专利名称：用于破坏探测的光学系统及方法
技术领域：
本发明 一般而言涉及安全系统，更具体地涉及用于探测在诸如货物集装箱、包裹、门和/或窗之类的安全环境中的破坏(tamper)和/ 或入侵的技术。
背景技术：
关于美国联邦政府资助的研究和开发的的声明本发明是才艮据由SPACE AND NAVAL WARFARE SYSTEMS CENTER, San Diego授予的号码为N66001-05-C-6015的合同利用政府 的支持作出的。政府对本发明享有某些权利。本专利申请是2005年12月22日提交的顺序号为11/315455的美 国专利申请的部分继续申请，该申请的公开由此被整体结合以作参 考。粒各种各样的货物，例如商业商品和设备、保证质量的设备、机密 商品、敏感性材料或设备、昂贵商品等等，在诸如货物集装箱、板条 箱、纸板箱和/或包裹之类的标准化容器中被从一个地方转移到另一个 地方。当这些容器处于运输中或者在储存期间时，常常难以充分地保 护它们。此外， 一些装运源于港口或铁路堆放场的安全性可能不够或 不存在的国家。因此，这些容器常常被放置在可能发生盗窃或破坏的 地点相当长的时期无人看管。而且，每天装运大量的容器和箱子需要 使得难以在运输期间在各种检查站充分检查每个容器，否则将减少在 检查站的吞吐量。另外，在许多情况下，这种裂口 (breach)或破坏难以探测。即使 容器外部的目视检查也不大可能显示出裂口。装运容器易遭受吊车和 其他重型设备的粗暴处理。它们中的许多在正常的买卖过程中已经被 损坏多次，并且随后被修补以延长它们的有效寿命。因此， 一旦进行 检查，暗中打破的容器和修补的容器会看来似乎相同，并且该打破的 容器不大可能被探测到。穿过底板的裂口特别难以探测。只有当容器
被装上装载容器例如船或者从装载容器例如船上卸下时，才能从外部 看到底板。此时利用视频设备难以检查底板，并且人工检查它是危险 的。当容器被装载时，它的内容对于观察者模糊了该容器内部的裂口。 容器的大多数运输时间花费在地面上或者叠加在另一容器之上，此时 底板是不可见的。因此，这些容器易遭受破坏。打破的容器例如可以被掠夺或者被 暗中装载违禁品，例如非法药物和/或武器。在运输和储存期间对安全 的需要要求证明保持了容器的完整性。此外，在运输或储存期间，盗 窃私人或公共实体的商品也是不期望的，并且可能具有重大的经济影 响。因此，减少这种非法活动是高度期望的。当前在运输和/或储存期间保护容器的技术主要依赖亍，在跨过容 器门的锁定机构上设置封条和/或该容器的一个或多个物理检查来证实 内容的完整性以及没有被破坏。然而，上述技术具有有限的价值，因 为入侵者利用帮助可以绕开或破坏库存控制和货物舱单交付系统。此 外，考虑到装运的商品的巨大数量，如果广泛地执行检查，则人工检 查会降低吞吐量，或者否则检查可能不够广泛和有效。由于打破或绕 开货物交付系统特别对于高敏感性应用可能具有严重的后果，所以失 效容忍度非常低。因此，有必要保护容器来使得入侵是可防止的和/或 可探测出的。除了保护容器和货物之外，还可能期望保护各种建筑物，例如住 宅区、公共设施、防御设施、私人财产等等。当前用于保护这种建筑 物的技术包括在这种受保护区域的门和/或窗中安装基于声传感器、震动传感器、磁接触和三偏置的(triple-biased)门接触的报警系统。然 而，这些技术并不保护整个组合体，或者仅仅探测入侵的效果(例如 声音或振动)而不是入侵本身。这些效果也可由其他事件产生，从而 导致误报警。其他技术可能只探测门的打开，但是如果锁处于原位并 且入侵通过切穿门发生则不产生报警。因此，需要一种入侵探测系统， 其在最小化假错误消息的同时提供对通过门和/或窗的未经许可的进入 的可靠的全面探测。因此，期望提供一种用于货物集装箱、包裹、门和/或窗的有效的、 可靠的、成本划算的和自动的破坏和/或入侵探测系统。还期望提供防 破坏的容器、包裹、门和/或窗。
定构件相接合，并且当剂量设定构件处于剂量注射位置时该按扭适合 于从剂量设定构件脱离。由于脱离意味着当达到这个脱离状态时，按 钮和剂量设定构件可相互转动。注射装置还可以包括弹性构件，例如 线性弹簧，用来在远离驱动构件的方向上轴向偏压按钮。手持式注射装置还可以包括可转动安装的显示构件，该显示构件 适合于显示根据剂量设定构件的设定要从注射装置排出的剂量，可转 动安装的显示构件可转动对应于显示构件的至少一个转圏的角度。显 示构件包括剂量显示筒，所述剂量显示筒在其外表面上具有沿基本为 螺旋路径设置的数字。可选地或附加地，显示构件可以包括具有两个 或多个显示盘的计量装置，显示盘具有设置在其外表面上的数字。手持式注射装置还可以包括相关联的活塞杆，活塞杆具有螺紋外 表面且驱动轨道沿活塞杆外表面的纵向方向设置。驱动构件通过棘齿 可操作地连接到剂量设定构件。贮能器可以设置在壳体和剂量设定构件之间，以这种方式，当剂 量设定构件转动时，能量在贮能器中积累。贮能器可以包括与相关联 的活塞杆同轴延伸的、形成为螺旋弹簧的扭转弹簧。需要注意的是驱动构件、活塞杆和壳体之间的相互作用可以多种 方式实施。上文中，活塞杆具有螺紋外表面和沿杆的纵向方向设置的 驱动轨道。设置在驱动构件上的键与杆的驱动轨道相接合并且杆相对 于壳体的前进运动由与壳体的相应螺紋部分相啮合的杆的螺紋外表面 造成。可选地，杆的螺紋外表面可以与驱动构件的相应螺紋部分相啮 合，而沿杆的纵向方向设置的驱动轨道与相对于壳体固定设置的键相 接合。
现在将参考附图详细解释本发明，其中图l显示了根据本发明的注射装置，其中设置在装置顶部的释放 按钮由使用者的拇指驱动，图2显示了根据本发明的注射装置，其中设置在装置顶部的释放 按钮由使用者的食指驱动， 图5是根据本发明实施例构造的入侵探测系统的图示。 图6是根据本发明实施例构造的入侵探测系统的图示。 图7是根据本发明实施例构造的入侵探测系统的光流路径的图示。图8a-8c是根据本发明实施例构造的入侵探测系统的时间隔开的 光流路径的图示。图9和图IO说明分别通过根据本发明实施例构造的未涂覆的和涂 覆的光能传输材料的光信号损失。
具体实施方式
本发明的实施例涉及在各种安全应用中会是有用的破坏和/或入侵 探测系统。虽然本讨论在货物集装箱、包裹、门和/或窗的背景下提供 例子，但是本领域普通技术人员将容易理解，这些技术在其他背景的 应用完全在本公开的范围内。如这里在整个说明书和权利要求书中所用的近似语言可被用来修 饰能够在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下可容许改变的任何 数量表示式。因此，由一个术语或多个术语例如"大约"所修饰的值 不会限于所指定的精确值，并且可以包括不同于指定值的值。至少在 一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。具体参考图1和图2，示出了一种包括光能传输机构12的入侵探 测系统10。该系统10包括光能发射体20a和20b以及光能收集器或探 测器22a-d。光能传输机构包括夹在第一和第二支撑结构16、 18之间 的光能传输材料14。支撑结构16、 18可由木头或AZDEL⑧或者任何 其他合适的支撑材料形成。光能发射体20a和20b包括光能量源，用 于在某一范围内发射光能通过光能传输材料14。由光能发射体20a和 20b所发射的光能可以是在大约200纳米和大约2000纳米之间的波长 范围内的辐射；然而应该认识到，可以发射任何合适范围的光能。在 本上下文中的适合性将很可能考虑到接收光能范围的能力以及探测在 该光能范围内光信号强度的变化的能力。探测器22a-d被配置成探测在 光能传输材料14内能量分布的变化。能量源可以是例如光源、电流源、 或任何其他能量源。通过传输材料14所传输的光能在光能传输材料14 内产生通常不随时间波动的能量分布剖面(profile )。在某些实施例中， 能量分布剖面可以是均匀的。应该认识到，由于材料特性的变化和损 坏，能量分布剖面将逐渐改变。这种变化可被标定出来。此外，能量 源和/或探测器可以显示出短期灵敏度(例如热的)，这也可以被补偿。应该认识到，系统IO仅利用一个支撑结构16或18也可以起作用。 虽然支撑结构16和18的夹层结构的使用允许使用便宜的薄传输材料 14，但是也可以使用更昂贵的更厚的传输材料，这将消除对于两个支 撑结构的需要。如所示，光能发射体20a和20b位于传输材料14的相对端。具体 而言，光能发射体20a与探测器22a和22b —起位于传输材料14的一 端，而光能发射体20b与探测器22c和22d —起位于传输材料14的相 对端。通过这种布置，探测器22a和22b接收来自光能发射体20b的 通过传输材料14的光能，而探测器22c和22d接收来自光能发射体20a 的通过传输材料14的光能。传输材料14中的开口 24将反映在探测器 22a-d所接收的光能的减少量中。光能传输材料14可由至少一种部分光透射的材料制成，例如包括 LEXAN⑧的聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯 乙烯(PS)、箔或玻璃。在某些实施例中，光能传输材料14可被优化 以最小化能量损失和最小化功率消耗。例如，光能传输材料14可以掺 有荧光材料，例如染料和/或量子点，以最小化光衰减。光能传输材料 14可以通过任何合适的方法形成，例如包括滚涂、浸涂、喷涂、旋涂 和芯挤压。材料应该显示出光学特性，以使最大容许光信号损失足够 低，以使该材料能够在预定波长保持有用。通常，光能传输材料14应 该在大约7.0dB/m和大约1.0dB/m之间的范围中保持最大容许光信号 损失。另外，光能传输材料14可被涂覆在具有能量反射材料的一个或多 个表面上，以最小化能量损失并捕获在光能传输材料14内更大部分的 能量。例如，基于所用的光源的类型，光反射材料或绝缘材料可用于 涂层。本领域技术人员将认识到，光能传输材料14可以被制造为泡沫、 薄膜、箔、板或其他基板构造，并且可以被布置在易于打破的容器、 包裹、门或窗的表面之上或之内。应该注意，光能传输材料14相对于 易于打破的表面(可打破的表面)的位置(外部或内部)可以基于应 用需求。如在此所用，术语"可打破的表面"是指易于打破、破坏和/
或入侵的表面。探测器22a-d可以是例如用于检测光强度(通量)的变化的光敏器 件，或者是被构造成探测在光能传输材料14内能量分布的变化的任何 其他器件。可选择地，探测器可被构造成探测和测量在任何给定时刻 在光能传输材料14内能量分布的水平。然后，通过探测器22a-d内部 或外部提供的采集电路将该所测量的能量分布与能量分布的正常水平 (阈值)或前一测量进行比较，并且从而可以探测到变化。设置数据处理装置25与探测器22a-d通信。为了便于说明，数据 处理装置25被示出为与探测器22c进行通信，但是应该充分认识到， 数据处理装置25与探测器22a-d中的每个进行通信。数据处理装置25 能够使通过传输材料14所传输的光信号的减少与材料14中的入侵相 关。现在参考图3，示出了破坏和/或入侵探测系统110的一部分。系 统110与系统10(图1和图2)的不同之处在于，系统110包括一对夹 着光能传输材料14并在支撑结构16、 18内的保护层113。保护层113 提供物理保护以使光能传输材料14免受损坏。另外，保护层113可以 用作将光保持在光能传输材料14中的包层。如果用作包层，那么保护 层113需要低于光能传输材料14的折射率的折射率。另外，保护层113 可以包括粘结特性。图4描绘了破坏和/或入侵探测系统210的一部分。系统210包括 夹着光能传输材料14并在支撑结构16、 18内的涂层217。涂层217用 来最小化能量损失，并且允许捕获在光能传输材料14内更大部分的能 量。涂层217也可包括粘结剂，用于将光能传输材料14粘结到支撑结 构16、 18。图5说明了包括光能发射体320和光收集器或探测器322的破坏和 /或入侵探测系统410。系统410还包括在发射体320与光接收机构412 内的探测器322之间延伸的光波导413。如所示，以在发射体320和探 测器322之间的迷宫式图案来提供光波导413。应该认识到，可以使用 允许光波导413横跨光接收机构412延伸的任何图案。图6说明了包括一对光能发射体520a和520b以及一对光收集器或 探测器522a和522b的破坏和/或入侵探测系统510。系统510还包括在 发射体520a和探测器522a之间延伸以及在发射体520b和光接收机构
内的探测器522b之间延伸的多个光波导513。图7说明;限据本发明实施例的入侵探测系统610的光流路径。系 统610包括三个光发射体620a-c和两个光收集器622a-b。光发射体 620a-c中的每个发射光信号，该光信号延伸通过光接收机构的一部分。 具体而言，来自光发射体620a的光信号形成光流路径623a;来自光发 射体620b的光信号形成光流路径623b;以及来自光发射体620c的光 信号形成光流路径623c。如所示，定位开口 24以使得光流路径623b 的一部分625将在开口 24上延伸，从而导致来自光流路径623b的光 信号收集的减少。可选择地，并且具体参考图8a-c，示出了时间隔开的光流路径。 不是同时发送来自多个光发射体的光信号，而是以逐步的(stepwise) 方式在时间上分开光流路径来从光发射体发射光信号，所以存在光流 路径的最小重叠。如图8a和图8c所示，光流路径723a和723c没有在 开口24上延伸，所以由光收集器所收集的光信号没有减少。然而，在 图8b中，光流路径723b的一部分725在开口 24上延伸，因此由光收 集器所收集的光信号减少。随着时间的过去，材料特性可能由于化学特性或物理损坏而发生 变化。当系统被提供时，可以采取基线测量。提供系统的人确定探测 器没有裂口。从系统被提供的时刻直到其无效，寻找基线的变化。如 果存在对系统造成的钉眼或其他损坏，则该基线把这些效果标定出 来。还可能需要的是，前一基线的变化必须在某一公差内以防止进行 提供的人作出完整性的虚报。因此， 一旦采取了传输材料的光传输特 性的初始基线测量，就使宽容度与该初始基线测量相关。相对于初始 基线测量来校准随后的基线测量，以确定它们是否保持在与初始基线 测量相关的宽容度内。具体参考图9和图10，接着将描述利用本发明实施例的实验。耦 合到835nm波长的激光器的单模光纤被用作光能发射体。硅光电池被 用作光能收集器。测量光能传输材料的四个不同的样品长度来消除任 何耦合损失。对每个样品长度取得十次测量。对于每次测量，单模光 纤被重新定位。光能传输材料由125pm厚的聚碳酸酯组成。首先，测 试作为未涂覆的聚碳酸酯的每个样品长度，然后测试具有硅涂层的样 品长度。图9说明了对于未涂覆的聚碳酸酯传输材料出现2dB/m的计 算损失。图10说明了对于硅涂覆的聚碳酸酯传输材料出现6dB/m的计 算损失。虽然已经结合仅仅有限数目的实施例详细描述了本发明，但是应 该容易理解，本发明并不限于这样公开的实施例。而是，本发明可被 修改以结合至今未描述的许多变化、改变、代替或等同布置，而且它 们相当于本发明的精神和范围。例如，虽然光能发射体和光能收集器 已经被示出和描述为位于光能传输材料的任一端，但是应该认识到， 发射体和收集器可以位于一端。在这种实施例中，相对端将需要反射涂层。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解， 本发明的方面可以只包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不 被视为由前面的描述来限定，而是仅仅由所附权利要求书的范围来限 定。
元件名称入侵探测系统光能传输机构光能传输材料第一和第二支撑结构光能发射体光能收集器或探测器开口数据处理装置入侵探测系统保护层对入侵探测系统涂层光能发射体 光收集器或探测器 入侵探测系统 光接收机构 光波导入侵探测系统多个光波导光能发射体对光收集器或探测器对入侵探测系统三个光发射体两个光收集器光流路径光流路径光流路径部分光流路径部分附图标记列表元件号10 12 14 16， 18 20a， 20b 22a-d2425 110 113 210 217 320 322 410412413 510 513520a， 520b 522a， 522b 610 620a-c 622a-b 623a 623b 623c 625 723a-c 72权利要求
1、一种破坏探测系统(10)，包括至少一个光能发射器(20a)；用于传输来自所述至少一个光能发射器的光能的材料(14)；至少一个探测器(22a)，用于探测从所述至少一个光能发射器通过所述材料传输的光信号；数据处理装置(25)，其能够由于该材料中的入侵而相关通过该材料所传输的光信号的强度的减少。
2、 根据权利要求l所述的系统，包括至少一个邻近所述材料的支撑结构(16)。
3、 根据权利要求2所述的系统，包括一对支撑结构(16， 18)， 每个支撑结构位于所述材料的一个相对侧。
4、 根据权利要求l所述的系统，其中所述材料显示出光学特性以 使得最大容许光信号损失足够低，以使该材料能够在预定波长保持有 用。
5、 根据权利要求4所述的系统，其中所述最大容许光信号损失在 大约7.0 dB/m和大约1.0 dB/m之间的范围中。
6、 根据权利要求l所述的系统，其中由所述至少一个光能发射器 所发射的光能在大约200纳米和大约2000纳米之间的波长范围中。
7、 根据权利要求l所述的系统，其中所述材料包括在所述材料内 形成的至少一个波导(413)。
8、 根据权利要求l所述的系统，包括被配置成同时发射光能的光 能发射器的阵列。
9、 根据权利要求l所述的系统，包括被配置成顺序发射光能的光 能发射器的阵列。
10、 一种容器，包括 限定一个外壳的多个壁；以及与所述壁中至少一个同范围的破坏探测系统(10)，包括 至少一个光能发射器(20a);用于传输来自所述至少一个光能发射器的光能的材料(14); 至少一个探测器(22a)，用于探测从所述至少一个光能发射器通 过所述材料传输的光信号；以及 数据处理装置(25)，其能够由于该材料中的入侵而相关通过该 材料所传输的光信号的强度的减少。
全文摘要
破坏探测系统(10)被描述为包括至少一个光能发射器(20a)和用于传输来自该至少一个光能发射器的光能的材料(14)。该系统还包括至少一个邻近能量传输层的支撑结构(16)和至少一个用于探测在该材料内能量分布的变化的探测器(22a)。还描述了一种利用该系统的容器。
文档编号G01N21/90GK101105461SQ20071010233
公开日2008年1月16日 申请日期2007年4月30日 优先权日2006年6月30日
发明者C·G·埃尔本, F·克鲁格, G·P·科斯特, W·V·迪克松 申请人:通用电气公司