СИСТЕМА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАПРЕЩЕННЫХ ИЛИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ
SYSTEM AND APPARATUS FOR DETECTION OF PROHIBITED OR HAZARDOUS SUBSTANCES

Уровень техники
Контроль за оборотом запрещенных и опасных веществ является одним из приоритетных направлений деятельности государственных и правоохранительных органов. К целевым опасным и запрещенным веществам могут относиться спирт, запрещенные наркотические вещества, взрывчатые вещества, угарный газ и проч. Одним из способов осуществления контроля за оборотом таких веществ является проведение проверок на дорожных заставах и/или контрольно-пропускных пунктах, особенно в зонах ведения боевых действий. Например, пункты для освидетельствования водителей на состояние опьянения (DWI, от англ. driving while intoxicated) представляют собой дорожные контрольно-пропускные пункты, устанавливаемые правоохранительными органами на некоторых дорогах и автомагистралях для остановки и задержания лиц, подозреваемых в вождении в нетрезвом состоянии. Аналогично тому, как осуществляются проверки на дорожных контрольно-пропускных пунктах, установленных в местах пересечения границы, или дорожных постах ветеринарного и фитосанитарного контроля, должностные лица соблюдают нейтральный порядок определения, в каких случаях останавливать транспортное средство и проверять водителя на трезвость. При подозрении водителя на состояние опьянения (невнятная речь, остекленелые глаза и т.п.) должностное лицо вправе попросить водителя выйти из транспортного средства и пройти проверку на состояние опьянения на месте. В случае признания водителя нетрезвым осуществляется его задержание в установленном порядке. Однако проводить проверки в условиях интенсивного дорожного движения бывает затруднительно. Кроме того, множество опасных или запрещенных веществ сложно зарегистрировать при помощи одних лишь органов чувств человека.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено подробное описание изобретения с прилагающимися к нему чертежами, что позволяет лучше понять суть различных вариантов осуществления раскрытых системы и способа.
На фиг. 1 показан пример обстановки, в которой может быть применена система обнаружения.
На фиг. 2 показан пример системы с камерой для гиперспектральной съемки.
На фиг. 3 показан вид сбоку примера изображения, полученного при помощи камеры для гиперспектральной съемки.
На фиг. 4 показан график спектральной характеристики примера целевого вещества.
На фиг. 5 показана блок-схема примера способа обнаружения целевых веществ.
Осуществление изобретения
Вышеупомянутые трудности по меньшей мере частично могут быть преодолены путем применения описываемых здесь систем и устройств для обнаружения запрещенных или опасных веществ. По меньшей мере одним вариантом раскрытого устройства является камера для гиперспектральной съемки, предназначенная для обнаружения наличия в транспортном средстве целевого вещества. Данная камера содержит электронный датчик изображения, регистрирующий спектральные изображения, и процессор, электрически соединенный с указанным датчиком изображения. Указанный процессор получает спектральные изображения и определяет, содержат ли воздух внутри транспортного средства или внутренние и наружные поверхности транспортного средства по меньшей мере одно целевое вещество. К примерам целевых веществ относятся спирт, угарный газ, а также взрывчатые вещества, запрещенные наркотические вещества и любые другие запрещенные или опасные химикаты. К транспортным средствам, которые могут быть сняты на указанную камеру, относятся легковые автомобили, грузовые автомобили, поезда, судна и прочие средства передвижения.
Для облегчения понимания читателем сути описываемых системы и способа показана обстановка, подходящая для их применения и функционирования. Таким образом, на фиг. 1 показан пример обстановки, в которой применима система обнаружения. Транспортное средство 102 перемещается по платной дорожной полосе и движется мимо пункта 104 взимания дорожных сборов. По мере перемещения транспортного средства 102 камера 106 для гиперспектральной съемки регистрирует изображение, которое содержит вид сквозь ветровое стекло или сквозь боковое стекло транспортного средства. Камера 106 может быть направлена так, чтобы в кадр попадала область, в которой находится водитель транспортного средства 102. Пары, содержащиеся в воздухе рядом с водителем или пассажиром, или остатки, находящиеся внутри салона или на его поверхностях, на людях или предметах внутри или снаружи транспортного средства, имеют спектральную характеристику, которая может быть зарегистрирована как часть спектрального изображения. Указанная камера передает это спектральное изображение в устройство 108 хранения информации. К содержащейся в этом устройстве информации может иметь доступ процессор, например программируемый компьютер 110. В указанный процессор поступают спектральные изображения, полученные при помощи камеры 106, и этот процессор определяет, содержит ли воздух в транспортном средстве по меньшей мере одно из целевых веществ. Результаты компьютерного анализа могут быть отображены на экране, переданы по информационной сети в удаленное местоположение и/или сохранены локально для последующего обращения.
К числу лиц, получающих результаты компьютерного анализа, может относиться полицейский, находящийся поблизости от пункта взимания дорожных сборов. На основе этих результатов полицейский может задержать транспортное средство и уведомить водителя и пассажиров о подозрении на наличие запрещенных или опасных материалов. В некоторых случаях полицейский может предпринять дальнейшие действия по выяснению обстоятельств происходящего, и, в случае обнаружения фактов, дающих соответствующие основания, может задержать водителя и пассажиров и/или изъять транспортное средство.
Некоторые варианты осуществления системы могут содержать автоматизированные сообщения для уведомления водителя и пассажиров транспортного средства о результатах анализа. Эти уведомления, в частности, могут быть полезными при указании на наличие опасных веществ, таких как угарный газ. Указанное сообщение может содержать телефонный номер, по которому водитель и пассажиры могут получить дополнительную информацию, а также уведомление о необходимости оперативной эвакуации транспортного средства из соображений безопасности.
На фиг. 2 показана конструкция камеры 106 для гиперспектральной съемки на примере камеры производства компании Rebellion Photonics. Свет 202, поступающий от объекта, проходит через входное отверстие 204, которое может содержать окно или систему линз (объектив), выполненных из кварца, сапфира или другого материала с широкой оптической полосой пропускания. Известно множество таких систем, имеющих регулируемое указанное отверстие, регулируемое фокусное расстояние и регулируемое масштабирование. Свет, поступающий из указанного отверстия, фокусирующим зеркалом 206 сосредотачивают на первой плоскости 208 изображения, имеющей щель, через которую за единицу времени проходит одна «строка» изображения. Эту щель постоянно перемещают, осуществляя сканирование по всему изображению. Текущую «строку» изображения коллимируют вторым зеркалом 210, направляющим коллимированный свет через дифракционную решетку 212. В каждой точке текущей строки изображения луч света раскладывают дифракционной решеткой в спектр в направлении, перпендикулярном линии ориентации, в результате чего спектральная информация о каждой точке строки становится доступной для улавливания датчиком 216 (таким как датчик на основе прибора с зарядовой связью ПЗС (CCD, charge-coupled device)). Эту спектральную информацию о каждой линии изображения собирают при помощи процессора для получения спектральной информации о каждой точке двухмерного изображения, в результате чего формируют гиперспектральный снимок обстановки. Для направления света на датчик при сканировании изображения через щель 208 могут использовать вспомогательную оптическую систему 214.
Камера для гиперспектральной съемки работает с использованием технологии цифрового представления изображений и принципов спектроскопии. Каждый пиксель изображения содержит непрерывный спектр (излучения или отражения) и может быть использован для получения характеристик объектов указанной обстановки с высокой точностью и четкостью. Для каждого пикселя изображения камера для гиперспектральной съемки получает величину яркости (интенсивности излучения) света для большого числа смежных спектральных диапазонов.
Гиперспектральные изображения содержат значительно больше подробной информации об обстановке, нежели изображения, получаемые при помощи обычных камер. Обычные камеры получают информацию о свете только по трем разным спектральным каналам, соответствующим основным видимым цветам: красному, зеленому и синему. Получение гиперспектрального изображения позволяет значительно улучшить различимость объектов в обстановке на основе их спектральных свойств.
На фиг. 3 показан упрощенный рисунок изображения, полученного на основе снимка, сделанного камерой 302 для гиперспектральной съемки. На этом рисунке показан вид сбоку транспортного средства 304, водитель 306 которого проезжает через контрольно-пропускной пункт. На фиг. 3 также схематически показаны спиртосодержащие химикаты 308, находящиеся в воздухе внутри транспортного средства 304 в области рта водителя 306. Процессор получает изображение и обрабатывает информацию в электромагнитном спектре. Гиперспектральные датчики выдают информацию об отражающей способности для большого числа диапазонов, в том числе для инфракрасного (ИК), электромагнитного спектра. Обстановка освещена источниками света, гиперспектральный датчик улавливает отраженный свет. Источниками света могут являться солнце или искусственное освещение на контрольно-пропускном пункте. Внутреннее пространство транспортного средства можно облучать лазерами, предпочтительно настроенными на резонансные частоты конкретных целевых веществ, для повышения чувствительности камеры к присутствию этих конкретных веществ. Для улучшения качества сканирования внутреннего пространства автомобиля можно использовать множество лазеров и/или длин волн лазеров. Излучение таких лазеров является маломощным, поэтому не несет угрозы водителю и пассажирам, однако интенсивности этого излучения достаточно для создания необходимого отклика или возбуждения материала при сканировании в поисках целевого вещества. Процессор собирает отражения с различными длинами волн инфракрасной или ближней инфракрасной области спектра и сравнивает спектры с сохраненными эталонами для выявления присутствия целевых веществ в полученном при помощи камеры изображении.
На фиг. 4 показан график эталонного спектра отражения для этилового спирта. Этиловый спирт является основным компонентом спиртных напитков, что делает его целевым веществом с точки зрения правоохранительных органов. Отражение света от материала позволяет получить спектральную характеристику, уникальную для данного химического состава материала. Камера регистрирует спектральные характеристики каждого пикселя в ее поле обзора. Если характеристика имеется в базе данных спектральной информации об известных материалах, в одном пикселе содержится информация, достаточная для идентификации вещества. Объем и концентрацию идентифицированных веществ могут оценивать путем обработки изображения для выявления областей или массивов (например, областей изображения, представляющих замкнутое помещение пассажирского салона транспортного средства) и объединения информации от соответствующих пикселей для измерения средней концентрации, определяемой по яркости света, присущей этой спектральной характеристике. Помимо использования спектра отражения в некоторых вариантах осуществления изобретения могут получать изображения вещества, характеризуемые измеряемым спектром поглощения. В таких вариантах осуществления изобретения изображение получают при расположении источника света напротив камеры. Таким образом, получаемое изображение находится между камерой и источником света. Некоторые варианты осуществления изобретения могут содержать камеру, которая может получать изображения в условиях отсутствия источника света. Другие варианты осуществления изобретения могут получать изображения при помощи излучаемого света. В этих вариантах осуществления изобретения используют флуоресцентное испускание света, а также тепловое или инфракрасное излучение.
2
5
Кроме прочего, камера 106 может сканировать транспортное средство 102 на предмет наличия в нем газов или твердых частиц запрещенных или опасных веществ, таких как этиловый спирт (CHOH), запрещенные наркотические вещества (например, дым марихуаны или остатки кокаина на поверхностях кожи), взрывчатые вещества и прочие подобные химикаты, в том числе нитраты или ионизированные газы, образовавшиеся вследствие ионизирующего излучения. Получение спектральных изображений может быть полезным, так как существует множество химикатов, которые могут являться целевыми веществами с точки зрения правоохранительных органов. Например, марихуана может содержать более 400 различных химикатов, однако ее основным действующим компонентом является тетрагидроканнабинол ТГК (ТНС) или дронабинол. Камера 106 для гиперспектральной съемки может осуществлять сканирование на предмет наличия всех этих химикатов. При перевозке грузов могут происходить утечки прочих химикатов, к которым относятся газообразный хлор, газообразный пропан и другие опасные газы и вещества.
На фиг. 5 показан пример блок-схемы способа, используемого для обнаружения целевого вещества. На этапе 502 целевую область сканируют и при помощи камеры для гиперспектральной съемки получают ее изображение. Сканируемая область может представлять собой транспортное средство, например легковой автомобиль, грузовой автомобиль, поезд, судно и т.п. Далее, на этапе 504 при помощи процессора получают спектральное изображение. На этапе 506 полученное изображение анализируют на предмет наличия в нем данных об одном из целевых веществ. На этапе 508 определяют, содержит ли изображение, полученное при помощи камеры для гиперспектральной съемки, данные о целевом веществе. Если это изображение содержит данные о целевом веществе, на этапе 510 информацию об обнаружении передают в удаленное местоположение или сохраняют для последующего изучения. Если текущее изображение не содержит данных о целевом веществе, этапы указанного способа повторяют для другого объекта или транспортного средства.
Другой вариант осуществления изобретения может иметь вид переносного устройства, похожего на доплеровский радар, ручного или устанавливаемого на транспортном средстве. Полицейские могут пользоваться указанными переносными устройствами аналогично тому, как они пользуются доплеровским радаром, то есть могут направлять его на транспортное средство для дистанционного обнаружения целевых веществ с последующим использованием результатов анализа для выяснения, требуется ли задержание данного транспортного средства для дальнейшей проверки. Представитель охраны строительного, промышленного или военного объекта может аналогичным образом использовать данное переносное устройство для проверки транспортных средств, въезжающих на территорию объекта или покидающих ее, для обеспечения безопасности и/или проверки транспортных средств на соответствие правилам, действующим на данном объекте. Версии указанного переносного устройства малой дальности могут содержать инфракрасные или ультрафиолетовые лампы, а версии указанного переносного устройства большой дальности могут содержать лазерные источники света.
Описаны различные варианты осуществления системы и устройства для обнаружения запрещенных или опасных веществ. По меньшей мере один вариант осуществления изобретения содержит камеру для гиперспектральной съемки, предназначенную для обнаружения наличия в транспортном средстве целевого вещества. Данная камера содержит электронный датчик изображения, регистрирующий спектральные изображения, и процессор, соединенный с указанным датчиком изображения. Данный процессор получает спектральные изображения и определяет, содержит ли воздух в транспортном средстве по меньшей мере одно целевое вещество. К примерам целевых веществ относятся спирт, угарный газ, запрещенные вещества и опасные химикаты. К указанным транспортным средствам относятся легковые автомобили, грузовые автомобили, поезда, судна, летательные аппараты при рулежке или на стоянке, а также прочие средства передвижения. Указанный процессор также может в реальном времени передавать данные в удаленное местоположение через Интернет в потоковом режиме. Некоторые варианты осуществления изобретения могут содержать процессор, соединенный с мультиплексором изображения, содержащим перископ, установленный на вращающемся шарнире, поворачивающем зеркало и объектив для наблюдения за большей областью, находящейся около указанной камеры. Другой вариант осуществления изобретения содержит систему для отслеживания в транспортном средстве целевых веществ. Вариант осуществления этой системы содержит камеру для гиперспектральной съемки, получающую изображения, процессор и устройство хранения информации, которое может хранить данные о событиях, зарегистрированных указанными камерой и процессором. Указанное устройство хранения информации может хранить данные о фактах обнаружения, обнаруженных веществах и времени обнаружения. Указанное устройство хранения информации может быть расположено внутри транспортного средства, а содержащаяся в этом устройстве информация может быть передана по радиоканалу или с использованием прочих средств связи в другое местоположения для анализа, хранения и использования.
Эти и другие варианты и модификации будут понятны специалисту после прочтения всего вышеприведенного описания. Нижеприведенная формула охватывает все такие варианты и модификации.