CN1255200A - 暗藏武器检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种利用雷达的武器检测器(12)和方法。该系统包括:一个发射器,用于产生引起武器自谐振的一组频率的输出(14);一个天线,用于将所述发射器输出导向潜在武器的地方,并收集反向散射信号(15);一个接收器,用于接收所述反向散射信号(15),并且在自谐振频率范围内工作;以及一个信号处理器;用于检测在所述反向散射信号(15)中存在的多个自谐振频率。在4－15码的最佳距离内可以获得大于98%的精度。该武器检测器(12)能够对人体检测在钱包、公文包和衣物下的金属武器和非金属武器(16);并且能够把武器从皮带环扣、硬币、钥匙、计算器、和移动电话中区分出来。

Description

暗藏武器检测系统
本申请要求获得美国临时专利No.60/026,444所述的权利，该文件标题为《暗藏武器检测系统》，于1996年9月18日申请，在这里将其说明书归入本文，以供参考。
本发明涉及涉及对暗藏的武器进行遥测的设备及方法。
据知，在当今的市场上还没有能在3英尺以外的距离对暗藏的武器进行检测的系统。实际上每一台处于运行状态的设备都是一台电磁设备，只是该设备要求有一个门架共同使用。当金属物体导致磁通量发生变化时，有一涡流流经门架，就激活报警信号。这种类型的系统并不能在暗藏的武器与其他金属物体如皮带扣、首饰、硬币、手表或计算器等之间作出辨别。
美国麻省南德尔费(South Deerfield)毫米技术(Millitech)公司可能正在开发一种无源毫米系统。该系统显然要使用到门架、钢质网纹地板、摄象机和观察搜索区用的阴极射线管。毫米技术公司曾宣称，正在开发一种300mm孔径的像机用以对固定的入口进行监视，以显示其技术。该公司宣称，他的无源毫米波影像器将不要求被监视对象暴露于任何人为的电磁场中或来自影像系统的其他辐射之中。
同样，Demma等家公司也应用了微米波的成果，但都不能对非金属物体进行成功的检测。而且他们的产品作用是有限的，有效范围仅在两米之内。Demma等家公司的红外延伸复盖技术在穿透多层服装方面还有较大困难。另外，在较温暖的气候条件下，带在身上的枪只温度将与体温相同，实际上红外技术也就失去了作用。
美国罗得艾兰州朴次茅斯市的雷通公司将其武器检测系统定基于低频电磁辐射之上。他们的设计思想基于对检测对象照射称之为海氏脉冲的低强度电磁脉冲，并对人员携带的金属物体的再辐射能量的时间衰减进行测量。二次辐射的强度和时间衰减就得以表现，而区分出枪支或非威胁性的金属物体的图像。
美国爱达荷州国家工程实验室使用了基于地磁场无源采样的技术。磁场的局部失常是由铁磁性物体如枪支和刀具引起的。在爱达荷国家工程实验室开发的枪支检测系统中，地磁的失常或畸变将用磁力场梯度仪来检测与测量。他们计划建造一部用多重磁强仪设计而成的扫描设备，该设备可能是一都独立设备，很象机场的扫描系统。该扫描设备由阈值检测器触发。数据便从该系统中的所有传感器同时搜集起来，进而提供了目标人员的一个从头到脚的完整的电磁图形。对暗藏枪支的合理怀疑就由磁场异常的位置和量值而确定。
提供有效的武器检测系统(或在某种程度上解决与检测相关的问题)的其他努力包括：授予凯勒的美国No.5552705专利，标题为“在暗藏武器和其它金属物体之间作出鉴别的非强迫性武器检测系统及方法”；授予McEwan的美国No.5519400专利，标题为“相位编码的微功率脉动雷达移动式探测器”；授予McEwan的美国No.5512834专利，标题为“零差脉动雷达暗藏物体定位仪”；授予McEwan的美国No.5457394专利，标题为“脉动雷达图钉探测仪”；授予Saito等人的美国No.5381153专利，标题为“可进行第一、第二频率转换的便携式调频等幅波雷达设备”；授予约翰逊等人的美国No.5365237专利，标题为“微波相机”；授予Frazier的美国No.5345240，标题为“手持式障碍穿透型移动探测雷达”；授予Dwyer的美国No.5337053专利，标题为“对检测目标进行分类的方法及设备”；授予史密斯等人的美国No.5334981专利，标题为“(飞)机载金属探测雷达”；授予Kawano等人的美国No.4905008专利，标题为“雷达型地铁搜索设备”；授予米勒等人的美国No.3707672专利，标题为“采用根据武器的厚度对武器进行探测的脉冲场技术的武器检测器”；和授予Demma等公司的标题为“利用电磁成像技术对暗藏武器进行遥测”的专利。
米勒和凯勒采用了磁场传感器，因而不能对非磁性材料如铝、黄铜和紫铜制成的枪支进行检测。McEwan400采用了零差脉动雷达，不能在物体类型上作出鉴别。McEwan834和394采用的脉冲雷达能对绝缘媒体后面的大型物体进行定位，但不能对被检测的物体作出鉴别。Saito等人采用多普勒雷达可以确定一个物体的存在及运动状态，但不能确定该物体的性质。约翰逊等人的产品从根本上讲是一部微波超声成像仪，不能对反向散射进行测量和检验。Frazier的产品是一部常规的移动目标指示(MTI)雷达。Dwyer的产品倒是对雷达的反向散射进行分析，然而却是对无障碍物体而不是暗藏物体进行的。史密斯等人的产品在隐蔽金属物体的检测上使用了交叉偏振散射雷达，但对频率容量信心不大。Kawano等人的产品是一部简单的雷达系统，用于寻找地下的物体或小矿藏。
本项发明可以解决现行技术的不足之处，本发明用低强度短脉冲雷达对物体进行照射。由金属或高介电常数的非导电材料制成的物体几乎都可以出现反向散射。如果有手枪存在，就会接收到一个异常频谱的图像。这种图像可以预先存储在一台采用了人工智能技术的电脑之中或由该电脑记忆下来。
本发明的有效范围至少在4至20码之间。其便携式、手持式产品已在美国及遍布世界的法律强制机构、惩治机构、军队和私人保安公司等部门得到应用。其门楣悬挂式产品已在联邦、州及地方政府以及金融机构、日用设备商店及其它零售店、机构、学校，以及私营事务所和公寓大楼得到应用。这些机构对低成本、高可靠的武器检测系统均有迫切的需求。(美国)烟酒及武器管制局的估计，目前在美国有6000万至2亿支枪械。在1988至1992年间，在美国有65000多人死于枪击事件。1993年，在美国杀人事件已成为与犯罪有关的死亡事故的第二位的主要原因，仅次于公路交通事故。1993年联邦调查局报告，在美国发生了11876起银行抢劫案，造成3930万美元的损失。在美国，近35000件对日用设备店的武装抢劫案，损失达1570万美元。此外，国家教育协会报告，估计有10万名学生携枪上学。目前在美国青少年中，每4个死亡中有一个系由枪击造成。其他国家也面临着同样的问题。本发明的目的就是力求降低这一令人震惊的统计数字。
本发明的目的是武器检测系统。优选的武器检测器包括：一个发射器，用于输出一组与武器自谐振频率相同的频率；一个天线，用于使发射器的输出射向可能存在武器的地方，并收集反向散射信号；一个接收器，用于接收反向散射信号并在自谐振频率的范围内运行；和一个信号处理器，用于对反向散射信号中存在的诸多自谐振频率进行检测。
一部测距器最佳地用于对反向散射信号进行校正。发射器最佳地输出介于1GHz与10GHz之间的频率。接收器的时间分辨能力最佳地小于10纳秒。接收器的最小信号检测能力最佳地小于1毫伏。
武器检测器能对随身武器的存在作出预报。准确率要高于或等于75％，优选产品要高于或等于95％，最佳选择的产品要高于或等于98％。99.75％的准确率已经实现。
该武器检测器可以是便携式的，手持式的，也可以是墙壁或门楣悬挂式的。在3至20码的距离内对武器进行检测比较好，最好是在4至15码的距离之内。一经测出情况，门口就会作出应激反应，如，上锁，或者将嫌疑分子的照片拍摄下来。
更好的是，在信号处理器中使用了神经网络来对检测进行辅助。在现场应用之前，该神经网络须经训练以使其能对来自武器的反向散射信号进行识别。
更好的是，该武器检测器能在发射器输出信号之后的一秒钟之内提供结果。该武器检测器能显示出武器存在与否。可能的显示信号是：音频信号、静音信号、触觉信号、视频信号、机械信号、和显示信息。该武器检测器可对诸如手枪、步枪、猎枪、和管形炸弹等武器进行检测，还可用于把武器从其他物体如皮带扣、手镯、手表、录音机、饮料听、硬币、计算器、唇膏盒、军衣钮扣、移动电话、钥匙环、钥匙等中区分出来。对放在服装或附件如钱包、子弹带、手枪皮套、裤子、公文包、外衣和衬衣等内的武器均可进行检测。
本发明的首要目的是以高准确度(如98％)、一秒钟或更短的响应时间、便携性、较大的有效作用范围(如4至15码，相当于一个典型的交通站的间隔，或者更大(达50码))，有限的操作复杂性，和高寿命的检测器对暗藏的武器进行检测。
本发明的另一个目的是提供一种供门口使用的机器，其在入口周围的覆盖面积可达3码×5码以上。
本发明的其他目的、优点、新的特色及更大的适用范围在下面结合附图所进行的描述中可以部分地得到了解，而对于在该技术领域有所专长的人士而方通过下面的验证也可以变得一目了然，或者说可以通过对本发明的实际应用而掌握。本发明的目的和优点可以借助于附加的权利要求书中特别指出的装置及其结合来实现。
归入详细说明并成为其一个部分的附图，展示了本发明的几个具体实例，与详细说明一起用于解释本项发明的原理。这些附图只用于展示本发明的优选实例，而不能解释为对本发明的限制。在附图中：
图1展示的是执法人员对站在已停下的汽车外面的嫌疑人进行检测的操作情形，该执法人员使用的是本发明的手持式实施例一个实例；
图2A和2B展示的是图1中使用的本发明的手持式暗藏武器检测器；
图3为本发明的武器检测器的系统部件方块图；
图4A和4B为带枪及未带枪的人体的时域图像的曲线图比较；
图5为提供了图4A和4B中的时域图像的曲线差别；
图6A和6B中带枪及未带枪人体时域的图像的傅里叶变换的曲线图比较；
图7为本发明一个总方块图；
图8为本发明的雷达部分的方块图；
图9为本发明的雷达部分的第二方块图；
图10为优选的测距方法的流程图；
图11为本发明优选的雷达微波部分的外形轮廓图；
图12为本发明优选实例的左下后部投影的部件分解图；
图13为图12所示实例的右上前部投影的部件分解图；
图14为图12所示实例的左下后部投影的局部图；
图15为图12所示实例的右上前部投影的局部图；
图16为本发明的人工神经网络的测试图表；
图17为图16的测试的原始数据表格；
图18为展示一个臂下挎枪的人与未带枪的人之间频谱差异和校正差异(在前部)的曲线图；
图19为一个曲线图，表示的是一个壁下挎枪的人和一个未带枪的人之间的频谱差异和经过校正的差异(曲线后部)；
图20为采用3GHz喇叭型天线的测试结果的曲线图；
图21为采用3GHz垂直极化转接天线的实验平均值的曲线图。
本发明的武器检测系统将一个跨越一组频率的短脉冲雷达装置。该系统最好包括：一个触发装置、一个脉冲生成器、一个宽频带天线、一个放大器和一个信号处理器。雷达首先进行测距检式的确定与被查目标的距离。距离信息用于设定放大器的放大系统以便将输出校正到该距离。这种校正允许波形不受距离的限制而从目标返回以接受分析。测距选通脉冲的应用抑制了大于来自目标的反射信号上的背景干扰或散射。该系统用于低压脉冲生成器来产生一组微波脉冲，用小型的宽频带天线发射出击。反射波形也经由该天线从目标返回。接收到的信号经过测距选通被转换成中频信号。该信号经中频放大器放大后被检测封装。然后，经过检测信号由一个频率放大器放大，并由一个采样与自持电路及时展宽。展开的信号由一个模一数转换器进行采样。采样器的数字化输出由信号处理器，最好是由一个神经网络来进行处理。信号处理器根据接收到的波形与其在接受训练时掌握的有枪械存在或无枪械存在时的波形是否相同来作出检测判断。如果逻辑处理器的输出导致一个肯定的检测判断，表示武器存在的可能性高，则给出一个信号，如在系统的显示屏上一个红色的发光二极管(LED)被点亮，并且还给出一组音频声调(或其他恰当的警报信号)。如果信号处理器的输出导致一个否定的判断，表示武器不存在的可能性高，则给出一个信号，如在系统的显示屏上一个绿色的发光二极管被点度(或者给出其他信号)。如果这两种判断均无法作出，则给出一个信号，如在系统的显示屏上一个黄色的发光二极管被点亮(或给出其他信号)，表示操作人员要小心，并要求被检对象转身(如转几次90°角)，直到检测作出明确判断为止。
本发明能够对随身携带的，藏在放服里面或外衣中的，以及手袋中的武器进行检测。本发明还能够将枪支从其他金属散射体如皮带扣、首饰、手表、金属钮扣、及硬币等物体中识别出来。在一个实例中，其系统设计是应要求供执法及保安人员在3码至50码范围内以手持方式对暗藏枪支进行检测而作出选择的。特别是，该系统设计包括一部小功率电路，用于产生由宽频带小天线发出的微波脉冲。该天线还用来接收来自被查目标及干扰环境的反向散射信号。信号处理单元还执行一个检测算法，该算法对反向散射信号进行处理，以便将枪支和大刀具的图像与人体及任意种类的小金属散射体如首饰、皮带扣及硬币等的散射背景区别并标识出来。
本发明的便携式、手持式实例(见图1和图2)是为轻便而设计的。它最好选择电池(如4节镉电池)供电。便携式实例的信息输出既可用LED(发光二极管)显示又可用LCD(液晶显示器)显示。一个背景发光的LCD屏可显示各种信息，包括电池状况，到目标的距离以及作出判断的时间等。
另一个可供选择的实例是门口应用型，最好是用相控阵列天线对从3至5码之外靠近入口的人员进行检测。如果测出有手枪，则激活一道关卡，如启动电子锁，以阻止该持枪人员进行入。保安人员可从一个独立的寻呼系统，或通过音频，视频及振动式报警信号得到报警。还可以安装一部影像设备(任选的)对被测出携有暗藏武器的人员进行摄影或录像。
为对本发明的便携式机型的实例有更清晰的了解，一开始先注意图1。先分别叙述，执法人员11将暗藏武器检测器(CWD)12指向嫌疑者13。CWD对嫌疑者发射波能量14。含有嫌疑人员信息的反向散射信号15被CWD接收。然后，CWD通知执法人员在嫌疑人员身上是否携有暗藏的武器16。
图2A和2B包括一个手柄17，一个触发装置18，一个发射接收天线19，和一个表明武器存在21，不存在22或不确定状态23的发光二极管显示器20。该机是便携式的。机内电池可通过一个可选购的电流适配器24或汽车电流系统适配器25来充电。
该系统包括一个发射器，用于对接受调查的嫌疑人发送微波能量。发射器输出的频率包含武器的金属零件固有的谐振频率。由人体及其周围的物体反向散射的微波能量由接收器接收。接收到的信号的特征可以确定嫌疑人身上是否带有武器。接收到的信号的特征可以包括作为频率功能的振幅上的增减及相位上的漂移。该系统包括的处理器可以确定接收到的信号的特征与武器的存在是否相符。
不同的发射器及接收器配置均可采用。发射器输出可以呈步扫描方式。
发射器的输出可以是宽频带的，或者说可以包括可能引起谐振的频率范围。同样，接收器也可以是宽频率的，即可横跨可能引起谐振的一组频率。但同一系统中的发射器及接收器不能都是宽频带的，因为这样就必须在各种谐振频率之间的作出鉴别。如果发射器和接收器都被扫描，它们就必须同步运行。
图3是优选实施例的系统部件的方块图。CWD包括一个电源26，为其他系统部件供电。发射器包括一个与宽频带天线28相耦合的脉冲发生器27。特别是，输出脉冲宽度为10纳秒，其上升时间与下降时间均为1纳秒。接收器29最好是常规的超外差式接收器，带宽为非常宽的中频带宽，数值为400MHz。这是为了维持脉冲的上升时间。接收器的输出端最好与信号处理器30连接。
在优选的实例中，测距器31的输出用于校正接收到的信号的幅值。测距器可以是声、光或微波的子系统。测距器的输出可用于设定接收器中的线性放大器32的放大系统。换言之，自动增益控制可以通过调整发射信号的功率来实现，或者通过使用信号处理器来改变接收器的输出的方式来实现。
在检测暗藏武器的两种可行的方法中，信号处理器可以采用一种也可以两种都采用。第一种方法使用了来自随身携带的武器的镜面反向散射。在这种方法中，当存在武器时，反向散射信号的幅值较高。第二种方法使用了来自枪支的金属零件的自谐振散射。
图4A和图4B描述的是采样器输出的一个具体例子。图4A和4B是带有及未带武器的人体的时域的图像的曲线比较。图4B中时域的波形描述了由于存在武器而产生的高幅值的回波。图5是图4A与图4B中时域图像的曲线之间的差别。
图6A与图6B是图4A及图4B的时域的波形的傅里叶变换的曲线比较。枪支的金属零件的物理尺寸接近半波长时，金属零件便产生的自谐振，而与入射的微波能量的方位无关。存在武器时，反向散射波形的频率含量较高。图6A及6B的比较表明，可以根据反向散射信号中存在较高的频率含量来成功地判断武器的存在。
如上所述的两种方法中，信号处理器可以使用其中任一种，也可以两种均用，来作出判断。在优选的实例中，由一个多层的人工神经网络来完成信号处理任务。来自接收器的频域数据(可由快速傅里叶转换电路来处理)被送往人工神经网络的输入层。人工神经网络的输出层驱动连往发光二极管显示器的处理器输入/输出电路。人工神经网络须经训练，以便能在输入层应用的模式中作出鉴别，然后为输出层生成所要求的应答。人工神经网络可以用常规的微处理器子系统来模拟，或者用专用集成电路或硬件加速器来实现。
参见图7中的顶级方块图。系统的中央控制功能由主处理器/控制器来实施。处理器决定完成检测器功能所要求的操作。一旦用户按下起动装置起动武器检测器之后，处理器就开始了测量过程。初始化时，处理器首先启动显示器上所有的发光二极管指示灯。这起到一个检查的作用，看看显示器能否正常运行。内检结束之后，紧接着系统进入测距模式。在该模式，对到目标的距离进行测量，并打开“距离选通”以便只对该距离的反射信号进行测量。而其他距离的反射信号被抹去，以削弱来自其他物体的称为干扰回波的回波信号。确定到目标的距离之后，测试程序开始，对来自目标的雷达回波进行测量。这些回波是频率的函数，称为波频特性曲线。然后将该曲线与人工神经网络处理器记住的曲线进行比较，并作出在检测现场是否存在武器的判断。整个过程在不到一秒时间内即可完成。
本发明还可用下述非限制性实例来描述。
测距器：下面是本项发明的优选操作的一个实例。测距由本项发明的方法完成(见图8与图9两个任选实例)。发射器与本机振荡器的频率被调到测试频带的中心。而且通常情况下在操作期间被固定于这一频率。然后发射一个脉冲(如10纳秒宽度的脉冲)，发射/接收(T/R)及距离选通开关受命接收第一个距离接收器中的一个脉冲。每个距离接收器对应一码的距离。第一个距离接收器相当于CWD工作的最小距离(如定为4码)。为实现测距器的功能，每个距离接收器被调整到一个宽度(如2码)，该宽度与接收脉冲的宽度(如12纳秒)相对应。第一个距离接收器被调到一个距离(如4码)，这要求在发射脉冲与距离选通脉冲之间有一个延迟时间(如24纳秒)。雷达测距为6纳秒每码。这样，对于本例而言，发射脉冲宽度为10纳秒，发射/接收/距离选通控脉冲的宽度为12纳秒而且比发射脉冲延迟24个纳秒。
回波经数字化并被存于存储单元内。第二个脉冲(如，1纳秒之后)被发射，但此时距离选通脉冲的延迟增加了(如增加6个纳秒)，借此将距离选通脉冲调回一个距离接收器。回波经测量后存于下一个存储单元。这一过程被反复进行直到全部12个距离接收器均被测量为止。这要占用近12纳秒时间。对存储单元进行检查，看看是否至少能有一个单元中的信号大于预定的临界值。如果是的话，整过程再重复四次，这样总的测量次数最好为60次。
如果第一次对所有的距离接收器的测量均已通过，未发现其中有超过预定阈值的信号，则将发射器的频率减少50MHz，再重复第一次的测量过程。如果仍没有超过阈值的信号，则将频率增加100MHz再重复第一次过程。频移的目的在于消除多路抵销的影响，而这很可能是雷达回波信号不足的原因。
在一系列过程(例如，五次)已经进行(代表60次测量及数据记录)，所有的距离接收器也都访问遍了，这些过程(如5个过程)所需要的时间最好在100毫秒或者说0.1秒之内。这种访问过程可以确定在每个距离接收器中有多少次达到了临界值以上。然后最少有三次达到临界值以上的距离接收器所代表的距离被选定为到目标的距离，并且一个发光二极管发光以显示目标锁定已经完成。然后，显示器示出到达所选目标的距离。这也可以供操作人员核对正在被检查的目标。
在该例中，处理器接着执行以下功能：
1.距离选通脉冲的宽度被减小(如8个纳秒)。这将把测量距离限制在1码。1码对于容纳一个人来说已经足够了，而对于抑制其他距离接收器的干扰也足够窄了。
2.通过“查阅”实现所需增益而要求的频率偏移，为该距离而对中频放大系数进行调整。查阅表中的数据是通过计算以及在生产过程中的实验测试而确定的。
3.为选定的距离接收器设置距离选通脉冲的延迟时间。
4.为发射器及本机振荡器设置各自的起始频率。
5.起动武器检测程序。
然后，处理器命令脉冲与定时装置启动一个测量程序。该程序包括：
1.启动发射调制器，发出一个脉冲(如脉宽10纳秒的脉冲)。
2.对与选中的距离选通脉冲的延迟时间相对应的时间进行倒计数。
3.将T/R开关转向接收模式。
4.同时开启距离选通脉冲开关。
5.对模-数转换器(A/D)定时的延迟时间进行倒计数。
6.启动数模转换对回波信号进行数字化并将结果存于存储器中。
7.命令振荡器开始测试程序中的下一个程序。
8.检查并增加计数器的数值。
9.如果计数器的值小于预定值(如50)，等候一段时间(如1毫秒)再重复以上步骤1至8。
10.如果计数器的值就是预定值(如50)，将振荡器复位到起始频率，并重复整个程序。
11.程序被重复(如5次)之后，取每个频率(如50个频率)的结果的平均值。
12.将平均数据送往神经网络处理器进行图像匹配。
13.根据是否有图像被识别出来，以及其可靠程度，点亮相应的发光二极管。
14.只要启动开关被按下或以其它方式被激活，就持续重复该测量过程。
15.每次频率搜索结束之后，新的数据被置入移位寄存器，以便最新的数据取代最老的数据。这将导致对以每5个搜索频率为一组进行的持续的求平均值计算。
16.每次为图像比对而进行的频率扫描结束之后，新的平均值图像又被送往神经网络。
17.无论在何处，只要图像比对的判定结果发生变化，就点亮新的发光二极管。
每次有新的对象接受扫描时，触发装置或其他起激活作用的部件均应被释放并重新按下或者减活化并重新激活，以使测矩器的测量得以重复，保证新的对象接受扫描。
本发明最好以短脉冲雷达为检测器以便安全地对被查对象进行检查。它生成一个雷达回波，该回波的特性曲线中询问信号的频率是独立变量。有各种各样的技术可以用于获得这种信息。如上所述，最佳技术是使用步进式的频率测量。也就是说，将作为考虑的频率分解(如分成50个点)，而测量在每个点上进行。然后把数据收集起来以作出振幅与频率的特性曲线。
在本发明中可以采用的能够获得同样信息的其他方法有：
1.线性调频信号：线性调频信号是指这样的信号：在每个脉冲期间，通过不断改变载波频率的方式，每个脉冲能复盖整个或部分频带。由于这种应用方式所要求的脉冲非常窄，在脉冲期间只有少量的中频或载波周期出现，因此，精确的测量至为关键。
2.FM-CM雷达：FM-CM雷达技术通常用于雷达测高仪，这里需对距离作出精确的测量。在这种类型的探测器中，信号频率以线性方式不断变化，而在对回波进行测量的时候，其频率也在改变。这种变化可以用于本发明，以与到目标的距离相对应的频率间隔对这两个信号进行跟踪，但对回波幅值的变化进行采样和测量。
3.脉冲雷达：脉冲雷达生成的脉冲非常狭窄，大约为几十个或者有时为几百个微微秒(10-12秒)。如此之窄的脉冲含有频谱的大部分能量。该方形脉冲的频谱含量是一个Sin(X)/X特性曲线，而第一个零点在与1/T相对应的频率之处。因此，如果期望在3GHz的频率上存在有效的能量，就要求脉冲宽度要小于300微微秒。这就意味着所有数据的搜集必须在不足300微微秒的时间内完成，因为该信号只持续这么长时间。这就使得所要求的系统十分昂贵而且难以实现。
4.副载波雷达：副载波雷达可以使用较高频率的主载波，该主载波是由3GHz范围内的微波副载波调制的。主载波可在从红外波(波长为10微米)直到X光波的可穿透衣物范围之内的任何个频率。
作出判定的依据：本发明的神经网络处理器通过将频带在2GHz以上的信号回波的特性曲线同所存储的特性曲线进行比较的方式来作出是否存在武器的判定。武器在2至4GHz的频带内易于引起谐振，并生成比其他较小的物体更强的回波。作出判断的依据是存在一种信号，其幅值大于背景信号而小于经过校正的雷达反射大信号。
输出与显示：一旦作出判断，CWD即以各种方式发出信号。最简单的方式之一是点亮一个视频指示器，如发光二极管。同样简单的是音频及触觉指示器。然而，在许多情况，这些信号均是不合适的。在这种情况下，可以将信号通过空中，光纤导体等媒体发射。这些信号可用来音频、视频或机械运动的方式激活一个远程的寻呼机或接收器。这就可以向经过挑选的人员报警或自动地启动所设的关卡(如锁具或其他保护性装置)，或者起动照相机对被查对象拍摄特写镜头。
可以生产各种机型的CWD以满足不同的需求。例如，手持机可以使警官在交通站从一个安全的距离对对象进行检查。另一种机型可以固定在墙壁上或悬挂在门楣上。这种机型一般用于在固定的范围内进行持续扫描的方式以对所有接近入口的人员进行审查。在安装交通信号的地区，当有人接近它的时候，可用无源探测器(如，红外探测器)来触发CWD。
在这种情况下，一个寻呼机被激活，而被审查的人员还不知道他或她已被怀疑带有暗藏武器。接到寻呼机报警的警卫人员就可以占据关键的位置来防范被测人员作出任何犯罪行为。如果出现判断错误，或者如果该人未干出犯罪行为，这也没有什么害处，也不会有任何人因任何行动而受到谴责。这种形式的应用最适合于公共机构，如银行、竞技场、首饰店或者集中了大量现金或贵重物品的场所。
在其他情况下，有的场合需要有意给出警示，这时被靠近的门可以锁上，音频报警信号(可以是录音、合成语音或蜂鸣音)可以作响，或者闪光灯闪光等。这种类型的响应最适合于24小时营业的商店、机场、法院、酒吧、及旅游胜地等。
微波/雷达：参见图10的方块图，即可加深对微波/雷达部分的理解。
发射器：发射信号由Tx电压控制振荡器(VCD)01产生。该信号输入到调制器以便将CW(等幅波雷达)波形变成一个脉冲(如，脉宽为10纳秒)。所得的Tx信号是一个脉冲系列，其频率被调整到一个特定的范围(如2.90至3.15GHz)。该脉冲系列在1KHz的增量。每次测量包括51次读取，每次均以一个新的频率进行(比前一个频率增加5MHz)。这样，测量完成的频率范围达250GHz。处理器对50次测量组成的一组取平均值，以便作出判断。01的谐振电压在定时电路中产生，而且波形为阶梯形。其幅值、偏移及线性度均是可调的。每一步在每次判读之后立刻出现，以便为01提供最大的时间来调谐和稳定下一个频率。
发射信号在开关S1中进行调制。来自01的信号是CW，而调制信号是在定时电路中生成的。调制器的后面是高通滤波器F1，用于阻止视频调制信号的能量在到达输出功率放大器的地方从调制器的输出连结器漏出。然后该脉冲(脉宽为10纳秒)调制信号被放大到+23dBm并传送到发射/接收器(T/R)开关S2。此开关通常被置于发射状态，而在调制脉冲送达S1之后一个精确延迟的时刻被置于接收状态。该延迟在24至90纳秒的范围内。在6或12纳秒期间该开关置于接收状态，以发挥距离选通脉冲的某些作用。S2的后面是第二个距离选通开关S3，与S2同步运行。如果S2具有足够的隔绝能力，将起点时间的泄露降低到允许值，则S3可以舍去。S3与S2将在需要接收雷达回波的期间内把一个信号传往低噪音RF放大器A2。
T/R开关S2的共用接口连往天线的接口。一个预选滤波器被接入该路径之中。该滤波器衰减由发射器振荡器/调制器/放大器组合所产生的信号进入接收器。该滤波器的通过频带为1dB、2.85至3.25GHz。天线接口为一个SMA凹型连接器。
接收器：高通滤波器包括一个约为1.7GHz的截止频率，用于防止视频脉冲在到达低噪声放大器A2时从T/R和距离选通开关泄露。回波信号在RF放大器A2中放大，增益为20dB。经过放大的信号被送往一个双路平衡混频器M1。
供与混频器的本机振荡信号产生于第二个压控振荡器，02。该振荡信号比01偏移了700MHz。也就是说，它的频率从2.20调整到2.45GHz。它的调谐与01同步进行，以便将中频输出保持在700MHz。02以0.5MHz的增量与01一道步进。它的谐振电压也是在定时电路中产生的。中频信号经一个带通滤波器F4滤波，频率稳定在700MHz，而频带为400MHz。它的通频带为500至900MHz。选择该带宽是为了维持脉冲的质量，因为保持对距离的分辨能力要求脉冲的上升迅速，脉冲宽要窄。然后，经过滤波的中频信号经过一个可变增益中频放大器A3放大。增益控制是一个0至5伏的模拟信号，0伏时其增益最大。增益控制由处理器生成，而来源于到目标的距离。也就是说，随着距离选通脉冲延迟的增加，中频增益也在增加。这就保证了雷达的灵敏度时间控制(STC)并对目标越远回波越弱的状况进行了补偿。中频放器的增益可在15至65dB之间变化。对于一个固定的目标有效反射截面而言，目标的距离在3至15米的范围内变化，回波的变化为23dB。目标变化超出3至15米时，回波的变化为28dB。这样，50dB的范围已有足够的余量适应大距离的检查，而不会给所要求的距离带来限制。如需降低成本，可以减少该余量。
中频脉冲信号在高速检测器D1中进行检测。电流测试仪是检测器、低通滤波器和匹配器的组合，并使用了一个回扫二极管。检测器在300至500MHz的频段内处于断路状态的便将中频载波衰减到远在脉冲包络线以下。然后，脉冲包络在视频放大器A4中放大。该视频放大器的增益为40dB，把在一般情况下峰值为几十毫伏(如40至50毫伏)的经过检测的视频信号放大到4或5伏的水平。然后，这些脉冲被异步采样与自保电路展宽，将其脉冲宽度从10纳秒展到50纳秒。在进入该脉冲15纳秒的时刻。数字转换器(模-数转换器)读出其幅值并生成该信号幅值的数字化形式。其输出端是一个同轴连接器，便于使用屏蔽电缆，以防止外来干扰及噪声对测量造成影响。
测试点：在被测电路被集成到一个单片器件之中后，测试点即显露在外又被包括在器件之中，用于对相应电路进行监查和故障分析。一旦去掉连接器，而且元件已通过印刷传输线连好之后，排除故障几乎是不可能的。测试点分支于在电路中处于关键部位的定向连接器。第一个测试点TP1位于01的输出端，这样就可以在申请的调制到来之前对基本振荡器CW的信号进行观测。这种观测方式便于对每一次步进的频率、功率电平及Tx信号的稳定性进行测量。第二个测试点TP2位于Tx输出放大器的后面。该位置能对调制定时、发射信号的波形、输出功率的峰值以及脉宽进行观测。第三个测试点TP3位于T/R开关的输出端。在目标与雷达相距很近时，信号只能在该试测点进行观测。然而，该点的信号只能作为一个精确的一时基准，供计时基线距离选通使用，而其他距离由该门来校验。通过该点还可以对不符合要求的并且混杂于干扰信号的所有反射信号进行观测。第四个测试点TP4在本机振荡器的输出端，可以对02的输出以及混频器的驱动电位进行观测，以便对线性度进行检测并对01进行跟踪。第五个测试点TP5位于中频放大器的输出端。该位置可提供有关混频器的变频的变频损耗以及中频放大器的增益的信息，以便查明接收器的线性功能。为这些测试点的连接器选择的电平为15dB，以便将每个设备的插入损耗降至最低程度。
机械方面：优选的微波整机系统的外形示于图11。其整体外壳尺寸为：长、宽各为8英寸，而厚度不足1英寸。天线接口为SMA凹型连接器，用于电缆与天线的入口连接。然而，市场对天线与主机隐蔽连接的射频机型需求旺盛。输入调制及T/R信号的高速连接器是同轴的，如SMC型。五个测试点为SMA凹型插口。包括Tx及LO调频控制以及中频增益控制在内的低频输入被集成到一个多针连接器。而第二个多针连接器用于直流电源的输入。
概要：这里所进行的详细说明的概要示于下面几个表格之中。
表1a优选操作说明概要
    参数     说明
    发射频率范围     2.90至3.25GHz
    功率输出峰值(至天线)     +20dBm
    脉冲宽度     额定值10纳秒
    脉冲上升/下降时间     1纳秒
    脉冲重复频率     1KHz，可达10KHz
    寄生输出     -30dBc
    接收器噪声指数     最大6dB
    三级监听     +20dBm
    接收固有噪声电平     -83dBm
    中频增益     电压可变，从15至80dB
    预选     2.8至2.4GHz
    中频频率及带宽     中心：700MHz，宽带400MHz
    尺寸     约8×8×1英寸，确切值待定
    重量     最大1磅
    天线方向宽度     27×27度
    天线频率范围     2.80至3.30GHz
    天线增益     16dB/最小
    天线尺寸     约8×8×75英寸
表1b输入
    参数     说明
    距离选通脉冲延迟 18至90纳秒
    距离选通脉冲宽度 6或12纳秒
    距离选通脉冲上升/下降时间 ＜1.5纳秒
    调制与距离选通脉冲控制电平 TTL
    压控振荡器调频电压 3到8伏之间峰—峰值约为3伏
    中频增益控制 0至5伏，直流
    连接器 调制器与选通门脉冲：SMC凹型振荡器调频与中频增益：多针TBS
表1c输出
    参数     说明
    输往数字转换器的脉冲 经过扩展的脉冲，50微秒
    输出电平 在天线口输入为-45dBm，且中频增益为20dB，为5伏峰值
    输出阻抗 ＜50欧
    天线接口阻抗 50欧.电压驻波比最大值为2
    连接器 天线口：SMA型脉冲输出：SMC凹型测试口：SMA凹型
    零时间泄露电平 ＜5毫伏
表1d环境要求
    参数     说明
    一般情况     经加固处理  现场使用
    工作温度范围     -20至+45℃
    存放温度     -40至+70℃
    冲击     50克，11毫秒，半正弦
    振动     2至2000Hz，移动0.05英寸
    湿度     0至98％相对湿度
    海拔高度     0至15000英尺
体现本发明的便携式机型的优选机身示于图12至15中。构成部件包括发射器/接收器、射频调制器108、天线107、显示控制板111、CPU和逻辑控制板109、显示屏112、螺钉130，131，132，133，I/O连接器110、启动开关装配件125、启动开关、开关架、接口连接器120、显示窗113、手持振荡器116、“C”电池119、接口连接器盖105、电源盖104、显示框103、外壳1 02、后手柄118、前框101，发光二极管指示灯115、和陶瓷蜂鸣器114。
本发明对于检测手枪及其他武器特别适用，其中包括但又不限于以下这些武器：.22口径左轮手枪、.38口径左轮手枪、.357口径左轮手枪、.22口径锯断的步枪、.380自动手枪、.9mm自动手枪、.22口径自动手枪，以及管形炸弹或其它筒形武器。本发明还能将武器从其他干扰的中区别出来，包括但不限于：皮带环扣、手镯、手表、录音机、软饮料罐、硬币、计算器、唇膏套、军衣扣子、移动手机、钥匙环、和钥匙。本项发明还能检测带有各种外套或放入以下物品中的武器，这些物品(包括但不限于)为：钱包、挎带(前胸或侧背)、挎肩枪套、工装裤、公文包、外衣(包括皮衣、大衣、风衣、和马球衫)。
下面举例说明对本发明的测试。
图16是人工神经网络测试表，图17展示了测试的原始数据。从与本发明相对应的系统中获取的数据可以表明有五个武器接受了测试(.9mm自动手枪、.380自动手枪、.38口径左轮手枪、.357口径左轮手枪、.22口径锯断的步枪)。19行表中的每一行都是在带宽为250MHz的频率为2.2GHz的50个点上所取的平均值。表的左边是从0到1的数据距离。有枪存在时，1是目标数。枪不存在时，0是目标数。对于实际操作，大于0.8的结果将使武器检测器启动红灯以显示武器存在。小于0.2的结果将使武器检测器启动绿灯的显示武器不存在。0.2至0.8之间的任何结要都会导致黄灯发光，表明应使被嫌疑者转身进行第二次检测(可获得对潜在武器的更好的鉴别)。白柱表示目标输出。黑柱表示实际输出。前三次检测涉及一支.9mm手枪。第一次测试是对放在一个人臂下的.9mm手枪进行的。第二次测试是对放入挂在人体侧面的枪套中的0.9mm枪管进行的。第三次测试是对后背皮带中别有一支.9mm手枪的人进行的。第四次测试是对别在人的前腰带中的.380自动手枪进行的。第五次测试是在嫌疑人举臂的情况下对藏于其侧面的.380自动手枪进行的。第六次测试是对别在人的后背腰带中的.380自动手枪进行的。第七次测试是在嫌疑人双臂下垂时对放于其体侧的.38口径左轮手枪进行的。第八次测试是对别在人后背腰带中的.38口径左轮手枪进行的。第九次测试是在干扰环境下(嫌疑人的腰带上有一个大个的西方式皮带扣环、衣装里有一个在钥匙环、腰带上有一个计算器，衬衫前袋里有一个计算器，衣袋里有多个硬币)时别在嫌疑人腰带前部的.9mm自动手枪进行的。第十次测试是在同样的干扰环境下当被侧人双臂下垂时对别在其侧部腰带中的.9mm自动手枪进行的。第十一次测试是对别在受到干扰的人的背部腰带里的.9mm自动手枪进行的。第十二次测试是在同类干扰环境下当被测者双臂上举时对放在其体侧枪套中的.357口径手枪进行的。第十三次测试是在同样的干扰环境下对放于被测者背部腰带中的.357口径的手枪进行的。第十四次测试是在同样的干扰环境下对放于被测试者侧部的枪套中的.38口径手枪进行的。第十五次检测是在同样的干扰环境下对放于被测者臂下的.38口径左轮手枪进行的。第十六次检测是在干扰环境下对插在被测体侧腰带中的.38口径左轮手枪进行的。第十七次检测是在干扰环境下对放在嫌疑人背部腰带中的.38口径左轮手枪进行的。第十八次检测是在干扰环境下对放在嫌疑人前部腰带中的.22口径的发令手枪进行的。第十九次检测是在干扰环境下对插在背部腰带中的发令手枪进行的。在所有这些情况中，经过训练过的神经网络均能成功地检测出手枪的存在。
图18所示的是一个人在臂下带有武器时与同一个人不带武器时的频谱的差异与经过校正的差异。实线波形表示武器存在时的差异，而虚线波形表示武器存在时经过校正的差异。重要的是在2至3GHz的范围内鉴别力较高。这表示我们从在约为3GHz时来自武器的回波发生瞬变中发现的标准现象。无论测试什么武器这一点都始终如一地重复出现。我们还注意到在2GHz时波形差异为0.002伏特。这是武器的正面，在本例中是一支.9mm的自动手枪。
图19展示的是一个在后背腰带上带有武器的人和一个不带武器的人和一个不带武器的人频率的差异和校正后的差异。实线表示有武器时的差异，而虚线表示有武器时校正后的差异。在1.5GHz时差异约为0.0025伏，而在3GHz时约为0.0015伏。图中的波形表明了在1.5GHz及3GHz时鉴别能力均有增加的现象。对于一个神经网络曲线识别程序而言，这些差异可以识别出来的。
图21的测试用的是一支.38口径左轮手枪，放在一个人的体侧。虚线表示一个未带武器的人的回波。粗虚线表示的是对一个未带武器的人进行的50次计算的平均值。实线表示来自一个带武器的人的回波波形。最粗的实线(为整条实线中点的右面部分)是对一个带枪人进行的全部计算的平均值。波形中的差异是一个平均值。达1.475伏以上。
图21表示的是对一个人(虚线)和一个带枪的人(实线)进行50次计算的平均值。枪为.9mm自动手枪。差异还是很明显的(对于大多数计算而言约为0.5至1伏)。
虽然在对本发明进行的详细叙述中特别参考了一些优选的具体实例，但是体现本发明的其他实例也可以取得同样效果。对于在该技术领域有所专长的人士而言，对本发明作出变动和更改是显然的事情。但是所有诸如此类的更改及生成的等效系统都要由下面所附的专利要求所覆盖。上面所提及的说明、应用、专利、和出版方面的全部内容在这里被综合起来以供参考。

Claims (47)

1.一个武器检测器，其特征在于，包括：
一个发射器，用于产生引起武器自谐振的一组频率的输出；
一个天线，用于将所述发射器输出导向潜在武器的地方，并收集反向散射信号；
一个接收器，用于接收所述反向散射信号，并且在自谐振频率范围内工作；和
一个信号处理器，用于检测在所述反向散射信号中存在的多个自谐振频率。
2.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，另外还包括一个距离探测器，用于校正反向散射信号。
3.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述发射器生成1GHz至10GHz之间的频率输出。
4.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，所述接收器的时间分辨能力约小于10纳秒。
5.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述接收器的最小信号检测能力小于1毫伏。
6.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述信号处理器对人身上的武器的存在作出预测。
7.根据权利要求6中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述预测的准确度约大于或等于75％。
8.根据权利要求7中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述预测的准确度约大于或等于95％。
9.根据权利要求8中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述预测的准确度约大于或等于98％。
10.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述检测器是便携式的及手持型的。
11.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，其中的武器被在约为20码的距离范围内进行检测。
12.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，其中的武器被在约为15码的距离范围内进行检测。
13.根据权利要求12中所述的武器检测器，其特征在于，其中的武器被在距离至少为4码的范围内检测。
14.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述信号处理器包括一个神经网络。
15.根据权利要求14中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述神经网络在投入现场使用之前要接受训练以便能识别来自武器的反向散射信号。
16.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述检测器能在发射器输出信号之后的1秒钟内给出一个结果。
17.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，另外还包括关于武器存在与不存在的指示器。
18.根据权利要求17中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述指示器的可供选择的指示方式有：音频信号、静音信号、触觉信号、视频信号，机械信号，及显示信息。
19.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，其中所述检测器悬挂在门口内。
20.根据权利要求19中所述的武器检测器，其特征在于，其中还包括根据武器的检测结果向所述门口提供一个屏障的装置。
21.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，其中还包括一照相机，它在检测到武器时启动并摄取照片。
22.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，适用于检测手枪、步枪、猎枪、和管形炸弹。
23.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，适用于将武器从下列物口中鉴别出来：皮带环扣、镯子、手表、录音机、软饮料罐、硬币、计算器、唇膏盒、计算器、军衣扣子、移动电话、钥匙环和钥匙。
24.根据权利要求1中所述的武器检测器，其特征在于，适用于对放在以下物品中及里面的武器进行检查，这些物品有：钱包、腰带、枪套、裤子、公文包、外衣及衬衣。
25.一个检测武器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
发射一组频率与武器的自谐频率相等的输出信号；
把发射器的输出信号导向可能潜在武器的位置，并收集反向散射信号；
接收反向散射信号，并在武器自谐振频率的范围运行；
在反向散射信号中测出有多个自谐振信号存在。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括对反向散射信号标准化的步骤。
27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，其中生成频率输出的步骤包括生成一个约为1GHz至10GHz之间的频率的输出。
28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，其中接收反向散射信号的步骤包括一个约小于10纳秒的时间分辨能力。
29.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，其中在反向散射信号中测出有多个自谐振信号存在的步骤包括作出有关人身上带有武器的预测。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，其中作出预测的步骤包括预测的准确度大于或等于75％。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，其中作出预测的步骤包括预测的准确度大于或等于95％。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，其中作出预测的步骤包括预测的准确度大于或等于98％。
33.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，包括在便携式和手持的情况下执行所有的步骤。
34.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，包括在约为20码的范围内对武器进行检测。
35.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，包括在约为15码的范围内对武器进行检测。
36.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，包括在至少3码的范围对武器进行检测。
37.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，其中检测步骤包括应用一个神经网络。
38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，还包括对神经网络进行训练，使其在投入现场使用之前能够识别来自武器的反向散射信号。
39.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，其中的检测步骤包括在发射器发出信号之后的约一秒钟内给出结果。
40.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括指出武器存在与不存在的步骤。
41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，其中的指出步骤包括给出一个从如下信号组选择出来的信号，该信号组包括：音频信号、静音信号、触觉信号、视频信号、机械信号、及显示信息。
42.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，其中所述检测步骤包括在一个门口内检测。
43.根据权利要求42中所述的方法，其特征在于，还包括根据武器的检测情况去激活一个为门口而设的屏障的步骤。
44.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括提供一部照相机，它在检测到武器时启动并进行拍照。
45.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，其中的检测步骤包括对从以下武器中选出的武器进行检测：手枪、步枪、猎枪、和管形炸弹。
46.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，其中的检测步骤还包括将武器从下列物品中鉴别出来：皮带环扣、镯子、手表、录音机、软饮料罐、硬币、计算器、唇膏盒、军衣扣子、移动电话、钥匙环和钥匙。
47.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，其中检测步骤包括对藏于衣服/随身物品之中或里面的武器进行检测，待选的衣服/随身物品有：钱包、腰带、枪套、裤子、公文包、外衣及衬衫。
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