Способ дистанционного обнаружения вещества

Изобретение относится к радиотехническим средствам, использующим магнитный резонанс для поиска и обнаружения преимущественно наркотиков и взрывчатых веществ, а также поляризационную селекцию и фазовый анализ для поиска и обнаружения наркотиков, упакованных в неметаллическую оболочку. Способ дистанционного обнаружения вещества заключается в дистанционном возбуждении электромагнитной волной магнитного резонанса в веществе и с последующим измерением частоты отклика, при этом возбуждающий электромагнитный сигнал излучают на частоте, много большей частоты магнитного резонанса вещества, и модулируют излучаемый возбуждающий электромагнитный сигнал по поляризации на частоте магнитного резонанса, а отклик регистрируют на частоте модуляции. Электромагнитное зондирование осуществляют плоскополяризованным сигналом и прием сигналов с правой и левой круговой поляризацией, отраженных от наркотического вещества, 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 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. Технический результат: повышение достоверности обнаружения и разрешающей способности по глубине при определении местоположения наркотических веществ. 1 ил.

 

Предлагаемый способ относится к физическим измерениям, а именно к радиотехническим средствам, использующим магнитный резонанс для поиска и обнаружения преимущественно 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 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; 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 и др.).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ дистанционного обнаружения вещества» (патент РФ №2.244.942, G01R 33/20, 2003), который и выбран в качестве прототипа.

Указанный способ основан на дистанционном обнаружении 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.

Однако известный способ не полностью реализует свои потенциальные возможности, он может использовать 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, сумках, чемоданах, дипломатах и т.п.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем поиска и обнаружения наркотиков, упакованных в неметаллическую оболочку и находящихся в укрывающих средах, например в брюшной полости человека, используемого для транспортировки наркотических средств, багаже, сумках, чемоданах, дипломатах и т.п.

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 напряжения гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с отраженным сигналом правой круговой поляризации, 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.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Устройство содержит последовательно включенные генератор 3 импульсов, управляющий вход которого соединен с первым выходом синтезатора 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, смеситель 15, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 16, усилитель 17 промежуточной частоты, перемножитель 18, узкополосный фильтр 19, фазовый детектор 20, второй вход которого соединен с выходом 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 ключ 12, второй вход которого соединен с выходом второго приемника 6, а выход подключен к второму входу перемножителя 18.

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 {W₁-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 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)=V₁·Cos(W₁·t+ϕ₁), 0≤t≤Т₁,

где V₁, W₁, 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 окружающих 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:

δZ=1/2(ϕ_п-ϕ_л),

где ϕ_п, ϕ_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)=V_п·Cos[(W₁±ΔW)·t+ϕ_п],

U_л(t)=V_л·Cos[(W₁±ΔW)·t+ϕ_л], 0≤t≤Т₁,

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

±ΔW - 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 первый вход смесителя 15, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 16:

U_г(t)=V_г·Cos(W_г·t+ϕ_г).

На выходе смесителя 15 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 17 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты:

U_пр(t)=V_пр·Cos[(W_пр±ΔW)·t+ϕ_пр], 0≤t≤Т₁,

где V_пр=1/2K₁·V_л·V_г,

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

W_пр=W₁-W_г - промежуточная частота;

ϕ_пр=ϕ_л-ϕ_г,

которое поступает на второй вход перемножителя 18. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение:

U₂(t)=V₂·Cos(W_г·t+ϕ_г+Δϕ), 0≤t≤Т₁,

где V₂=1/2К₂·V_п·V_пр;

K₂ - коэффициент передачи перемножителя;

Δϕ=ϕ_п-ф_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)=V_н·CosΔϕ,

где V_н=1/2К₃·V₂·V_г;

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора, пропорциональное измеряемому сдвигу фаз Δϕ. Это напряжение сравнивается в блоке 21 сравнения с эталонным напряжением.

U_э(Δϕ_э)=V_э·CosΔϕ_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.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения 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_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, и точность определения местоположения наркотических веществ. Тем самым функциональные возможности способа расширены.

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, отличающийся тем, что 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 напряжения гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с отраженным сигналом 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.