一种新的违规电子设备检测系统及检测方法

摘要

本发明公开了一种新的违规电子设备检测系统及检测方法，检测系统包括分别与FPGA信号处理及控制板连接的计算机、第一发射模块、第二发射模块、射频接收模块和磁传感器，所述第一发射模块依次与第一单刀十掷开关、第一带通滤波器和第一发射天线连接；所述第二发射模块依次与第二单刀十掷开关、第二带通滤波器和第二发射天线连接；所述射频接收模块依次与宽带单刀十掷开关、宽带滤波器和接收天线连接。本发明能满足违规电子设备检测性能的需求，可在保证误报概率较低的同时，以解决现有金属探测器对违规电子产品漏报率高且对随身金属制品误报率高的问题，实现违规电子产品的有效检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种谐波探测及磁探测系统，特别是涉及一种双模安检门系统。

背景技术

近几年随着各种智能电子设备的普及，电子设备泄密正在成为新的泄密途径，成为最大的安全隐患。各重要部门和场所可能会受到来自外部的各种电子设备窃视、窃密、窃听的威胁。对于涉密环境的防失泄密管理，通过管理手段，信息化手段存在高投入、不能完全有效、事后检查、影响正常事务处理等各种弊端。现有的安检技术大致可分为以下几种：1)金属磁探测；2)X光机检测；3)非线性结探测以及4)“毫米波成像”技术等。然而，针对电子设备检测的问题，多采用金属磁探测以及非线性结探测技术。现有的金属探测在探测电子设备方面有其局限性，如：SD卡、塑料壳U盘等，它们的磁感应特性很微弱，很难被金属探测门检测出来，如采用提高灵敏度的办法，将会导致安检系统的虚警率急剧升高。基于非线性结探测技术的英国AUDIOTEL检测门采用单频体制，基波频率接近GSM通信频率，因此，其接收信号容易受手机通讯信号的影响，使得该检测门抗干扰能力急剧下降，并且价格昂贵。将“毫米波成像”技术通过对被测物进行成像，从图像上分辨可疑物。本发明是利用被测物固有的非线性散射特性和磁性特性实现安全检测的目标，能有效地实现SD卡、针孔摄像头、U盘、手机、相机、窃听器等电子产品的检测。

非线性结探测器的发展得益于谐波再辐射效应的发现及深入研究。早在20世纪30年代末，人们就证实了谐波再辐射效应的存在，但在当时对于产生这种效应的原理还不清楚。直到20世纪70年代随着雷达技术的发展和测试技术的提高，人们才逐渐对谐波再辐射效应的原理有了进一步研究——提出非线性目标的物理模型。并从非线性网络的观点出发，建立非线性接点的网络模型，通过网络模型研究入射电磁波和散射电磁波的关系来计算非线性接点的转移函数。

已有研究结果表明：在单频模式下，主要采用接收二次谐波三次谐波的方式，半导体PN结的二次谐波能量最强，三次谐波次之；人造金属结主要产生奇次谐波，其中三次谐波能量最强。而在双频模式下，主要采用接收组合波形式，其二次组合波电流幅度是二次单频率谐波电流幅度的2倍，即二次组合波功率可增加4倍；三次组合波电流幅度是三次单频率谐波电流幅度的3倍，即三次组合波功率可增加9倍。

谐波再辐射效应的研究促进了非线性结探测器的发展与应用。在20世纪90年代以前，非线性结探测器主要是以单频模式工作，如：国外以美国为代表的ISR公司，在70、80年代时，分别推出了大功率三次谐波探地雷达——METRRA金属再辐射雷达和BOOMERANG1-3型微电路探测器。国内中国电子科技集团第50研究所推出的MCD-1金属接点探测器，以上几种金属结点探测器都是简单的一收一发模式，功能简单，灵敏度不够高，体积大，质量重。

在20世纪90年代以后，各国都开始研究二次谐波、三次谐波复合雷达，这是因为采用组合波方式后，一方面可以提高谐波雷达的探测距离，另一方面由于组合波功率的增加，可以大大降低虚警率。如ISR公司的BOOMERANG4-5型微电路探测器、英国AUDIOTEL公司的Super Broom非线性结探测器、俄罗斯的NR900E无线定位器、中国电子科技集团公司第五十研究所的TZD95B。这些探测器在接收机灵敏度、探测距离上有所提高，具有一定的目标区分能力，缺点是体积较大，较重。随着微波集成电路的发展，非线性结探测器发射机工作频段也开始发生改变，由传统的L波段逐渐向S波段发展，在L波段以880～920M波段最为常见，存在探测目标外形较大，无法定位微型目标且探测器体积较大，重量较重，携带不便等问题。而立陶宛最新产品均工作在S波段，如：Lorgnette-24工作频率2400MHz～2483MHz，重量为0.65kg，体积较小，重量更轻，便于手持。Lorgnette-36工作频率3580MHz～3620MHz，重量为1.4Kg，发射功率可调节。在S波段的非线性结探测器，有如下特点：1)由于频率高，可促使探测器探测到目标尺寸更小的非线性目标，如：1*2cm的SIM，这是因为从目标的散射性能来看，当目标尺寸大于波长时，目标对电磁波以散射为主，以绕射为辅，目标的有效散射面积大，S波段的频率比L波段频率高，波长短，更容易检测到小型化的非线性目标。2)高频段的使用，同时也带来天线以及无源器件的尺寸小型化。现有的违规电子产品检测系统在实际应用中碰到较多的问题；1)钥匙、皮带扣、随身金属饰品等使得检测系统的虚警率较高；2)受周边环境的影响较为严重；3)对屏蔽较好的电子产品的检测效果不理想等问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种新的违规电子设备检测系统及检测方法，能满足违规电子设备检测性能的需求，可在保证误报概率较低的同时，以解决现有金属探测器对违规电子产品漏报率高且对随身金属制品误报率高的问题，实现违规电子产品的有效检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新的违规电子设备检测系统，包括分别与FPGA信号处理及控制板连接的计算机、第一发射模块、第二发射模块、射频接收模块和磁传感器，所述第一发射模块依次与第一单刀十掷开关、第一带通滤波器和第一发射天线连接；所述第二发射模块依次与第二单刀十掷开关、第二带通滤波器和第二发射天线连接；所述射频接收模块依次与宽带单刀十掷开关、宽带滤波器和接收天线连接。

本发明还提供了一种新的违规电子设备检测方法，包括如下步骤：

步骤一、对磁异常信号和谐波信号进行AD量化；

步骤二、对磁异常信号和谐波信号进行预处理及特征提取；

步骤三、利用双模数据特征融合进行目标检测。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

1)该发明对手机、窃听窃视设备、照相机、U盘、硬盘等设备的检测概率大于85％，能有效排除皮带、钥匙等随身磁性介质对检测性能的影响，误报率小于10％；

2)抗干扰能力强，不易受外界电磁波及磁扰动信号的影响；

3)系统灵敏度高，谐波探测灵敏度优于-130dBm；

4)模块式设计，检测系统重量轻，易于运输及拆装；

5)该发明可为重要部门的安全保密工作提供技防手段。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的电性器件的连接框图；

图2为本发明的传感器布局示意图；

图3为本发明的传感器纵向分布图；

图4为本发明的信号处理流程图。

具体实施方式

一种新的违规电子设备检测系统，包括底座、传感门板和门体顶板，底座和传感门板之间、传感门板和门体顶板之间分别用螺钉连接。在底座中设置电性器件模块，采用金属材料对底座进行电磁屏蔽；在传感门板上设置天线单元和磁传感器，光告警区域和声音告警区域分别设置在传感门板和底座上。

电性器件模块的连接框图如图1所示，包括FPGA信号处理及控制板1、第一发射模块2、第二发射模块3、第一单刀十掷开关4、第二单刀十掷开关5、第一带通滤波器6、第二带通滤波器7、射频接收模块8、宽带单刀十掷开关9、宽带滤波器10、电源模块11、第一发射天线12、第二发射天线13、接收天线14和声光告警驱动模块15等，其中：

第一发射模块2将FPGA信号处理及控制板1的DA1信号上变频至频率f1并进行放大；第二发射模块3将FPGA信号处理及控制板1的DA2信号上变频至频率f2并进行放大；第一单刀十掷开关4的频率为f1、第二单刀十掷开关5的频率为f2，第一带通滤波器6的中心频率为f1、第二带通滤波器7的中心频率为f2，射频接收模块8实现谐波信号的下变频及放大，并产生两路时钟参考信号供第一发射模块2和第二发射模块3使用；宽带滤波器10通带包含f1+f2和f1+2f2频段。

如图2所示，在安装基板19上设置有磁传感器18和第一吸波材料16，在第一吸波材料16上设置第一发射天线12和接收天线14，在第一发射天线12上方设置第二发射天线13，在磁传感器18上方设置第二吸波材料17。第一吸波材料16用于减弱外部电磁波对系统的影响以及减弱发射的基波信号透射到系统外部能量；第二吸波材料17用于削弱电磁波对磁传感器18的影响；磁传感器18用于接收被测目标磁异常信号。

如图3所示，磁传感器18和由第一发射天线12、第二发射天线13和接收天线14组成的单组天线阵列20等间隔分布在安装基板19上。

本发明还提供了一种新的违规电子设备检测方法，按图4所示的信号处理流程对目标散射信号进行处理，可有效实现目标检测，具体包括如下步骤：

步骤一、FPGA信号处理及控制板1对磁异常信号和谐波信号进行AD量化：

本系统将整个检测区域划分为10个子区域，按一定的扫描顺序轮流工作。系统工作时，金属结或半导体结受到特定频率(f1、f2)的电磁波照射，从而散射出二次谐波信号(f1+f2)和三次谐波信号(f1+2f2)，谐波信号经接收天线14进入射频端接收通道，在接收通道里完成分频、滤波和下变频处理后从射频变换到中频10.7MHz，由图1中的FPGA信号处理及控制板1进行AD量化变为数字信号，其中AD1对应于二次谐波，AD2对应于三次谐波，采样率均为125MHz。由金属物品引起的磁异常信号通过图3中的18磁传感将模拟信号传至FPGA信号处理及控制板1中的AD3，采样率10KHz。在该步骤中得到谐波信号和磁异常信号的数字信号。

步骤二、FPGA信号处理及控制板1分别对磁异常信号和谐波信号进行预处理及特征提取，具体的方法如下：

第一，谐波数字信号进入数控板。在数控板内实现滤波、下变频以及抽取处理，从而降低数据量和吞吐率，然后做FFT变换，得到一定带宽内的频谱信息。提取二次谐波和三次谐波检测频段的能量，留存备用。并对磁异常信号进行带通滤波。由于磁异常信号频段较低，在该发明中选择带通滤波器，通带范围为4Hz～10Hz，以滤波电源干扰和直流分量。

第二，在不存在被检测物时，采用恒虚警能量检测器确定各通道检测门限T_2,i、T_3,i(i＝1,2,...,10为通道编号)，T_2,i、T_3,i分别为第i通道二次和三次谐波检测门限，将该值固化至FPGA程序内，以供后续使用。

多次测量人体正常携带的含金属物品的磁异常信号，如无任何金属物品、携带皮带、携带钥匙、携带手机等物品，将接收数据存储起来形成各通道磁异常信号样本空间Φ_c,i(i＝1,2,...,10为通道编号)，计算各通道样本空间中的最大和最小值，以确定人身携带金属物品的磁异常范围。采用恒虚警的方式，得出各通道的检测门限γ_c,i(i＝1,2,...,10为通道编号),固化至FPGA程序内。

步骤三、利用双模数据特征融合进行目标检测，具体方法如下：

设各通道判决结果为result_i。计算谐波信号峰态系数，峰态系数Pk_i计算公式为其中Y_j为第j个频点的幅值，为均值，S为标准方差，M为统计频点个数。分别计算二次谐波峰态系数Pk2_i和三次谐波峰态系数Pk3_i。统计各通道二次谐波和三次谐波检测频段过门限的点数N2_i和N3_i。当N2_i或N3_i大于0时，将result_i置1，表明该通道有疑似目标(金属结、半导体结)，再比较二次谐波峰态系数Pk2_i和三次谐波峰态系数Pk3_i。如果Pk2_i>Pk3_i,这时直接给出检测结果为：该通道存在大量半导体结，转至图4中的声光告警；如果Pk2_i<Pk3_i,将result_i置0,表明金属结多于半导体结，这时需利用磁特性进行辅助判决。当第i通道的磁异常信号s_i(t)>γ_c,i时，求s_i(t)的自相关系数R_i，当R_i<0.5时，result_i值不变，这时直接给出检测结果为：该通道存在疑似钥匙串物品，不报警；当R_i≥0.5,该通道可能受磁性腰带影响，需对该通道的对称通道的磁异常信号进行判决，如果对称通道的磁异常信号的自相关系数R_10-i≥0.5，则表示第i通道为磁性腰带，这时给出第i通道的检测结果result_i＝0，不报警；R_10-i<0.5时，则表示第i通道为金属含量较多的手机或移动硬盘等，第i通道的检测结果result_i＝1，转至图4中的声光告警。

本发明的工作原理为：

1)采用近场复杂环境双模(非线性探测及磁探测)探测总体设计技术。

本发明设计了一种双模体制的违规电子设备检测门系统。采用双频点非线性探测及无源磁探测技术相结合的技术体制。非线性探测技术可实现屏蔽性较差的电子产品的有效检测，然而对屏蔽性较好的电子产品会出现较高的漏报概率，且会因钥匙、皮带等常规金属结制品而引了误报，为弥补这一缺陷，结合了无源磁探测技术，将两种探测技术得到的回波信号进行有机结合以实现目标检测。

2)采用贴覆吸波材料以及优化谐波探测天线和磁传感器的结构布局，以增加系统隔离度。

由于射频有源及无源器件受电磁波照射都会产生谐波效应，其中系统寄生谐波信号对回波检测影响较为明显，且天线辐射出的电磁场会在检测系统周边产生一个较强的磁场信号，进而对无源磁传感器接收信号造成严重的影响。因此，在该发明中，采用天线与磁传感器分离布放、在两种传感器之间贴覆吸波材料的方式，以削弱发射天线电磁波信号对接收通道的影响。

3)为有效增加电磁波覆盖区域，削弱通道谐波干扰对系统的影响，采用一种高隔离度波束共轴天线。

为实现双频电磁波信号对被测目标的有效照射，采用一种波束共轴天线，使得两个发射频点的发射天线主波束重合，实现目标的有效照射。

4)有效结合被测目标的磁感应和非线性回波信号，实现目标分选，进而降低系统误报概率。