Мобильное устройство обнаружения скрытых металлических объектов

Изобретение относится к области обнаружения скрытых металлических объектов. Изобретение включает приемное устройство и устройство обработки сигнала, размещенные на теле оператора, и передающее устройство, приемное устройство содержит две приемные катушки, устройство обработки сигнала содержит первый и второй предварительные усилители, входы которых являются входами устройства обработки сигнала, и сумматор, передающее устройство содержит передающую катушку и генератор. Отличительной особенностью является введение фазовращателя и амплитудного регулятора в устройство обработки сигнала, двух повторителей - в приемное устройство. Техническим результатом изобретения является высокое соотношение сигнал/шум и высокая достоверность обнаружения скрытых металлических предметов, 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области обнаружения скрытых металлических объектов и может быть использовано в системах деликатного досмотра в местах большого скопления людей для обнаружения огнестрельного оружия, спрятанного в одежде или обуви досматриваемого человека.

Уровень техники

Известно устройство для обнаружения в одежде человека скрытых металлических предметов (преимущественно оружия), содержащее генератор, к выходу которого подключена катушка возбуждения, и приемную катушку, сигнал с которой поступает на устройство обработки сигнала (Патент США, Ручной металлодетектор, "Hand-held detector", №D459249, оп. 25.06.2002 г.). Данное устройство имеет малые размеры и высокую чувствительность в зоне обнаружения.

Основным недостатком подобного устройства является малая зона обнаружения, поскольку для прибора, конструктивно выполненного с катушкой возбуждения, расположенной на одной оси и в одной плоскости с приемными катушками, чувствительность убывает с расстоянием до обследуемого объекта крайне быстро (пропорционально шестой степени).

Используя подобное устройство невозможно в местах большого скопления людей произвести деликатный досмотр (досмотр, незаметный как для окружающих, так и для досматриваемого). Выпускаемые в настоящее время подобные ручные металлодетекторы имеют зону обнаружения до 20 см. Для полного досмотра человека с достоверным определением наличия оружия оператор должен многократно провести данным прибором по телу человека, обследуя его с головы до ног. В силу малых размеров устройства его можно скрытно разместить на теле оператора, например в рукаве пиджака, или в перчатке, как это сделано в международной заявке № WO 01/51948, "Human appendage mounted metal detector". Однако все манипуляции руками не останутся незамеченными. Это, с одной стороны, психологически травмирует законопослушного гражданина, а с другой стороны, может спровоцировать преступника. В некоторых случаях использование таких приборов запрещено этикетом деловых встреч.

Известно устройство, предназначенное для обнаружения металлических объектов, основанное на измерении квадратурной и синфазной составляющих магнитного поля этих объектов, помещенных в переменное магнитное поле.

Такое устройство содержит катушку возбуждения, подключенную к выходу генератора и две приемные катушки, подключенные к схеме обработки сигнала. Катушка возбуждения и приемные катушки закреплены относительно друг друга жестко. Катушка возбуждения создает магнитное поле возбуждения, конфигурация которого, его однородность и величина определяются формой катушки возбуждения. Зона обнаружения определяется конструкцией устройства, в частности взаимным расположением катушки возбуждения и приемных катушек. Расстояние между катушкой возбуждения и приемными катушками называется базой (в данном случае жесткая база). Разнесение в пространстве катушки возбуждения и приемных катушек позволяет создать зону обнаружения, соизмеримую с размерами человека, и тем самым произвести полный и достоверный досмотр человека за одно сканирование.

Скрытый электропроводящий объект, попадая в зону обнаружения, искажает созданное в ней магнитное поле. Эти изменения фиксируются приемными катушками как сигналы изменения ЭДС, преобразуемые синхронным детектором на квадратурную и синфазную составляющие, далее амплитуды полученных сигналов сравниваются с заданными значениями напряжений и схема сравнения дает заключение об объекте, находящемся в зоне обнаружения.

Система компенсации в подобном устройстве предназначена для того, чтобы в отсутствии электропроводящего объекта в зоне обнаружения производилась компенсация сигналов помех от стационарных предметов, находящихся вблизи устройства. Приемные катушки подключены градиентометрически для компенсации сигналов, наводимых внешним магнитным полем.

Недостатком данного устройства является то, что оно может быть ограниченно использовано для интеллигентного досмотра в мобильных устройствах, размещенных на теле оператора. Это обусловлено наличием жесткой базы, поскольку для создания зоны обнаружения, соизмеримой с размерами человека, необходимо обеспечить базу не менее 1,5 м. Разместить скрытно устройство таких размеров на теле оператора достаточно сложно. Будучи же размещенным на теле оператора, оно заблокирует его естественные движения, что привлечет внимание окружающих. В стационарном состоянии (когда оператор стоит) данное устройство можно скрытно разместить на теле оператора, но в этом случае теряются все преимущества мобильности - способности производить скрытый интеллигентный досмотр любого человека, находящегося в любом месте.

Для того чтобы не сковывать движение оператора и не привлекать внимание окружающих, необходимо, чтобы катушки были закреплены нежестко относительно друг друга (нежесткая база). Но в этом случае при совершении оператором наклонов тела, поворотов и т.п. изменяется ориентация приемных катушек относительно катушки возбуждения в неоднородном магнитном поле. Фаза результирующего сигнала будет зависеть от взаимной ориентации катушки возбуждения и приемных катушек, поэтому квадратурная составляющая будет меняться по величине, превышая полезный сигнал. Возникает ложный сигнал и, следовательно, достоверность обнаружения скрытого предмета будет низкой.

Наиболее близким к заявляемому (прототип) является устройство по способу для селективного обнаружения электропроводящих объектов с нежесткой фиксацией приемных и передающей катушек относительно друг друга, предназначенное для аэроэлектромагнитной разведки залежей электропроводящих руд. [Патент США, Метод электромагнитных изысканий путем измерения относительного градиента результирующего электромагнитного поля, "Method of electromagnetic prospecting by measuring relative gradient of a resultant electromagnetic field", №3636435, оп. 18.01.1972 г.].

Устройство содержит стационарную систему и мобильную систему. Стационарная система содержит передающее устройство, которое представляет собой передающую катушку, выполненную в виде петли диаметром несколько километров, расположенной на обследуемой территории, и радиопередатчик. К выводам передающей катушки подключен генератор. Мобильная система содержит приемное устройство, состоящее из пары приемных катушек, а также блок обработки сигнала и радиоприемник. При этом выход каждой из приемных катушек, приемного устройства, соединен с блоком обработки сигнала через соответствующий усилитель. Мобильная система смонтирована на общей основе и установлена на борту средства передвижения (автомобиль, самолет и т.п.).

В основе работы устройства лежит измерение градиента магнитного поля и определение сдвига по фазе полученного сигнала по отношению к переменному току в передающей катушке. Информацию о наличии металлического предмета, находящемся в зоне обнаружения данного устройства, получают путем анализа величины сдвига фазы градиента поля возбуждения относительно фазы тока, протекающего в передающей катушке, при этом производят коррекцию на взаимную ориентацию и взаимное расположение передающей и приемных катушек. Достигаемый уровень селективности устройства достаточен только для обнаружения крупных металлических объектов, таких как месторождение железных руд.

Недостатком данного устройства является его низкая селективность, связанная с зависимостью фазы измеряемого градиента от ориентации приемных катушек. Амплитуды сигналов, наводимых передающей катушкой в каждой из приемных катушек могут также существенно отличаться друг от друга, так как поле возбуждения является существенно неоднородным. Кроме того, возникают дополнительная погрешность амплитуды, поскольку сигналы с приемных катушек усиливаются усилителями с разными входными сопротивлениями, и погрешность фазы Δϕ, так как приемные катушки технологически невозможно изготовить одинаковыми. Таким образом, складываются сигналы с разными фазами и изменяющимися амплитудами. В этом случае фаза результирующего сигнала будет искажаться, что создаст ложный сигнал.

Дополнительным недостатком устройства является его сложность, обусловленная необходимостью обработки большого объема информации, так как для повышения селективности используется радиопередатчик и радиоприемник - навигационная аппаратура, следящая за взаимной ориентацией приемной и передающими катушками, а также за местонахождением приемных катушек относительно передающей катушки.

При использовании данного устройства для интеллигентного досмотра в качестве мобильного устройства для обнаружения скрытых металлических предметов передающая система (передающая катушка и генератор) монтируется под полом помещения, а приемная система скрытно размещается на теле оператора.

Недостатком подобного устройства является низкая мобильность как способность оперативно подготовить прибор к работе в конкретном помещении. Это обусловлено большим объемом подготовительных работ, когда необходимо скрытно разместить передающую катушку и генератор под полом рабочего помещения, а для устранения влияния стационарных металлических предметов, расположенных в рабочем помещении или в помещениях на других этажах, необходимо произвести топологию магнитного поля.

Дополнительным недостатком устройства является его сложность.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача создания мобильного, скрытно располагаемого на теле оператора устройства для интеллигентного досмотра лиц в местах большого скопления народа с целью обнаружения скрытых запрещенных металлических предметов, преимущественно огнестрельного оружия. Это достигается путем устранения влияния ложного сигнала, возникающего за счет изменения взаимной ориентации передающей и приемных катушек.

Поставленная задача решается тем, что в мобильном устройстве для обнаружения скрытых металлических объектов, включающем приемное устройство и устройство обработки сигнала, размещенные на теле оператора, и передающее устройство, приемное устройство содержит две приемные катушки, устройство обработки сигнала содержит первый и второй предварительные усилители, входы которых являются входами устройства обработки сигнала, и сумматор, передающее устройство содержит передающую катушку и генератор, дополнительно передающее устройство также размещено на теле оператора, а первый выход генератора подключен к выводам передающей катушки через усилитель, приемное устройство дополнительно содержит первый и второй повторители, выходы которых являются выходами приемного устройства, при этом вход первого повторителя подключен к выводам первой приемной катушки, а вход второго повторителя - к выводам второй приемной катушки, выход первого повторителя соединен с входом первого предварительного усилителя, выход которого через первый фазовращатель подключен к первому входу сумматора, выход второго повторителя соединен с входом второго предварительного усилителя, выход которого через амплитудный регулятор подключен к второму входу сумматора, выход которого через первый усилитель подключен к первому входу фазового детектора, второй выход генератора через второй фазовращатель подключен к второму входу фазового детектора, выход которого подключен к входу схемы обработки сигнала.

Подключение каждой из приемных катушек к соответствующему повторителю с большим входным сопротивлением позволило уменьшить токи, протекающие в этих катушках. Подсоединение фазовращателя к выходу одного из повторителей с большим входным сопротивлением позволяет подстроить фазу сигнала, снимаемого с этого повторителя, синфазно с сигналом, снимаемым со второго повторителя, и на сумматоре в результате градиентометрического подключения приемных катушек, вычитаются сигналы, создаваемые внешними однородными полями, являющиеся помехой. Все это повышает избирательность устройства и позволяет с его помощью достоверно обнаруживать скрытый металлический объект.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена электрическая схема заявляемого устройства; на фиг.2 - возможное размещение устройства на теле человека.

Осуществление изобретения

Мобильное устройство для обнаружения скрытых электропроводящих ферромагнитных объектов содержит приемное устройство 1, передающее устройство 2 и устройство 3 обработки сигнала (Фиг.1). Приемное устройство 1, передающее устройство 2 и устройство 3 обработки сигнала выполнены в виде отдельных модулей, снабженных элементами крепления на теле оператора и разъемами (на чертеже не показаны). Передающее устройство 2 содержит передающую катушку 4, к выводам которой через усилитель 5 подключен первый выход генератора 6. Второй выход генератора 6 является выходом передающего устройства 2. Приемное устройство 1 содержит приемные катушки 7 и 8, выводы каждой из которых подключены к соответствующим входам первого и второго повторителей 9 и 10, выходы которых являются выходами приемного устройства 1, при этом приемные катушки 7 и 8 включены градиентометрически и жестко закреплены одна относительно другой. Устройство 3 обработки сигнала содержит два предварительных усилителя 11, 12 и усилитель 13. Входы первого и второго усилителей 11 и 12 являются входами устройства 3 обработки сигнала. Выход повторителя 9 подключен к входу предварительного усилителя 11, выход которого через первый фазовращатель 14 подключен к первому входу сумматора 15. Выход повторителя 10 подключен к входу предварительного усилителя 12, выход которого через амплитудный регулятор 16 подключен ко второму входу сумматора 15. Выход сумматора 15 через усилитель 13 подключен к первому входу фазового детектора 17.

Второй выход генератора 6 через второй фазовращатель 18 подключен ко второму входу фазового детектора 17 квадратурной составляющей магнитного поля. Выход фазового детектора 17 соединен с входом схемы обработки сигнала 19.

Приемное устройство 1 располагают, например, в области подмышечной впадины оператора (Фиг.2), а передающее устройство 2 - на голени. Устройство 3 обработки сигнала закрепляют на поясе оператора. Все соединительные провода скрытно размещают в одежде оператора.

Устройство работает следующим образом. Предварительно устройство настраивают. Для этого приемное устройство 1 с приемными катушками 7 и 8 помещают в однородное переменное синусоидальное магнитное поле рабочей частоты генератора 6, при этом генератор 6 отключен. Затем с помощью первого фазовращателя 14 и амплитудного регулятора 15 устанавливают нулевой сигнал на выходе сумматора 15 и, соответственно, на выходе усилителя 13. Затем приемное устройство 1, передающее устройство 2 и устройство 3 обработки сигнала размещают на теле оператора и производят дополнительную настройку. С помощью второго фазовращателя 18 добиваются нулевого сигнала на выходе фазового детектора 17. После настройки устройства оператор передвигается в помещении, где находятся люди или предметы (мебель, офисные принадлежности).

Передающая катушка 4, запитанная через усилитель 5 от генератора 6, создает переменное магнитное поле. Конструктивное исполнение передающей катушки 4, а также соответствующее расположение приемного устройства 1 и передающего устройства 2 на теле оператора создает зону обнаружения 20, соизмеримую с размерами стоящего человека и где магнитное поле достаточно однородно (Фиг.2). Магнитное поле, воздействуя на металлический предмет 21, который попадает в зону обнаружения в процессе движения оператора, создает в нем индуцированное поле рассеяния. Это поле воздействует на приемные катушки 7 и 8. Сигнал, наведенный в катушке 7, через повторитель 9, усилители 11, первый фазовращатель 14, осуществляющий компенсацию фазы, поступает на первый вход сумматора 15. Сигнал, наведенный в катушке 8, через повторитель 10, усилитель 12 и амплитудный регулятор 16, компенсирующий амплитуды внешних наведенных помех, подается на второй вход сумматора 15. Сигналы суммируются и через усилитель 13 поступают на первый вход фазового детектора 17, на второй вход которого подается синхронизирующий сигнал с генератора 6 через второй фазовращатель 18. Сигнал с выхода синхронного детектора 17 поступает на схему 19 обработки сигнала.

При отсутствии металлического объекта 21 в зоне 20 обнаружения сигнал на выходе фазового детектора 17 равен нулю. Если при движении оператора в зону обнаружения 20 попадает металлический объект 21 (например, пистолет, находящегося в кармане подозреваемого), поле, создаваемое передающей катушкой 4, искажается и на выходе фазового детектора 17 появляется сигнал, отличный от нуля и пропорциональный изменению фазы измеряемого магнитного поля металлического объекта относительно фазы тока в передающей катушке 4. Схема 19 обработки сигнала анализирует уровень сигнала и выдает оператору сигнал наличия запрещенного предмета. Сигнал может быть любым зрительным, звуковым или тактильным.

В устройстве с нежесткой базой в зависимости от ориентации приемных катушек амплитуды сигналов A₁ и А₂ могут изменяться, следовательно, как видно из формулы (3) фаза выходного сигнала на выходе сумматора также будет изменяться.

Напряжение на выходе первой приемной катушки U₁ и напряжение на выходе второй приемной катушке U₂ будут соответственно равны

U₁=A₁ Sin ωt; (1)

U₂=A₂ Sin(ωt+Δϕ); (2)

Фаза сигнала на выходе сумматора 15 будет определяться по формуле

(3)

Как видно из формулы (3), фаза выходного сигнала будет зависеть от погрешностей амплитуды и фазы приемных катушек 7 и 8. Поскольку приемные катушки технологически сложно выполнить одинаковыми, введение первого фазовращателя 14 и амплитудного регулятора 16 позволяет скомпенсировать данную погрешность.

Дополнительную погрешность может оказывать нестабильность элементов приемного устройства 1. Сдвиг напряжения по фазе на выходе каждой из приемных катушек 7 и 8 можно оценить на основе эквивалентной схемы замещения

(4)

где R - сопротвление катушки индуктивности,

R_н - сопротивление нагрузки,

L - индуктивность приемной катушки,

С - суммарная емкость катушки индуктивности и внешней нагрузки

X_L-ωL, Х_C=1/ω С

Как видно из формулы (4), возможна фазовая расстройка из-за влияния нестабильности сопротивления нагрузки R_н. Введение повторителей 9 и 10 с большим входным сопротивлением и размещение их в непосредственной близости к приемным катушкам 7 и 8 позволило снизить влияние изменений сопротивления нагрузки R_H на фазовое рассогласование сигналов приемных катушек. Кроме того, уменьшение токов в приемных катушках из-за большого сопротивления повторителей 9 и 10 уменьшает взаимное влияние магнитных полей приемных катушек 7 и 8.

Введение фазовращателя 14, амплитудного регулятора 16 и повторителей 9 и 10 позволили при базе, равной 1,5 м, и расстоянии между приемными катушками 10 см достичь высокого соотношения полезный сигнал/шум и обеспечить высокую достоверность обнаружения скрытых металлических предметов.

1. Мобильное устройство для обнаружения скрытых металлических объектов, включающее приемное устройство и устройство обработки сигнала, размещенные на теле оператора, и передающее устройство, приемное устройство содержит две приемные катушки, устройство обработки сигнала содержит первый и второй предварительные усилители, входы которых являются входами устройства обработки сигнала, и сумматор, передающее устройство содержит передающую катушку и генератор, отличающееся тем, что передающее устройство также размещено на теле оператора, а первый выход генератора подключен к выводам передающей катушки через усилитель, приемное устройство дополнительно содержит первый и второй повторители, выходы которых являются выходами приемного устройства, при этом вход первого повторителя подключен к выводам первой приемной катушки, а вход второго повторителя - к выводам второй приемной катушки, выход первого повторителя соединен с входом первого предварительного усилителя, выход которого через первый фазовращатель подключен к первому входу сумматора, выход второго повторителя соединен с входом второго предварительного усилителя, выход которого через амплитудный регулятор подключен к второму входу сумматора, выход которого через первый усилитель подключен к первому входу фазового детектора, второй выход генератора через второй фазовращатель подключен к второму входу фазового детектора, выход которого подключен к входу схемы обработки сигнала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство обработки сигнала содержит дополнительный фазовращатель, выход которого подключен к входу амплитудного регулятора, а вход - к выходу второго предварительного усилителя, и дополнительный амплитудный регулятор, выход которого подключен к первому входу сумматора, а вход - к выходу первого фазовращателя.