СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

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 №№2128832, 2148817, 2150105, 2161300, 2165104, 2179716, 2185614, 2226686, 2244942, 2249202, 3308734, 2340913; патенты США №№4756866, 5986455, 6194898, 6392408; патенты Великобритании №№2159626, 2254923, 2289344, 2293885; Гречишкин В.Д. и др. Локальный ЯКР в твердых телах. Успехи физических наук, 1993, т.163, №10; Дикарев В.И., Заренков В.А., Заренков Д.В. Обнаружение взрывоопасных объектов, оружия, наркотиков, опасных газов и радиоактивных загрязнений. СПб, 2004 и др.).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ дистанционного обнаружения вещества» (патент РФ №2308734, G01R33/20, 2006), который и выбран в качестве прототипа.

В известном способе для приема отраженных сигналов с левой круговой поляризацией используется супергетеродинный приемник, в котором одно и то же значение промежуточной частоты ω_пр может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω₁ и ω₃, т.е.

ω_пр=ω₁-ω_г и ω_пр=ω_г-ω_з.

Следовательно, если частоту настройки ω₁ принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ω_з которого отличается от частоты ω₁ на 2 ω_пр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина ω_г (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 выполнении условия:

ω_пр=|±mω_кi±nω_г|,

где ω_кi - 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

ω_к1=2ω_г-ω_пр и ω_к2=2ω_г+ω_пр.

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 зеркальному и комбинационным каналам.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу 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, пропорциональному глубине залегания наркотического вещества, а отраженный сигнал с левой круговой поляризацией преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г гетеродина и выделяют первое напряжение промежуточной частоты, а затем выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте ω_г гетеродина, измеряют сдвиг фаз между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте ω_г 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 ω_г гетеродина, напряжение которого сдвигают по фазе на 90°, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на 90°, суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, перемножают суммарное напряжение промежуточной частоты с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое колебание на частоте ω_г гетеродина, детектируют его и используют для разрешения перемножения суммарного напряжения промежуточной частоты с отраженным с сигналом правой круговой поляризацией.

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 первым выходом гетеродина 16, первый усилитель 17 промежуточной частоты, сумматор 27, второй перемножитель 28, второй вход которого соединен с выходом второго приемника 14, второй узкополосный фильтр 29, амплитудный детектор 30, второй ключ 31, второй вход которого соединен с выходом сумматора 27, первый перемножитель 18, первый узкополосный фильтр 19, фазовый детектор 20, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 16, и блок 21 сравнения, выход которого соединен с вторым входом блока 22 регистрации. К четвертому выходу синхронизатора 4 последовательно подключены блок 11 временной задержки и первый ключ 12, второй вход которого соединен с выходом первого приемника 6, а выход подключен к второму входу перемножителя 18. К второму выходу гетеродина 16 последовательно подключены первый фазовращатель 23 на 90°, второй смеситель 24, второй вход которого соединен с выходом второго приемника 14, второй усилитель 25 промежуточной частоты и второй фазовращатель 26 на 90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора 27.

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 ω₁ и (ω₁-ω), 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 ω₁ а другая - на частоте (ω₁-ω), в результате чего излучаемая антенной 1 волна будет модулирована по поляризации с частотой магнитного резонанса ω.

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 ω, равной частоте магнитного резонанса исследуемого вещества 8, при частоте излучаемого сигнала ω₁>>ω, вектор напряженности магнитного поля излучаемого электромагнитного сигнала содержит составляющую:

.

Исследуемое вещество 8 будет активно взаимодействовать с магнитным полем на частоте ω (Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. Основы квантовой электроники. СПб-ГТУ, 2001). Поскольку частота ω₁ может быть выбрана достаточно высокой ω₁>>ω, 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 ω₁ и (ω₁-ω).

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)=U₁·Cos(ω₁t+φ₁), 0≤t≤Т₁,

где U₁, ω₁, φ₁, 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:

,

φ_п, φ_л - фазовые запаздывания отраженных сигналов с правой (вращение плоскости поляризации по часовой стрелке) и левой (вращение плоскости поляризацией 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[(ω₁±Δω)t+φ_п],

u_л(t)=U_л·Cos[(ω₁±Δω)t+φ_л], 0≤t≤Т₁,

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

±Δω - 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 смесителей 15 и 24, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 16:

u_г1(t)=U_г·Cos(ω_гt+φ_г),

u_г2(t)=U_г·Cos(ω_гt+φ_г+90°).

На выходе смесителей 15 и 25 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:

u_пр1(t)=U_пр·Cos[(ω_пр±Δω)t+φ_пр],

u_пр2(t)=U_пр·Cos[(ω_пр±Δω)t+φ_пр-90°], 0≤t≤Т₁

где ;

φ_пр=ω₁-ω_г - промежуточная частота;

φ_пр=φ_л-φ_г.

Напряжение u_пр2(t) с выхода усилителя 25 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 26 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

u_пр2(t)=U_пр·Cos[(ω_пр±Δω)t+φ_пр-90°+90°]=U_пр·Cos[(ω_пр±Δω)t+φ_пр].

Напряжение u_пр1(t) и u_пр3(t) поступает на два входа сумматора 27 соответственно, на выходе которого формируется суммарное напряжение

u_Σ(t)=U_Σ·Cos[(ω_пр±Δω)t+φ_пр], 0≤t≤T₁,

которое поступает на второй вход перемножителя 28, на первый вход которого подается принимаемый сигнал

u_л(t)=U_л·Cos[(ω_пр±Δω)t+φ_л], 0≤t≤Т₁.

На выходе перемножителя 28 образуется напряжение

u₂(t)=U₂·Cos(ω_гt+φ_г), 0≤t≤Т₁,

где которое выделяется узкополосным фильтром 29, частота настройки ω_н которого выбирается равной частоте ω_г гетеродина (ω_н=ω_г), детектируется амплитудным детектором 30 и поступает на управляющий вход ключа 31, открывая его. В исходном состоянии ключ 31 всегда закрыт.

При этом напряжение u_Σ(t) с выхода сумматора 27 через открытый ключ 31 поступает на второй вход перемножителя 18. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение

u₃(t)=U₃·Cos(ω_гt+φ_г+Δφ), 0≤t≤Т₁,

где ;

Δφ=φ_п-φ_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 гетеродина u_г(t). На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение:

u_н(Δφ)=U_н·CosΔφ,

где ;

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора,

пропорциональное измеряемому сдвигу фаз Δφ. Это напряжение сравнивается в блоке 21 сравнения с эталонным напряжением.

u_э(Δφ_э)=U_э·СоsΔφ_э,

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

Сдвиг фаз Δφ_э 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(Δφ)≈u_э(Δφ_э), то в блоке 21 сравнения не формируется постоянное напряжение.

При u_н(Δφ)>u_э(Δφ_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 ω₁ (фиг.2).

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

u_з(t)=U_з·Cos(ω_зt+φ_з), 0≤t≤Т₃,

то усилителями 15 и 25 выделяются следующие напряжения:

U_пр4(t)=U_пр4·Cos(ω_прt+φ_пр4),

u_пр5(t)=U_пр4·Cos(ω_прt+φ_пр4+90°), 0≤t≤Т_з,

где ;

ω_пр=ω_г-ω_з - промежуточная частота;

φ_пр4=φ_г-φ_з.

Напряжение u_пр5(t) с выхода усилителя 25 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 26 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

u_пр6(t)=U_пр4·Cos(ω_прt+φ_пр4+90°+90°)=-U_пр4·Cos(ω_прt+φ_пр4).

Напряжения u_пр4(t) и u_пр6(t), поступающие на два входа сумматора 27, на его выходе компенсируются. Ключ 31 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте ω_з, подавляется.

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω_к1.

Если ложный сигнал (помеха) поступает по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2

u_к2(t)=U_к2·Cos(ω_к2t+φ_к2), 0≤t≤Т_к2,

то усилителями 15 и 25 выделяются следующие напряжения:

u_пр7(t)=U_пр7·Cos(ω_прt+φ_пр7),

u_пр8(t)=U_пр7·Cos(ω_прt+φ_пр7-90°), 0≤t≤Т_к2,

где

ω_пр=ω_к2-2ω_г - промежуточная частота;

φ_пр7=φ_к2-φ_г.

Напряжение u_пр8(t) с выхода усилителя 25 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 26 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

u_пр9(t)=U_пр7·Cos(ω_прt+φ_пр7-90°+90°)=U_пр7·Cos(ω_прt+φ_пр7).

Напряжения u_пр7(t) и u_пр9(t) поступают на два входа сумматора 27, на выходе которого образуется суммарное напряжение

u_Σ1(t)=U_Σ1·Cos(ω_прt+φ_пр7), 0≤t≤Т_к2,

где U_Σ1=2U_пр7,

которое поступает на второй вход перемножителя 28, на первый вход которого подается принимаемый сигнал u_к2(t). На выходе перемножителя 28 образуется напряжение

u₄(t)=U₄·Cos(2ω_гt+φ_г), 0≤t≤Т_к2,

где ,

которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 29. Ключ 31 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2, подавляется.

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 ω_г гетеродина. Поэтому процесс измерения фазового сдвига Δφ 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 Δφ 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 наркотического вещества. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам. Причем для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и первому комбинационному каналу на частотах ω_з и ω_к1, используется «внешнее кольцо», состоящее из смесителей 15 и 24, гетеродина 16, усилителей 17 и 25 промежуточной частоты, фазовращателей 23 и 26, сумматора 27, и реализующее фазокомпенсационный метод. Для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2, используется «внутреннее кольцо», состоящее из перемножителя 28, узкополосного фильтра 29, амплитудного детектора 30, ключа 31, и реализующее метод узкополосной фильтрации.