СИСТЕМА ДОСМОТРА ГРУЗОВ И ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ СВОИМ ХОДОМ, СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РАДИОСКОПИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ И ЗОНЫ РАДИАЦИОННОГО СКАНИРОВАНИЯ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕНЕВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ИНСПЕКТИРУЕМОГО ОБЪЕКТА
SYSTEM FOR INSPECTING CARGO AND SELF-PROPELLED TRANSPORTATION VEHICLES, METHOD FOR AUTOMATIC RADIOSCOPIC INSPECTION OF MOVING OBJECTS AND RADIATION SCANNING ZONE AND METHOD OF FORMING SHADOW IMAGE OF INSPECTED OBJECT

Область техники
Группа изобретений относится к области контроля перемещающихся своим ходом транспортных средств и других подвижных объектов и может быть использована для досмотра с целью обнаружения скрытых предметов, веществ и материалов для обеспечения безопасности и надежности контроля.
Уровень техники
В настоящее время существует большое количество способов, предназначенных для обеспечения безопасности и надежности контроля. Наибольшее распространение для решения такой задачи получили способы, основанные на применении рентгеновского излучения, гамма-излучения и нейтронов [1]. Среди этих способов самое широкое применение получили способы с использованием рентгеновского сканера [2], формирующего изображение инспектируемого объекта путем пропускания через него рентгеновского излучения и последующего его измерения. Однако возможности такой технологии ограничены, поскольку она наиболее эффективна только для обнаружения металлических предметов, в частности огнестрельного и другого оружия, поскольку рентгеновское излучение сильнее всего ослабляется плотными материалами с более высокими атомными номерами. Этим способом практически не различить органические и неорганические элементы, в частности взрывчатку или наркотики, от обычных, разрешенных органических веществ. Вторая группа способов, основанных на применении гамма-излучения [3], на практике ограничена высокой стоимостью и сложностью ускорителя частиц, ограниченной мощностью источника нейтронов и низкой эффективности детектирования гамма-излучения и, соответственно, невысокой скоростью сканирования. Третья группа способов, основанная на применении нейтронов [4], имеет высокую стоимость и ограниченную способность нейтронов проходить через массивные грузы, что снижает качество контроля.
Кроме этого, общим и основным недостатком известных способов является невысокая пропускная способность, обычно не более 25-30 единиц в час. Все эти способы используют систему, в которой источник высокоэнергетического излучения, пучок которого объект пересекает в процессе сканирования, - система детектирования излучения в плоскости пучка, электронный тракт аналого-цифровых преобразователей и электронная система формирования теневого изображения. В ряде случаев перемещение инспектируемого объекта через плоскость пучка осуществляется либо с помощью специального устройства, входящего в состав системы, либо сама система перемещается в процессе сканирования относительно неподвижно стоящего объекта. Водитель на момент инспекции в таких системах покидает автотранспорт, что приводит к снижению пропускной способности.
Для более быстрого проведения контроля в ряде систем водитель не покидает кабины и все движение объекта осуществляется своим ходом, но в этом случае требуется обеспечение защиты водителя от излучения, что обеспечивается заездом перед началом сканирования автотранспорта на определенную позицию, в которой кабина водителя находится после плоскости пучка излучения. После фиксации данного положения дается команда на старт радиационного излучения и движения автотранспорта, кабина водителя при этом не сканируется. В этих системах достигается более высокая пропускная способность, исчисляемая до 60 единиц в час. Основными недостатками данных систем являются необходимость остановки транспортного средства перед началом сканирования, что существенно снижает пропускную способность, а неизбежная при этом неравномерность движения в процессе сканирования отрицательно сказывается уже и на качестве теневого изображения и, в целом, контроле досмотра.
Известны системы со значительным увеличением пропускной способности (до 200 единиц в час), оборудованных системами автоматического определения момента включения радиационного излучения без остановки транспортного средства, движущегося своим ходом [5-6]. Такие системы содержат автоматическую систему включения радиационного источника, соединенную с рядом датчиков, фиксирующих прохождение частью объекта, не требующей сканирования, зоны радиационного излучения.
Известна наиболее развитая среди известных система [7], в которой дополнительно используется устройство, регулирующее частоту импульсов радиационного источника, на основании данных о скорости объекта, полученных с помощью радара, что является важным при формировании теневого изображения, так как инспектируемые объекты при движении своим ходом могут двигаться с различными скоростями.
Основным недостатком известной системы является ограниченность ее применения, поскольку такая система может быть использована применительно только к определенным видам транспортных средств, так как датчики в данной системе фиксируют лишь прохождение зоны излучения заданного, определенного линейного габарита объекта. Таким образом, данная система подходит только к объектам с одинаковыми линейными габаритами зоны, не подвергающейся излучению. К недостаткам данной системы, кроме указанных выше, относится также и недостаточно высокое качестве контроля досмотра, что связано с невозможностью системы учесть при формировании теневого изображения неравномерность движения объекта при прохождении им зоны радиационного сканирования, поскольку система фиксирует скорость перемещения объекта только на подходе инспектируемого объекта к зоне облучения и поэтому это сказывается на формировании теневого изображения.
Сущность изобретения
Заявленная группа изобретений свободна от указанных недостатков.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение быстродействия и пропускной способности инспектируемых объектов, а также повышение безопасности и надежности системы досмотра и контроля.
Указанный технический результат является единым для всей группы заявленных изобретений.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе досмотра грузов и транспортных средств, перемещающихся своим ходом, содержащей источник радиационного излучения с коллиматором, устройство управления источником радиационного излучения, портал с вертикальной и горизонтальной консолями и установленными на них детекторами излучения, причем вертикальные и горизонтальные детекторные консоли соединены между собой и расположены на стороне портала, противоположной источнику радиационного излучения, электронный тракт аналого-цифровых преобразователей (АЦП), электронное устройство формирования теневого изображения, которое соединено с детекторами через тракт АЦП, в соответствии с заявленным изобретением устройство управления источником радиационного излучения выполнено с использованием лазерных сканеров, один из которых расположен от зоны излучения на расстоянии, не менее длины максимально допустимого порталом габарита инспектируемого объекта в направлении его движения, и с разверткой луча в горизонтальной плоскости, другой лазерный сканер размещен в непосредственной близости от зоны облучения и с разверткой луча в вертикальной плоскости, соединенного с лазерными сканерами контроллера положения инспектируемого объекта по отношению к зоне облучения, определения части инспектируемого объекта, не подлежащей облучению, и включения-выключения источника излучения, контроллер соединен с электронным устройством формирования теневого изображения.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что устройство управления источником радиационного излучения выполнено с использованием не менее двух лазерных сканеров.
Помимо того, указанный технический результат достигается тем, что устройство управления источником радиационного излучения дополнительно содержит лазерный сканер с разверткой луча в горизонтальной плоскости, установленный на другой высоте по отношению к лазерному сканеру по п.1.
Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что устройство управления источником радиационного излучения содержит не менее двух лазерных сканеров с разверткой луча в горизонтальной плоскости, расположенные на разных высотах по отношению друг к другу.
Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что дополнительные лазерные сканеры размещены зеркально по отношению к зоне облучения.
Вместе с тем, указанный технический результат достигается тем, что в качестве лазерного сканера используют лазерную измерительную систему (LMS) с углом сканирования 0-180°, с частотой сканирования не менее 50 Гц и с угловой дискретностью измерения не менее 1°.
Помимо того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве лазерного сканера используют LMS фирмы "SICK".
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что электронное устройство формирования теневого изображения соединено с контроллером лазерного сканера.
Указанный технический результат достигается также заявленным способом автоматического радиоскопического контроля движущихся объектов и зоны радиационного сканирования, заключающимся во включении источника излучения при въезде инспектируемого объекта в зону облучения и при прохождении его части, не подлежащей облучению, и выключении источника облучения при полном прохождении инспектируемого объекта зоны облучения, в котором в соответствии с реализуемым на заявленной системе способом въезд инспектируемого объекта в зону облучения определяют лазерным сканированием в горизонтальной плоскости области пространства на въезде инспектируемого объекта, перемещающегося своим ходом, в зону его облучения, зону объекта, не подлежащей облучению определяют по наличию зазора между кабиной водителя и контейнером инспектируемого объекта путем лазерного сканирования в вертикальной плоскости перед зоной облучения, а по полученным результатам лазерных сканирований, поступивших на контроллер, фиксируют въезд инспектируемого объекта в зону облучения, а также прохождение его части, не подлежащей облучению, и его полный проезд зоны облучения
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что зазор между кабиной водителя и контейнером инспектируемого объекта определяют по площади...профиля инспектируемого объекта, полученной по...результатам лазерного сканирования в вертикальной плоскости.
Указанный технический результат достигается также заявленным способом формирования теневого изображения инспектируемого объекта, заключающемся в формировании числовой матрицы изображения по данным системы детектирования излучения, которую используют для визуального получения теневого изображения, в которой в соответствии с реализуемым на заявленной системе способом при формировании числовой матрицы изображения дополнительно используют данные о положении инспектируемого объекта, полученных от лазерных сканеров, на основании которых производят вычисление соответствия относительного положения инспектируемого объекта и откликов детекторов, после чего производят пересчет данных, полученных с детекторов, в последовательность откликов, соответствующих одинаковому перемещению инспектируемого объекта между ними.
Помимо того, указанный технический результат достигается тем, что вычисление соответствия относительного положения инспектируемого объекта и откликов детекторов и пересчет данных, полученных с детекторов, в последовательность откликов, соответствующих одинаковому перемещению инспектируемого объекта между ними, осуществляют путем интерполяции с использованием значений частот лазерного и радиационного сканирований.
Заявленная система радиоскопического контроля движущихся объектов поясняется Фиг.1-4.
На Фиг.1 представлены взаимное расположение основных элементов системы и положение инспектируемого объекта при его подъезде к зоне радиационного досмотра (Фиг.1,a - вид сбоку; Фиг.1,б - вид сверху). На Фиг.1 представлена проездная трасса (1), по которой перемещается инспектируемый объект (2), источник радиационного излучения (3) с коллиматором (4) располагается сбоку трассы (1); система детекторов излучения (5) располагается напротив источника излучения (3) с другой стороны трассы; первый лазерный сканер со сканированием луча в горизонтальной плоскости (6) установлен сбоку проездной трассы (1) на расстоянии от зоны излучения, превышающем максимально допустимый габарит инспектируемого объекта (2) в направлении движения, для обнаружения инспектируемого объекта (2) и его положения в процессе движения по проездной трассе (1); второй лазерный сканер со сканированием в вертикальной плоскости (7), поперечной проездной трассе (1), установлен над проездной трассой в непосредственной близости от зоны облучения для обнаружения части инспектируемого объекта (2), не подлежащей облучению.
В качестве лазерных сканеров может использоваться лазерная измерительная система LMS фирмы "SICK". Данная система обладает высокой скоростью сканирования и высокой точностью определения расстояния. Для увеличения надежности и точности системы первый лазерный сканер (6) может дублироваться дополнительным лазерным сканером, сканирующим в горизонтальной плоскости на другом уровне. Также дополнительные лазерные сканеры могут устанавливаться зеркально по отношению к зоне облучения. В этом случае в системе достигается возможность сканирования инспектируемых объектов (2), движущихся в обоих направлениях по проездной трассе (1).
На Фиг.2. представлена блок-схема взаимосвязи всех элементов системы, на которой показано соединение системы детектирования (5) с электронным трактом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (8) и его соединение с электронным устройством формирования теневого изображения (9), а также соединение контроллера (10) со всеми основными элементами системы.
В процессе работы взаимодействие основных элементов системы может быть описано следующим образом. Первый лазерный сканер (6) работает непрерывно, сканируя область пространства на въезде в зону облучения. Результаты каждого сканирования - расстояния до инспектируемых объектов, встречающихся на лазерном луче, пределах угла сканирования с дискретным шагом по углу (LMS фирмы "SICK" обеспечивают угол сканирования до 180° с шагом по углу до 1/4°). Данные каждого лазерного скана в виде массива чисел (для LMS фирмы "SICK" при угле сканирования 180° размерность массива данных одного скана - до 720 чисел) по интерфейсу RS-422 передаются лазерным сканером в контроллер (10). Обработка данных в контроллере (10) производится в несколько этапов. На первом этапе в последующую обработку отбираются только те данные, которые соответствуют расположению объекта в пределах проездной трассы. При отсутствии таких данных контроллер (10) фиксирует отсутствие инспектируемого объекта (2) и, соответственно, не проводит вычисление его положения. При появлении данных, свидетельствующих о наличии инспектируемого объекта (2), контроллер (10) фиксирует его появление и начинает вычислять для каждого лазерного сканирования соответствующее относительное положение движущегося инспектируемого объекта (2).
Алгоритм вычисления положения инспектируемого объекта (2) зависит от его положения относительно центра лазерного сканирования.
Возможны следующие варианты положения инспектируемого объекта (2) относительно лазерного сканера, показанные на Фиг.3:
1. Инспектируемый объект (2) находится перед лазерным сканером (Фиг.3,а).
2. Инспектируемый объект (2) находится напротив лазерного сканера (Фиг.3,б).
3. Инспектируемый объект (2) находится за лазерным сканером (Фиг.3,в).
В каждом случае на профиле лазерного сканирования выделяются крайние точки инспектируемого объекта (2). Для дальнейшей обработки используются крайние точки в профиле, наиболее близкие к центру лазерного сканирования и близлежащие к ним. Используя координаты центра лазерного сканирования относительно плоскости зоны облучения и радиальные координаты относительно центра сканирования, выбранных для обработки точек профиля, контроллер (10) вычисляет относительные координаты данных точек в декартовой системе координат, где координата «X» соответствует направлению движения, а координата «У» - направлению, поперечному проездной трассе (1). Далее, при вариантах 1 и 3, Х-координаты выбранных точек, близлежащих к крайней, усредняются, полученное значение соответствует относительной координате положения объекта относительно плоскости зоны облучения.
При расположении инспектируемого объекта (2) во втором варианте относительной координате положения объекта соответствует Х-координата выбранной крайней точки.
Как видно из Фиг.3, в первом варианте наиболее явно фиксируется положение передней части инспектируемого объекта, а в третьем - задней его части. Только во втором варианте на профиле лазерного сканирования явно определяются передняя и задняя части инспектируемого объекта. Поэтому данная фаза определения положения инспектируемого объекта (2) используется также для определения полных габаритов объекта в направлении его движения. Эти данные могут быть использованы для определения момента включения, когда заранее известна длина зоны объекта, не подлежащая облучению.
Точность определения положения инспектируемого объекта (2) и обнаружение зазора зависят от технических характеристик лазерных сканеров. Достигаемые параметры при использование LMS фирмы "SICK" с частотой сканирования 50 Гц и дискретизацией по углу в 1° представлены в таблице.
Параметр
Значение
Точность определения положения инспектируемого объекта, см
±10
Точность определения средней скорости в момент проезда объектом зоны излучения, км/ч
±0.1
Минимальный размер определяемого зазора между кабиной водителя и контейнером при скорости 12 км/ч, см
10
Второй лазерный сканер (7) включается на сканирование только при обнаружении инспектируемого объекта (2) на проездной трассе (1) с помощью первого лазерного сканера (6). Работает он аналогично первому лазерному сканеру (6), получаемые данные лазерного сканирования передаются по интерфейсу RS-422 в контроллер (10).
Первичная обработка данных в контроллере (10) заключается в вычитании принимаемых данных из массива данных, соответствующего отсутствию инспектируемого объекта (2) в плоскости лазерного сканирования данного сканера. Таким образом, формируется профиль инспектируемого объекта (2) относительно земли, соответствующий данному скану. При отсутствии инспектируемого объекта (2) в плоскости (когда профиль равен нулю) дальнейшая обработка данных не производится, и контроллер (10) ждет данных следующего скана. При появлении инспектируемого объекта (2) (когда профиль отличен от нуля) контроллер (10) проводит первичную обработку для нескольких последующих сканов с целью подтверждения входа инспектируемого объекта (2) в зону лазерного сканирования. Если последующие сканирования подтвердили вход инспектируемого объекта (2), то в последующих данных контроллер (10) проводит анализ профиля инспектируемого объекта (2) на предмет выявления конца зоны, не подлежащей облучения. В частности, для грузового автотранспорта данный профиль анализируется на определение зазора между кабиной водителя и перевозимым грузом (контейнером) (Фиг.4), где представлены наиболее характерные профили сканирования: на Фиг.4,а - без инспектируемого объекта; на Фиг.4,б - кабина водителя; на Фиг.4,в - зазор между кабиной водителя и перевозимым контейнером и на Фиг.4,г - перевозимый контейнер. В этом случае критерием для обнаружения зазора может служить площадь полученного профиля. При появлении профиля с площадью, менее заданного определенного значения, контроллер (10) фиксирует данное сечение исследуемого объекта (2) как зазор между кабиной водителя и перевозимым грузом. С этого момента контроллер (10) начинает использовать данные о положении инспектируемого объекта (2), фиксируя данные о положении инспектируемого объекта (2) в момент обнаружения зазора как исходные.
Используя известное значение расстояния между плоскостью лазерного сканирования и плоскостью облучения, контроллер (10) в дальнейшем определяет момент прохождения зазором плоскости облучения и выдает команду на включение источника радиационного излучения (3). После чего контроллер (10) продолжает обрабатывать данные лазерного сканера с целью определения момента полного прохождения инспектируемым объектом (2) зоны облучения и выработки команды на выключение источника радиационного излучения (3). Алгоритм в данном случае аналогичен описанному выше. Возможен также алгоритм, вырабатывающий команду выключения источника излучения без использования лазерного сканера на основе только данных о положении объекта.
Заявленная система реализуется новым способом формирования теневого изображения, позволяющего учесть неравномерность движения объекта в процессе радиационного сканирования. Это достигается тем, что при построении теневого изображения используются данные о положении инспектируемого объекта (2) относительно плоскости облучения в процессе его сканирования. В процессе радиационного сканирования, начинающегося с момента включения источника радиационного излучения (3), электронное устройство формирования теневого изображения (9) принимает и буферизует данные от системы детектирования (5) по электронному тракту АЦП (8) и контроллера (10). После окончания радиационного сканирования устройство формирования теневого изображения (9) производит обработку полученных данных и формирует теневое изображения в виде числовой матрицы.
Обработка данных основывается на том факте, что данные, поступающие в электронную систему формирования изображения (9), имеют временную привязку, определяемую частотами радиационного и лазерного сканирований. Таким образом, данные радиационных сканирований (последовательность массивов оцифрованных откликов детекторов) по времени разделены между собой одинаковым промежутком времени, определенным заданной частотой радиационного сканирования. Это позволяет для каждого детектора построить зависимость его отклика от времени, начиная с момента начала радиационного сканирования.
Аналогично может быть построена временная зависимость положения инспектируемого объекта (2), исходя из частоты лазерного сканирования, на основе которой строится обратная зависимость - время от положения инспектируемого объекта (2), начиная с момента начала радиационного сканирования. При этом могут быть использованы процедуры сглаживания и интерполяции данных. Результаты такой обработки сводят в таблицу, в которой каждому перемещению инспектируемого объекта (2) на заданное фиксированное расстояние соответствует временная координата. Далее с помощью этой таблицы, используя методы интерполяции, преобразуют данные откликов детекторов. Для каждого детектора строится новый массив данных, в которых отклик соответствует заданному фиксированному перемещению объекта. Совокупность, преобразованных данных откликов детекторов формирует числовую матрицу теневого изображения. Описанный алгоритм реализуется электронной системой формирования теневого изображения (9).
Технико-экономическая эффективность заявленной группы изобретений состоит в повышении быстродействия и пропускной способности системы, а также повышении безопасности, надежности и точности досмотра инспектируемых объектов за счет конструктивного исполнения системы, реализуемого на ее основе способа досмотра, в котором предусмотрено определение зоны, не подлежащей облучению, а также нового способа формирования числовой матрицы теневого изображения и формирования теневого изображения, позволяющего учесть неравномерность движения объекта в процессе радиационного сканирования.
Список использованной литературы
1. Hussein Е., 1992; Gozani Т., 1997; An J. etc, 2003.
2. Патент РФ №2284511.
3. Патент РФ №2297623.
4. Патент РФ №2239821.
5. Patent US No.7,688, 945 B2.
6. Patent US No.7,352, 844 B1.
7. Patent US No.7,492,861 B2 (US Appl. No.2008/0089476 A1; WO 2005/098401) (прототип).