой круговой поляризацией;

± w - нестабильность несущей частоты, обусловленная некогерентным отражением и другими дестабилизирующими факторами.

Сигнал u_п(t) с выхода приемника 6 через ключ 12 поступает на первый вход перемножителя 18. Чтобы измеряемая разность фаз соответствовала глубине h залегания наркотического вещества 9, перемножитель 18 стробируется по времени с помощью ключа 12, на управляющий вход которого поступают стробирующие импульсы, формируемые блоком 11 временной задержки. Последний управляется синхронизатором 4. Временная задержка импульсов определяется глубиной h залегания наркотического вещества 9 в укрывающей среде. При изменении глубины меняется и время задержки.

Отраженный сигнал u_л(t) с выхода приемника 14 поступает на первые входы первого 15 и второго 23 смесителей, на вторые входы которых подаются напряжения первого 16 и второго 24 гетеродинов соответственно

u_г1(t)=U_г1 ·Cos(w_г1t+ _г1),

u_г2(t)=U _г2·Cos(w_г2t+ _г2).

Причем частоты w_г1 и w_г2 первого 16 и второго 24 гетеродинов разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты

w _г2-w_г1=2w_up

и выбраны симметричными относительно частоты w_c основного канала приема (фиг.2)

w_c-w_г1=w _г2-w_c=w_up.

Это обстоятельство приводит к удвоению количества дополнительных каналов приема, но создает благоприятные условия для их подавления за счет корреляционной обработки принимаемых сигналов, на выходе смесителей 15 и 23 образуются напряжения комбинационных частот.

Усилителями 17 и 25 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты

,

, 0 t T₁,

где ; ;

w_up=w_c-w_г1 =w_г2-w_c - промежуточная (разностная) частота;

_up1= _л- _г1; _up2= _{г2- л},

которые поступают на два входа коррелятора 26. Последний представляет собой последовательно соединенные перемножитель и фильтр нижних частот. На выходе коррелятора 26 образуется низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R( ), которое сравнивается с пороговым напряжением U_пop в пороговом блоке 27. Пороговый уровень U_пop превышается только при максимальном значении корреляционной функции R( ). Так как канальные напряжения u_up1(t) и u _up2(t) образуются одним и тем же отраженным сигналом, принимаемым по двум каналам на одной и той же частоте w_c основного канала (фиг.2), то между указанными канальными напряжениями существует сильная корреляционная связь. Корреляционная функция достигает максимального значения и превышает пороговый уровень U_пop в пороговом блоке 27. При превышении порогового уровня U _пop в пороговом блоке 27 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 28, открывая его. В исходном состоянии ключ 28 всегда закрыт. При этом напряжение u_up1(t) с выхода первого усилителя 17 промежуточной частоты через открытый ключ 28 поступает на второй вход перемножителя 18. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение

, 0 t T₁,

где

K₂ - коэффициент передачи перемножителя;

= _п- _л - разность фаз между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией,

которое выделяется узкополосным фильтром 19 и поступает на первый вход фазового детектора 20, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина u_г1(t). На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение

u_н( )=U_н·Cos ,

где ;

K₃ - коэффициент передачи фазового детектора, пропорциональное измеряемому сдвигу фаз .

Это напряжение сравнивается в блоке 21 сравнения с эталонным напряжением.

u_э ( _э)=U_э·Cos _э,

где _э - неизменяемый фазовый сдвиг, получаемый при зондировании укрывающей среды при отсутствии наркотического вещества 9.

Сдвиг фаз определяется частотой зондирующего сигнала и электрическими параметрами укрывающей среды. Этот сдвиг фаз остается неизменным при зондировании укрывающейся среды в отсутствие наркотических средств.

Если u_н( ) u_э( _э), то в блоке 21 сравнения не формируется постоянное напряжение.

При u_н( )>u_э( _э) в блоке 21 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на второй вход блока 22 регистрации. Причем факт регистрации этого напряжения свидетельствует о наличии наркотического вещества в данной укрывающей среде.

Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема полезных сигналов по основному каналу на частоте w_c (фиг.2).

Если ложный сигнал (помеха) поступает по первому зеркальному каналу на частоте w_з1

, 0 t T_з1,

то на выходе смесителей 15 и 23 образуются следующие напряжения:

,

, 0 t T_з1,

где ;

;

w_up=w_г1-w_з1 - промежуточная частота;

3w_up=w _г2-w_з1 - утроенное значение промежуточной частоты;

_up3= _г1- _з1; _up4= _г2- _з1.

Однако только напряжение u_up3(t) выделяется первым усилителем 17 промежуточной частоты. На выходе коррелятора 26 в этом случае напряжение отсутствует, ключ 28 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте w_з1, подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) поступает по второму зеркальному каналу на частоте w_з2

, 0 t T_з2,

то на выходе смесителей 15 и 23 образуются следующие напряжения:

,

, 0 t T_з2,

где ; ;

3w_up=w_з2-w_г1 - утроенное значение промежуточной частоты;

w _up=w_з2-w_г2 - промежуточная частота;

_up5= _{з2- г1}; _up6= _{з2- г2}.

Однако только напряжение u_up6(t) выделяется вторым усилителем 25 промежуточной частоты. На выходе коррелятора 26 в этом случае напряжение также отсутствует, ключ 28 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте w_з2 , подавляется.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому комбинационному каналу на частоте w_k1, по второму комбинационному каналу на частоте w_k2 и по любому другому дополнительному каналу.

Если ложные сигналы (помехи) принимаются одновременно по первому w_з1 и второму w_з2 зеркальным каналам, то усилителями 17 и 25 промежуточной частоты выделяются напряжения u_up3(t) и u_up6(t) соответственно, на выходе коррелятора 26 появляется низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции. Но ключ 28 в этом случае не открывается. Это объясняется тем, что разные ложные сигналы (помехи) u_з1(t) и u_з2(t) принимаются на разных частотах w_з1 и w_з2 . Поэтому между канальными напряжениями u_up3(t) и u_up6(t) существует слабая корреляционная связь. Выходное напряжение коррелятора 26 в этом случае не достигает максимального значения и не превышает порогового уровня U_пop в пороговом блоке 27, ключ 28 не открывается и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по первому w_з1 и второму w_з2 зеркальным каналам, подавляются.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по двум другим дополнительным каналам.

Предлагаемый способ обеспечивает поиск и обнаружение наркотических веществ, упакованных в неметаллическую оболочку и находящихся в укрывающих средах, например в брюшной полости человека, используемого для транспортировки наркотических средств, багаже, чемоданах, дипломатах, сумках и т.п.

При этом предлагаемый способ позволяет повысить достоверность поиска и обнаружения и разрешающую способность по глубине при определении местоположения наркотических веществ, находящихся в укрывающих средах. Это достигается за счет использования поляризационной селекции и устранения неоднозначности фазовых измерений, что обеспечивается тем, что фазовые измерения осуществляются между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией, а не между зондирующим и отраженным сигналами. При этом фазовый сдвиг между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией измеряется на стабильной частоте w_г1 первого гетеродина. Поэтому процесс измерения фазового сдвига инвариантен к нестабильности несущей частоты отраженного сигнала, возникающей при некогерентном отражении сигнала от наркотического вещества и других дестабилизирующих факторах, что позволяет повысить точность измерения фазового сдвига и, следовательно, точность определения местоположения наркотических веществ.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости приема сигналов и достоверности обнаружения вещества. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным каналам и комбинационным каналам, за счет корреляционной обработки принимаемых сигналов.