способ обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей

Формула изобретения

Способ обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей, заключающийся в воздействии электромагнитным полем на исследуемый участок тела человека путем его сканирования, в приеме отраженного электромагнитного излучения и регистрации его характеристик, отличающийся тем, что длину волны используемого электромагнитного излучения выбирают, исходя из условия

где _n - диэлектрическая проницаемость искомого образца;

- безразмерные координаты искомого образца, в направлении, перпендикулярном к поверхности тела человека; - длина волны; Z_n, Z _n-1 - размерные координаты образца, регистрируют фазу и/или амплитуду отраженного излучения в каждой из контролируемых точек исследуемого участка поверхности тела, о наличии постороннего предмета на теле человека судят по различиям полученных в разных точках данных или по результатам сравнения зарегистрированных фазы и/или амплитуды отраженного излучения с эталонными значениями, представляющими собой значения фазы и/или амплитуды отраженного излучения той же частоты, полученными при усреднении результатов измерения указанных характеристик отраженного человеческим телом излучения при отсутствии посторонних предметов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам обеспечения безопасности, использующим электромагнитное излучение, а именно к способам дистанционного обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей, проходящих досмотр.

Известны системы аналогичного назначения, применяемые в настоящее время в аэропортах, охраняемых объектах и т.п. Действие таких систем основано на восприятии и регистрации переменного электромагнитного поля, возникающего в чувствительном элементе системы вследствие наличия в исследуемом объеме металлического предмета.

Упомянутые устройства обладают существенным ограничением: они реагируют только на присутствие металлических предметов (см., например, устройство под названием Metor, выпускаемое финской фирмой Metorex).

Известные технические решения, направленные на решение аналогичной задачи, которые используют в качестве средства для получения необходимой информации электромагнитное излучение СВЧ-диапазона, можно разделить на две группы. Одна группа объединяет патенты США (№5073782 от 19.12.88, МПК G01S 13/18, №5760397 от 22.05.96, МПК G01S 13/89, №6777684 от 23.08.2000, МПК G01N 21/01), авторы которых пытаются использовать миллиметровые и субмиллиметровые волны для получения изображения спрятанного предмета. Другими словами, они пытаются создать оптическую систему, аналогичную оптической системе в ИК-диапазоне. Другая группа (патенты США №4975968 от 27.10.89, МПК G06K 09/00 и №6057761 от 21.01.98, МПК G08B 021/00) объединяет изобретения, в которых по существу предлагаются различные варианты томографической системы. Авторы этих изобретений предлагают способы и устройства для получения пространственного распределения диэлектрической проницаемости вблизи поверхности человеческого тела.

Все эти изобретения фактически решают другие, более широкие, но в то же время и более сложные задачи. Для них обнаружение скрытых под одеждой предметов всего лишь один из возможных вариантов применения. В силу этого с позиций применения для обнаружения скрытых под одеждой предметов рассматриваемые решения неоправданно технически сложны, дороги и требуют квалифицированного персонала для обслуживания предлагаемых устройств.

При научном обосновании предлагаемых решений в указанных патентах молчаливо предполагается, что все среды, через которые проходит электромагнитное излучение, кроме человеческого тела, не обладают поглощением. Действительно, искомые предметы почти не поглощают электромагнитное излучение в рассматриваемом диапазоне длин волн. А вот к одежде вышеупомянутое утверждение, строго говоря, неприменимо. Достаточно одежду намочить, чтобы получить сильное поглощение СВЧ-излучения. И в этом случае и оптический, и томографический подходы будут неэффективны.

Поэтому при использовании обсуждаемых предложений всегда будет существовать риск не обнаружить скрытое перемещение опасных предметов. В то же время при поиске таких скрытых объектов, как взрывчатка хотелось бы иметь метод, обеспечивающий максимально высокую вероятность обнаружения.

Единственным способом, обеспечивающим простое и надежное решение проблемы обнаружения скрытых предметов, является личный досмотр людей. Однако он требует слишком много времени. Полное время, необходимое для личного досмотра некоторой группы людей, можно было бы сократить до приемлемого уровня, если бы в распоряжении персонала, проводящего досмотр, был простой и эффективный прибор, надежно регистрирующий наличие под одеждой постороннего предмета, не являющегося ни одеждой, ни телом. Именно эта, выделенная малочисленная группа людей и подвергалась бы личному досмотру.

В качестве прототипа изобретения выбран способ дистанционного обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей, описанный в патенте РФ №2133971, МПК G01V 03/11, G08B 13/18 от 27.07.99. Данный способ позволяет обнаруживать как металлические, так и неметаллические предметы и включает в себя следующие операции: воздействие электромагнитным полем на участок тела человека, сканирование электромагнитным лучом по выбранному участку, прием отраженного от участка поверхности электромагнитного излучения и регистрацию его характеристик. Регистрация характеристик в известном способе заключается в измерении интенсивности принятого сигнала, отображении интенсивности в виде свечения экрана дисплея и анализе распределения интенсивности свечения полученного изображения, по которому определяют наличие или отсутствие скрытого под одеждой предмета. Данный способ опробован в миллиметровом диапазоне длин волн и основан на анализе радиотеплового излучения, испускаемого поверхностью тела человека, и температурного контраста между объектом и телом человека.

Однако и этот способ, как и предыдущие, не обладает надежной гарантией обнаружения скрытого предмета, т.к. при применении этого способа внутри помещений температурный контраст между телом и окружающей средой оказывается настолько мал, что металл, пластик, человеческое тело становятся неразличимы.

Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, лишенного указанного недостатка и позволяющего выявлять полезную информацию, независимо от влияния факторов, снижающих температурный контраст, и, тем самым, ведущих к возникновению ошибок при выявлении скрытых предметов.

Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей, заключающемся в воздействии электромагнитным полем на исследуемый участок тела человека путем его сканирования, в приеме отраженного электромагнитного излучения и регистрации его характеристик длину волны используемого электромагнитного излучения выбирают исходя из условия

где _n - диэлектрическая проницаемость искомого образца;

- безразмерные координаты искомого образца, в направлении, перпендикулярном к поверхности тела человека, - длина волны, Z_n, Z _n-1 - размерные координаты образца, регистрируют фазу и/или амплитуду отраженного излучения в каждой из контролируемых точек исследуемого участка поверхности тела, о наличии постороннего предмета на теле человека судят по различиям полученных в разных точках данных или по результатам сравнения зарегистрированных фазы и/или амплитуды отраженного излучения с эталонными значениями, представляющими собой значения фазы и/или амплитуды отраженного излучения той же частоты, полученными при усреднении результатов измерения указанных характеристик отраженного человеческим телом излучения при отсутствии посторонних предметов.

Технический результат заявляемого способа обеспечивается тем, что при падении электромагнитного излучения с подобранной соответственным образом длиной волны на слоистую среду, которой, по сути дела, является одежда, кожа и жировая прослойка человеческого тела и, возможно, скрываемый объект, амплитуда и фаза отраженного сигнала зависят от пройденного оптического пути и соотношений между диэлектрическими проницаемости на границах между слоями. Поэтому зарегистрированные значения амплитуды и фазы будут существенно отличаться в случае наличия и отсутствия постороннего предмета под одеждой человека. Длины волн, используемые для реализации способа в этом случае, лежат в сантиметровом диапазоне, т.е. соответствуют толщинам слоев разной диэлектрической проницаемости, через которые проходят электромагнитные волны (диапазон частот 1-20 ГГц).

Настоящее изобретение иллюстрируется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью существенных признаков требуемого результата.

На фиг.1 приведен рисунок модели плоскослоистой среды, иллюстрирующей контролируемый участок человеческого тела и использованный для расчетов, подтверждающих работоспособность способа. В примере приведено шесть слоев: воздух, ткань, воздух, полиэтилен, кожа и жир. Стрелками показаны падающая электромагнитная волна и отраженная электромагнитная волна.

На фиг.2 приведена блок-схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, рефлектометр 2, антенну 3, измерительный блок 4 и блок 5 обработки сигнала.

На фиг.3а и 3б приведены зависимости коэффициента отражения и фазы отраженного сигнала от частоты излучателя при толщине одежды 0,1 см; на фиг.4а и 4б приведены те же зависимости при толщине одежды 1 см.

На фиг.5а и 5б приведены фотографии осциллограмм, показывающие значение фазы отраженной электромагнитной волны в области частот 2,7-3 ГГц для человека со скрытым предметом и без него.

На фиг.6а и 6б - фотографии осциллограмм, показывающие значение коэффициента отражения электромагнитной волны для тех же условий.

Физические основы предложенного изобретения поясняются ниже.

При падении электромагнитной волны на слоистую среду амплитуда и фаза отраженного сигнала зависят от пройденного оптического пути и соотношений между диэлектрическими проницаемостями на границах между слоями.

Если радиусы кривизны межобластных границ сравнимы или меньше длины волны падающего излучения, то слоистая среда локально может приближенно рассматриваться как плоскослоистая. Для плоскослоистой среды, состоящей из N+1 слоев, для коэффициента отражения R _n от границы между слоями n, n+1 справедливо следующее соотношение (рассматривается случай нормального падения электромагнитной волны):

- безразмерная координата границы между слоями n и n+1, _n - диэлектрическая проницаемость слоя с номером n; Z_n - размерная координата, отсчитываемая от верхнего слоя, =c /2 - длина волны, с - скорость света в вакууме, - частота излучения.

Выражение (1) является следствием граничных условий - равенства на граничной поверхности тангенциальных компонент электрического и магнитного полей, записанных для границы между слоями n и n+1 [Л.Д.Ландау, Е.М.Лившиц. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982. - 620 с.].

Очевидно, что наличие или отсутствие слоя с номером n будет наиболее отчетливо проявляться тогда, когда выполняется соотношение

Поскольку диапазон возможных значений диэлектрической проницаемости и характерных размеров предмета в направлении, перпендикулярном поверхности человеческого тела, известен, то всегда можно подобрать длину волны излучения, удовлетворяющую условию (2) и, следовательно, обеспечить наиболее оптимальные условия для обнаружения предмета.

Чтобы иметь представление о характере поведения величин, описывающих рассеянное излучение, оценить возможный диапазон их изменения, выбрать интервал длин волн, где ожидаемый эффект будет наибольшим, были проведены расчеты, в которых человеческое тело (с предметом и без него) моделировалось плоскослоистой средой и рассматривался случай нормального падения электромагнитной волны.

В расчете использовалось шесть слоев: воздух, ткань, воздух, полиэтилен, кожа, жир (фиг.1).

Для доказательства работоспособности рассматриваемого предложения достаточно показать, что регистрируемый сигнал в случае наличия предмета на теле человека заметно отличается от сигнала, когда предмета нет.

Результаты расчета представлены на фиг.2 а, б и 3 а, б. Разрывы на графиках фазы обусловлены тем, что по определению значения фазы должны принадлежать интервалу [- , ].

Из результатов, представленных на рисунках, следует, что в области частот примерно от 1.5 до 3.5 ГГц отраженный сигнал в случае, когда предмет на теле есть, существенно отличается от сигнала без предмета. Именно в этом диапазоне частот были проведены экспериментальные исследования, которые подтвердили теоретические результаты.

В эксперименте, имитирующем скрытый пронос на теле пластиковой взрывчатки, использовался прямоугольный брусок из полиэтилена ( =2.3) толщиной 2.3 сантиметра с характерным поперечным размером порядка 10 сантиметров.

Была проведена серия опытов с полуоткрытым резонатором при регистрации коэффициента отражения и фазы в области частот около 3 ГГц. Наблюдались существенные качественные и количественные различия отраженных сигналов в случае наличия и отсутствия образца моделирующего пластиковую взрывчатку. На фиг.5а приведены данные измерения фазы отраженного сигнала от человека, под одеждой которого имеется образец, моделирующий пластиковую взрывчатку, а на фиг.5б - без образца. Результаты измерения коэффициента отражения электромагнитной волны от человека с образцом представлены на фиг.6а и без него - на фиг.6б. Изменение фазы отраженного сигнала составляет почти радиан, а модуля коэффициента отражения - десятки процентов.

Аналогичные опыты были проведены для микрополосковой антенны в диапазоне от 2 до 2,2 ГГц. Как и в предыдущем случае, наблюдалось существенное изменение амплитуды и фазы отраженного сигнала (изменение фазы более чем на амплитуды - более чем на 10%).

Таким образом, теоретически и экспериментально доказана возможность обнаружения предметов, скрытых под одеждой, путем регистрации фазы и амплитуды отраженного СВЧ-излучения. Рабочий диапазон частот определяется выражением (2) и простирается от 1 ГГц до, примерно, 10-20 ГГц. Расширение диапазона частот в сторону верхних значений обусловлено тем, что толщины переносимых объектов могут быть существенно меньше тех, которые использовались в эксперименте.

Реализация способа заключается в следующем.

Проверяющий с помощью антенны 3, выполненной, например, в виде полуоткрытого резонатора, исследует участок тела человека при непосредственном контакте с его верхней одеждой. При этом электромагнитное излучение генератора 1 в выбранном диапазоне частот облучает все слои, вплоть до жировой прослойки. Отраженное излучение принимается этой же антенной 3 и поступает на рефлектометр 2 и с него в блок измерения 4, который определяет амплитуды и фазы падающего и отраженного электромагнитных полей и подает результаты измерения в аналоговый и/или цифровой блок обработки сигнала 5 для извлечения из него необходимой информации.

Зарегистрированные фазы и амплитуды отраженного излучения сравниваются:

1) со значениями фазы и амплитуды, полученными в процессе сканирования тела человека в предыдущие моменты времени;

2) с эталонными значениями, представляющими собой значения фазы и амплитуды отраженного излучения той же частоты, полученной опытным путем после усреднения результатов измерения указанных характеристик отраженного человеческим телом излучения при отсутствии посторонних предметов.

Если в процессе сканирования происходят существенные изменения в амплитуде (на десятки процентов) и фазе отраженного сигнала (более чем на /4 радиан) и/или они попадают в интервал значений, соответствующих появлению потенциально опасного предмета, то происходит срабатывание звукового сигнала и/или светового индикатора, показывающие необходимость личного досмотра.

Таким образом, реализация способа вполне осуществима известными техническими средствами и не требует от проверяющего лица высокой профессиональной подготовки. Прибор, созданный на базе заявляемого способа, будет достаточно эффективно регистрировать наличие под одеждой проверяемого лица постороннего предмета, не являющегося ни одеждой, ни телом. При выделении такой малочисленной группы существенно сокращается время для личного досмотра подозрительных лиц, что является наиболее надежным решением проблемы.