CN103336311B - 基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统，包括数字控制系统，其输出端与功率放大系统的输入端相连，功率放大系统的输出端与天线系统的输入端相连，天线系统的输出端与模拟信号调理系统的输入端相连，模拟信号调理系统的输入输出端与数字控制系统的输入输出端相连，数字控制系统的输出端与天线系统的输入端相连。本发明数字控制系统发出射频脉冲信号，经功率放大系统放大后，由天线系统辐射待检测物质，若与待检测物质的核四极矩共振频率一致，则引起爆炸物和毒品共振，再由天线系统将接收的爆炸物和毒品共振信号传输至模拟信号调理系统，后由数字控制系统进行匹配分析处理，误报率低。
Description
技术领域
本发明涉及爆炸物和毒品检测领域，尤其是一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统。
背景技术
金属探测仪是较早采用的一种查缉爆炸物的仪器，采用交变电磁场来探测爆炸物中的金属部件及雷管等发火装置上的金属元器件和电池等从而实现对爆炸物的探测。由于爆炸物制作工艺和技术水平的提升，现在爆炸物中的金属部件越来越少；液体炸药和塑料炸药的出现，使得单一的金属探测手段已经无法满足日益隐蔽化和多样化的爆炸物探测实践需要。
X光射线法爆炸物检测，是根据物质的电子密度作出判断，由于电子密度或等效原子序数无法唯一地表征炸药,因此无法在严格意义上识别物质。此外，市场上已有的爆炸物和毒品的检测技术还包括中子探测技术、太赫兹测量技术等，都存在着严重的缺陷。中子探测技术是利用炸药、毒品和有机物中C、N、O含量的不同来达到检测的目的，但是此方法无法完全清楚的检测是何种物质，并且当检测系统用于人体检测时，安全剂量与测量灵敏度之间难以协调；太赫兹测量技术难度相对较大，输出功率低。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种能直接对爆炸物和毒品种类进行探测、误报率低的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统，包括数字控制系统、功率放大系统、天线系统和模拟信号调理系统，数字控制系统的输出端与功率放大系统的输入端相连，功率放大系统的输出端与天线系统的输入端相连，天线系统的输出端通过模拟信号调理系统与数字控制系统的输入端相连。
所述数字控制系统由系统时序控制模块、数字信号处理模块、第一信号发生模块、第二信号发生模块和数字信号采集模块组成；所述功率放大系统采用功率放大模块；所述天线系统由发射和接收转换模块、阻抗匹配模块和宽带天线模块组成；所述模拟信号调理系统由中频放大模块、第二带通滤波模块、混频模块、第一带通滤波模块和超低噪声前置放大模块组成。
所述系统时序控制模块的输出端分别与数字信号处理模块、第一信号发生模块、第二信号发生模块、数字信号采集模块、功率放大模块、发射和接收转换模块的输入端相连，系统时序控制模块向第一信号发生模块、功率放大模块、发射和接收转换模块发送使能信号a，系统时序控制模块向数字信号处理模块发送启动信号b，系统时序控制模块向数字信号采集模块、第二信号发生模块发送使能信号c；第二信号发生模块的输出端与混频模块的输入端相连，中频放大模块的输出端与数字信号采集模块的输入端相连，数字信号采集模块的输出端与数字信号处理模块的输入端相连，数字信号处理模块的输出端与第一信号发生模块的输入端相连。
所述功率放大模块的输入端与第一信号发生模块的输出端相连，功率放大模块的输出端与发射和接收转换模块的输入端相连。
所述发射和接收转换模块的输入输出端与阻抗匹配模块的输入输出端相连，阻抗匹配模块的输入输出端与宽带天线模块的输入输出端相连。
所述超低噪声前置放大模块的输入端与发射和接收转换模块的输出端相连，超低噪声前置放大模块的输出端与第一带通滤波模块的输入端相连，第一带通滤波模块的输出端与混频模块的输入端相连，混频模块的输出端与第二带通滤波模块的输入端相连，第二带通滤波模块的输出端与中频放大模块的输入端相连。
本发明检测方法如下：
(1)系统时序控制模块发出启动信号b，结束时，数字信号处理模块进入工作状态，向第一信号发生模块发出NQR激励频率的控制字；经过时间t1后，系统时序控制模块向第一信号发生模块、功率放大模块、发射和接收转换模块发出使能信号a，使能信号a在高电平时，第一信号发生模块产生对应频率射频脉冲进入功率放大模块；功率放大模块将射频脉冲放大后进入发射和接收转换模块，发射和接收转换模块将射频脉冲通过阻抗匹配模块传输至宽带天线模块，辐射至样品；
(2)宽带天线模块接收信号，信号依次经超低噪声前置放大模块、第一带通滤波模块、混频模块、第二带通滤波模块、中频放大模块处理；第一带通滤波器模块滤除以f1为中心频率带通以外的信号；混频模块将滤波后的信号下变频至f0；第二带通滤波器滤除以f0为中心频率带通以外的信号；滤波放大后的信号传输至数字信号采集模块，采集到的数字信号传输至数字信号处理模块进行处理判定；
(3)当待检测物质中有与频率f1相对应的爆炸物和毒品时，数字信号处理模块能够检测出以f1为中心频率的信号，系统报警且显示毒品名称；当待检测物质中没有与该频率相对应的爆炸物和毒品时，数字信号处理模块无法检测出以f1为中心频率的信号。
使能信号a低电平时，第一信号发生模块和功率放大模块终止使能，发射和接收转换模块进入接收状态。
其中系统时序控制模块通过使能信号a控制第二信号发生模块的信号输出状态。使能信号a为高电平时，第二信号发生模块产生一个频率为f＇且相位和第一信号发生模块相同的信号，最终产生一包络为使能信号a的脉冲调制信号，其中f＝f1-f0。
不管有无爆炸物或毒品，经过ts时间段后，进入第二种样品的检测
由上述技术方案可知，本发明由数字控制系统先发出0.4～6MHZ频率范围内的某一正弦波信号，此信号经功率放大系统后，由天线系统辐射待检测物质，若与待检测物质的核四极矩共振频率一致，则引起爆炸物和毒品共振，再由天线系统将接收的爆炸物和毒品共振信号传输至模拟信号调理系统，后由数字控制系统进行匹配分析处理，若数字控制系统发生的正弦波信号的频率与待检测物质的核四极矩共振频率不一致，则不引起共振，天线系统接收不到回波信号，判定为无此样品，信号至此中断。本发明能直接对爆炸物和毒品种类进行探测、误报率低。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是图1中使能信号a、启动信号b、使能信号c的控制脉冲时序示意图；
图3是CPMG(Carr–Purcell–Meiboom–Gill)脉冲串时序图；
图4是宽带天线的匹配性能测试图；
图5是有无80g RDX(黑索金)样品的NQR信号频谱对比图。
具体实施方式
一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统，包括数字控制系统1、功率放大模块2、天线系统3和模拟信号调理系统4，数字控制系统1的输出端与功率放大模块2的输入端相连，功率放大模块2的输出端与天线系统3的输入端相连，天线系统3的输出端通过模拟信号调理系统4与数字控制系统1的输入端相连。所述数字控制系统1由系统时序控制模块、数字信号处理模块、第一信号发生模块、第二信号发生模块和数字信号采集模块组成；所述功率放大模块2采用功率放大模块2；所述天线系统3由发射和接收转换模块、阻抗匹配模块和宽带天线模块组成；所述模拟信号调理系统4由中频放大模块、第二带通滤波模块、混频模块、第一带通滤波模块和超低噪声前置放大模块组成。如图1所示。
如图1所示，所述系统时序控制模块的输出端分别与数字信号处理模块、第一信号发生模块、第二信号发生模块、数字信号采集模块、功率放大模块2、发射和接收转换模块的输入端相连，系统时序控制模块向第一信号发生模块、功率放大模块2、发射和接收转换模块发送使能信号a，系统时序控制模块向数字信号处理模块发送启动信号b，系统时序控制模块向数字信号采集模块、第二信号发生模块发送使能信号c；第二信号发生模块的输出端与混频模块的输入端相连，中频放大模块的输出端与数字信号采集模块的输入端相连，数字信号采集模块的输出端与数字信号处理模块的输入端相连，数字信号处理模块的输出端与第一信号发生模块的输入端相连。
如图1所示，所述功率放大模块2的输入端与第一信号发生模块的输出端相连，功率放大模块2的输出端与发射和接收转换模块的输入端相连。所述发射和接收转换模块的输入输出端与阻抗匹配模块的输入输出端相连，阻抗匹配模块的输入输出端与宽带天线模块的输入输出端相连。所述超低噪声前置放大模块的输入端与发射和接收转换模块的输出端相连，超低噪声前置放大模块的输出端与第一带通滤波模块的输入端相连，第一带通滤波模块的输出端与混频模块的输入端相连，混频模块的输出端与第二带通滤波模块的输入端相连，第二带通滤波模块的输出端与中频放大模块的输入端相连。
采用射频脉冲作为检测手段，应用于人体安检时，完全避免了射线检测带来的问题，以下介绍核四极矩共振技术的原理：
原子核的电荷分布通常不是球对称的，不对称的程度可以用电四极矩Q表示，即核电四极矩是原子核的电荷分布偏离球对称的量度。自旋大于等于1的原子核具有电四极矩，例如炸药和毒品中常见到的14N等。
电四极矩不为零的原子核在非均匀电场作用下，处于分立能量状态，受到射频电磁波的激励，发生低能级与高能级之间的跃迁，称为核电四极矩共振，即NQR。
相同电四极矩核处于不同物质中，感受分子或晶格不均匀电场的作用，共振频率是不一样的，即同一电四极核素在不同分子或晶格结构中NQR频谱不同。所以，可以利用电四极矩不为零的核素的NQR频谱识别物质，或对物质“定性”。
炸药、火药或毒品含有14N等电四极核，凡处于固态或粉末状态，都具有确定的NQR频谱。频谱处于射频波段范围，且对于一般外界物理条件不灵敏。可以选择物质中某电四极核素，利用射频技术实现共振激发和信号接收处理，再提取频谱，实现物质识别。
本发明采用了以下技术：
一，采用CPMG(Carr–Purcell–Meiboom–Gill)脉冲序列，如图3所示，其序列表达式为式(11)：
二，宽带天线发射技术：
技术参数S11，VSWR如图4所示，发射完一种待测样品的功率激励之后，无需改变硬件即可以无延时的发射下一种待检测物的功率激励，大大节省了检测多种样品的调谐时间；能在0.4～6MHz的频率范围内，使宽带天线的等效阻抗等于50欧姆，确保发射天线无反射功率。
以下对本发明的工作过程作进一步的描述。
系统时序控制模块发出启动信号b，结束时，数字信号处理模块进入工作状态，向第一信号发生模块发出NQR激励频率的控制字；经过时间t1后，系统时序控制模块向第一信号发生模块、功率放大模块2、发射和接收转换模块发出使能信号a，使能信号a在高电平时，第一信号发生模块产生对应频率射频脉冲进入功率放大模块2，功率放大模块2将射频脉冲放大后进入发射和接收转换模块，发射和接收转换模块将射频脉冲通过阻抗匹配模块传输至宽带天线模块，辐射至样品；使能信号a低电平时，第一信号发生模块和功率放大模块2终止使能，发射和接收转换模块进入接收状态。
宽带天线模块接收信号，信号依次经超低噪声前置放大模块、第一带通滤波模块、混频模块、第二带通滤波模块、中频放大模块处理。第一带通滤波器模块滤除以f1为中心频率带通以外的信号。混频模块将滤波后的信号下变频至f0。第二带通滤波器滤除以f0为中心频率带通以外的信号。滤波放大后的信号传输至数字信号采集模块，采集到的数字信号传输至数字信号处理模块进行处理判定。
其中系统时序控制模块通过使能信号a控制第二信号发生模块的信号输出状态。使能信号a为高电平时，第二信号发生模块产生一个频率为f＇且相位和第一信号发生模块相同的信号，最终产生一包络为使能信号a的脉冲调制信号，其中f＝f1-f0。
当待检测物质中有与该频率相对应的爆炸物和毒品时，数字信号处理模块能够检测出以f1为中心频率的信号，系统报警且显示毒品名称；当待检测物质中没有与该频率相对应的爆炸物和毒品时，数字信号处理模块无法检测出以f1为中心频率的信号。不管有无爆炸物或毒品，经过ts时间段后，进入第二种样品的检测。
如此周期重复，直至检测完所有样品为止，最终由数字控制系统1给出有哪几种样品的结论。结论如图5为有无80g RDX(黑索金)样品的NQR信号频谱对比图。
如图2所示，使能信号(a)在脉冲(b)的第一个脉冲结束t1时间后产生，(c)的每个脉冲都相对于(a)延后t2时间，(a)为发射脉冲，(c)为接收脉冲。
综上所述，本发明由数字控制系统1先发出0.4～6MHZ频率范围内的某一正弦波信号，此信号经功率放大系统后，由天线系统3辐射待检测物质，若与待检测物质的核四极矩共振频率一致，则引起爆炸物和毒品共振，再由天线系统3将接收的爆炸物和毒品共振信号传输至模拟信号调理系统4，后由数字控制系统1进行匹配分析处理，若数字控制系统1发生的正弦波信号的频率与待检测物质的核四极矩共振频率不一致，则不引起共振，天线系统接收不到回波信号，判定为无此样品，信号至此中断。本发明能直接对爆炸物和毒品种类进行探测、误报率低。
Claims (4)
1.一种基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统，其特征在于：包括数字控制系统、功率放大系统、天线系统和模拟信号调理系统，数字控制系统的输出端与功率放大系统的输入端相连，功率放大系统的输出端与天线系统的输入端相连，天线系统的输出端通过模拟信号调理系统与数字控制系统的输入端相连；
在检测时，（1）系统时序控制模块发出启动信号b，结束时，数字信号处理模块进入工作状态，向第一信号发生模块发出NQR激励频率的控制字；经过时间t1后，系统时序控制模块向第一信号发生模块、功率放大模块、发射和接收转换模块发出使能信号a，使能信号a在高电平时，第一信号发生模块产生对应频率射频脉冲进入功率放大模块；功率放大模块将射频脉冲放大后进入发射和接收转换模块，发射和接收转换模块将射频脉冲通过阻抗匹配模块传输至宽带天线模块，辐射至样品；
（2）宽带天线模块接收信号，信号依次经超低噪声前置放大模块、第一带通滤波模块、混频模块、第二带通滤波模块、中频放大模块处理；第一带通滤波器模块滤除以f1为中心频率带通以外的信号；混频模块将滤波后的信号下变频至f0；第二带通滤波器滤除以f0为中心频率带通以外的信号；滤波放大后的信号传输至数字信号采集模块，采集到的数字信号传输至数字信号处理模块进行处理判定；
（3）当待检测物质中有与频率f1相对应的爆炸物和毒品时，数字信号处理模块能够检测出以f1为中心频率的信号，系统报警且显示毒品名称；当待检测物质中没有与该频率相对应的爆炸物和毒品时，数字信号处理模块无法检测出以f1为中心频率的信号；
使能信号a低电平时，第一信号发生模块和功率放大模块终止使能，发射和接收转换模块进入接收状态；
其中系统时序控制模块通过使能信号a控制第二信号发生模块的信号输出状态；
使能信号a为高电平时，第二信号发生模块产生一个频率为f＇且相位和第一信号发生模块相同的信号，最终产生一包络为使能信号a的脉冲调制信号，其中f=f1-f0；
不管有无爆炸物或毒品，经过ts时间段后，进入第二种样品的检测；
所述数字控制系统由系统时序控制模块、数字信号处理模块、第一信号发生模块、第二信号发生模块和数字信号采集模块组成；所述功率放大系统采用功率放大模块；所述天线系统由发射和接收转换模块、阻抗匹配模块和宽带天线模块组成；所述模拟信号调理系统由中频放大模块、第二带通滤波模块、混频模块、第一带通滤波模块和超低噪声前置放大模块组成；所述宽带天线模块发射完一种待测样品的功率激励之后，无需改变硬件即可以无延时的发射下一种待检测物的功率激励，大大节省了检测多种样品的调谐时间；能在0.4～6MHz的频率范围内，使宽带天线的等效阻抗等于50欧姆，确保发射天线无反射功率；
所述系统时序控制模块的输出端分别与数字信号处理模块、第一信号发生模块、第二信号发生模块、数字信号采集模块、功率放大模块、发射和接收转换模块的输入端相连，系统时序控制模块向第一信号发生模块、功率放大模块、发射和接收转换模块发送使能信号a，系统时序控制模块向数字信号处理模块发送启动信号b，系统时序控制模块向数字信号采集模块、第二信号发生模块发送使能信号c；第二信号发生模块的输出端与混频模块的输入端相连，中频放大模块的输出端与数字信号采集模块的输入端相连，数字信号采集模块的输出端与数字信号处理模块的输入端相连，数字信号处理模块的输出端与第一信号发生模块的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统，其特征在于：所述功率放大模块的输入端与第一信号发生模块的输出端相连，功率放大模块的输出端与发射和接收转换模块的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统，其特征在于：所述发射和接收转换模块的输入输出端与阻抗匹配模块的输入输出端相连，阻抗匹配模块的输入输出端与宽带天线模块的输入输出端相连。
4.根据权利要求1所述的基于核四极矩共振的爆炸物和毒品检测系统，其特征在于：所述超低噪声前置放大模块的输入端与发射和接收转换模块的输出端相连，超低噪声前置放大模块的输出端与第一带通滤波模块的输入端相连，第一带通滤波模块的输出端与混频模块的输入端相连，混频模块的输出端与第二带通滤波模块的输入端相连，第二带通滤波模块的输出端与中频放大模块的输入端相连。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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