ITRM950152A1 - Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina. - Google Patents

Abstract

Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina aventi un controsoffitto costituito da una piastra metallica, caratterizzato dal fatto che comprende: - almeno un trasduttore emettitore a microonde linearmente polarizzato (ET1, ET2, ...ETn) ed almeno un trasduttore ricevitore a microonde (SR1, SR2,...SRn) montati sul controsoffitto di detta cabina; - una circuiteria di eccitazione sequenziale di detti almeno uno trasduttori emettitori a microonde (ET1, ET2....ETn); - una circuiteria di amplificazione e campionamento/lettura sequenziale di detti almeno uno trasduttori ricevitori (SR1, SR2,...SRn); - una circuiteria di comando e di elaborazione per la generazione dei segnali di eccitazione di detti trasduttori emettitori, il campionamento e la lettura sequenziali di detti trasduttori ricevitori e la implementazione di algoritmi di riconoscimento degli oggetti all'interno della cabina basati sul confronto fra i segnali forniti da detti trasduttori ricevitori in presenza ed in assenza di detti oggetti all'interno della cabina.

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

"SISTEMA SENSORIALE A MICROONDE PER CABINE ANTIRAPINA”

La presente invenzione si riferisce in linea generale ai sistemi di prevenzione delle rapine in luoghi o locali chiusi o delimitati, mediante la prevenzione dell'accesso incontrollato ad essi di persone che recano o cercano di introdurre in essi oggetti proibiti, quali armi da fuoco o altri strumenti di offesa. In particolare l'invenzione concerne una cabina di accesso a zone delimitate o locali chiusi, munita di un sistema sensoriale di rivelazione a microonde.

Come è noto, alto scopo di controllare l’accesso a zone delimitate oppure a locali chiusi in modo da evitare che vengano introdotte in essi armi o altri strumenti di offesa, si ricorre frequentemente all' impiego di cabine munite non solo di particolari accorgimenti di regolazione dell' attraversamento, ma anche di dispositivi rivelatori, denominati metal detectors. Tali dispositivi sono per lo più basati su complessi generatori di campi elettrici e/o elettromagnetici che vengono perturbati in maniera rivelabile se vengono attraversati da masse metalliche.

La presente invenzione si propone lo scopo di realizzare un rivelatore di oggetti statici metallici e non metallici per cabine antirapina, costituito essenzialmente da una pluralità di trasduttori a microonde, di cui alcuni trasmittenti (emettitori) ed altri riceventi (sensori) connessi ad una piastra metallica che costituisce il controsoffitto della cabina.

Nella struttura secondo la presente invenzione, la cabina stessa opera come cavità risonante multimodale, eccitata sequenzialmente dagli emettitori che, per la loro diversa disposizione determinano regimi diversi di stazionarietà del campo elettromagnetico all’ interno di essa.

Un qualsiasi oggetto che venga introdotto all’ interno della cabina causa una perturbazione dello stato di stazionarietà e di polarizzazione dei campi che viene rivelata dai sensori riceventi, mediante diodi rivelatori a microonde.

Nella preferita forma di realizzazione, una unità di elaborazione e di controllo comanda la scansione sequenziale degli emettitori, nonché il campionamento e la memorizzazione dei segnali provenienti da ciascuno dei sensori riceventi.

La perturbazione dei campi prodotta dalla presenza dell' oggetto viene rivelata confrontando, mediante appositi algoritmi, le ampiezze dei segnali fomiti dai diodi in presenza ed in assenza dell' oggetto perturbante.

Ulteriori particolarità e vantaggi della presente invenzione appariranno evidenti dal seguito della descrizione con riferimento ai disegni allegati, in cui è rappresentata a titolo illustrativo e non restrittivo la preferita forma di realizzazione.

Nei disegni:

la Figura 1 rappresenta, in forma schematica, una vista assonometrica di una cabina a pianta circolare, secondo la presente invenzione,

la Figura 2 fornisce una rappresentazione vettoriale dei segnali associati ai raggi nelle due condizioni (a) di assenza e (b) di presenza dei un oggetto O all’ interno della cabina,

la Figura 3 rappresenta una possibile esemplare disposizione dei due trasduttori ET ed SR sul controsoffitto della cabina, ciascuno contrassegnato da una freccia che indica la rispettiva polarizzazione lineare del campo elettrico E ad esso associato,

la Figura 4 rappresenta un esempio delle polarizzazioni lineari del campo elettrico E rispettivamente associate ad una apertura rettangolare in una guida d’ onda operante nel modo TE10 e ad una antenna a patch operante nel modo TM100 (modi fondamentali),

la Figura 5 rappresenta una possibile disposizione di una pluralità di trasduttori del tipo ET ed SR sul controsoffitto della cabina, la Figura 6 rappresenta uno schema a blocchi del trasduttore trasmittente o emettitore ET, costituito da un oscillatore a microonde modulato impulsivamente ON/OFF, accoppiato ad una delle antenne schematizzate nella Figura 4,

la Figura 7 rappresenta uno schema a blocchi del trasduttore ricevente o sensore SR, costituito da una delle antenne schematizzate nella Figura 4, accoppiato ad un diodo rivelatore a microonde DR, seguito da un filtro passa basso LPF,

la Figura 8 rappresenta uno schema a blocchi dell’ elettronica del sistema,

la Figura 9 rappresenta gli andamenti temporali dei segnali più significativi presenti nei punti dello schema a blocchi della Figura 8, contrassegnati dai simboli tra le parentesi.

Con riferimento ora ai disegni ed in particolare alla Figura 1 , si vede che la cabina può essere schematizzata come una cavità a microonde, all’ interno della quale, attraverso un trasduttore emettitore ET linearmente polarizzato, si instaura una distribuzione stazionaria di campo elettrico, essenzialmente dipendente dalla forma geometrica della cabina e dalla posizione del trasduttore emettitore ET nel suo interno.

In particolare nella Figura 1, ET e SR rappresentano rispettivamente il trasduttore emettitore ed il trasduttore ricevente o sensore, disposti sul controsoffitto della cabina; F1 ed F2 rappresentano i fasci di direttività dei due trasduttori; R1 ed R2 rappresentano i due raggi emessi dall’ emettitore ET e che pervengono al sensore SR attraverso una riflessione semplice o doppia, rispettivamente; R3 rappresenta un raggio emesso dall’ emettitore ET e riflesso dall’ oggetto O in direzione del sensore SR, mentre Rf rappresenta il raggio di accoppiamento diretto tra Γ emettitore ET ed il sensore SR.

In termini geometrici, degli infiniti raggi emessi dall’ emettitore ET entro il proprio fascio di radiazione F1 e riflessi dalla pareti e dal pavimento della cabina, solo alcuni, ad esempio R1 ed R2, pervengono al sensore ricevente SR, sul quale si sommano con fasi diverse, dipendenti dai diversi cammini percorsi. Nella Figura 2(a) è rappresentata la situazione relativa ai due summenzionati raggi R1 ed R2. Nella Figura 2(b) è rappresentata anche la situazione in cui ai due raggi R1 ed R2 si aggiunge anche il raggio R3 generato per riflessione dall’ oggetto O.

Al sensore SR perviene altresì il segnale di accoppiamento diretto Rf tra Γ emettitore ET ed il sensore SR, la cui fase è una costante dipendente solo dalla loro distanza reciproca.

Schematicamente, il segnale captato dal sensore SR in assenza di oggetti nella cabina può essere interpretato come la sovrapposizione di due segnali isofrequenziali: un segnale diretto di riferimento ed un segnale di riflessione complessiva da parte delle pareti interne della cabina. La fase di quest’ ultimo è dipendente dalla geometria della cabina stessa e varia con essa. Da ciò deriva che una alterazione della geometria provocata dalla presenza di un oggetto 0 si traduce in una variazione di fase che può essere rivelata nel modo che verrà descritto dettagliatamente nel seguito.

Sotto Γ aspetto strutturale e con riferimento alla Figura 6, si vede che il trasduttore emettitore ET consiste fondamentalmente di un oscillatore a microonde OM opportunamente modulato impulsivamente ON/OFF e da un elemento di antenna trasmittente AT.

La già accennata variazione di fase provocata dall’ oggetto 0 può essere rivelata miscelando i due segnali in un elemento non lineare. A tale scopo, il trasduttore ricevente SR è costituito da un elemento di antenna ricevente AR a valle della quale viene impiegato un diodo rivelatore per microonde DR, derivato a massa, seguito da un semplice filtro passa basso LPF che estrae la sola componente continua del segnale di battimento. Tale componente, pertanto, risulta affetta da una polarizzazione dipendente dallo sfasamento iniziale tra i due segnali isofrequenziali, ovvero dalla distanza tra Γ emettitore ET ed il sensore SR.

Il segnale disponibile all’uscita del filtro risulta molto debole, in quanto la potenza emessa dall' emettitore ET viene mantenuta a livelli sensibilmente inferiori a quelli stabiliti dagli standard di sicurezza più severi.

Allo scopo di ridurre ulteriormente la potenza emessa e di operare una elevata amplificazione sul segnale rivelato senza introdurre rumore o derive termiche, I' emettitore ET viene modulato ad impulsi in trasmissione ed il segnale rivelato viene amplificato in alternata mediante un filtro passa banda BPF.

Poiché all’ interno della cabina, illuminata da un particolare emettitore ET si instaura un regime stazionario di campi, a somiglianza di quanto accade in una cavità multimodale a microonde, ai minimi di campo si associano delle zone cosiddette “cieche”, in corrispondenza delle quali la presenza di un oggetto potrebbe non essere rivelata.

Il problema delle zone “cieche” viene risolto facendo variare la posizione dell’ emettitore ET o, per reciprocità, la posizione del sensore SR, in modo da determinare uno spostamento della zona “cieca” all' interno del volume sotto controllo.

Nella pratica, questo risultato viene ottenuto utilizzando una pluralità di trasduttori ET1 , ET2,...ETn, opportunamente disposti nel controsoffitto della cabina, attivati sequenzialmente da una unità di elaborazione e di controllo. In questo modo, le zone “cieche” assumono una posizione diversa ad ogni passo di scansione, garantendo in tal modo una copertura pressocchè uniforme in tutto io spazio controllato, nell' ambito di una scansione completa.

Nella Figura 5 è mostrata una possibile disposizione di tre emettitori ET e di tre corrispondenti sensori SR in una cabina come quella della Figura 1 e la Figura 8 ne mostra il corrispondente schema a blocchi elettronico.

Con riferimento alle Figure 8 e 9, si vede che i trasduttori emettitori ET1, ET2, .. ETn sono eccitati sequenzialmente da un multiplatore (multiplexer), pilotato da un controllore digitale dedicato MCP. Gli emettitori ET1, ET2, ...ETn emettono i segnali b1 , b2, ...bn. Alla disposizione degli emettitori ET1 , ET2, ...ETn corrisponde una disposizione di ricevitori o sensori SR1 , SR2,...SRn i cui segnali di uscita sono applicati ad un banco di amplificatori a stretta banda (filtri passa banda) BPF1 , BPF2,...BPFn. Un circuito demultiplatore (demultiplexer) DEMUX provvede alla scansione sequenziale dei segnali c1 , c2,..cn di uscita dal detto banco di amplificatori, dietro pilotaggio da detto microprocessore MPC. Con RVS è indicato un rivelatore sincrono a valle di detto circuito demultiplatore, comandato da una logica di campionamento sequenziale incorporata in detto microprocessore MCP.

I! microprocessore MCP, quindi, prowede

- alla generazione dei segnali di eccitazione dei trasduttori emettitori ET1, ET2,...ETn,

- al campionamento ed alla lettura sequenziale dei trasduttori riceventi SR1, SR2,...SRn, nonché

- alla implementazione degli algoritmi di riconoscimento dell' oggetto perturbante all’ interno della cabina.

Allo scopo di ridurre gli artefatti connessi alla presenza di oggetti o persone esternamente alla cabina, le pareti non metalliche, come ad esempio le pareti in vetro o in plexiglas, vengono rese adeguatamente riflettenti alle microonde mediante Γ inserimento all’ interno del multistrato di sottili fili metallici disposti perpendicolarmente al vettore del campo elettrico o di un foglio di plastica trasparente metallizzata a strato sottile.

Sotto Γ aspetto funzionale, secondo la logica preferita, il sistema finora descritto viene attivato quando le porte della cabina sono interbloccate, ovvero quando il volume sotto controllo è completamente delimitato da pareti metalliche o dielettriche.

Con un piccolo ritardo rispetto alla chiusura delle porte (per semplicità non indicate nella Figura 1), il microcontrollore MCP comanda la scansione dei trasduttori emettitori ET1, ET2,...ETn e dei sensori SR1, SR2,...SRn, rispettivamente tramite il multiplatore MUX ed il demultiplatore DEMUX e memorizza il vettore delle ampiezze dei segnali in uscita dal rivelatore sincrono RVS, convertiti al formato digitale dal convertitore analogico-digitale AD.

Il microcontrollore MCP provvede altresì ad effettuare una media mobile sui vettori successivamente memorizzati in un apposito registro di scorrimento (non mostrato), allo scopo di ridurre gli artefatti dovuti al rumore ed alle interferenze inevitabilmente presenti nell· ambiente.

Ad ogni successiva acquisizione del vettore corrispondente ad una scansione completa, il microcontrollore MCP determina una distanza euclidea tra il vettore attuale e la media mobile e la confronta con alcune soglie prefissate in base alla natura ed alle dimensioni dei possibili oggetti o corpi che possono trovarsi all’interno della cabina. Al superamento delle varie soglie, si potranno far corrispondere, pertanto, diversi livelli di allarme e/o situazioni.

In una particolare forma di realizzazione, i trasduttori emettitori ET1, ET2, ...ETn e quelli ricevitori SR1, SR2, ...SRn possono fisicamente coincidere a coppie in unità ricetrasmittenti con antenne in comune o separate, senza che in tal modo venga alterato il principio di funzionamento del sistema.

In quel che precede è stata descritta la preferita forma di realizzazione e sono state suggerite delle varianti, ma deve essere chiaro che gli esperti nel ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti nei particolari, nelle procedure di scansione e negli algoritmi di decisione o nella componentistica, senza con ciò uscire daH'ambito di protezione della presente privativa industriale.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina aventi un controsoffitto costituito da una piastra metallica, caratterizzato dal fatto che comprende: - almeno un trasduttore emettitore a microonde linearmente polarizzato (ET1, ET2,...ETn) ed almeno un trasduttore ricevitore a microonde (SR1, SR2, ...SRn) montati sul controsoffitto di detta cabina, - una circuiteria di eccitazione sequenziale di detti almeno uno trasduttori emettitori a microonde (ET1, ET2, ..ETn), - una circuiteria di amplificazione e campionamento/lettura sequenziale di detti almeno uno trasduttori ricevitori (SR1, SR2, ...SRn), - una circuiteria di comando e di elaborazione per la generazione dei segnali di eccitazione di detti trasduttori emettitori, il campionamento e la lettura sequenziali di detti trasduttori ricevitori e la implementazione di algoritmi di riconoscimento degli oggetti all’ interno della cabina basati sul confronto fra i segnali forniti da detti trasduttori ricevitori in presenza ed in assenza di detti oggetti all’ interno della cabina. 2.- Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dai fatto che detti trasduttori emettitori a microonde (ET1, ET2,...ETn) sono costituiti fondamentalmente da un oscillatore a microonde (OM) modulato impulsivamente ON/OFF, accoppiato ad un elemento di antenna trasmittente (AT). 3. Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detti trasduttori ricevitori (sensori) a microonde (SR1, SR2, ...SRn) sono costituiti fondamentalmente da un elemento di antenna ricevente (AR) a valle della quale viene inserito un diodo rivelatore a microonde (DR) seguito da un filtro passa basso (LPF). 4 - Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta cabina opera come cavità risonante multimodale. 5.- Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta circuiteria di eccitazione sequenziale di detti trasduttori emettitori (ET1 , ET2, ...ETn) comprende sostanzialmente un circuito multiplatore (MUX). 6.- Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta circuiteria di amplificazione e campionamento/lettura di detti trasduttori ricevitori (SR1, SR2,...SRn) comprende un banco di circuiti amplificatori a stretta banda (BFP1, BPF2,...BPFn) collegati a detti rispettivi trasduttori ricevitori (SR1, SR2,...SRn) e facenti capo ad un circuito demultiplatore (DEMUX), il quale ha la funzione di effettuare la scansione sequenziale dei segnali di uscita da detti circuiti amplificatori. 7 - Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta circuiteria di comando e di elaborazione è basata su un microprocessore (MCP). 8.- Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina secondo le rivendicazioni 6 e 7, caratterizzato dal fatto che fra l’uscita di detto circuito demultiplatore (DEMUX) e detto microprocessore (MCP) viene inserito un rivelatore sincrono comandato da una logica di campionamento sequenziale incorporata in detto microprocessore (MCP) seguito da un convertitore analogico-digitale (AD). 9.- Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti trasduttori emettitori (ET1, ET2, ...ETn) e detti trasduttori ricevitori (SR1, SR2, ...SRn) possono fisicamente coincidere a coppie in unità ricetrasmittenti con antenne in comune o separate. 10.- Sistema sensoriale a microonde per cabine antirapina secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni e sostanzialmente come rappresentato e descritto,