Регистрация / Вход
Прислать материал

Высокоточная магнитная градиентометрия и стереоскопическое распознавание лиц как основа уникальной системы скрытого дистанционного обнаружения носителей холодного и огнестрельного оружия в потоках людей высокой плотности.

Общие сведения
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Название доклада
Высокоточная магнитная градиентометрия и стереоскопическое распознавание лиц как основа уникальной системы скрытого дистанционного обнаружения носителей холодного и огнестрельного оружия в потоках людей высокой плотности.
Название программы
Предоставление Минобрнауки России субсидии из федерального бюджета с целью реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства (Постановление Правительства РФ № 218 от 9.04.2010).
Исполнитель проекта
«Децима», ООО
Название проекта
«Создание и подготовка серийного производства систем дистанционного обнаружения лиц, имеющих при себе холодное и огнестрельное оружие, в потоках людей высокой плотности для решения задач обеспечения безопасности на транспорте и в местах большого скопления людей».
Номер контракта
02.G25.31.0127
Докладчик (участник)
Участник
Шкляев Алексей Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью научной части исследования является проведение комплекса изыскательских работ для отработки научного базиса и принципов работы автоматизированной системы обнаружения оружия в потоках людей, вне зависимости от скорости, плотности и интенсивности пассажиропотока, создание пилотного образца системы с перспективой дальнейшего серийного производства.

Система обнаружения основана на высокоточных измерениях магнитного поля и его градиента, порождаемого магнитным моментом слабо намагниченных объектов. Она включает взаимосвязанную интеллектуальную систему видеонаблюдения, работающую с использованием новых разработанных алгоритмов стереоскопического распознавания лиц.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время нет технических средств и систем, способных автоматически определять перемещение оружия по транспортным потокам с большой пропускной способностью. Новизна предлагаемого подхода к решению данной проблемы заключается в использовании новых принципов высокоточных измерений магнитных полей, а также в параллельном использовании интеллектуальной системы стереоскопического видеонаблюдения с распознаванием лиц, имеюших при себе оружие.

В результате проведенного поиска российских и иностранных патентных источников информации было выявлено, что исследованиями в области разработки дистанционных систем безопасности занимаются как отечественные, так и зарубежные компании. Наибольшая активность в подобных исследованиях принадлежит ведущим компаниям США и Японии, а также крупнейшим холдингам, традиционно занимающимся данным направлением и активно патентующим свои разработки в других странах мира.

В России данное направление развивается, в основном, за счёт научных предприятий и профильных технических центров. Можно выделить разработки в этой области Института физики СО РАН и НИИ измерительных систем (НИИИС). Кроме того, исследования по этой тематике в последнее время проводят и представители вузовской науки – технические университеты.

Исследование технического уровня и тенденций развития в данной предметной области знаний показало, что разработка компании «Децима» соответствует передовому уровню, не имеет реализованных аналогов в России и мире, а также особенно актуальна для решения задач обеспечения общественной безопасности.
Описание исследования

 

Магнитная градиентометрия

Целевые объекты обнаружения обладают довольно низким магнитным моментом, который на расстояниях 1–2 м создаёт поля с уровнем нескольких единиц нанотесла (nT). Для обнаружения таких объектов требуются высокочувствительные магнитометры. Из числа известных датчиков поля, основанных на классических (не квантовых) принципах работы, к таковым можно отнести лучшие феррозондовые. Однако, их стоимость и необходимый набор функциональных возможностей ограничивают их использование как универсального инструмента для целей обнаружения.

В данной работе также проведено исследование возможностей новых датчиков собственной разработки, построенных на иных принципах и работающих на основе известных магнитоимпедансных явлений. Чувствительным элементом датчика является анизотропный аморфный ферромагнетик в виде микропровода, через который протекает высокочастотный ток. Обладая сравнимой с феррозондами чувствительностью, такие датчики позволяют построить эффективный градиентометр, который необходим для решения исходных задач в естественных условиях высоких техногенных помех.

Активное магнитное экранирование

Новые разработанные датчики являются трёхкомпонентными (по трём осям координат), поэтому становится важной проблема коррекции ортогональности осей датчика, которую механическим способом осуществить крайне сложно.

Разработана уникальная система цифровой ортогонализации, позволяющая определить угловую матрицу, преобразующую косоугольную систему реального датчика в ортогональную с погрешностью порядка десятка угловых минут.

Экранирующая магнитная система состоит из набора высокоточных колец Гельмгольца с однородным полем в объеме порядка одного кубического дециметра на уровне сотых долей процента. Для её работы разработан специальный математический алгоритм вычисления угловых матриц и минимизации погрешности ортогонализации.  

Распознавание магнитных образов

Простая магнитометрия строится на основе индикаторного принципа, то есть решает проблему определения места объекта по величине рассеянного магнитного поля или его градиента. Она не решает общей проблемы выявления опасных объектов, так как может реагировать на другие предметы, содержащие металл — мобильный телефон, пряжки, ключи и др.

В теории распознавания существует два основных подхода к построению алгоритмов: статистический и детерминированный. Первый применяется, когда есть большая обучающая выборка. При этом одним из основных является предположение о нормальности закона распределения объектов в пространстве признаков. Однако, получить большие выборки трудно, поэтому в прикладных задачах такой подход применяется ограниченно.

Для таких задач применим детерминированный подход, при котором большие выборки не обязательны. Одним из наиболее эффективных является метод распознавания на основе эталонов. Он исключает необходимость хранения информации обо всех обучающих объектах и характеризуется высокой точностью. Путем выбора нужных параметров можно разработать оптимальный алгоритм для каждой конкретной задачи распознавания.

В трёхкомпонентной магнитной градиентометрии получается достаточно большое количество исходной информации, в том числе о динамике движения объекта, что позволяет получать набор его специфических признаков. Данная особенность может быть положена в основу интеллектуальной самообучающейся магнитометрической системы, в процессе эксплуатации которой может производиться классификация объектов по заданным характеристикам.

Стереоскопическое видеонаблюдение

Весьма важным фактором при реализации стратегии распознавания является цифровое представление данных, получаемых от системы датчиков. Оно позволяет разрабатывать различные алгоритмы обработки. Однако, только обработки недостаточно для принятия однозначного решения по определению объекта. Для обеспечения надёжности определения целевых объектов одновременно используется интеллектуальная система синхронного стереоскопического видеонаблюдения с функцией распознавания лиц.

Результаты исследования

 

1. Подтверждены базовые теоретические расчёты и принципы работы созданной системы.

В результате проведенных исследований было подтверждено, что магнитоимпедансные датчики магнитного поля обладают характеристиками, достаточными для создания градиентометрической схемы. Параметры её чувствительности позволяют обеспечить обнаружение объектов с магнитным моментом не менее 100 мА∙м2, что соответствует среднестатистическому магнитному моменту пистолета или ножа на расстоянии не более полутора метров.

2. Обеспечены необходимые шумовые характеристики, требуемые для нормальной работы системы.

Это достигается, в первую очередь, за счёт малых шумов магнитоимпедансного преобразователя «магнитное поле – сигнал». Для отделения шумовых характеристик самого преобразователя от электрических шумов, вносимых схемой и внешними помехами немагнитного происхождения, была создана оригинальная методика измерений шума. В результате показано, что в диапазоне частот 0,1 – 6 Гц, который характерен для динамики перемещения объекта, интегральный шум градиентометра с базой 20 см составляет порядка 1 нТл при полезном измеряемом уровне магнитного поля около 3 нТл.

3. Разработана и апробирована система ортогонализации для магнитных датчиков

При уровнях поля 1-3 нТл важным фактором является ортогональность осей в 3-х компонентных датчиках градиентометра. Разработка и настройка системы ортогонализации на основе комплекса колец Гельмгольца позволили получить угловую матрицу для коррекции ортогональности, способную свести отклонение осей датчика от ортогональности до 50 угловых минут. Это почти на порядок улучшило исходные угловые характеристики.

4. Измерены амплитудные и динамические характеристики полей движущихся объектов.

В итоге показано, что в зависимости от ориентации объекта в пространстве, амплитуда и форма получаемых сигналов по различным осям имеет особенности, которые можно использовать для классификации исследуемых объектов и создания алгоритмов их распознавания.

Практическая значимость исследования
Проведённые научные исследования успешно использованы для разработки тестовой системы дистанционного обнаружения слабо намагниченных объектов, в частности для создания автоматизированной системы обнаружения оружия в потоках людей, вне зависимости от скорости, плотности и интенсивности пассажиропотока.

Помимо получения непосредственных положительных результатов по исходной теме исследования, накоплены дополнительные знания и практический опыт, которые имеют перспективу расширения применений технологии магнитной градиентометрии для других прикладных задач.