Статьи / Установки для досмотра людей / Радиоволновое сканирование

Радиоволновое сканирование

А.А. Казанцев, И.И. Земсков

Введение

На сегодняшний день острым вопросом является обеспечение безопасности в местах массового скопления людей и на режимных объектах. При организации доступа на такие объекты одной из важнейших задач является предотвращение несанкционированного проноса опасных веществ и изделий, спрятанных на теле человека. При этом прохождение досмотра должно быть максимально быстрым и комфортным, исключающим элементы ручного досмотра и неприемлемые с этической точки зрения ситуации. Кроме этого, такой досмотр должен быть еще и безопасным. Ни для кого не секрет, что в нашей стране до сих пор в некоторых аэропортах используются сканеры, основанные на принципе рентгеновского излучения, которое опасно для здоровья. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяет использование радиоволновых сканеров.

Радиоволновые сканеры – новейшая технология в области бесконтактного досмотра, которая не оказывает вредного воздействия даже на людей с кардиостимуляторами, беременных женщин и детей. Внедрение таких сканеров ускоряет работу контрольно-пропускных пунктов аэропортов и упрощает процесс прохождения таможни. Кроме того такие сканеры установлены на режимных предприятиях. Самый популярный радиоволновый сканер на сегодняшний день – американская система ProVision. Данная система работает по принципу активной радиолокации с пассивным ответом.

Однако возможна реализация радиоволновых сканеров работающих по другим принципам, например метод визуализации по фазовому портрету объекта в радиодиапазоне. Данный метод основан на принципе интерференции электромагнитных волн в радиодиапазоне, что позволяет получить интерференционную картину от тела под радиопрозрачной одеждой.

В ходе исследования метода возникли следующее задачи:

  1. Смоделировать радиоволновый сканер с необходимыми параметрами;
  2. Разработать принцип работы радиоволнового сканера;
  3. Математически обосновать применение метода визуализации по фазовому портрету объекта в радиодиапазоне;
  4. Визуализировать сканируемый объект по смоделированному фазовому портрету;

Модель радиоволнового сканера

Модель радиоволнового сканера имеет следующие параметры:

  1. Сканер имеет 3 сканирующих устройства (СУ) для уменьшения вероятности возникновения «мертвых зон» на реальном сканируемом объекте;
  2. длина базы сканирующего устройства B=0,3м.;
  3. частота излучаемых электромагнитных волн f=60 ГГц, длина волны 0,005м.;
  4. амплитуды излучаемых колебаний А1=А2=1;
  5. расстояние от СУ до сканируемого объекта ОС=1.5м;
  6. максимальный радиус сканируемого объекта R=0.75м

СУ имеют по два излучателя и одной приемной антенне на собственных базах, причем излучатели находятся по краям базы, а центр приемной антенны смещен на расстояние 1/3 длины базы от первого излучателя, и 2/3 длины базы от второго. Каждое СУ подвижно относительно оси, расположенной за центром приемной антенны, что и создает разность хода, необходимую для получения интерференционной картины. СУ излучает когерентные узконаправленные монохроматические электромагнитные волны в направлении сканируемого объекта и считывает интенсивность в сканируемой точке. Зная некоторые параметры СУ, возможно рассчитать расстояние от СУ до сканируемого объекта. Используя полученные данные, возможно определить местонахождение посторонних предметов на сканируемом объекте, и визуализировать полученные данные.

Принцип работы устройства

СУ расположены так, что каждое может отсканировать 120 градусов дуги сканируемого объекта. В начальный момент времени все СУ находятся на уровне высоты сканируемого объекта. Сканирование происходит только в горизонтальной плоскости. Перед началом сканирования прибор определяет угол поворота СУ в зависимости от радиуса текущего горизонтального сечения сканируемого объекта. СУ устанавливается в начальное положение относительно определенного ранее угла, излучает электромагнитные волны, считывает интенсивность в данной точке и поворачивается на заданный угол. Данная операция повторяется пока не будет достигнут максимум определенного ранее угла поворота СУ. После завершения сканирования в горизонтальной плоскости, СУ смещается вниз по вертикали на заданное расстояние, и операция сканирования повторяется с момента определения угла поворота СУ. Данные операции выполняются до тех пор, пока не будет отсканирован весь объект.

Математическое обоснование применения метода визуализации по фазовому портрету объекта в радиодиапазоне

Для простоты вычисления калибровочным сканируемым объектом выбран цилиндр. Сечение цилиндра в горизонтальной плоскости – окружность. Решив несколько простых геометрических задач можно прейти к следующим уравнениям:

Радиоволновое сканирование

Используя смоделированные параметры и полученные соотношения, с помощью программного комплекса MathCad® 13 построена интерференционная картина части сканируемого объекта (далее сканируемый объект) (рис. 1).

Радиоволновое сканирование

Для наглядного искажения интерференционной картины при изменении формы сканируемого объекта добавляется некоторая неровность. Неровностью будет служить выпуклость на объекте с высотой всего 1см. на протяжении короткого участка (Рис 2.).

Радиоволновое сканирование

Таким образом, можно наглядно убедиться, что при изменении формы сканируемого объекта меняется и его интерференционная картина, что позволяет определить наличие посторонних предметов на сканируемом объекте.

Принцип визуализации

Для визуализации сканируемого объекта по фазовому портрету необходимо решить обратную задачу – найти расстояние от сканирующего устройства, до сканируемого объекта имея только данные об интенсивности интерференционной картины в точке. Это позволит сканировать объекты произвольной формы.

Радиоволновое сканирование

Подставив (2) в предыдущую формулу можно посчитать квадрат расстояния от СУ, до сканируемого объекта зная всего несколько параметров: интенсивность в точке, амплитуды излучаемых электромагнитных волн, частоты электромагнитных волн или их длина волны и длину базы сканирующего устройства. Зная данное расстояние и параметрические данные радиоволнового сканера, получаем возможность визуализировать сканируемый объект.

3D визуализация

Разработанный принцип визуализации позволяет построить изображение 1/3 части сканируемого объекта в плоскости. Соответственно три СУ способны собрать данные позволяющие построить изображение сканируемого объекта в сечении за одну итерацию сканирования в горизонтальной плоскости. Исходя из принципа работы устройства, итерации в горизонтальной плоскости повторяются при сдвиге СУ в вертикальной плоскости. Таким образом, устройство способно собрать данные для построения 3D модели сканируемого объекта.

Принято решение, что в качестве обработчика данных будет использоваться программа, разработанная в среде MS Visual C++ с использованием библиотек MS DirectX SDK. Данная программа должна обрабатывать полученные данные и преобразовывать их в 3D модель сканируемого объекта. Причем, за обработку данных должен отвечать центральный процессор, а за построение 3D модели – видеокарта. Такой подход позволит ускорить процесс вывода конечных результатов.

Выводы

В результате проделанной работы сделаны следующие выводы:

  1. Метод визуализации по фазовому портрету позволяет определить наличие посторонних предметов на сканируемом объекте, причем с достаточной точностью;
  2. Разработанный принцип визуализации позволяет получить данные от сканирующих устройств, с помощью которых можно построить 3D модель сканируемого объекта. Это позволит упростить оператору радиоволнового сканера поиск посторонних предметов на сканируемом объекте.

Литература

  1. Г. Корн, Т. Корн — Справочник по математике для научных работников и инженеров — Москва, Наука, 1974 г.;
  2. Автор не известен — Интерференция монохроматических волн [электронный ресурс] — URL: http://college.ru/waveoptics/content/chapter1/section1/paragraph1/theory.html (4октября 2012 г.);
  3. Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев - Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов — Москва, Оникс, Мир и образование 2006г.;
  4. Автор не известен – Интерференция волн [электронный ресурс] – URL: http://koi.tspu.ru/waves/ch4_7.htm (4 октября 2012 г.);
  5. М. Фленов — DirectX и C++ Искусство программирования — Санкт-Петербург, «БХВ-Петербург», 2006.

Статья опубликована на сайте: 01.04.2021


Яндекс.Метрика