一種物質檢測方法及系統的製作方法

2023-06-07 03:09:01

專利名稱：一種物質檢測方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測對象是否存在異物或原有物的方法及系統，具體涉及一種採用並行模式光譜法增加檢測速度的方法和系統。
背景技術：
迫切需要高速非入侵方式來分析或篩檢人體或其他對象中存在的異物或原有物。異物包括但不限於爆炸物及其前體和中間體化學品及其前體和中間體藥物及其前體和中間體生化武器及其前體和中間體細菌、病毒和其他生物預期原有物包括可能夾雜異物的物質，但不限於藥物及其前體和中間體化學品及其前體和中間體食物和食物產品,及其前體和中間體在解決對象是否存在異物的前述分析要求方面，過去已進行若干分析和篩檢技術的開發嘗試，然而，由於種種原因，這類嘗試均力度不夠，比如，反向散射X射線、中子活化、質譜儀(若干種類)和毫米波成像。這些技術不是採用電離輻射，依賴於蒸汽檢測，就是採用入侵成像技術。入侵成像技術雖然能「看」穿衣物，但卻嚴重受限，容易產生虛假正向結果或虛假負向結果。現有毫米波技術已包含成像系統，該成像系統有所受到爭議，原因是系統操作員能夠「看穿」人們的衣服，判斷是否藏有任何物體。許多人覺得這些裝置嚴重侵犯隱私，此夕卜，這些裝置的一項嚴重弊端還在於其辨別各種炸藥或禁運物的能力有限。另一相關領域是檢測空氣傳染病。經常搭乘大容量噴氣式飛機全球旅行的群體，其面臨的最大威脅之一便是易感染空氣傳染病。若旅客搭乘兩次或兩次以上中轉的航班，可能會使許多人感染傳染病，如此，不僅使病源極難追蹤，同時還存在疾病流行擴散的風險。很明顯，搭乘直航航班的傳染病旅客也會帶來巨大風險，因為在航行前和航行期間，還是有許多乘客會傳染疾病，然後，在接下來的傳染潛伏期，這些受傳染的乘客會傳染其他乘客。光譜法是一項具有諸多優勢的分析篩檢技術，然而，由於以串行方式採集數據，該過程速度通常較慢。最好能有一種光譜法及系統能針對篩檢目的(諸如上述)而進行接近於實時的操作。有許多申請針對這種檢測對象是否存在異物的系統。對象存在異物的例子有炸藥或炸藥成分、違禁品、生化武器、藥物、被加工的食品中的汙染物、合法化工產品中的汙染物、與人和動物疾病相關的材料。

發明內容
針對具備原有物和可能具備異物的對象，本發明優先提供一種利用並行模式光譜法檢測原有物或異物或原有物與異物的方法。所述方法包含(I)並行模式數據採集，(2)信號處理和數據簡化，以及(3)提供結果。並行模式數據採集包括產生探詢信號，所述探詢信號同時包含IOGHz左右至25THz左右充足帶寬的電磁輻射，以便能同時以多個頻率檢測多個信號，每個信號具有一定的幅度，這些信號共同產生待檢物質的特有光譜特徵。對象與任何相關異物暴露於所述探詢信號，引起信號與對象以及任何相關異物之間相互作用，探詢信號與對象以及任何相關異物之間相互作用所產生的修改信號由此檢測出來。信號處理和 數據簡化包括處理上述產生的信號，用於制定所述對象至少任何相關異物或原有物的三維數據矩陣代表。提供代表相關已知生物或化學物質的參考資料庫。採用相關技術將數據矩陣與參考庫相比較，以便產生至少一個相關峰，與參考庫數據中至少一種相關異物或原有物相對應。提供上述比較的結果。上述方法提供了一種能接近於實時對對象進行異物或原有物檢測操作的光譜法。


圖I給出了實施本發明的優選系統的方框圖。圖2給出了圖I探詢輻射源中可採用的柱形史密斯-珀塞耳增強式磁絕緣線性振蕩器的主要橫剖面圖，所示的柵極44為部分剖視圖。圖3給出了史密斯一珀塞耳射頻產生過程的現有技術演繹。圖4針對圖2探詢輻射源相關史密斯一珀塞耳射頻產生，以簡化形式給出了電子束與平面光柵及柱形光柵的關係。圖5給出了圖I系統中可採用的離軸反射束校正準光學元件，該圖部分為方框圖，部分為橫剖面圖。圖6給出了圖I系統探詢輻射源可採用的冷陰極場發射三極體的配套電流調節器電路。圖7給出了圖I系統探詢輻射源可採用的漂移管內表面的電磁光柵面橫剖面圖。圖8為圖7中標註圖8的圓形部分的放大詳圖，沒有以比例顯示。圖9給出了現有技術串行模式光譜法的方框圖。圖10給出了圖I系統中可採用的並行模式光譜法的方框圖。圖11給出了圖I系統中可採用的螢光光譜法方案的示意圖。圖12給出了圖I系統可採用的合成圖的二維數據矩陣陣列代表。圖13給出了圖I系統中可用作光相關器的光學相關信號處理器的俯視圖。圖14給出了描述閾值操作的圖。圖15-19給出了圖I系統顯示器中可採用的若干可能的操作界面控制面板。
具體實施例方式發明的詳細說明本文採用的各種定義如下定義探詢輻射源本文中，「探詢輻射源」是指寬帶電磁輻射，所述寬帶電磁輻射同時包含IOGHz左右至25THz左右充足帶寬的電磁輻射，以便能同時以多個頻率檢測多個信號，每個信號具有一定的幅度，這些信號共同產生待檢物質的特有光譜特徵。寬帶表達一個信號的帶寬，涉及其中心頻率。本文中，「寬帶」定義為相對於最高頻率而言，頻率高於中心頻率的25%的信號。異物本文中，「異物」是指對象的相關不利物質，比如，炸藥、非法藥物、化學生物 製劑、食品汙染物、化學汙染物、藥物汙染物、疾病相關物質，以及病原體，包括但不限於病毒、細菌、蛋白質、朊病毒、真菌、孢子。異物可具備多種成分，因此取得的光譜特徵反映出多種成分以及每種成分的量。物質本文中，「物質」可包含單種物質或多種物質。對象本文中，「對象」是指可能具備或者可能沒有與其相關的異物的實體。上下文中，對象的例子包括但不限於人、人和衣物或行李、食物、車輛、藥物、化學品、動物和生物實體。一個「對象」可指單個實體(比如，人)，也可包括多個實體(人和其穿著的衣物)。原有物本文中，「原有物」是指除異物外，構成上述對象的物質。原有物可具備多種成分，因此取得的光譜特徵反映出多種成分以及每種成分的量。比如，相關於由一名人員和該人員所穿衣物組成的對象，其中篩檢炸藥時，該人員及其所穿衣物無害。又比如，相關於由一輛汽車組成的對象，其中在篩檢炸藥時，有許多無害成分被視為原有物。異物或原有物本文中，「異物或原有物」或類似短語是指異物或原有物，或同時包含異物和原有物，但上下文另行要求的情況除外。具備在提及對象「具備」異物或原有物的應用中，「具備」在本文中是指所述對象直接或間接物理支承或含有所述物質。比如，異物可包含人衣物中所含的炸藥反應物，其中，該名人員及其任何無害的衣物(I)共同組成受試對象，(2)當篩檢炸藥時，被視為原有物，又比如，對象自身所含物質，例如，人體所帶的細菌或病毒等異物，或一塊紅肉或雞肉中所含的沙門氏菌等汙染物。共振探詢信號本文中，共振探詢信號是指其一個或多個頻率處於可能存在的異物的共振頻率的探詢信號。所述共振頻率可與(比如)可能存在的異物的振動躍遷、轉動躍遷或其他已知分子躍遷相關。系統整體結構圖I給出了採用並行模式光譜法對具備原有物和可能具備異物的對象12進行異物或原有物檢測的系統10。總的來講，採用探詢輻射源14將受試對象12暴露於探詢電磁(「EM」)輻射16。在穿透對象12後，輻射18帶有所述對象和(如需)任何異物(如有)的光譜特徵，然後，檢測系統20對所述異物進行檢測。光相關器24執行各種功能，包括信號預處理、最好採用減法的相關性操作以及閾值操作。開展這些操作的目的是為了辨別對象、原有物和任何存在的異物之間的光譜特徵。主機26與探詢輻射源14、檢測系統20及光相關器24相互作用，同時也顯示輸出數據。
操作模式圖I的系統在各種模式的操作，下文將給出更為詳盡的說明，包括但不限於異物分析模式在此模式下，對受試對象12進行分析，確定對象是否存在異物，以及其數量或者與資料庫參考光譜特徵相比而言的數量。原有物篩檢模式在此模式下，對受試對象12進行篩檢，確定對象是否存在原有物，以及其數量或者與資料庫參考光譜特徵相比而言的數量。該模式的子集涉及將受試對象12與沒有異物的已知參考對象相比。相繼操作模式本發明的系統(如圖I)可採用相繼模式操作。比如，相繼模式首先將對象12與參考對象相比較(如上所述)，然後，如果對象與參考對象不匹配，則採用異物分析操作模式。同時分析模式該模式對受試對象12同時分析或篩檢原有物和異物。「同時分析 模式」中採用的「同時」 一詞是指對對象同時探詢原有物和異物的同時性，不涉及光相關器24進行的後續光學相關過程，所述必需的後續光學相關過程必須採用串行方式開展。螢光模式在該模式下，檢測異物或原有物的方式為採用第一個頻率探詢受試對象12，該頻率被公認為會以第二個共振頻率在異物或原有物中激發第二輻射，所述異物或原有物以上述第二個共振頻率共振。在該模式下，一般而言，僅處於第二個共振頻率的信號才是檢測對象。學習模式在該模式下，為了創建後續對象分析或篩檢所用的矩陣資料庫或為了添加到先前存在的矩陣資料庫，本發明的系統(比如圖I中的10)對已知物質進行分析或掃描。下文說明在下列方面詳述了本發明優選實施例的方框I : 探詢輻射源14 受試對象12 檢測系統20 光學相關處理器24的功能。信號再處理。相關性操作■減法操作。閾值操作 主機和顯示器26提供輸出數據探詢輻射源14在圖I中，受試對象12和任何異物暴露於上述定義的寬帶探詢輻射源14產生的探詢信號，從而，探尋信號與對象相互作用。圖2給出了探詢輻射源14的優選裝置30。所述優選裝置是利用柱形史密斯一珀塞耳結構增強的磁絕緣線性振蕩器。本文將所述結構最準確地定義為柱形史密斯一珀塞耳增強式磁絕緣線性振蕩器30(CSP-MIL0)，下文給出了一些詳情。下文討論了圖2裝置30的更多詳情。S. J. Smith和E. M. Purcell，「可見光從局部表面電荷移過光柵」，《物理學評論》92，1069 (1953)，該文首先對史密斯一珀塞耳效應進行了說明。史密斯和珀塞耳告訴我們，當電子經過金屬衍射光柵表面附近，垂直於刻線移動時，光柵表面感應電荷的周期運動應產生輻射。圖3源自於上文內容，給出了史密斯一珀塞耳射頻產生過程。該圖具體給出了簡單的惠更斯作圖，其中基波長為I (I/β -cos Θ )，I是刻線之間的距離，β通常代表v/c (其中，V是電子束速度，c是光速)，Θ是電子運動方向和光射線之間的角度。本發明的發明人認識到，史密斯一珀塞耳效應並非極為有效，原因是由於史密斯和珀塞耳描述的正切幾何結構，被帶到適當接近光柵面的電子數量有限。圖4給出了就史密斯-珀塞耳射頻產生而言，裝置34中電子束與平面(現有技術)的關係或裝置36中電子束與柱形光柵的關係。由於圖4是簡化圖，因此，重要的是要注意電子束(E束)與柱形光柵整個內表面接觸。2008/0063132 Al號美國專利申請公布說明書中，本發明的發明人所述的柱形史密斯-珀塞耳變體具備以下重要優勢橫剖面2、圖7和圖8中，電子束的整個表面與漂移管40內表面上刻劃的柱形光柵38的內表面接觸。相較於傳統平面史密斯-珀塞耳裝置，這將射頻產生效率提高几個數量級。注意，通過對所述漂移管40 (圖2、圖7和圖8)施加適當電荷，可使電子束與漂移管內表面上的柱形光柵38表面緊密接觸。所需電壓與形成電子束所採用的電壓成正比。 圖2中，陰極42和柵極44形成行波電子槍46，形成電子束，在電子束經過增強漂移管的軌道上，所述電子束朝陽極48加速。比如，透明射頻輻射窗口 50覆於陽極48上，所述窗口提供了真空密封以及能讓CSP-MILO裝置30發射射頻的裝置。將電子束外徑和漂移管/光柵內徑調節到大致一樣，以確保電子束外表面與光柵面緊密接觸，但不要過於接觸而使電子束毀壞光柵。這些見解涉及圖4的上述說明。上述結構產生發散電磁束。如圖5所示，這可通過採用離軸拋物面式反射器54校正為部分準直束或完全準直束、或部分聚焦束或完全聚焦束52。所述電磁束校正是採用反射器54反射兀件的準光學過程。圖2中，電子束和CSP-MILO裝置30諧振腔區段56進行附加相互作用。陽極48和電子槍46端部之間發生振蕩，引起電子通過漂移管40來回振蕩。這具備下列效應(a)加寬帶寬，(b)為輻射射頻確立更低的頻率，(c)通過讓電子與光柵反覆相互作用，增加史密斯一拍塞耳過程的效率。由於光柵的閃耀角，射頻僅通過窗口 50向一個方向發射。CSP-MILO裝置30的頻率可以兩種方式控制，(I)通過粗調，以及(2)通過精調。可以通過控制裝置30腔56的尺寸和光柵38的尺寸及幾何結構，完成粗調。可以通過調節史密斯-珀塞耳效應的相關高電壓，完成精調。CSP-MILO裝置30最好設計成此種類型其輸出信號或探詢輻射16 (圖I)構成寬帶電磁輻射，所述寬帶電磁輻射同時包含IOGHz左右至25THz左右充足帶寬的電磁輻射，以便能同時以多個頻率檢測多個信號，每個信號具有一定的幅度，這些信號共同產生待檢物質的特有光譜特徵。對於探詢輻射16 (圖I)而言，ITHz以上的頻率範圍提供了一種特有的物質低頻振動模式光譜探詢。各種分子性質，從蛋白質與多聚核苷酸的三維結構到臭氧的消耗機制，其特徵均在於模態光譜。此類針對於分子的光譜需要(a)約2MHz或以下的光譜解析度來提供十億分之幾(I X 109)的解析度、(b)涵蓋至數THz的光譜範圍和(c)頻率可調諧性。圖6展示了電流調節器的電路90，其可用於調節CSP-MILO裝置30 (圖2)的功率，其調節方法在一定程度上類似於低壓電源中經典的雙FET (場效應電晶體)電路調節器的調節方法。在圖6中，本發明的發明人及其他人在電流調節器電路90的應用中使用了冷陰極場發射三極體92和100，這兩個三極體的構造中均可包含脈衝管，正如題為《高壓開關管》的美國專利第4，950，962號中所公開的那樣。圖6中的電流調節器解決了本設計所考慮的電壓或電流體系中沒有能夠運作的固態真空管裝置或傳統真空管裝置的問題。本發明的發明人在發布於2009年7月30日美國專利申請公開說明書2009/0190383 Al號上公布了此電路布局。下文將進一步描述電流調節器電路90的細節。參照圖2，CSP-MILO裝置30的陰極42直接應用了一種高壓脈衝。裝置30的主體構成了在陰極點火時會發生振蕩的諧振腔56。由網格44控制CSP-MILO裝置30的點火。柵極44應用了觸發脈衝來啟動RF生成過程。CSP-MILO裝置30是一種高功率的RF源，其本發明的發明人(C. A. Birnbach)相信這一裝置已經公開，並在2008年3月13日的美國專利申請公開說明書2008/0063132A1號中得到了描述。其整合了帶圓柱形光柵38的漂移管40，光柵38位於其內表面上，並使用了行波電子槍(TWEG) 46。電子槍46最初由C. A. Birnbach在美國專利第4，950, 962號中公布。參照圖2，諧振腔56和漂移管40的尺寸決定了輸出範圍。傳統的MILO裝置，特別是缺乏CSP結構的MILO裝置，其輸出範圍介於300MHz到3. 5GHz之間。如圖7和圖8所示，本 發明的發明人已通過實驗證實，更換漂移管40內柱面上的電磁圓柱形光柵38表面將使電子束的外表面與光柵38在漂移管內表面上緊密接觸，從而生成頻率比現有滑膛漂移管高得多的RF。此RF源是由史密斯一珀塞耳效應產生的，這一效應與帶光柵面的相對論電子束的相互作用有關。可很好地實現THz頻率範圍內的輸出。圖7和圖8中的光柵面38有多種構成方法。參照圖8，間距60、面角62和光柵38均為實現頻率的決定因素。正如圖7和圖8所示，現已確定漂移管光柵的光柵38所優先採用的實施例為內螺紋。通過改變螺紋的參數來改變輸出頻率。漂移管40的兩端為輻射式的，以便將諧振腔內的不利電場擾動減至最小。電流調節器90如上所述，對圖I中的系統10而言，適合的探詢輻射源14 (圖I)為一種磁絕緣線性振蕩器，而圖2中的CSP-MILO裝置30等圓柱形史密斯一珀塞耳結構已對該振蕩器進行了強化。需仔細調節探詢輻射源14的輸出功率，該輸出功率同時還受到向陰極42所供電流的限制。作為對控制裝置100的響應，在圖6中的上述電流調節器電路90內穿過主調製裝置92 (連接於輸入節點94和輸出節點96之間)的電流會受到調製。圖4中的電流調節器電路90在一定程度上類似於提供低壓功率的經典FET(場效應電晶體)電流調節器。電流調節器電路90解決了本設計所考慮的電壓或電流體系中缺少能夠運作的固態真空管裝置或傳統真空管裝置的問題。因此主調製裝置92最好是三極體、四極管或五級管結構的冷陰極場發射可控電子管。主調製裝置92可能具有圖15中所示的幾何結構，上述美國專利第4，950，962號中對其此有進一步的描述。主調製裝置92亦可包含一個晶閘管等高壓半導體裝置。可按照主調製裝置102的操縱方式來操縱控制裝置100，從而減少所需零件的差異性；也可用所需電壓和電流相對較低的一個裝置來操縱控制裝置100。對於圖4中的電流調節器電路而言，以下操作描述假設輸入節點94上存在一個正電壓源。電阻器98為主調製裝置92的柵極產生了偏壓，其作為第一個電子管，起著一個系列電流調節器的功能。主調製裝置92的功能類似於該電路中的一個FET。來自調製裝置92的電流流過一個分流電阻器102，從而形成了橫跨該電阻器的電壓。通過由第一分壓器電阻104和第二分壓器電阻106構成的分壓器來分別提供此電壓。主調製裝置92的控制裝置100最好是一個用作控制管的二級電子管，也可以是一個冷陰極場發射電子管。控制裝置100的柵極與第一分壓器電阻104和第二分壓器電阻106的接合點相連。電阻器104的另一側應用了一個控制電壓，即節點108應用了此控制電壓。分流電阻器102的電壓與節點108上電阻分壓器所產生參考電壓之間的比率決定了控制裝置100的導通程度，控制裝置100又反過來控制主調製裝置92的導通性。電容器110通過電阻器104建立了一個時間常數，以確保電路的導通性保持在最高可達跨零點的水平上。通過調節節點108上的參考電壓值以及電阻器104和106所構成分壓器的電阻值，來使用不同的電流調節模式。將對象12暴露於輻射中再次參照圖I，在本優選實施例中，所提供的探詢信號16同時包含了 IOGHz左右至25THz左右、帶寬充足的電磁輻射，從而可同時在多個頻率上檢測多個信號，而每個信號均具有一定的幅度。這些信號共同產生了待檢物質的特有光譜特徵。該EM束16的功率最 好儘可能地低，並同時保持所需的信噪比。該功率通常低於一至五瓦特。如上所述，由於圓柱形史密斯一珀塞耳增強式磁絕緣線性振蕩器(CSP-MILO) 30 (圖2)滿足了前述的頻率和輸出要求，因此是一個優先採用的源。再次參照圖5，如上所述，最好對輸出束進行完整或部分校準，或由離軸拋物面反射器54進行聚焦。異物或原有物的存在與數量檢測參照圖I，最好通過使用熱電檢測器的檢測器系統20來完成異物或原有物的存在與數量檢測。雖然本發明可以包含成像檢測，但本優選實施例遵循了反對入侵式和侵犯性的人體異物掃描的主流觀點，並未採用成像檢測技術。在現有毫米波掃描成像系統技術的測試和使用過程中，主流觀點再三表達了對人體成像的反對意見。消除優選實施例中的成像功能將消除公眾對上述問題的擔憂。此外，分光檢測功能的應用會為操作員帶來多得多的有用信息。使用分光檢測還能降低假陽性和假陰性的水平。優選實施例包含了一個檢測器系統20 (圖1)，該系統由量子鐵電(QFE)物質製成。QFE檢測器為寬帶型，可以在室溫下運行。QFE檢測器與傳統檢測器的區別在於，當入射光子的溫度高於檢測器光電陰極的溫度時，會表現出正電荷；當入射光子的溫度低於檢測器光電陰極的溫度時，會表現出負電荷。QFE檢測器唯一無法工作的光譜範圍是入射光子與光電陰極的溫度相同的光譜範圍。可通過少許加熱或冷卻來改變光電陰極的溫度，從而轉移該無效區域。典型的QFE物質為聚偏二氟乙烯(PVDF)的薄膜。商標名為KYNAR和HYLAR的製品即PVDF。具體而言，KYNAR PVDF是美國賓夕法尼亞州費城的阿科瑪有限公司(Arkema, Inc.)的一種產品，HYLAR PVDF是比利時布魯塞爾的蘇威化學品股份公司(SolvayChemical S. A.)的一種產品。根據本說明書，所屬領域的普通技術人員該如何選擇合適的檢測器自不待言。並行分光鏡圖9中展示了一個依據現有技術的串行模式分光鏡120，圖10則展示了本發明優先採用的一個並行模式分光鏡122。如箭頭124所示，在圖9的串行模式分光鏡120中，我們以各頻率範圍下的順序掃描掃查了受試對象12。塊127表示經修改信號、信號處理和顯示的檢測功能。然而使用串行模式分光鏡120會導致數據的採集和處理速度減慢。為了加快數據採集和處理的速度，使本發明更為實用且更加經濟，就需要在信號處理過程中儘早將從收視掃描對象12處接收的數據轉化為並行格式，從而使我們能並行地進行更多的數學密集型操作。圖10中的箭頭128表明了這一點。箭頭128表示同時由所有或許多探詢輻射頻率所導致的受試對象12發光(或掃描)。這將顯著加快分光過程，使數據能以三維形態展示給圖I的光相關器24 (圖10中以「信號處理器(SIGNAL PROC)」 24表示)，以用於信號處理。「三維形態」是指數據以陣列或矩陣的形式表示出來，其每個點均具有檢測器輸出幅度的整數表示法，以作為對探詢信號的響應。下文描述了「三維形態」的詳細定義。在發明實施例的背景下，並行模式分光鏡遠遠快於傳統串行模式分光鏡的另一個原因，是本優選實施例中所用的光相關器24 (圖I)具有極高的帶寬。正如所屬領域的普通技術人員所知，光相關器24 (圖I)等光信號處理器原本就很快，並因而具有較高的帶寬。照亮對象12所需的特定帶寬取決於搜索的特定異物或原有物，因此根據本說明書，所屬領域的普通技術人員該如何選擇特定帶寬自不待言。並行模式光處理器(例如圖I的24)具有複雜相關操作的典型的輸入輸出吞吐時間，其數量級為2至20納秒。這是完成相關操作所需的全部時間。此吞吐量最終受制於 數據輸入光相關處理器24的輸入空間光調製器(SLM)(圖I中未展示)的速度。現代電子學使人們可在數秒內完成數以千計的相關操作，從而使人們擁有更充足的時間來掃描，如掃描所有已知的威脅，以及掃描違禁品走私和許多病原體——包括但不限於空氣傳播的病毒、細菌、蛋白質、朊病毒、真菌和孢子。螢光模式圖10所示的並行模式分光鏡122是在吸收模式下運行的。除了使用在吸收模式下運行的並行模式分光鏡外，還可如圖11所示，通過相同頻段下的輻射132來激發受試對象12 ;但若存在異物或原有物的已知的共振頻率，則需以已知的特定頻率fl來激發頻率f2下的次級共振輻射134。該反應會產生電磁能量特徵已知的二次輻射134，其識別和檢測使我們能進行更加簡化的數據分析。這類似於傳統的螢光分光鏡，但其工作頻率要低於同等的傳統光學兀件。激發(或探詢)信號可以是待測異物具體共振頻率附近的窄帶信號，也可以是受試對象12中存在上述異物時將同樣產生所需次級(即受激)輸出的寬帶信號。這些探詢信號可由本優選實施例下圖2中的CSP-MILO裝置30產生，也可由其它具有適宜頻率和輸出功率的已知RF源產生。三維數據呈現在本優選實施例中，數據從檢測器系統30 (圖I)的各點處並行輸入，這些點與二維矩陣數據存儲陣列136中的各緩存器相對應，而此類二維矩陣數據存儲陣列包含了一個數值，此數值等同於檢測器中相應點所接收信號的強度。儘管其效率不如本優選實施例，但也可通過並行一串行一併行的方式傳輸數據。在二維矩陣數據存儲陣列136中，每個數據存儲位置均能保留一個O至X範圍內的數值，其中X是等於系統動態範圍的整數。數據的分部可以是光柵型，也可以是之字形。每個緩存器的值代表了指定取樣頻率下檢測器信號的幅度。以這種方式格式化的數據被稱作「合成圖像」。合成圖像不具有可辨別的圖像性質，僅能由機器讀取，其在人眼中呈現為變化的灰色陰影的X-Y方形網格或不同的顏色(另一種編碼技術)。圖12所示的矩陣136代表了合成圖像，其每個單元均含有一個頻率下的數值，如fi，f2，u\fn。從上述說明可見，可以使矩陣136的每個單元在人眼中呈現為一種不同的灰色陰影或顏色。光相關器可由圖13相關內容所述的模擬光相關器140來具體表現圖I中的光相關處理器24。模擬光相關器是一種通過透鏡的傅立葉變換性質來對比兩個信號的裝置。人們已將其用於飛彈瞄準系統的目標追蹤和識別。其優勢在於帶寬遠高於相應的電子相關器。儘管模擬光相關器與電子相關器所執行的數學操作基本相同，但其物理實現方式卻非常不同。電子相關器由安裝在印刷電路板上的傳統電子線路組成。與之相對的是，圖13所示的140等模擬光相關器包括了透鏡142、144和146，鏡148和150，偏振分束器152和154以及輸入空間光調製器(SLM) 156等光電裝置。以上零件的作用通過輸入空間光調製器SLM 156實現從電子領域向光領域的轉換和通過電荷耦合器件(CXD)相機158實現返回電子域的轉換。模擬光相關器140還包括了一個可變相干長度光源160，一個束流收集器162和一個單色化分光濾光器164。
作為一般性的背景知識，模擬光相關器所具有的輸入信號會在傅立葉域中由一些濾光器功能進行轉換。傅立葉域中的一個濾光器實例，是通過空間光調製器155提供給模擬光相關器140的匹配濾光器。傅立葉域中的此類匹配濾光器與155處帶合成圖像(如圖12的138)的濾光器信號交叉相關，而此合成圖像會在輸入空間光調製器156處提供給相關器140。以下將討論相關過程。應當注意，本文所定義的數據矩陣為三維矩陣。然而，以下的數學方程式將以二維實體[(x，y)]的表示該數據矩陣。這是因為此處的數學方程式未表示出每個元素(x，y)的幅度值。交叉相關性，即帶h(x, y)的二維信號i (x, y)的c (x, y)為= i{xt n) -f)可在傅立葉空間中將其重新表達為CU，η) = (ζ，η)Η*(-ζ , -η)其中的大寫字母為小寫字母部分的傅立葉變換形式。因此之後可通過傅立葉逆變換的結果來計算相關性。根據菲涅耳衍射原理，當雙凸透鏡的焦距為f時，若在透鏡前的f距離處放置一個對象，則該對象透鏡後的f距離處將產生為了待變換的複雜幅度之故，此光源必須是相干的，且通常為雷射。數字濾波器形式的輸入信號通常會被寫入空間光調製器(「SLM」)(如圖13的156)。由作為光源的雷射所實現的光相關性具有某些劣勢，比如雷射高相干長度所導致的偽像和虛假信號。最好使用具有部分相干長度的光源160，其可調性更好，因此可為特定系統設置最佳相干長度。圖13中所示的模擬光處理器140的運行方法如下。輸入信號以電子方式寫入輸入平面上第一個SLM 156，該平面由具有適當相干長度的光源(未顯示)進行照射。輸入平面通過雙凸透鏡142在傅氏平面上成像，像平面與該透鏡之間的距離、以及該透鏡與傅氏平面之間的距離均等於該透鏡142的焦距。第二個SLM 155位於傅氏平面上，該SLM為一個動態匹配濾波器，它根據該匹配濾波器的傅立葉特性，有選擇地將信息從輸入中移除。所產生的信號通過第二個透鏡144進行傅立葉變換，該信號位於與透鏡144的焦距相等距離的位置。所產生的信號再次進行傅立葉變換，產生傅氏平面的逆變換，透鏡144的輸出在CXD攝像機158上成像，其位於透鏡144的兩倍焦距距離的位置。在CXD攝像機158上產生的圖像是匹配濾波器變換的輸入圖像。所提供的透鏡146用於將來自透鏡144的調製平行光聚焦到CXD攝像機158上。如圖13所示，光學相干處理器140具有由三面鏡子148、149和150以及兩個偏振分束器152和154合併而成的光路。第一個分束器152可以為立方體,它具有兩重功能摺疊光束，同時對光束進行偏振處理。對於第二個分束器154,其具有一個SLM傅立葉濾波器155通過光學方式結合到第二個分束器154立方體的一個表面上。這一配置允許第二個分束器立方體154和第二個SLM 155共同作為摺疊式鏡子和有源傅立葉濾波器。如果第二個分束器154是一個立方體，那麼第二個SLM 155可以通過光學方式與其結合。或者，第二個SLM 155可以直接在分束器立方體154的適當表面上形成。第一面鏡子148、第二面鏡子149和第三面鏡子150為單色電介質膜鏡,用於摺疊光束。所提供的可變相干光源160允許將照明光束的相干長度調節到光學相干性的理想值。相干長度要求隨著光學相干處理器的比值變化而變化，但是通常在O. 25mm到IOmm 之間。第二個分束器154之前光束路徑上的輸入SLM 156允許將來源於合成圖像138(圖12)引入到光相關器140中，該合成圖像來源於受試對象12的數據。第二個分束器154上的傅立葉濾波器155具有來自參考庫的其它合成圖像138 (圖12)，該參考庫最好存儲在主機26 (圖I)中。該庫包括各威脅或其它待分析異物或原有物的合成圖像138 (圖9)。參考庫可以只包括異物的數據，也可以只包括原有物的數據，或者也可以同時包括異物和原有物的數據。光學相干處理器的輸出被導向CCD攝像機158,該攝像機將光信號轉換回電子信號，以供下文所述閾值操作中主機26 (圖I)使用。最好不要在系統10 (圖I)下形成受試對象的實際圖像，以便在受試對象是人時保護其隱私，同時將系統成本控制在合理水平。但是，可以添加成像功能，這將提供一張圖像，檢測到的異物或原有物都會顯示在該圖像上。所述的系統10提供了執行多個傅立葉操作的能力，包括忽視不是受試對象的異物或者原有物。儘管首選前述圖13中的光相關器140，也可以使用採用其他技術的相關器。例如，合適相關器包括使用數字計算機和使用固件的相關器。消減信號處理在目前類型的信號處理中遇到這樣一個問題存在不與異物或原有物檢測明確相關的信息，其構成了噪聲分量。要消除該噪音，可以減去與該噪音分量直接相關的光譜，簡化剩餘數據集。在這裡，這一操作稱之為「消減信號處理」，通過該技術可以在從第二個數據集中逐點減去一個數據集。例如，當篩選或分析異物對象時，從同時包括原有物和任何其它相關異物信息的數據集中減去包括對象中純原有物光譜信息的數據集。本方法可獲得僅僅包括在原始數據集中相關異物的光譜。閾值操作一旦如上文所述包括了充分處理數據的相關峰，希望將其幅度與特徵庫中的參考光譜進行比較。高於給定水平的任何峰值都將觸發操作界面中的指示。
多峰值的存在通過與處理單峰值方法類似的形式進行顯示。圖14顯示了描述閾值操作的圖形。如圖14所示，如果信號至少高於「必須高於」水平，那麼閾值條件得到滿足，這是以其它技術(例如手動)搜索對象的典型顯示。如果信號至少高於「應該高於」水平，那麼信號得到額外重量，這是一種典型顯示，說明對象明確含有異物，應該捕獲該對象。因此，「必須高於」信號顯示了異物或原有物的可能存在，而「應該高於」信號則指示出現異物或出乎意料的少量原有物的明確存在。如果需要，可以使用除了圖14中所顯示技術以外的閾值技術。提供檢測結果上文中確定是否存在異物的結果可以用於多個方面。例如，此類結果可以提供給人工操作員，或者提供給二次系統以便採取自動化校正動作。存在可以用於當前發明的多種可能操作界面技術。此類技術包括顯示需要給予該特定受試對象更多關注的單指示燈，包括顯示存在所關注特定異物的一排燈，包括所關注 特定異物數量的數字顯示，也包括全光譜繪製顯示。或者，可以在全自動機器界面將結果提供給二次系統。界面技術的選擇根據使用本系統的原因、操作員水平等的不同而有所不同。圖15顯示了幾種可能的操作界面控制面板。在圖16中，顯示了五個可能的人工操作界面。圖15顯示了最簡單的版本。它只有兩盞主要的指示燈，即「通過」和「搜索」。當搜索異物時，「通過」指示燈亮起表示受試對象不包括任何異物。當搜索原有物時，「通過」指示燈亮起表示存在可接受數量的原有物。如果「搜索」指示燈亮起，那麼近距離檢查受試對象。圖16稍微更加複雜。它有四盞主要的指示燈「爆炸品」、「違禁品」、「疾病」和「通過」。該版本明確針對旅客檢查應用，儘管也可以用於其它的用途。圖15和圖16中的「通過」功能是相同的。如果檢測到此類說明中的任何異物，三盞指示燈(「爆炸品」、「違禁品」和「疾病」)點亮。很明顯，任何這些類別可能是任何設想的化學物質，該功能的指示燈數量並不限於三盞。圖17是圖16設計的擴展。它增加了字母數字顯示，以顯示所檢測到的各類具體異物。圖18在圖17設計基礎上進行擴展。它增加了顯示項，提供所檢測到給定異物數
量的數值量化結果。圖19顯示了一個完全不同的人工操作界面途徑。該界面設計為由經過培訓可以識別大範圍異物具體光譜的熟練操作員使用。該顯示可以與標準實驗室水平分光鏡相媲美，並直接顯示光譜。很明顯，許多其它的變體和組合都可以用於人工操作界面。該功能是定製的，用於滿足操作員的能力水平和檢查工作的特定環境。原有物分析模式下與已知物質的比較儘管上述描述中一些方面已經強調了異物存在和數量的檢測，但是本發明的另外一個特徵是將受試對象與不包括異物的已知對象進行比較。就此而言，預計能夠在測試或分析示例對象時量化對象中原有物的數量，因為在很多情況下，具有潛在異物存在的任何先驗知識，因此雖然可以實現對此類異物的搜索，但具體操作卻很困難。然而，如果存在原有物準確數量的先驗知識，那麼與標準不匹配的信號便可成功推理顯示異物的存在，即使系統不能明確確定該異物的本質。由此而論，信號的匹配由上述的閾值操作進行確定。下面為該方法上述特徵的示例，我們可以將受試藥物對象與已知藥物活性成分的參考藥物進行比較，以確定受試對象的藥物活性成分是否與參考藥物的藥物活性成分相匹配。在上述比較中，為了獲得最佳精度，藥物對象中藥物活性成分的組成和重量均應與參考進行比較。然而，僅僅比較對象中藥物活性成分的組成可能會有效，儘管精度可能會低一些。這種方法沒有告訴我們影響受試對象和參考對象之間完美匹配的任何偏差的實際本質，但是僅僅組成偏差或組成與數量的偏差就足以觸發報警，或者以其它方式顯示該偏差。由此而論，「完美匹配」是指處於受試對象的製造公差內。這一水平的測試可以在非常高的速度下進行，與現代生產線技術相當。例如，可以通過其它的分析技術來分析不能與參考對象匹配的藥物對象，明確確定偏差的原因，例如包含有異物。這可以通過圖I中的系統10分析異物來完成。類似技術可以用於其它的原有物。同時分析模式 通過對受試對象與已知參考對象進行比較的上述觀念的進一步發展，我們可以同時分析原有物和異物。順序分析模式正如「原有物分析模式下與已知物質的比較」中所詳細闡述的那樣，將受試對象與已知參考對象進行比較的上述觀念的進一步發展就是從進行此類比較開始的。如果確定受試對象與已知參考對象有所偏離，那麼可以進行順序分析，方法是更改本發明系統的運行模式，然後分析具體的異物。參考庫的運行學習模式有時需要將其它物質的數據添加到參考庫中。這可能發生在系統10 (圖I)最初開始後續創建時，或者當需要將其它物質的額外數據添加到庫中時的任何時間點。創建新庫數據的這一最迅速方法如下物質的參考樣本暴露於圖I系統10中的探詢輻射中。從矩陣數據136 (圖I和圖12)中直接獲取輸出，然後通過主機26 (圖I)將該輸出記入庫中。儘管還有其他方法可以獲得相同的最終結果，但是上述方法是優選方法。下面的參考圖號清單有三列第一列包括參考圖號；第二列指定與該參考號相關的部分；第三列指出該部分的首選物質(如適用)。# 項目首選物質10 系統各種12 對象各種14 探詢輻射源各種16 電磁輻射電磁輻射18 輻射電磁輻射20 檢測系統QFE物質24 光相關器各種26 主機及顯示器各種30 CSP-MILO電子管34 裝置電子束和平面光柵
36 裝置電子束和柱形光柵38.柱形光柵傳導性金屬40.漂移管傳導性金屬42.陰極碳44.柵極傳導性金屬46.行波管電子槍(TWEG)碳和金屬48.陽極傳導性金屬50.窗口RF透明物質 52.光束電磁福射54.反射器傳導性金屬56.腔區段傳導性金屬60.間隔不適用62.面角不適用90.電流調節器電路電子電路92.主調製裝置電子管94.輸入節點電路元件96.輸出節點電路元件98.電阻器電路元件100.控制裝置電子管102.分流電阻器電路元件104.電阻器電路元件106.電阻器電路元件108.節點電路元件110.電容器電路元件120.串行模式分光鏡各種122.並行模式分光鏡各種124.箭頭不適用127.方框各種128.箭頭不適用132.輻射電磁輻射134.次級共振輻射螢光輻射136. 二維矩陣數據存儲陣列電子設備138.合成圖像數字數據140.光相關器各種142.透鏡通常為玻璃144.透鏡通常為玻璃146.透鏡通常為玻璃148.鏡子通常為介質膜149.鏡子通常為介質膜
150.鏡子通常為介質膜152.偏振分束器通常為玻璃和介質膜154.偏振分束器通常為玻璃和介質膜155.傅立葉濾波器電光裝置156.輸入空間光調製器(SLM)電光裝置158.電荷耦合器件(CCD)電光裝置160.可變相干長度光源電光裝置162.束流收集器各種 164.分光濾光器通常為玻璃上的介質膜上述描述了一種能夠進行出於檢測目的、接近於實時操作的光譜法和系統。已經描述過的六種模式為(I)異物分析或篩檢模式；(2)原有物分析或篩檢模式；(3)本發明系統操作的順序模式；(4)原有物和異物分析或篩檢模式操作的同時模式；(5)突光模式；
(6)獲取矩陣資料庫供掃描後續對象用的學習模式。儘管已通過插圖對本發明的具體實施方式
做了描述，但是所屬領域技術人員還是可以想到許多修正和修改。例如，除了上述的各種模式外，具有當前發明複雜度的系統將具有多個操作模式。因此，修改後的權利要求書旨在不改變本發明真正的範圍和精神的前提下概括所有此類修正和改變。
權利要求
1.關於具有原有物和可能具有異物的對象，一種通過並行模式光譜法檢測所述原有物和所述異物其中一種或這兩者的方法，包括 a)並行模式數據採集，包括 i)產生探詢信號，所述探詢信號同時包含IOGHz左右至25THz左右充足帶寬的電磁輻射，以便能同時以多個頻率檢測多個信號，每個信號具有一定的幅度，這些信號共同產生待檢物質的特有光譜特徵； )所述對象和任何相關異物暴露於所述探詢信號，引起所述信號與所述對象以及任何相關異物之間進行相互作用； iii)檢測所述探詢信號與所述對象以及任何相關異物之間相互作用所產生的修改信號；以及 b)信號處理和數據簡化，包括 i)處理上述產生的信號，以產生代表至少與對象相關的任何異物或原有物的三維數據矩陣； )提供代表相關已知化學或生物物質的參考資料庫； iii)採用相關技術將所述數據矩陣與所述參考庫相比較，以便產生至少一個相關峰，與參考庫數據中至少一種相關異物或原有物相對應；以及 c)提供上述比較結果。
2.根據權利要求I所述的方法，其中相關技術包括使用並行模式光相關器。
3.根據權利要求I所述的方法，其中信號處理和數據簡化包括確定是否有任何產生的相關峰上升到足夠的水平，以顯示與所述對象相關的異物或原有物的存在和數量。
4.根據權利要求I所述的方法，其中 a)參考資料庫代表已知成分和重量的對象； b)信號處理和數據簡化包括確定就成分而言所述三維數據矩陣是否與參考資料庫相匹配；以及 c)提供上述確定結果。
5.根據權利要求4所述的方法，其中信號處理和數據簡化包括確定就成分和重量而言所述三維數據矩陣是否與參考資料庫相匹配。
6.根據權利要求5所述的方法，其中參考資料庫僅與原有物相關。
7.根據權利要求5所述的方法，其中參考資料庫包括異物和已知物質的多個數據，允許多種運行模式。
8.根據權利要求I所述的方法，進一步包括不考慮所述對象的原有物。
9.根據權利要求I所述的方法，其中探詢信號同時包含IOGHz左右至25THz左右充足帶寬的電磁輻射，並共同涵蓋預期異物或原有物的共振頻率。
10.根據權利要求I所述的方法，其中利用柱形史密斯一珀塞耳增強式磁絕緣線性振蕩器產生電磁輻射探詢信號。
11.根據權利要求I所述的方法，其中 a)所述處理所述產生的信號包括處理所述產生的信號，以產生代表所述對象和任何相關異物或原有物組合化學成分的三維數據矩陣；以及 b)進一步包括使用消減信號處理技術從寬帶探詢信號提取所述光譜或相關光譜，所述寬帶探詢信號包括所述對象和任何相關異物或原有物的信息。
12.根據權利要求I所述的方法，其中 a)探詢信號包括共振探詢信號，所述共振探詢信號會引起一種或多種特定化學物質的獨特已知次級反應；以及 b)所述檢測包括檢測所述次級反應。
13.根據權利要求I所述的方法，其中所述處理配置為篩檢原有物。
14.根據權利要求I所述的方法，其中所述信號處理和數據簡化進一步包括僅在特定頻率下分析修改信號，所述特定頻率與所述物質的螢光發射相關。
15.根據權利要求I所述的方法，其中通過直接從所述數據矩陣提取數據並輸入到所述參考庫來啟用參考庫的學習模式。
全文摘要
本發明公開一種利用並行模式光譜法從一種受試對象中檢測原有物或異物或原有物與異物的方法，包括並行模式數據採集、信號處理、數據簡化方法，並提供結果。並行模式數據採集包括產生探詢信號，所述探詢信號同時包含10GHz左右至25THz左右充足帶寬的電磁輻射，以便能同時以多個頻率檢測多個信號，每個信號具有一定的幅度，這些信號共同產生待檢物質的特有光譜特徵。信號處理和數據簡化包括對所述對象暴露於探詢輻射時產生信號進行處理，以生成一個至少以所述對象任何相關異物或原有物為代表的三維數據矩陣。採用相關技術將數據矩陣與參考庫相比較。
文檔編號G06F7/00GK102812345SQ201180008995
公開日2012年12月5日 申請日期2011年2月14日 優先權日2010年2月12日
發明者柯蒂斯·A·比恩巴赫 申請人:高級融合系統有限責任公司