[Из песочницы] Чем нас досматривают?09.07.2017 17:06

Привет Гиктаймс !

В связи с повсеместным введением досмотровых систем, многие задаются таким вопросом. В этом посте автор хочет начать цикл статей о разнообразных системах досмотра, о применяемых принципах обнаружения опасных объектов и конструкции аппаратуры досмотра вплоть до «железа».

Для начала рассмотрим рентгеновские инспекционные системы

Чаще всего в рентгеновских инспекционных системах, или по памяти о телевизионных системах, типа «Поиск», — РТУ (рентгенотелевизионная установка) применяется рентгеновская трубка. Да, та самая которую придумал Кондрад Рентген и чаще всего без охлаждаемого вращением анода.

Схема получения изображения, изначально была проста — путем проекции на люминесцирующую под рентгеновскими лучами пластину.

Как находят взрывчатку с помощью рентгено-инспекционных комплексов?

История развития досмотровых систем для просвечивания багажа.

Расскажем историю развития рентгеновских досмотровых систем.
Для начала несколько поясняющих рисунков.

Базовая геометрия рентген излучения при флюорографии

На этом изображении видно как поток рентгеновских лучей проецируется на флуоресцентный экран. Изначально ренгено-инспекционные системы не во многом отличались от техники для флюорографии. Принцип действия был прост.

Рентгеновское излучение от источника проходит через контролируемый (просвечиваемый), предмет, преобразуется на специальном флуоресцентном экране в световой рельеф, соответствующий рентгеновскому изображению объекта (т.н. «теневое изображение») и через защитное стекло визуально воспринимается оператором.

Флюороскопия с прямым отображением:

Позже, для защиты от излучения додумались закрывать пучок излучения в освинцованном ящике, наблюдая полученное изображение, через зеркала и оптические системы с возможностью увеличения.

Усиление изображения с ТВ камерой

Дальнейшее развитие шло по пути усиления получаемого изображения, при помощи фотоэлектронных усилителей и преобразования в телевизионный сигнал, просматриваемый на мониторе.

Но вскоре пришла «цифровая революция», коренным образом изменившая принципы сканирования.

Современные рентгеновские инспекционные установки, чаще используют другие принципы, уменьшившие побочное изучение и сильно улучшившие:

1. Качество изображения
2. Различаемость материалов

Качество изображения улучшилось благодаря применению высокочувствительных полупроводниковых детекторов (фотодиодов), с нанесенным на них слоем люминесцентного вещества (обычно йодид цезия) а, также цифровой обработке на компьютере.

Рентгеновский луч проецируется в виде полосы, точно на линейку детекторов, мимо которых перемещается сканируемый объект (багаж), по транспортерной ленте. Окна тоннеля, в котором происходит сканирование, закрыто на входе и выходе освинцованными шторками. Это делается для защиты от рассеянного излучения.

Далее полученный сигнал считывается и преобразуется аналого-цифровым преобразователем — АЦП, выравнивается и передается в компьютер для обработки и сложения » последовательных срезов» объекта в единое изображение.

Схема щелевой коллимации

Микродозовое цифровое рентгеновское сканирование

Вскоре, для уменьшения размеров рентгеновской инспекционной установки придумали Г -образное размещение детекторов, как видно на рисунке.

Преимущества Г-образной матрицы детекторов.

Современные рентгено-инспекционные комплексы различают материалы используя эффект Комптона и определяют две энергии рентгеновских лучей — высокую и низкую.

→ Эффе́кт Ко́мптона (Ко́мптон-эффе́кт, ко́мптоновское рассе́яние)

В 1923 г. А. Комптон, исследуя рассеяние рентгеновских лучей (фотонов большой энергии) различными веществами (в основном легкими: графитом, парафином и др.), содержащими свободные или слабо связанные электроны, обнаружил, что в рассеянных лучах, наряду с излучением первоначальной длины волны l содержатся также лучи с длиной волны l¢ большей l (l¢>l). Причем разность Dl=l¢-l оказалась независящей от l и от природы рассеивающего вещества, а целиком определялась углом рассеяния. Экспериментально была установлена следующая закономерность:

где q — угол, образуемый направлением рассеянного излучения с направлением первичного пучка; l0 — постоянная для всех веществ величина, равная l0=0,0242 =2,42×10–12 м.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: рассеяние электромагнитного излучения на свободных или слабо связанных электрона, при котором отдельный фотон в результате упругого соударения с электроном передает ему часть своего импульса (часть энергии), называется эффектом или явлением Комптона.

Простым языком, происходит следующее:

При соударении кванта рентгеновского излучения, происходит передача энергии электрону. Возбужденный электрон сбрасывает полученную от кванта энергию в виде фотона рентгеновского излучения, более низкой энергии.

Важно понимать:

При рассеянии излучения веществами с малыми атомными номерами практически все рассеянное излучение имеет смещенную длину волны. Таким образом, в спектре рентгеновского излучения появляются две энергии: низкая и исходная — высокая.

Первоначальный спектр рентгеновского излучения — высокой энергии.

Спектр рентгеновского излучения, после происхождения через органическое вещество.

Рентгеновские досмотровые комплексы выпускаются разными фирмами. В России в основном присутствует техника фирм Nuctech, Smits Detection, Rapiscan, L3 Communication, Astrophysics, Медрентех, Berg и многих других. Эти компании из разных стран: Россия, Китай, Америка, Великобритания, Германия.

Рассмотрим обычную конструкцию рентгено-инспекционной системы для досмотра ручного багажа.

Схема рентгено-инспекционной системы.

На рис отчетливо виден генератор рентгеновского излучения (X-ray Sourсe), Г-образная матрица детекторов Folded Detector Array и компьютер.

Принципы работы рентгено-инспекционной системы:

Когда инспектируемый объект входит в туннель и перекрывает фотоэлектрический датчик, сигнал с датчика поступает на блок управления, который запускает генератор рентгеновского излучения.
Рентгеновское излучение выходит из коллиматора, проникает через досматриваемый объект и попадает на детектор.

В системе используются детекторы двух энергий. Число модулей детекторов в два раза больше, чем в одно энергетической системе. Два блока детекторов с чувствительностью соответственно, к рентгеновским лучам низкой и высокой энергии размещены вместе для приема рентгеновского излучения.

В зависимости от сигналов, принятых с обоих детекторов, система обработки изображения может распознать типы материалов (в основном органику, неорганику и смеси) инспектируемого объекта.
Модули детекторов системы собраны в защищенных панелях расположенных в форме Г и установлены по диагонали от генератора рентгеновского излучения, для сканирования рентгеновскими лучами всего сечения туннеля.

В этой компоновке исключены «слепые» зоны и допускается досмотр любой части объектов проходящих по туннелю.

Дополнительное изображение рентгено-инспекционной системы

Высокоэффективный детектор преобразует рентгеновское излучение в слабые токовые сигналы, которые усиливаются и поступают на АЦП преобразователь.

Эти аналоговые сигналы преобразуются в 16-битовые цифровые сигналы, которые передаются в компьютер.

Компьютер сначала корректирует несоответствие и смещение цифрового сигнала от каждого пикселя, затем по сигналам скорректированной высокой и низкой энергии классифицирует органические и неорганические материалы и выполняет базовые функции обработки изображения, например, улучшение краев изображений, коррекцию 16-битовых сигналов высокой и низкой энергии.

Сигнал каждого рентгено-графического среза объекта превращается в «линию» изображения на экране дисплея.

Уровень серого изображения указывает степень поглощения рентгеновского излучения в инспектируемом объекте.

Так как объект транспортируется по туннелю конвейером с постоянной скоростью, система сканирует его последовательными » ренгено-графическими срезами». Обработанные рентгеновские изображения объекта последовательно выводятся на дисплей для просмотра.

Все рентгено-графические срезы изображений досматриваемого объекта объединяются и образуют полное рентгеновское изображение.

Чтобы инспекторы могли лучше понять детали изображения и принять правильное решение, система предоставляет им ряд функций для анализа и оценки изображения.

Применение этих функций не меняет самих данных изображения. Отключение таких функций восстанавливает исходное изображение.

Отсканированный рентгено-инспекционной установкой тестовый багаж выглядит следующим образом:

В этом кейсе есть весь джентльменский набор террориста — револьвер, граната, бомба с таймером, набор ключей от самолета Boeing, сотовый телефон и Samsung Galaxy Note 7.
Полученное изображение окрашено в различные цвета.

Различным материалам соответствуют разные цвета окраски объектов в соответствии с таблицей:

Категория	Эффективное атомное число Z эфф	Цвет	Типичный материал
Органические вещества	Ниже 10		Соединения легких элементов, например, водород, углерод, азот и кислород, включая большинство взрывчаток (например, нитроглицерин), пластмасс (например, полипропилен), бумагу, ткань, пищу, дерево и воду
Смешанный материал	Между 10 и 18		Металлические элементы средней массы (например, алюминий) и соли.
Неорганические вещества	Более 18		Тяжелые  металлические элементы (например, титан, хром, серебро, никель, железо, медь, цинк и свинец).

Zэфф — это атомный вес материалов которые просвечены в заданной области изображения. Этот параметр определяется благодаря эффекту Комптона и детекторам рентгеновского излучения низкой и высокой энергии.

Есть разные функции обработки изображения досматриваемого объекта. Любимый инспекторами черно-белый режим используется для обнаружения тонких, металлических объектов.

Например: проводов, ножей в вертикальной проекции или взрывчатки с проводами и взрывателем.

Черно-белое (Ч/Б) изображение

Для обнаружения металлических объектов используется режим устранения органических материалов. В результате, на изображении синим цветом, отмечены металлические объекты. Немного забегая вперед, могу рассказать, что зеленым цветом окрашены легкие металлы — например, алюминий или соли металлов.

Устранение органики

Для определения тротила или другой пластиковой взрывчатки а, так-же наркотиков используется режим исключения неорганических материалов — металлов и солей. В результате видны органические материалы, например фрукты и овощи, пластики, в том числе пластиковая взрывчатка и наркотические вещества.

Отображение только органических веществ при исключении неорганических материалов

Также при досмотре применяется возможность определения материалов по атомным номерам — Z эфф.

Эффективные атомные числа (Zeff) взрывчатки и наркотиков лежат в диапазоне [7,9], как показано в Таблице.

Таблица Эффективных атомных чисел взрывчатки и наркотиков

Zeff	Материал
7	Вода и пластиковая взрывчатка
8	Наркотики с примесью или взрывчатые вещества
9	Чистые наркотические вещества

Функция Z7/Z8/Z9 применяется для выделения на изображении материалов с Zeff равным 7, 8 или 9. С помощью этой функции можно просматривать органические материалы с параметром Zeff равным 7, 8 или 9 соответственно. Участки изображения с органическими материалами с указанным Zeff показаны красным цветом, а остальные участки показаны серыми. Таким образом, можно легко выделить взрывчатку или наркотики.

Применение функции Z9

На рисунке хорошо видны зерна амфетамина в пакете, показанные с помощью функции Z9.

Также используется режим «авто» — автоматического обнаружения. В этом режиме опасные вещества обводятся цветными, прямоугольными контурами.

Реальное изображение багажа на мониторе рентгеновской инспекционно-досмотровой установки.

Желтыми рамками обведены предметы похожие на взрывчатку. Розовые рамки — окружают объекты подобные наркотикам. Красные рамки — это предупреждение об объектах, не просвечиваемых рентгеновским излучением.

Следовательно, за этим предметом может располагаться что-либо не видимое инспектору. И если скрыта значительная часть багажа, то инспектор обязан его досмотреть.

Важно понимать что, эти рамки предупреждение для инспектора. Не так часто рамки указывают на реальную угрозу.

В следующей статье будут рассмотрены методы тренировки операторов, возможности и функции программного обеспечения и конструкция рентгеновских инспекционных комплексов.

© Geektimes