Способ и система для обнаружения материалов
Изобретение относится к способу и системе для анализа или проверки людей или других объектов на наличие несвойственных или присущих материалов. Способ использует метод спектроскопии в параллельном режиме, согласно которому формируют зондирующий сигнал, одновременно содержащий электромагнитное излучение с шириной полосы пропускания в диапазоне от 10 ГГц до 25 ТГц. Такой диапазон позволяет обнаруживать одновременно несколько сигналов на нескольких частотах. Каждый сигнал имеет некоторую амплитуду, множество которых совместно предоставляют уникальную спектральную сигнатуру материала. Обработка полученных данных заключается в представлении этих данных в матричной форме. Для сравнения полученных матричных данных с эталонной библиотекой используется корреляционный способ. Технический результат - обеспечение работы в режиме реального времени. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 19 ил.
Перекрестная ссылка на родственную заявку
[00001] Эта заявка заявляет приоритет предварительной формы заявки на патент США №61/304,318, поданной 12 февраля 2010. Вышеупомянутая заявка включена в данный документ при помощи ссылки во всей своей полноте.
Область изобретения
[00002] Настоящее изобретение относится к способу и системе для обнаружения наличия материалов, присущих или несвойственных объекту, и более конкретно - к способу и системе, которые используют спектроскопию в параллельном режиме для увеличения скорости обнаружения.
Предпосылки изобретения
[00003] Имеется существенная необходимость в высокоскоростных, неинвазивных способах анализа или проверки людей и других объектов на наличие несвойственных или присущих материалов. Несвойственные материала включают, но не ограничиваются
- Взрывчатые материалы и их исходные и промежуточные материалы
- Химические материалы и их исходные и промежуточные материалы
- Лекарственные препараты и их исходные и промежуточные материалы
- Химическое и биологическое оружие и их исходные и промежуточные материалы
- Бактериальные, вирусные и другие формы жизни
[00004] Искомые присущие материалы включают те, которые моли быть смешаны с несвойственным материалом, но не ограничиваются -
- Лекарственные препараты и их исходные и промежуточные материалы
- Химические материалы и их исходные и промежуточные материалы
- Еда и пищевые продукты и их исходные и промежуточные материалы
[00005] Был предпринят ряд попыток создать способы анализа и проверки, которые удовлетворяют вышеуказанным требованиям относительно анализа объектов на наличие несвойственных материалов, но, по той или другой причине, все такие попытки оказались недостаточными. Примеры включают формирование изображения с помощью рентгеновских лучей обратного рассеяния, активации нейтронами, масс спектроскопии (несколько видов) и миллиметровых волн. Эти способы или используют ионизирующее излучение, полагаются на обнаружение испарений, или используют инвазивные способы формирования изображения, которые, хотя и способны «видеть» через одежду, все же жестко ограничены и допускают предоставление ложных положительных или ложных отрицательных результатов.
[00006] Известный уровень техники в технологии миллиметровых волн состоит из систем формирования изображений, которые являются в некоторой степени противоречивыми. Противоречие возникает по той причине, что оператор устройства получает возможность «видеть сквозь» одежду людей, чтобы определять, не спрятано ли в ней что-то. Многие люди полагают, что эти устройства слишком вторгаются в их личную жизнь. Кроме того, их ограниченная способность распознавать различные типы взрывчатых или запрещенных материалов является серьезным недостатком.
[00007] Другая сфера интересов - это обнаружение инфекционных заболеваний, передающихся воздушным путем. Одна из самых больших опасностей, с которыми сталкивается общество с повсеместными глобальными путешествиями, обеспечиваемыми реактивными самолетами большой вместимости, - это восприимчивость к заболеваниям, передаваемым воздушным путем. Путешественник, передвигающийся по воздуху, в поездке с двумя или более связанными перелетами может потенциально передать инфекционное заболевание огромному числу людей, таким образом делая чрезвычайно сложным отслеживание источника заболевания и одновременно создавая опасность эпидемического распространения заболевания. Разумеется, путешественники с инфекционным заболеванием, перемещающиеся по воздуху прямым рейсом, также представляют значительную опасность, поскольку многие пассажиры также могут быть заражены до или во время полета, а затем эти инфицированные пассажиры могут заразить других людей во время своего последующего инкубационного периода инфекции.
[00008] Спектроскопия как способ анализа и проверки имеет много преимуществ, но, как правило, на практике страдает от медленного характера процесса по причине получения данных последовательным образом. Было бы желательно иметь спектрографический способ и систему, способные к работе в режиме, близком к реальному времени, с целями проверки, наподобие описанных выше. Имеется множество приложений для такой системы для обнаружения посторонних материалов на или в объекте. Примерами материалов, несвойственных для объектов, являются взрывчатые материалы или компоненты взрывчатых материалов, запрещенные материала, химическое и бактериологическое оружие, лекарственные препараты, примеси в рассматриваемой пище, примеси в разрешенных химических изделиях и материалы, связанные с заболеваниями людей и животных.
Краткое описание изобретения
[00009] В предпочтительно форме, вместе с объектом, содержащим присущий материал и потенциально содержащим несвойственный материал, настоящее изобретение предоставляет способ для обнаружения одного или обоих из присущего материала и несвойственного материала с помощью спектроскопии в параллельном режиме. Способ содержит (1) получение данных в параллельном режиме, (2) обработку сигнала и сокращение данных и (3) предоставление результатов. Получение данных в параллельном режиме содержит генерацию зондирующего сигнала, одновременно содержащего электромагнитное излучение достаточной ширины полосы пропускания в диапазоне приблизительно от 10 ГГц до приблизительно 25 ТГц, чтобы делать возможным одновременное обнаружение нескольких сигналов на нескольких частотах, при этом каждый сигнал имеет некоторую амплитуду, которые совместно предоставляют уникальную спектральную сигнатуру материала, обнаружение которого является желательным. Объект и любой связанный несвойственный материал подвергают воздействию зондирующего сигнала, чтобы вызвать взаимодействие между сигналом и объектом и любым связанным несвойственным материалом. Обнаруживают модифицированный сигнал, получающийся из взаимодействия зондирующего сигнала с объектом и любым связанным несвойственным материалом. Обработка сигнала и сокращение данных включают обработку результирующего сигнала, чтобы создавать матричное представление трехмерных данных по меньшей мере одного несвойственного или присущего материала, связанного с объектом. Предоставляется эталонная библиотека данных, представляющих известные целевые химические или биологические материалы. Корреляционный способ используется, чтобы сравнивать матрицу данных с эталонной библиотекой, чтобы получать по меньшей мере один корреляционный пик, соответствующий по меньшей мере одному связанному несвойственному или присущему материалу из данных эталонной библиотеки. Предоставляются результаты вышеупомянутого сравнения.
[000010] Вышеописанный способ предоставляет спектроскопический способ, который может осуществлять работу в почти реальном времени для обнаружения материалов, несвойственных или присущих объекту.
Краткое описание графических материалов
[000011] Фиг.1 представляет собой структурную схему предпочтительной системы для реализации настоящего изобретения.
[000012] Фиг.2 представляет собой изображение главным образом в поперечном сечении цилиндрического усовершенствованного магнитно-изолированного линейного осциллятора Смита-Перселла, который может быть использован в источнике зондирующего излучения, представленного на фиг.1, с решеткой 44, показанной частично срезанной.
[000013] Фиг.3 представляет собой осуществление способа радиочастотной генерации Смита-Перселла в текущем уровне техники.
[000014] Фиг.4 представляет собой упрощенную форму отношения электронного пучка к плоской и цилиндрической решеткам для целей радиочастотной генерации Смита-Перселла в связи с источником зондирующего излучения, представленным на фиг.2.
[000015] Фиг.5 представляет собой квазиоптический элемент внеосевой отражающей коррекции пучка, который может быть использован в системе, представленной на фиг.1, и частично в блочной форме, и частично в поперечном сечении.
[000016] Фиг.6 представляет собой цепь стабилизатора тока, реализованную с помощью триодов автоэлектронной эмиссии с холодным катодом, которая может быть использована в источнике зондирующего излучения системы, представленной на фиг.1.
[000017] Фиг.7 представляет изображение в поперечном сечении поверхности электромагнитной решетки на внутренней поверхности дрейфовой трубки, которая может быть использована в источнике зондирующего излучения системы, представленной на фиг.1.
[000018] Фиг.8 представляет собой увеличенное подробное изображение части фиг.7, показанной в окружности, обозначенной на фиг.8, которая не показана в масштабе.
[000019] Фиг.9 представляет собой структурные схемы спектроскопа последовательного режима работы текущего уровня техники.
[000020] Фиг.10 представляет собой структурные схемы спектроскопа параллельного режима работы, который может быть использован в системе, представленной на фиг.1.
[000021] Фиг.11 представляет собой схематическое представление концепции флуоресцентной спектроскопии, которая может быть применена в системе, представленной на фиг.1.
[000022] Фиг.12 представляет собой изображение представления двумерного матричного массива данных синтезированного изображения, которое может быть использовано в системе, представленной на фиг.1.
[000023] Фиг.13 представляет собой общий вид сверху оптического корреляционного процессора сигналов, который может быть использована в качестве оптического коррелятора в системе, представленной на фиг.1.
[000024] Фиг.14 представляет собой график, описывающий операцию пороговой классификации.
[000025] Фиг.15-19 представляют собой изображения нескольких возможных панелей управления интерфейса оператора, которые могут быть использованы в дисплее системы, представленной на фиг.1.
Подробное описание изобретения
[000026] В данном документе использованы следующие разнообразные определения:
Определения
[000027] Источник зондирующего излучения: под «источником зондирующего излучения» в данном документе понимается широкополосное электромагнитное излучение, одновременно содержащее электромагнитное излучение достаточной ширины полосы пропускания в диапазоне приблизительно от 10 ГГц до приблизительно 25 ТГц, чтобы позволять одновременное обнаружение нескольких сигналов на нескольких частотах, при этом каждый сигнал имеет некоторую амплитуду, которые совместно предоставляют уникальную спектральную сигнатуру материала, обнаружение которого является желательным.
[000028] Ширина полосы пропускания: выражение ширины спектра сигнала относительно его центральной частоты. «Ширина полосы пропускания» определяется в данном документе как сигнал, частота которого больше чем примерно 25% центральной частоты относительно наивысшей частоты.
[000029] Несвойственный материал: как используется в данном документе, «несвойственный материал» - это тот, что сомнительным образом связан с объектом. Примерами несвойственных материалов являются: взрывчатые материалы, запрещенные наркотики, химические и биологические агенты, пищевые примеси, химические примеси, лекарственные примеси, материалы, связанные с заболеваниями, и патогены, включая вирусы, бактерии, белки, прионы, грибы и споры, но не ограничиваясь ими. Несвойственный материал может иметь нескольких составляющих, где получаемая спектральная сигнатура отражает множество составляющих и количество каждой составляющей.
[000030] Материал: Как используется в данном документе, «материал» может составлять одно вещество или несколько веществ.
[000031] Объект: Как используется в данном документе, «объект» подразумевает сущность, которая может иметь или не иметь связанный с ней несвойственный материал. Примеры объектов в данном контексте без ограничения включают: людей, людей и одежду или багаж, пищу, транспортные средства, лекарственные препараты, химикаты, животных и биологические сущности. «Объект» может быть единой сущностью (например, человек) или может включать несколько сущностей (человек в одежде).
[000032] Присущий материал: Как используется в данном документе, «присущий материал» подразумевает материал, из которого состоит объект, как определено выше, исключая несвойственный материал. Присущий материал может иметь множество составляющих, где получаемая спектральная сигнатура отражает множество составляющих и количества каждой составляющей. Пример затрагивает объект, включающий человека и одежду этого человека, при этом как человек, так и одежда этого человека являются безвредными при проверке на взрывчатые материалы. Другой пример затрагивает объект, включающий автомобиль, который содержит много безвредных компонентов, которые считаются присущими при проверке на взрывчатые материалы.
[000033] Несвойственный или присущий материал: Как используется в данном документе, «несвойственный или присущий материал» или подобные фразы означают одно или оба из несвойственного и присущего материала, кроме случаев, когда контекст требует иного.
[000034] Содержащий: Когда используется относительно объекта, «содержащего» несвойственный или присущий материал, в данном документе подразумевается, что объект прямо или косвенно физически поддерживает или включает в себя такой материал. Например, несвойственный материал может состоять из взрывчатого реагента, содержащегося в одежде человека, при этом человек и любая безвредная одежда человека (1) вместе составляют проверяемый объект и (2) подразумеваются присущими при проверке на взрывчатые материалы. Другие примеры включают материал, содержащееся в самом объекте, такой как несвойственный материал бактерии или вируса, содержащийся в теле человека, или примесь, такую как сальмонелла, содержащуюся в куске красного или куриного мяса.
[000035] Резонансный зондирующий сигнал: Как используется в данном документе, резонансный зондирующий сигнал - это сигнал, где одна или более частот зондирующего сигнала находятся на резонансных частотах потенциально присутствующего несвойственного материала. Такие резонансные частоты могут быть связаны с колебательными, вращательными или другими известными молекулярными переходами, например, потенциально присутствующего несвойственного материала.
Общая конфигурация системы
[000036] Фиг.1 представляет собой изображение системы 10 для обнаружения несвойственного материала или присущего материала спектроскопией в параллельном режиме в соединении с проверяемым объектом 12, содержащим присущий материал и потенциально содержащим несвойственный материал. В общем, источник 14 зондирующего излучения использован, чтобы подвергать проверяемый объект 12 воздействию зондирующего электромагнитного («ЭМ») излучения 16. После прохождения через объект 12 такое излучение 18 несет спектральную сигнатуру объекта и, если необходимо, любого несвойственного материала, если присутствует, который затем обнаруживается системой 20 обнаружения. Оптический коррелятор 24 выполняет разнообразные функции, включая предварительную обработку сигнала, корреляцию предпочтительно с использованием вычитания, и пороговую классификацию; эти операции совершаются с целью различения спектральных сигнатур объекта и присущего материала и любых присутствующих несвойственных материалов/ Главный компьютер 26 взаимодействует с источником 14 зондирующего излучения, системой 20 обнаружения и оптическим коррелятором 24, а также обеспечивает отображение выходных данных.
Режимы работы
[000037] Как будет более подробно описано ниже, система, представленная на фиг.1, может работать в различных режимах, без ограничения включая:
- Режим анализа несвойственного материала. В этом режиме проверяемый объект 12 анализируют, чтобы определить, присутствует ли в объекте несвойственный материал, и в каком количестве или количествах, путем сравнения с эталонной спектральной сигнатурой из библиотеки.
- Режим проверки присущего материала. В этом режиме проверяемый объект 12 проверяют, чтобы определить, присутствует ли в объекте присущее материал, и в каком количестве или количествах, путем сравнения с эталонной спектральной сигнатурой из библиотеки. Подмножество этого режима включает сравнение проверяемого объекта 12 с известным эталонным объектом, у которого не должно быть несвойственного материала.
- Последовательные режимы работы. Изобретательская система (например, на фиг.1) может работать в последовательных режимах. Один пример последовательных режимов состоит в том, чтобы сначала сравнить объект 12 с эталонным объектом, как упомянуто выше, после чего следует режим работы анализа несвойственного материала, если объект не соответствует эталонному объекту.
- Режим одновременного анализа. Этот режим обеспечивает анализ или проверку проверяемого объекта 12 как на присущие, так и на несвойственные материалы. «Одновременный», как используется в выражении «режим одновременного анализа», относится к одновременности опроса объекта на присущие и несвойственные материалы в одно и то же время и не относится к последующему процессу оптической корреляции, осуществляемому оптическим коррелятором 24, который неизбежно должен быть выполнен последовательным образом.
- Флуоресцентный режим. В этом режиме обнаружение несвойственного или присущего материала выполняется путем опроса проверяемого объекта 12 первой частотой, известной в качестве вызывающей вторичное излучение на второй резонансной частоте в несвойственном или присущем материале, который резонирует на такой второй резонансной частоте. В таком режиме, как правило, обнаружению подлежат только сигналы на второй резонансной частоте или частотах.
- Режим обучения. В этом режиме изобретательская система (например, 10, на фиг.1) анализирует или сканирует известный материал с целью создания библиотеки матричных данных для использования при анализе или проверке последующих объектов или добавления к ранее существующей библиотеке матричных данных.
[000038] Последующее описание конкретизируется по структурной схеме предпочтительного варианта осуществления текущего изобретения, представленной на фиг.1, по следующим темам:
- Источник 14 зондирующего излучения
- Подлежащий проверке объект 12
- Система 20 обнаружения
- Функции процессора 24 оптической корреляции
- Повторная обработка сигнала
- Корреляция
- Вычитание
- Пороговая классификация
- Предоставление выходных данных главным компьютером и отображение 26
Источник зондирующего излучения 14
[000039] Со ссылкой на фиг.1, объект 12 и любое несвойственный материал, подлежащие проверке подвергаются воздействию зондирующего сигнала от широкополосного источника 14 зондирующего излучения, как определено выше, так что зондирующий сигнал взаимодействует с объектом. На фиг.2 показано предпочтительное устройство 30 для источника 14 зондирующего излучения, которое представляет собой магнитно-изолированный линейный осциллятор, улучшенный цилиндрической структурой Смита-Перселла. Такая структура наиболее точно определена в данном документе как цилиндрический улучшенный магнитно-изолированный линейный осциллятор 30 Смита-Перселла (CSP-MILO) и описана в некоторых деталях следующим образом. Дальнейшие подробности устройства 30, представленного на фиг.2, обсуждаются ниже.
[000040] Эффект Смита-Перселла был впервые описан в S. J. Smith и Е. М. Purcell «Visible Light from Localized Surface Charges Moving across a Grating», Phys Rev 92, 1069 (1953). Смит и Перселл показали, что, когда электрон проходит близко к поверхности металлической дифракционной решетки, перемещаясь под правильными углами к штрихам, периодическое движение заряда, вызванное на поверхности решетки, должно приводить к увеличению излучения. Фиг.3 представляет собой изображение процесса радиочастотной генерации Смита-Перселла, полученное из вышеупомянутой статьи. В частности, это изображение показывает простую конструкцию Гюйгенса, при этом длина основной волны составляет l(1/β-cosΘ), l - это расстояние между штрихами, β как обычно обозначает v/c (где v - это скорость электронного пучка, а c - это скорость света), и Θ - это угол между направлением перемещения электронного и светового луча.
[000041] Настоящий изобретатель понял, что эффект Смита-Перселла не был слишком эффективным по причине ограниченного числа электронов, которые приводятся в надлежащую близость с поверхностью решетки из-за касательной геометрии, описанной Смитом и Перселлом. Фиг.4 представляет собой изображение взаимосвязи электронного пучка с плоской поверхностью (текущий уровень техники) в устройстве 34, и альтернативно - с цилиндрическими решетками в устройстве 36, для целей радиочастотной генерации Смита-Перселла. Поскольку фиг.4 является упрощенной, важно отметить, что электронный пучок (E-beam) контактирует со всей внутренней поверхностью цилиндрической решетки. Цилиндрический вариант Смита-Перселла, как описано текущим изобретателем в публикации заявки на патент США №2008/0063132 А1, имеет следующее значительное преимущество: со ссылкой на изображения в поперечном сечении, представленные на фиг.2, 7 и 8, вся поверхность электронного пучка в контакте с внутренней поверхностью цилиндрической решетки 38, рифленой на внутренней поверхности дрейфовой трубки 40. Это увеличивает эффективность радиочастотной генерации на порядки величины в сравнении с обычным плоским устройством Смита-Перселла. Отмечается, что путем расположения надлежащего электрического заряда на дрейфовую трубку 40 (фиг.2, 7 и 8), электронный пучок может быть приведен в тесный контакт с поверхностью цилиндрической решетки 38 на внутренней стороне дрейфовой трубки. Требуемое напряжение пропорционально напряжению, используемому для формирования электронного пучка.
[000042] Обращаясь к фиг.2, электронный пучок образован катодом 42 и решеткой 44, которые образуют электронную пушку 46 с бегущей волной, и ускоряется в направлении анода 48 по траектории, которая проводит его через улучшенную дрейфовую трубку. Окно 50, проницаемое для радиочастотного излучения, например, лежит над анодом 48 и предоставляет вакуумную изоляцию, а также средство для выхода радиочастотного излучения из CSP-MILO устройства 30. Внешний диаметр пучка и внутренний диаметр дрейфовой трубки/решетки приспособлены быть приблизительно равными, чтобы гарантировать, что внешняя поверхность пучка находится в тесном контакте с поверхностью решетки, но не настолько, чтобы решетка разрушалась электронным пучком. Эти положения касаются вышеприведенного описания фиг.4.
[000043] Электромагнитный луч, создаваемый описанной структурой, является дивергентным. Как показано на фиг.5, он может быть скорректирован в частично или полностью коллимированный, или фокусированный, луч 52 с помощью внеосевого рефлектора 54 параболического типа. Коррекция пучка является квазиоптическим процессом, использующим отражательный элемент рефлектора 54.
[000044] Обращаясь к фиг.2, имеет место дополнительное взаимодействие между электронным пучком и секцией 56 объемного резонатора CSP-MILO устройства 30. Осцилляция возникает между концом электронной пушки 46 и анодом 48, заставляя электроны колебаться назад и вперед через дрейфовую трубку 40. Это приводит к (а) расширению ширины полосы пропускания, (b) установлению нижней частоты излученного радиочастотного сигнала и (с) увеличению эффективности процесса Смита-Перселла посредством вынуждения электронов постоянно взаимодействовать с решеткой. Радиочастотный сигнал излучается только в одном направлении, через окно 50, благодаря углу блеска решетки.
[000045] Частота CSP-MILO устройства 30 может быть контролируема двумя путями: (1) грубым регулированием и (2) точным регулированием. Грубое регулирование может быть осуществлено управлением размером и геометрией решетки 38 и размером резонатора 56 устройства 30. Точное регулирование может осуществляться регулированием высокого напряжения в связи с эффектом Смита-Перселла. CSP-MILO устройство 30 предпочтительно проектируется так, что его выходной сигнал, или зондирующее излучение 16 (фиг.1), составляет широкополосное электромагнитное излучение, одновременно содержащее электромагнитное излучение достаточной ширины полосы пропускания в диапазоне от приблизительно 10 Гц до приблизительно 25 ТГц, чтобы позволять одновременное обнаружение нескольких сигналов на нескольких частотах, при этом каждый сигнал имеет некоторую амплитуду, которые совместно предоставляют уникальную спектральную сигнатуру материала, обнаружение которого является желательным.
[000046] Что касается зондирующего излучения 16 (фиг.1), диапазон частот выше 1 ТГц обеспечивает уникальное спектроскопическое зондирование низкочастотных колебательных мод материалов. Большое разнообразие молекулярных свойств, от третичной структуры белков и полинуклеотидов до механизмов разрушения озона, могут характеризоваться их модальными спектрами. Такая молекулярно-специфическая спектроскопия требует (а) спектрального разрешения на уровне или ниже приблизительно 2 МГц, что обеспечивает разрешение частей на миллиард (1×109), (b) спектрального диапазона, который распространяется до нескольких ТГц, и (с) возможности настройки частоты.
[000047] Фиг.6 представляет собой изображение цепи 90 стабилизатора тока, которая может использоваться для регулирования мощности CSP-MILO устройства 30 (фиг.2) в некотором роде аналогично классическому стабилизатору тока с двумя полевыми транзисторами, который можно найти в низковольтных источниках питания. На фиг.6 цепь 90 стабилизатора тока реализована триодами 92 и 100 автоэлектронной эмиссии с холодным катодом, любой или оба из которых могут содержать, например, трубки пульсатрона, как раскрыто настоящим изобретателем и другими в патенте США 4,950,962 под названием «High Voltage Switch Tube». Проблема, решаемая цепью стабилизатора тока, представленной на фиг.6, заключается в том, что нет твердотельных или обыкновенных устройств на вакуумных лампах, которые способны работать в режимах напряжений или токов, рассматриваемых для этой конструкции. Эта топология цепи была раскрыта настоящим изобретателем в публикации заявки на патент США №. 2009/0190383 А1, опубликованной 30 июля 2009. Дальнейшие подробности цепи 90 стабилизатора тока описаны ниже.
[000048] Со ссылкой на фиг.2, высоковольтный импульс прямо прикладывается к катоду 42 CSP-MILO устройства 30. Корпус устройства 30 образует объемный резонатор 56, который вибрирует, когда катод запускается. Решетка 44 управляет запуском CSP-MILO устройства 30. Для того чтобы инициировать процесс радиочастотной генерации, к решетке 44 прикладывают запускающий импульс.
[000049] CSP-MILO устройство 30, рассматриваемое само по себе, известно и описано в публикации заявки на патент США №2008/0063132 А1 текущего изобретателя (С.А. Birnbach), опубликованной 13 марта 2008 года, и представляет собой радиочастотный источник высокой мощности. Оно содержит дрейфовую трубку 40 с цилиндрической решеткой 38 на ее внутренней поверхности и использует электронную пушку 46 с бегущей волной (TWEG), изначально раскрытую в патенте США 4,950,962 под авторством С.А. Birnbach. Обращаясь к фиг.2, размеры объемного резонатора 56 вместе с размерами дрейфовой трубки 40 определяют выходной диапазон. Обычные MILO устройства, особенно не обладающие CSP структурой, имеют выходы от 300 МГц до 3,5 ГГц. Настоящий изобретатель экспериментально подтвердил, что путем расположения поверхности электромагнитной цилиндрической решетки 38 на внутренней цилиндрической поверхности дрейфовой трубки 40, как показывается на фиг.7 и 8, устроенной так, что внешняя поверхность электронного пучка находится в тесном контакте с решеткой 38 на внутренней поверхности дрейфовой трубки, можно генерировать радиочастотные сигналы на гораздо более высоких частотах, чем те, которые доступны посредством дрейфовой трубки с гладким каналом. Источник этого радиочастотного сигнала объясняется эффектом Смита-Перселла, как описано выше, который касается взаимодействия релятивистского электронного пучка с поверхностью решетки. Возможны выходы на частотах, находящихся достаточно глубоко в ТГц диапазоне.
[000050] Поверхность решетки 38, представленная на фиг.7 и 8, может быть получена многими способами. Обращаясь к фиг.8, интервал 60, плоский угол 62 и геометрия решетки 38 - все являются определяющими факторами в получаемой частоте. Было определено, что предпочтительный вариант осуществления решетки 38 решетки дрейфовой трубки представляет собой внутреннюю резьбу, как наилучшим образом показано на фиг.7 и 8. Путем изменения параметров резьбы изменяется выходная частота. Концы дрейфовой трубки 40 закруглены по радиусу, чтобы минимизировать образование нежелательных возмущений электрического поля внутри объемного резонатора.
Стабилизатор 90 тока
[000051] Как упомянуто выше, подходящий источник 14 зондирующего излучения (фиг.1) для системы 10, представленного на фиг.1, является магнитно-изолированным линейным осциллятором, который улучшен путем добавления цилиндрической структуры Смита-Перселла, такая как CSP-MILO устройство 30, представленное на фиг.2. Необходимо тщательно регулировать выходную мощность источника 14 зондирующего излучения, что осуществляется путем ограничения тока, подаваемого на катод 42. В цепи 90 стабилизатора тока, показанной на фиг.6, представленной ранее, ток через главное модулирующее устройство 92, подключенное между входным узлом 94 и выходным узлом 96, модулируется в ответ на управляющее устройство 100.
Цепь 90 стабилизатора тока, представленная на фиг.6, в некотором роде аналогична классическому стабилизатору тока с полевым транзистором, который можно найти в низковольтных источниках питания. Проблема, решаемая цепью 90 стабилизатора тока, заключается в том, что нет твердотельных или обыкновенных устройств на вакуумных лампах, которые способны работать в режимах напряжений или токов, рассматриваемых для этой конструкции. Соответственно, главное модулирующее устройство 92 предпочтительно является управляемой электронной лампой автоэлектронной эмиссии с холодным катодом, имеющей структуру триода, тетрода или пентода. Главное модулирующее устройство 92 может иметь геометрическую структуру, показанную на фиг.15, и как далее описывается в вышеупомянутом патенте США 4,950,962. Альтернативно, главное модулирующее устройство 92 может содержать высоковольтное полупроводниковое устройство, такое как тиристор. Управляющее устройство 100 может реализовываться тем же образом, что и главное модулирующее устройство 102, чтобы уменьшать разнообразие требуемых составляющих, или может быть реализовано с помощью устройства с относительно меньшими требованиями к напряжению и току.
В цепи стабилизатора тока, представленной на фиг.6, следующее описание работы предполагает источник положительного напряжения на входном узле 94. Резистор 98 устанавливает напряжение смещения для решетки главного модулирующего устройства 92, показанного как первая электронная лампа, которая работает как последовательный стабилизатор тока. Главное модулирующее устройство 92 функционально аналогично полевому транзистору в этой цепи.
[000054] Ток, текущий от модулирующего устройства 92, течет через шунтирующий резистор 102, чтобы создавать напряжение на таком резисторе. Это напряжение подается через делитель напряжения, состоящий из первого и второго резисторов 104 и 106 делителя напряжения, соответственно. Управляющее устройство 100 для главного модулирующего устройства 92 предпочтительно является второй электронной лампой, используемой как управляющая лампа, и может быть лампой автоэлектронной эмиссии с холодным катодом. Решетка управляющего устройства 100 соединена с сочленением первого и второго резисторов 104 и 106 делителя напряжения. Управляющее напряжение прикладывается к другой стороне резистора 104, то есть к узлу 108. Соотношение между напряжением шунтирующего резистора 102 и опорным напряжением, создаваемым резистивным делителем напряжения на узле 108, определяет степень проводимости управляющего устройства 100, которое, в свою очередь, контролирует проводимость главного модулирующего устройства 92. Конденсатор 110 устанавливает временную постоянную с резистором 104, чтобы гарантировать, что цепь остается в проводимости вплоть до точки перехода через нуль. Путем настройки величин опорного напряжения на узле 108 и величин сопротивления делителя напряжения, образованного их резисторов 104 и 106, могут реализовываться различные режимы стабилизации тока.
Воздействие излучением на объект 12
[000055] Обращаясь снова к фиг.1, в предпочтительном варианте осуществления предоставлен зондирующий сигнал 16, который одновременно содержит электромагнитное излучение достаточной ширины полосы пропускания в диапазоне приблизительно от 10 ГГц до приблизительно 25 ТГц, чтобы позволять одновременное обнаружение нескольких сигналов на нескольких частотах, при этом каждый сигнал имеет некоторую амплитуду, которые совместно предоставляют уникальную спектральную сигнатуру материала, обнаружение которого является желательным. Этот ЭМ пучок 16 предпочтительно имеет настолько низкую мощность, насколько возможно, одновременно поддерживая желаемое соотношение сигнала к шуму, и обычно ниже пяти ватт. Цилиндрический улучшенный магнитно-изолированный линейный осциллятор Смита-Перселла (CSP-MILO) 30 (фиг.2), как описано выше, является предпочтительным источником, поскольку он удовлетворяет требованиям по частоте и выходу, как определено выше. Обращаясь снова к фиг.5, как упомянуто выше, выходной пучок является предпочтительно полностью или частично коллимированным, или сфокусированным, внеосевым параболическим рефлектором 54.
Обнаружение наличия и количества несвойственного или присущего материала
[000056] Обращаясь к фиг.1, обнаружение наличия и количества несвойственного или присущего материала предпочтительно осуществляется с помощью системы 20 обнаружения, использующей пироэлектрический детектор. Хотя в это изобретение можно включить регистрацию изображений, в предпочтительном варианте осуществления это не делается из уважения к преобладающему мнению относительно инвазивной и агрессивной природы проверки людей на несвойственные материалы. Преобладающее мнение против формирования изображения человеческого тела неоднократно наблюдались на текущем уровне техники при тестировании и использовании устройств формирования изображения для проверки на основе миллиметровых волн. Устранение функции формирования изображения в предпочтительном варианте осуществления устраняет вышеуказанную озабоченность общественности. Кроме того, реализация возможности спектроскопического обнаружения предоставляет оператору значительно более полезную информацию. Кроме того, уровни как ошибочно положительных, так и ошибочно отрицательных результатов при использовании спектроскопического обнаружения уменьшаются.
[000057] Предпочтительный вариант осуществления содержит систему 20 обнаружения (фиг.1), сделанную из квантового ферроэлектрического (QFE) материала. QFE детекторы являются широкополосными и способны работать при комнатной температуре. QFE детекторы отличаются от обычных детекторов тем, что падающие фотоны при температурах, выше температуры фотокатода детектора представлены как положительные заряды, тогда как фотоны при температурах, ниже температуры фотокатода, представлены как отрицательные заряды. Единственное место в спектре, где QFE детектор не работает, когда падающие фотоны такой же температуре, что и фотокатод. Температура фотокатода может изменяться нагреванием или охлаждением небольшого количества, чтобы сдвигать эту нулевую зону. Типичным QFE материалом является тонкая пленка из поливинилиденфторида (PVDF). PVDF производится под торговыми марками KYNAR и HYLAR. KYNAR PVDF - это, например, продукт компании Arkema, Inc. из Филадельфии, штат Пенсильвания, США, a HYLAR PVDF - это, например, продукт компании Solvay Chemical S.A. из Брюсселя, Бельгия. Выбор подходящего детектора будет очевиден специалисту в данной области техники на основании настоящего описания.
Параллельная спектроскопия
[000058] Фиг.9 представляет собой изображение спектроскопа 120 с последовательного режима в соответствии с текущем уровнем техники, а фиг.10 представляет собой изображение спектроскопа 122 параллельного режима, предпочтительно используемого в изобретении. В спектроскопе 120 последовательного режима, представленном на фиг.9, проверяемый объект 12 подвергается последовательному сканированию в диапазоне частот, как указано стрелками 124. Блок 127 обозначает функции обнаружения модифицированного сигнала, обработки сигнала и отображения. Однако использование спектроскопа 120 последовательного режима влечет за собой низкую скорость получения и обработки данных. Для того чтобы увеличить скорость получения и обработки данных, чтобы сделать изобретение более практичным и дешевым в использовании, желательно конвертировать данные, полученные из сканирования проверяемого объекта 12, в параллельный формат в процессе обработки сигнала настолько рано, насколько возможно; это позволяет параллельно производить больше математически трудоемких операций. Это указано на фиг.10 стрелками 128, которые обозначают освещение (или сканирование) проверяемого объекта 12 всеми или многими частотами зондирующего излучения одновременно. Это значительно ускоряет спектроскопический способ и позволяет представлять данные в трехмерном состоянии на оптический коррелятор 24, представленный на фиг.1, для обработки сигнала, обозначенной на фиг.10 как «SIGNAL PROC.» 24. Под «трехмерным состоянием» подразумевается, что данные представляются как массив или матрица, где каждая точка имеет целочисленное представление амплитуды выхода детектора в ответ на зондирующий сигнал. Да льнейшее определение «трехмерного состояния» изложено ниже. Другая причина, по которой спектроскопия в параллельном режиме является существенно более быстрой, чем обычная спектроскопия в последовательном режиме, в контексте изобретательского варианта осуществления заключается в чрезвычайно большой ширине пропускания оптического коррелятора 24 (фиг.1), применяемого в предпочтительном варианте осуществления. Как известно специалистам в данной области техники, процессоры оптических сигналов, такие как оптический коррелятор 24 (фиг.1), являются быстрыми по своей природе и, следовательно, широкополосными. Выбор конкретной ширины полосы пропускания для освещения объекта 12 зависит от конкретных искомых несвойственных или присущих материалов, как будет понятно из настоящего описания специалисту в данной области техники.
[000059] Оптические процессоры с параллельным режимом (например, 24, фиг.1) имеют типичное время производительности вход-выход для сложных корреляционных операций порядка от 2 до 20 наносекунд. Это - общее время, требующееся для полной корреляционной операции. Производительность в конечном итоге ограничивается скоростью, с которой данные могут вводиться на входной пространственный модулятор света (SLM) (не показан на фиг.1) оптического корреляционного процессора 24. Современная электроника позволяет выполнять тысячи корреляционных операций за время порядка секунд, таким образом предоставляя более чем достаточно времени для сканирования, например, на все известные угрозы, плюс сканирование на запрещенные материала и определенное число патогенов, включая без ограничения вирусы, бактерии, белки, прионы, грибы, споры, которые распространяются переносом по воздуху.
Флуоресцентный режим
[000060] Спектроскоп 122 параллельного режима, показанный на фиг.10, работает в режиме поглощения. В дополнение к использованию спектроскопа параллельного режима, работающего в режиме поглощения, можно возбуждать проверяемый объект 12, как показано на фиг.11, излучением 132 в той же полосе, но на специфической частоте f1, известной как вызывающая вторичное резонансное излучение 134 на частоте f2, если присутствует несвойственный или присущий материал с такой известной резонансной частотой. Эта реакция создает вторичное излучение 134 электромагнитной энергии с известными характеристиками, идентификация и обнаружение которых обеспечивает более упрощенный анализ данных. Это похоже на обычную флуоресцентную спектроскопию, но выполняется на более низкой частоте, чем с общепринятым оптическим эквивалентом.
[000061] Стимулирующий (или зондирующий) сигнал может быть или узкополосным, или на или около точной резонансной частоты несвойственных материалов, на которые осуществляется проверка, или может быть широкополосным сигналом, который также будет создавать желаемый вторичный (т.е, стимулированный) выход при наличии упомянутого несвойственного материала в проверяемом объекте 12. Эти зондирующие сигналы могут быть сгенерированы CSP-MILO устройством 30, представленным на фиг.2, в предпочтительном варианте осуществления или другими известными радиочастотными источниками надлежащей частоты и выходной мощности.
Трехмерное представление данных
[000062] В предпочтительном варианте осуществления данные подаются параллельно от точек в системе 30 обнаружения (фиг.1) на соответствующие буферы в массиве 136 хранения двухмерных матричных данных, где каждая точка в таком массиве хранения двумерных матричных данных содержит эквивалент числового значения для силы сигнала, полученного соответствующей точкой в детекторе. Также можно передавать данные параллельно-последовательно-параллельным образом, хотя это и не так эффективно, как предпочтительный вариант осуществления.
[000063] Каждое место хранения данных в массиве 136 хранения двумерных матричных данных способно содержать значение в диапазоне от 0 до x, где x - это целое, равное динамическому диапазону системы. Распределение данных может быть или растровым, или зигзагообразным. Значение каждого буфера является представлением амплитуды сигнала от детектора на данной выборочной частоте. Данные, отформатированные таким образом, называются «синтезированным изображением». Синтезированное изображение не имеет распознаваемых признаков изображения, может считываться только машиной, и представляется человеческому глазу как X-Y решетка квадратов различных оттенков серого или различного цвета (другой возможный способ кодирования). Фиг.12 представляет собой изображение 136 матричного представления синтезированного изображения, при этом каждая ячейка содержит числовое значение, которое находится на частоте, такой как f1, f2, * * * fn. Как понятно из вышеприведенного объяснения, каждая ячейка в матрице 136 может создаваться так, чтобы казаться человеческому глазу как имеющая различные оттенки серого или некоторого цвета.
Оптический коррелятор
[000064] Процессор 24 оптической корреляции, представленный на фиг.1, может быть представлен аналоговым оптическим коррелятором 140, описанным в отношении фиг.13. Аналоговый оптический коррелятор - это устройство для сравнения двух сигналов путем использования свойства преобразования Фурье линзы. Он используется для отслеживания цели и идентификации в системах наведения ракет. Он имеет преимущество обладания видимой шириной полосы пропускания, которая значительно выше, чем ее электронный аналог.
[000065] Хотя математическая работа, выполняемая аналоговыми оптическими корреляторами и электронными корреляторами, в значительной мере одинакова, их физические реализации сильно отличаются. Электронный коррелятор состоит из обычной электронной схемы, установленной на печатных платах. Напротив, аналоговый оптический коррелятор, такой как показан в 140 на фиг.13, содержит линзы 142, 144 и 146, зеркала 148 и 150, поляризующие делители пучка 152 и 154 и электрооптические устройства, такие как входной пространственный модулятор 156 света (SLM). Вышеупомянутые составляющие используются в переходе из электронной области, посредством входного пространственного модулятора 156 света SLM, в оптическую область и обратно в электронную область посредством камеры 158 устройства с зарядовой связью (CCD). Аналоговый оптический коррелятор 140 также содержит источник 160 света с меняющейся длиной когерентности, ловушку 162 пучка и монохроматизирующий спектральный фильтр 164.
[000066] В качестве общего фона, аналоговый оптический коррелятор имеет входной сигнал, который преобразовывается некоторой фильтр-функцией в пространстве Фурье. Пример фильтра в пространстве Фурье - это согласованный фильтр, как представляемый аналоговому оптическому коррелятору 140 пространственным модулятором 155 света. Такой согласованный фильтр в пространстве Фурье кросс-коррелирует сигнал фильтра в 155 с входным синтезированным изображением (например, 138, фиг.12), подаваемым на коррелятор 140 на входном пространственном модуляторе 156 света. Корреляционный процесс рассматривается следующим образом.
[000067] Отмечается, что матрица данных, как определяется в данном документе, упоминается как трехмерная матрица. Однако в следующих математических уравнениях матрица данных показана как двумерный элемент [(x,y)]. Это из-за того, что математические уравнения в данном документе не показывают значение амплитуды для каждого элемента (x,y).
[000068] Кросс-корреляция c(x,y) двумерного сигнала i(x,y) с h(x,y) представляет собой:
c(x,y)=i(x,y)⊗h*(-x, -y)
Это можно переписать в пространстве Фурье как -
С(ξ,η)=I(ξ,η)Н*(-ξ, -η)
где заглавные буквы обозначают преобразование Фурье строчной буквы. Таким образом, корреляция затем может быть рассчитана путем применения обратного преобразования Фурье к результату.
[000069] В соответствии с дифракционной теорией Френеля двояковыпуклая линза с фокусным расстоянием f будет производить точное преобразование Фурье на расстоянии f за линзой объекта, размещенного на расстоянии f перед линзой. Для того чтобы преобразовать комплексные амплитуды, источник света должен быть когерентным и, как правило, из лазера. Входной сигнал в виде цифрового фильтра обычно записывают в пространственный модулятор света ("SLM") (например, 156, фиг.13). Оптическая корреляция, выполняемая лазером как источником света, имеет определенные недостатки, к которым относится образование артефактов и ложных сигналов вследствие высокой длины когерентности лазеров. Предпочтительно использовать источник 160 света частичной длины когерентности, предпочтительно регулируемый так, чтобы оптимальная длина когерентности могла быть установлена для конкретной системы.
[000070] Аналоговый оптический процессор 140, представленный на фиг.13, работает следующим образом. Входной сигнал электронным способом записывают в первый SLM 156, расположенный на входной плоскости, при этом такая плоскость освещается источником света (не показан) надлежащей длины когерентности. Входная плоскость отображается на плоскости Фурье двояковыпуклой линзой 142, где расстояния от плоскости изображения до такой линзы и от такой линзы до плоскости Фурье равны фокусному расстоянию такой линзы 142. Второй SLM 155 расположен на плоскости Фурье, при этом такой SLM является динамическим согласованным фильтром, который выборочно удаляет информацию из входа на основании характеристик Фурье такого согласованного фильтра. Получающийся сигнал претерпевает преобразование Фурье посредством второй линзы 144, расположенной на расстоянии, равном фокусному расстоянию линзы 144. Получающийся сигнал снова претерпевает преобразование Фурье, производя обратное преобразование плоскости Фурье, и выход линзы 144 отображается в CCD камере 158, которая расположена на расстоянии, вдвое большем фокусного расстояния линзы 144. Получающееся изображение, сформированное на CCD камере 158, является входным изображением, преобразованным согласованным фильтром. Линза 146 предоставляется, чтобы фокусировать модулированный коллимированный свет, приходящий от линзы 144, в CCD камеру 158.
[000071] Как показано на фиг.13, процессор 140 оптической корреляции имеет свой оптический путь, преломленный тремя зеркалами 148, 149 и 150 и двумя поляризующими делителями пучка 152 и 154. Первый делитель пучка 152 может быть кубом и выполняет двойственные функции преломления оптического пучка и одновременной его поляризации. Второй делитель пучка 154 содержит SLM фильтр 155 Фурье, оптически связанный с одной поверхностью куба второго делителя пучка 154. Эта конфигурация позволяет комбинации куба 154 второго делителя пучка и второго SLM 155 действовать и как преломляющее зеркало, и как активный фильтр Фурье. Второй SLM 155 может быть оптически связан со вторым делителем пучка 154, если такой делитель пучка является кубом. Альтернативно, второй SLM 155 может быть непосредственно образован на соответствующей поверхности куба 154 делителя пучка. Первое, второе и третье зеркала 148, 149 и 150 являются монохроматическими диэлектрическими стековыми зеркалами и используются для преломления пучка.
[000072] Источник света 160 с меняющейся когерентностью предоставлен, чтобы позволять регулировать длину когерентности осветительного луча до желаемого значения для оптимальной производительности корреляции. Требование длины когерентности изменяется с конкретными значениями, выбранными для процессора оптической корреляции, но обычно находится в диапазоне от 0,25 мм до 10 мм.
[000073] Входной SLM 156 в траектории пучка перед вторым делителем пучка 154 позволяет вводить в оптический коррелятор 140 синтезированное изображение 138 (фиг.12), полученное из данных, взятых из проверяемого объекта 12. Фильтр 155 Фурье на втором делителе пучка 154 снабжается другими синтезированными изображениями 138 (фиг.12) из эталонной библиотеки, которая предпочтительно хранится в главном компьютере 26 (фиг.1). Эта библиотека содержит синтезированные изображения 138 (фиг.9) каждой угрозы или другого несвойственного материала или присущего материала, подлежащего анализу. Эталонная библиотека может содержать данные только о несвойственном материале, только о присущем материале или о сочетании несвойственного и присущего материала.
[000074] Выход процессора оптической корреляции направляется в CCD камеру 158, которая преобразовывает оптический сигнал обратно в электронный сигнал для использования главным компьютером 26 (фиг.1) для операции пороговой классификации, описанной ниже. Предпочтительно, в системе 10 (фиг.1) настоящие изображения проверяемого объекта не формируются с целью защиты конфиденциальности проверяемого объекта, когда объект является человеком, а также чтобы удержать издержки системы в разумных пределах. Но можно добавить функцию формирования изображения, которая будет предоставлять изображение с обнаруженными несвойственными или присущими материалами, наложенными на изображение.
[000075] Система 10, как описано, предоставляет возможность выполнения множества операций Фурье, что включает исключение материалов, которые не являются несвойственными или которые не являются присущими для проверяемого объекта.
[000076] Хотя вышеуказанный оптический коррелятор 140, представленный на фиг.13, является предпочтительным, могут быть использованы корреляторы, использующие другие технологии. Например, к подходящим корреляторам относятся те, что используют цифровой компьютер, и те, что используют программно-аппаратное обеспечение.
Субтрактивная обработка сигнала
[000077] Одна проблема, которая встречается в настоящем типе обработки сигналов, является наличием информации, которая не относится конкретно к обнаружению несвойственных материалов или присущих материалов, и таким образом составляет шумовой компонент. Для того чтобы устранить такой шум, можно вычесть спектры непосредственно связанные с такими шумовыми компонентами, чтобы упростить остающийся набор данных. В данном документе это называется «субтрактивная обработка сигнала», которая является способом, при помощи которого один набор данных вычитается на поточечной основе из второго набора данных. Например, при проверке или анализе объекта на несвойственный материал набор данных, содержащий спектральную информацию об исключительно присущем материале в объекте, вычитается из набора данных, который объединяет информацию о присущем материале в объекте и любом связанном несвойственном. Результатом этого процесса являются спектры только любого связанного несвойственного материала, содержащегося в изначальном эталонном наборе данных.
Операция пороговой классификации
[000078] Когда корреляционный пик(и) полностью обработанных данных получен, как описано выше, желательно сравнить их амплитуды с амплитудами, содержащимися в эталонных спектрах в библиотеке сигнатур. Любой пик, превосходящий заданный уровень, будет вызывать указание на интерфейсе оператора.
[000079] Наличие множественных пиков может отображаться образом, аналогичным способу обработки отдельных пиков. Фиг.14 представляет собой изображение графика, описывающего операцию пороговой классификации. Как показано на фиг.14, условия пороговой классификации выполняются, если сигнал находится, по меньшей мере, выше уровня «MUST BE ABOVE», который является примерным указанием для обыска объекта другими способами, например вручную. Сигнал получает дополнительный вес, если он находится, по меньшей мере, выше уровня «SHOULD BE ABOVE», который является примерным указанием на то, что объект следует изъять, поскольку он может определенно содержать несвойственный материал, например. Таким образом, сигнал ((MUST BE ABOVE» указывает на вероятное наличие несвойственного или присущего материала, тогда как сигнал «SHOULD BE ABOVE» указывает на определенное наличие несвойственного или неожиданно малое количество присущего материала.
[000080] Способы пороговой классификации, отличные от показанных на фиг.14, могут быть использованы при желании.
Предоставление результатов обнаружения
[000081] Результаты вышеописанного определения наличия несвойственного материала могут быть использованы различными способами. Например, результаты могут предоставляться человеку-оператору или представляться вторичной системе для совершения автоматизированного корректирующего воздействия.
[000082] Существует ряд возможных техник интерфейса оператора, которые могут быть применены к текущему изобретению. Эти техники варьируются от простой сигнальной лампочки, указывающей, что требуется более пристальное внимание к этому конкретному проверяемому объекту, до набора лампочек, указывающих на наличие конкретных несвойственных материалов, представляющих интерес, до цифрового отображения количеств конкретных несвойственных материалов, представляющих интерес, до графического отображения полного спектра. Или же результаты могут быть представлены во вторичную систему в полностью автоматизированном интерфейсе на машинном уровне. Выбор техники интерфейса меняется с конкретной причиной для использования этой системы, уровнем квалификации оператора, и т.д.
[000083] Фиг.15 представляет собой изображение нескольких возможных панелей управления интерфейса оператора. На фиг.16 показаны пять потенциальных интерфейсов для человека-оператора. Фиг.15 показывает самую простую версию. Она содержит только две главных сигнальных лампочки, «Pass» (пропустить) и «Search» (досмотреть). При проверке на несвойственный материал горящая сигнальная лампочка «Pass» указывает, что проверяемый объект не содержит никакого несвойственного материала. При проверке на присущий материал горящая сигнальная лампочка «Pass» указывает, что имеется приемлемое количество присущих материалов. Если горит сигнальная лампочка «Search», проверяемый объект следует подвергнуть пристальному досмотру.
[000084] Изображение на фиг.16 немного более сложное. Оно содержит четыре главные сигнальные лампочки: Explosives (взрывчатые материалы), Contraband (запрещенные материалы), Disease (заболевание) и Pass (пропустить). Эта версия ориентирована конкретно на применение при проверки пассажиров, хотя возможны и другие применения. Функция Pass на фиг.15 и 16 аналогична. Три сигнальных лампочки (для взрывчатых материалов, запрещенных материалов и заболеваний) светятся, если обнаруживаются какие-либо несвойственные материала, попадающие под эти описания. Очевидно, что любая из этих категорий могла бы быть любым химическим материалом, и что количество сигнальных лампочек для этой функции тремя не ограничивается.
[000085] Фиг.17 представляет собой изображение расширения конструкции, представленной на фиг.16. Здесь добавляются алфавитно-цифровые дисплеи для указания на то, какой конкретный несвойственный материал обнаружен в каждой категории.
[000086] Фиг.18 распространяется модель, представленную на фиг.17. Она добавляет дисплеи, которые предоставляют численные оценки количества данного обнаруженного несвойственного материала.
[000087] Фиг.19 представляет собой изображение совершенно другого подхода к интерфейсу человека-оператора. Он спроектирован для опытного оператора, который обучен распознавать конкретные спектры широкого диапазона несвойственных материалов. Этот дисплей сравним с дисплеем обычного лабораторного спектроскопа и непосредственно отображает спектр.
[000088] Очевидно, что для интерфейса человека-оператора возможны многие другие вариации и комбинации. Эта функция приспосабливается так, чтобы соответствовать уровню компетенции оператора и конкретным условиям задачи проверки.
Сравнение с известным материалом в режиме анализа присущего
[000089] Хотя некоторые аспекты вышеприведенного описания акцентировали внимание на определении наличия и количества несвойственного материала, например, другой признак изобретения состоит в том, чтобы сравнивать проверяемый объект с известным объектом, в котором отсутствует несвойственный материал. В этом отношении желательно быть в состоянии определять количества материалов, присущих объекту, при проверке или анализе объектов-образцов, поскольку существует множество ситуаций, когда нет априорных знаний о потенциальном наличии несвойственных материалов, что делает их поиск трудным, если не невозможным. Однако, если имеются априорные знания о точном количестве присущего материала, сигнал, который не соответствует этому критерию успешно, логически означает наличие несвойственного материала, даже несмотря на то, что система не может конкретно идентифицировать, чем является несвойственный материал. В этом контексте соответствие сигналов определяется операцией пороговой классификации, как описано выше.
[000090] В качестве примера вышеописанного признака способа можно сравнить проверяемый лекарственный объект с эталонным лекарством из известного активного лекарственного ингредиента, чтобы посмотреть, соответствует ли активный лекарственный ингредиент проверяемого объекта ингредиенту эталонного лекарства.
[000091] В вышеупомянутом сравнении, для лучшей точности, как состав, так и вес активного лекарственного ингредиента лекарственного объекта сравнивают с эталоном. Однако сравнение только состава активного лекарственного ингредиента объекта может также быть полезным, хотя возможно с меньшей точностью. Хотя этот подход не обеспечивает конкретной информации относительно природы любого отклонения от идеального соответствия проверяемого объекта и эталонного объекта, самого отклонения по составу или по составу и количеству достаточно, чтобы поднять тревогу или другим образом указать на отклонение. В этом контексте «идеальное соответствие» находится в пределах производственного допуска проверяемого объекта. Этот уровень проверки может проводиться с очень высокими скоростями, соответствующими современным технологиям производственных линий. Например, лекарственный объект, который не проходит проверку на соответствие эталонному объекту, может затем быть подвергнут другим способам анализа, чтобы конкретно определять причину отклонения, такую как включение несвойственного материала. Это может осуществляться с помощью системы 10, представленной на фиг.1, путем анализа на несвойственный материал. Подобные способы могут применять к другим присущим материалам.
Режим одновременного анализа
[000091] Дальнейшее расширение вышеописанной концепции сравнения проверяемого объекта с известным эталонным объектом предусматривает одновременный анализ как на присущие, так и на несвойственные материалы.
Режим последующего анализа
[000093] Дальнейшее расширение вышеописанной концепции сравнения проверяемого объекта с известным эталонным объектом начинается с выполнения такого сравнения, которое подробно описано в «Сравнении с известным материалом в режиме анализа присущего». Если определено, что проверяемый объект отклоняется от известного эталонного объекта, то предпринимается последующий анализ путем изменения рабочего режима изобретательского устройства, чтобы затем анализировать на конкретные несвойственные материала.
Обучающий режим работы для эталонной библиотеки
[000094] Иногда желательно добавлять данные для других материалов в эталонную библиотеку. Это может происходить или когда система 10 (фиг.1) впервые приступает к работе после создания или в любой другой момент, когда нужно добавить дополнительные данные для других материалов в библиотеку. Наиболее быстрый способ создания новых данных библиотеки следующий: эталонный образец материала подвергается воздействию зондирующего излучения в системе 10, представленной на фиг.1. Выход берут непосредственно их матричных данных 136 (фиг.1 и 12) и вводят в библиотеку главным компьютером 26 (фиг.1). Хотя имеются другие способы получения аналогичного конечного результата, вышеупомянутый способ является предпочтительным.
[000095] Следующий список номеров ссылок графических материалов содержит три колонки. Первая колонка содержит номера ссылок графических материалов; вторая колонка определяет составляющие, связанные с номерами ссылок; и третья колонка упоминает предпочтительный материал (если применимо) для составляющих.
| # | Элемент | Предпочтительный материал |
| 10 | Система | Различный |
| 12 | Объект | Различный |
| 14 | Источник зондирующего излучения | Различный |
| 16 | ЭМ-излучение | ЭМ-излучение |
| 18 | Излучение | ЭМ-излучение |
| 20 | Система обнаружения | QFE материал |
| 24 | Оптический коррелятор | Различный |
| 26 | Главный компьютер и дисплей | Различный |
| 30 | CSP-MILO | Электронная лампа |
| 34 | Расположение | Электронный пучок и плоская решетка |
| 36 | Расположение | Электронный пучок и цилиндрическая решетка |
| 38 | Цилиндрическая решетка | Проводящий металл |
| 40 | Дрейфовая трубка | Проводящий металл |
| 42 | Катод | Углерод |
| 44 | Решетка | Проводящий металл |
| 46 | Электронная пушка с блуждающей волной (TWEG) | Углерод и металл |
| 48 | Анод | Проводящий металл |
| 50 | Окно | Материал, пропускающий РЧ |
| 52 | Пучок | ЭМ-излучение |
| 54 | Рефлектор | Проводящий металл |
| 56 | Секция резонатора | Проводящий металл |
| 60 | Интервал | н/д |
| 62 | Плоский угол | н/д |
| 90 | Цепь стабилизатора тока | Электрическая цепь |
| 92 | Главное модулирующее устройство | Электронная лампа |
| 94 | Входной узел | Элемент цепи |
| 96 | Выходной узел | Элемент цепи |
| 98 | Резистор | Элемент цепи |
| 100 | Управляющее устройство | Электронная лампа |
| 102 | Шунтирующий резистор | Элемент цепи |
| 104 | Резистор | Элемент цепи |
| 106 | Резистор | Элемент цепи |
| 108 | Узел | Элемент цепи |
| 110 | Конденсатор | Элемент цепи |
| 120 | Спектроскоп последовательного режима | Различный |
| 122 | Спектроскоп параллельного режима | Различный |
| 124 | Стрелки | н/д |
| 127 | Блок | Различный |
| 128 | Стрелки | н/д |
| 132 | Излучение | ЭМ-излучение |
| 134 | Вторичное резонансное излучение | Флуоресцентное излучение |
| 136 | Массив хранения двухмерных матричных данных | Электроника |
| 138 | Синтезированное изображение | Цифровые данные |
| 140 | Оптический коррелятор | Различный |
| 142 | Линза | Как правило, стекло |
| 144 | Линза | Как правило, стекло |
| 146 | Линза | Как правило, стекло |
| 148 | Зеркала | Как правило, диэлектрические слои |
| 149 | Зеркала | Как правило, диэлектрические слои |
| 150 | Зеркала | Как правило, диэлектрические слои |
| 152 | Поляризующий делитель пучка | Как правило, стекло и диэлектрические слои |
| 154 | Поляризующий делитель пучка | Как правило, стекло и диэлектрические слои |
| 155 | Фильтр Фурье | Электрооптическое устройство |
| 156 | Входной пространственный модулятор света (SLM) | Электрооптическое устройство |
| 158 | Устройство с зарядовой связью (СCD) | Электрооптическое устройство |
| 160 | Источник света с меняющейся длиной когерентности | Электрооптическое устройство |
| 162 | Ловушка пучка | Различный |
| 164 | Спектральный фильтр | Как правило, диэлектрические слои на стекле |
[000096] Вышеупомянутое описывает спектроскопические способ и систему, способные работать близко к реальному времени, с целями проверки, наподобие описанных выше. Шестью описанными режимами работы являются: (1) режим анализа или проверки несвойственного материала; (2) режим анализа или проверки присущего материала; (3) последовательные режимы работы изобретательской системы; (4) одновременный режим работы для анализа или проверки как на присущие, так и на несвойственные материалы; (5) флуоресцентный режим; и (6) режим обучения для получения библиотеки матричных данных для использования при сканировании последующих объектов.
[000097] Хотя изобретение было описано на примере относительно конкретных вариантов осуществления, специалистам в данной области техники будут очевидны много модификаций и изменений. Например, система сложности текущего изобретения будет иметь несколько режимов работы в дополнении к различным режимам, описанным выше. Следовательно, нужно понимать, что прилагаемая формула изобретения предназначена охватывать все такие модификации и изменения, которые попадают в истинный объем и идею изобретения.
1. Способ для обнаружения одного или обоих из присущего материала и несвойственного материала с помощью спектроскопии в параллельном режиме, применительно к объекту, содержащему присущий материал и потенциально содержащему несвойственный материал, включающий:
a) получение данных в параллельном режиме, включающее:
i) формирование зондирующего сигнала, одновременно содержащего электромагнитное излучение;
ii) воздействие на указанный объект и любой связанный несвойственный материал указанным зондирующим сигналом для способствования взаимодействию между указанным сигналом и указанным объектом и любым связанным несвойственным материалом; и
iii) обнаружение модифицированного сигнала, получающегося из взаимодействия указанного зондирующего сигнала с объектом и любым связанным несвойственным материалом;
iv) указанный зондирующий сигнал, одновременно содержащий электромагнитное излучение достаточной ширины полосы пропускания в диапазоне приблизительно от 10 ГГц до приблизительно 25 ТГц для обеспечения одновременного обнаружения модифицированного сигнала на нескольких частотах, при этом модифицированный сигнал имеет соответствующие амплитуды на разных частотах, которые совместно предоставляют уникальную спектральную сигнатуру материала, обнаружение которого является желательным;
b) обработку сигнала и сокращение данных, включающие:
i) обработку указанного модифицированного сигнала для предоставления точек данных, полученных в результате указанного обнаружения модифицированного сигнала, в соответствующие буферы в представлении массива хранения двумерных матричных данных, по меньшей мере, любого несвойственного или присущего материала, связанного с объектом, при этом каждая точка массива хранения двумерных матричных данных содержит соответствующее представление амплитуды модифицированного сигнала на данной выборочной частоте;
ii) предоставление эталонной библиотеки данных, представляющих известные химические или биологические материалы, вызывающие интерес;
iii) использование корреляционного способа, чтобы сравнивать указанную матрицу данных с указанной эталонной библиотекой, после указанной обработки указанного модифицированного сигнала и указанного предоставления эталонной библиотеки данных; и
c) предоставление результатов предшествующего сравнения путем указания вероятности присутствия несвойственного материала или присущего материала при достижении или превышении связанным корреляционным пиком, полученным указанным корреляционным способом, порогового уровня и путем указания вероятности отсутствия несвойственного или присущего материала при недостижении связанным корреляционным пиком, полученным указанным корреляционным способом, указанного порогового уровня.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что корреляционный способ включает использование оптического коррелятора в параллельном режиме.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработка сигнала и сокращение данных включает определение достижения какими-либо созданными корреляционными пиками достаточного уровня для указания на наличие и количество несвойственного или присущего материала, связанного с указанным объектом.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что:
a) эталонная библиотека данных представляет объект известного состава и веса;
b) обработка сигнала и сокращение данных включает определение соответствия указанного массива хранения двухмерных матричных данных эталонной библиотеке данных относительно состава; и
c) предоставление результатов предшествующего определения.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что обработка сигнала и сокращение данных включают определение соответствия указанного массива хранения двухмерных матричных данных эталонной библиотеке данных относительно как состава, так и веса.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что эталонная библиотека данных касается только присущего материала.
7. Способ по п.5, отличающийся тем, что эталонная библиотека данных содержит множество данных как о несвойственных, так и об известных материалах, предусматривая несколько рабочих режимов.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает игнорирование материалов, присущих указанному объекту.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что зондирующий сигнал одновременно содержит электромагнитное излучение достаточной ширины полосы пропускания в диапазоне приблизительно от 10 ГГц до 25 ТГц для предоставления возможности одновременного обнаружения модифицированного сигнала на нескольких частотах, совместно покрывающих резонансные частоты ожидаемых несвойственных или присущих материалов.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное формирование зондирующего сигнала электромагнитного излучения осуществляют путем пропускания электронов через дрейфовую трубку, расположенную в объемном резонаторе магнитно-изолированного линейного осциллятора, при этом цилиндрическая ось дрейфовой трубки находится на одной линии между электронной пушкой и анодом указанного осциллятора, и при этом дрейфовая трубка содержит цилиндрическую решетку, расположенную на внутренней поверхности дрейфовой трубки.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что:
a) указанная обработка указанного результирующего сигнала включает обработку указанного результирующего сигнала для получения представления массива хранения двухмерных матричных данных комбинированного химического состава объекта и любых связанных несвойственных или присущих материалов; и
b) также включает использование способа субтрактивной обработки сигналов для извлечения спектра или спектров, вызывающих интерес, из широкополосного зондирующего сигнала, содержащего информацию об объекте и любом связанном несвойственном или присущем материале.
12. Способ по п.1, отличающийся тем, что:
a) зондирующий сигнал содержит резонансный зондирующий сигнал, который возбуждает уникальную известную вторичную реакцию со стороны одного или более конкретных химических материалов, соответствующих одному или обоим из указанного присущего материала и указанного несвойственного материала при присутствии одного или обоих из указанных материалов, при этом указанная вторичная реакция обеспечивает излучение электромагнитной энергии, обладающей известными характеристиками; и
b) указанное обнаружение включает обнаружение указанной вторичной реакции.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ приспособлен к проверке на присущий материал.
14. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные обработка сигнала и сокращение данных дополнительно включают анализ модифицированного сигнала только на конкретных частотах, которые касаются флуоресцентного излучения указанного материала.
15. Способ по п.1, отличающийся тем, что режим обучения для эталонной библиотеки возможен путем извлечения данных непосредственно из указанного массива хранения двухмерных матричных данных и ввода их в указанную эталонную библиотеку.
16. Способ по п.1, отличающийся тем, что соответствующее представление является оттенком серого или одного из диапазона варьирующихся цветов.
17. Система для получения электромагнитного излучения, усовершенствованная за счет цилиндрической структуры Смита-Парселла, содержащая:
a) магнитно-изолированный линейный осциллятор, содержащий катод электронной пушки, расположенной на расстоянии от анода, с объемным резонатором, расположенным между электронной пушкой и указанным анодом; и
b) дрейфовую трубку, расположенную в указанном объемном резонаторе, при этом цилиндрическая ось дрейфовой трубки находится на одной линии между указанной электронной пушкой и указанным анодом; при этом
c) дрейфовая трубка усовершенствована за счет наличия цилиндрической решетки со структурой Смита-Парселла, расположенной на внутренней поверхности дрейфовой трубки; и
d) ограничитель тока, предназначенный для ограничения тока в указанный катод, содержащий:
i) главное модулирующее устройство для модуляции тока, подаваемого в указанный катод, при этом указанное главное модулирующее устройство содержит электронную лампу автоэлектронной эмиссии с холодным катодом; и
ii) управляющее устройство, соединенное со шлюзом главного модулирующего устройства; при этом
iii) управляющий узел управляющего устройства подключен для приема напряжения смещения, которое зависит от внешнего управляющего напряжения.
18. Система по п.17, отличающаяся тем, что указанное напряжение смещения получено в средней точке цепи резистивного делителя напряжения, включенной между указанным внешним напряжением и напряжением, зависящим от тока, текущего через главное модулирующее устройство.
19. Система по п.17, отличающаяся тем, что указанная цилиндрическая решетка со структурой Смита-Парселла, расположенная на внутренней поверхности дрейфовой трубки, содержит внутреннюю резьбу.
