ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ДОСМОТРОВОЙ ТЕХНИКИ..

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ДОСМОТРОВОЙ ТЕХНИКИ..

АНТОНОВ Константин Анатольевич,
АНДРЮШИН Олег Федорович, доктор технических наук, профессор
АХМАТОВ Александр Павлович, кандидат технических наук

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ДОСМОТРОВОЙ ТЕХНИКИ

Потребность в создании досмотровой техники возникла после ряда террористических актов, захвата воздушных судов и других транспортных средств, повлекших за собой не только материальный ущерб, но и человеческие жертвы. Возникла необходимость контроля пассажиров, их ручной клади и багажа в целях недопущения возможности проноса оружия, взрывчатых средств и других предметов, которые могут представлять опасность.

В связи с этой проблемой во всех ведущих странах начались работы по созданию эффективной досмотровой техники и организации ее производства.

В России эта проблема возникла в 1978 г., когда в рамках подготовки к Московской Олимпиаде было обнаружено, что аэропорты страны, которые должны были принимать гостей и участников Олимпиады, не оборудованы средствами защиты от террористических и других вандальных актов.

За относительно короткое время по техническому заданию службы безопасности гражданской авиации отечественной компанией была проведена конструктивная разработка и обеспечен промышленный выпуск рентгенотелевизионных интроскопов “Луч-1”, в которых формирование рентгеновского изображения содержимого досматриваемых объектов, установленных на транспортере, производилось с помощью синхронного вращения рентгеновских генераторов и приемников. Установка этих рентгенотелевизионных интроскопов в олимпийских аэропортах позволила обеспечить безопасный прием, а затем и отправку зарубежных участников и гостей Олимпиады-80.

После проведения Олимпиады работы по совершенствованию и разработке технических средств досмотровой техники продолжились. Была поставлена задача не только повышения эффективности действия существующих средств и расширения условий их применения, но и поиска путей создания новых средств, которые позволили бы контролировать не только проносимые личные вещи и багаж, но и владельцев этих предметов.

Учитывая широту и разнообразие средств, используемых для осуществления террористических и бандитских акций, появилась необходимость обнаружения наряду со штатным огнестрельным и холодным оружием типа пистолетов, револьверов, толовых шашек, штык-ножей, финок и взрывчатых закладок, стреляющих ручек, различных заточек и других всевозможных стреляющих, колющих, режущих и взрывающихся предметов.

По своим задачам досмотровая техника разделяется на три группы:

• рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране телемонитора предметов, представляющих опасность;
• стационарные арочные металлообнаружители, позволяющие проверять проходящих через них людей на предмет выявления у них металлических предметов, не представленных на открытый визуальный досмотр и скрытых в одежде. Наличие таких предметов определяется звуковым и световым сигналами;
• портативные металлообнаружители, позволяющие оперативно определять место нахождения на человеке или в какой-либо упаковке, включая почтовую корреспонденцию, металлических предметов, которые по своим размерам могут соответствовать предметам, представляющим опасность.

Эти группы досмотровой техники при одновременном использовании позволяют обеспечить эффективный контроль потока проверяемых объектов.

Рентгенотелевизионные интроскопы

Эксплуатация рентгенотелевизионных интроскопов “Луч-1” и его модификации “Луч-1М”, позволяющей досматривать объекты больших габаритов, показала, что механическое сканирование рентгеновского луча за счет вращения рентгеновских генераторов и приемников имеет ограниченные возможности совершенствования их технических характеристик.

Поэтому от интроскопов типа “Луч отечественные и зарубежные разработчики досмотровой техники перешли к формированию досматриваемого изображения с помощью принципа бегающего луча”. Рентгеновский генератор с широкой конусообразной диаграммой излучения, из которой с помощью щелевого коллиматора вырезается узкая вертикальная веерообразная диаграмма, в этом случае не вращается, а стоит на одном месте. Также стоит на месте протяженный по вертикали рентгеновский детектор.

Просмотр досматриваемого объекта осуществляется с помощью движения по вертикали точечного рентгеновского луча, создаваемого при вращении металлического диска коллиматора со щелевыми прорезями по радиусу, при одновременном движении объекта на транспортере в горизонтальном направлении.

Неподвижность рентгеновского генератора и приемника позволила существенно улучшить такие характеристики интроскопа, как проникающую способность и разрешение.

Интроскопы подобного типа серии Надзор” и “Надзор-1” за счет использования точечного луча создавали низкий уровень рентгеновского излучения, обеспечивая тем самым безопасность для фото- и киноматериалов, магнитных лент, дисков, электронных элементов и медицинских препаратов, а также позволяя сделать открытой саму зону досмотра, что дало возможность оператору визуально контролировать объекты, проходящие досмотр.

Интроскоп “Надзор-1” отличается от интроскопа “Надзор” большим размером досматриваемой зоны и повышенной грузоподъемностью транспортера (до 400 кг).

Однако пропускная способность интроскопов серии “Надзор” из-за необходимости механического сканирования, ограничивающего скорость прохождения рентгеновского луча по досматриваемому объекту, была относительно мала, поэтому были проведены дальнейшие разработки, позволившие не только повысить пропускную способность интроскопа, но и существенно улучшить его обнаружительные характеристики. Это было достигнуто в результате создания многоэлементного полупроводникового детектора, позволившего отказаться от применения системы механического сканирования рентгеновского луча, и перейти к электронному сканированию, что, в свою очередь, увеличило скорость просмотра рентгеновским лучом досматриваемого объекта, а следовательно, увеличило скорость движения ленточного транспортера, а также сократило время досмотра и тем самым повысило пропускную способность интроскопа.

Кроме того, переход к многоэлементному полупроводниковому детектору существенно повысил чувствительность и разрешающую способность системы, а также дал возможность перейти к компьютерным способам обработки сигнала.

В результате проведенных работ был создан ренгенотелевизионный интроскоп Надзор-2”, в котором регистрация рентгеновского излучения, прошедшего через досматриваемый объект, осуществляется многоэлементным детектором, содержащим полупроводниковые диоды, поочередно регистрирующие проходящий через досматриваемый объект узкий луч рентгеновского излучения. Количество диодов определяется размерами туннеля для пропуска багажа и необходимым разрешением изображения.

Генератор формирует веерообразную широкую в вертикальной плоскости и узкую в горизонтальной плоскости диаграмму рентгеновского луча. Угол раствора диаграммы в вертикальной плоскости определяется выбранными максимальными габаритами досматриваемого багажа. Наличие такой диаграммы требует закрытия туннелем зоны досмотра, но позволяет досматривать объекты размером по высоте и ширине до 1,5 – 2 м и длине, определяемой размерами транспортера.

Дальнейшее развитие техники полупроводниковых детекторов позволило создать многоэлементный детектор, регистрирующий мягкую” (низкоэнергетическую) составляющую часть рентгеновского спектра, проходящего через досматриваемый объект. Применение такого детектора в интроскопе в качестве второго детектора дало возможность создания цветного изображения внутреннего содержания досматриваемого объекта, позволяющее разделять по цвету материалы предметов, находящихся внутри объекта, в зависимости от эффективного атомного номера этих материалов и тем самым определять, что это за материал.

Таким образом, помимо контурного изображения предметов в досматриваемом объекте появилась возможность анализировать информацию о материале этих предметов, что существенно облегчило распознавание предметов и определение степени их опасности.

На принципе спектрального разделения регистрируемого узкого рентгеновского луча, прошедшего через досматриваемый объект, создан рентгенотелевизионный интроскоп “Надзор-2М”. В этом интроскопе помимо цветового выделения предметов в досматриваемом объекте введена компьютерная обработка сигнала, позволившая реализовать режимы негативного и контурного изображения, а также обеспечить возможность двукратного и четырехкратного увеличения размеров любого из девяти участков на экране видеоконтрольного устройства.

Запись информации о досматриваемых объектах на жесткий диск обеспечивает сохранение изображений всех объектов за выбранный отрезок времени досмотра (например, досмотр вещей пассажиров при посадке на конкретный рейс самолета). Это позволяет в случае необходимости неоднократно просматривать объект, заинтересовавший службу досмотра.

Интроскоп “Надзор-2М” позволяет досматривать объекты высотой и шириной до 70х50 см при длине транспортера 3 м.

Для досмотра более крупных объектов размером до 100х100 см создан интроскоп “Надзор-3”.

Работами по созданию рентгенотелевизионных интроскопов занимается ряд отечественных и зарубежных фирм, таких, как ФГУП “НПП “Дельта”, “Хайман” (ФРГ), “Курт Миттерфельнер” (ФРГ), “Рапискан” (Англия), “Джи энд Джи Астрофизикс” (США), “Меторекс (Финляндия), “Гаррет” (США), “ЧИА” (Италия), НИЦ Охрана” (РФ), СНПО “Элерон” (РФ), “Гротек” (РФ), НИИИН МНПО “Спектр”.

Создаваемая перечисленными фирмами досмотровая рентгеновская техника обладает схожими техническими характеристиками и отличается в основном внешним оформлением, набором сервисных услуг, разновидностями моделей, предназначенных для досмотра объектов различных габаритов и масс, а также их ценой.

Стандартные технические характеристики современных рентгенотелевизионных интроскопов, следующие:

1. Рабочее напряжение рентгеновского генератора 140 кВ.
2. Ток рентгеновского генератора 0,4 – 0,9 мА.
3. Регистрация излучения осуществляется многоэлементным рентгеновским детектором, содержащим две группы полупроводниковых диодов, количество которых определяется размерами туннеля для пропуска багажа и необходимым разрешением изображения; обработка сигнала осуществляется компьютером по соответствующей программе, что позволяет:

• производить разделение предметов в досматриваемом объекте при цветном изображении на экране телемонитора в цветах в зависимости от эффективного атомного номера Zэфф. материала предметов;
• представлять в случае необходимости видимое на экране изображение в черно-белом или негативном виде для более детального рассмотрения предметов в досматриваемом объекте;
• производить увеличение в 2, 4 и более раз отдельных участков изображения в различных секторах экрана;
• вызывать для повторного просмотра изображения объектов, прошедших досмотр, и сохранять в базе данных до 1000 изображений для обеспечения возможности их повторного просмотра и анализа в случае необходимости;
• оптимизировать резкость и яркость изображения.

1. Разрешающие характеристики интроскопов:

• диаметр обнаруживаемого медного провода 0,1 – 0,15 мм;
• проникающая способность до 200 мм стали;
• число уровней яркости 256.

1. Скорость ленточного транспортера 20 см/с.
2. Грузоподъемность ленточного транспортера определяется задачами конкретной модели интроскопа и может достигать 400 кг и более.
3. Все интроскопы не оказывают воздействия на фотопленку, находящуюся в проверяемом объекте, чувствительностью до 1600 ISО (33 DIN).

Блок-схема рентгенотелевизионного интроскопа представлена на рис. 1.

Рентгеновское излучение, необходимое для работы интроскопа, вырабатывается генератором рентгеновского излучения 1, укомплектованным рентгеновской трубкой. Для формирования направленного рентгеновского пучка, узкого в горизонтальной плоскости и веерной формы в вертикальной плоскости, используется система коллимации и защиты 2.

“Мягкая” и “жесткая” составляющие рентгеновского пучка, прошедшего через контролируемый объект 18, регистрируются многоканальным приемником рентгеновского излучения 3, содержащим две группы полупроводниковых детекторов. Сигналы с приемника рентгеновского излучения поступают в блок адресов 4, где нормируются и передаются в системный блок 5 для дальнейшей обработки и формирования изображения.

Управление работой интроскопа осуществляется системным блоком через блок адресов и блок оптронной развязки 7. Сигналы от клавиатуры, пульта управления 8 и датчиков 13 ? 16 положения контролируемого объекта, установленного на ленточный транспортер 11, через блок оптронной развязки и блок адресов поступают в системный блок. Обработанный и сформированный системным блоком сигнал изображения поступает на телемонитор 6, на экране которого появляется изображение контролируемого объекта.

На экране телемонитора имеется информационная строка, на которой отображаются дата и время проведения досмотра, а также число объектов, прошедших досмотр. В графе “режим отображается выбранный тип представления изображения (черно-белое, цветное, осветление и т.д. в соответствии с командой, выбранной на клавиатуре пульта управления).

Поступающая от приемников рентгеновского излучения информация записывается на жестком диске системного блока. Это позволяет неограниченно долго рассматривать изображение контролируемого объекта на экране телемонитора даже после выключения рентгеновского излучения, а в случае необходимости вызывать уже прошедшее изображение для повторного рассмотрения.

Подключение интроскопа к сети питания, контроль времени наработки интроскопа, распределение питающих напряжений и поступающих команд управления осуществляется с помощью устройства коммутации 9. Ресурс работы интроскопа контролируется счетчиком часов наработки 10. Для питания низковольтных цепей интроскопа стабилизированным напряжением служит блок питания 17.

Рис. 1. Блок-схема рентгенотелевизионного интроскопа

Металлообнаружители

Кроме рентгенотелевизионных интроскопов в группу технических средств досмотровой техники входят стационарные и портативные (ручные) металлообнаружители.

Металлообнаружители (металлоискатели и металлодетекторы) предназначаются для поиска металлосодержащих предметов, скрытых в одежде, обуви или на теле человека. Они применяются в аэропортах, банках, правительственных учреждениях, на АЭС, таможнях, предприятиях, заводах и других объектах.

По способу проведения досмотра металлообнаружители подразделяются на стационарные и портативные (ручные).

Стационарные металлообнаружители

Стационарные металлообнаружители, как правило, конструктивно выполняются в виде П-образной сборно-разборной арки.

В боковых стойках, панелях или колоннах арки находятся генераторные и приемные антенные системы. Стойки соединяются между собой на месте установки в жесткую конструкцию с помощью перемычки, которая одновременно служит корпусом электронного блока.

Зона обнаружения металлообнаружителя располагается в пространстве между генераторной и приемной антеннами, поэтому на контрольном пункте металлообнаружитель устанавливается так, чтобы при досмотре человек проходил через проем арки между ее боковыми стойками.

Принцип действия стационарного металлообнаружителя основан на регистрации изменений взаимной индукции генераторной и приемной антенн, которые возникают при перемещении в зоне обнаружения металлических предметов.

Работа стационарного металлообнаружителя происходит следующим образом.

Электронный блок формирует в генераторной антенне, выполненной в виде индукционного контура, переменный ток, возбуждающий в контролируемом пространстве первичное электромагнитное поле. В приемной антенне (также в виде индукционного контура) образуются сигналы, представляющие собой э.д.с., индуцированную первичным полем. При внесении в зону обнаружения металлического предмета в металлообнаружителе под влиянием первичного поля образуются вихревые токи, которые индуцируют в приемном контуре вторичную э.д.с. Общая э.д.с. на выходе приемной антенны изменяется, что и регистрируется электронным блоком.

Используются различные варианты возбуждения первичного поля: гармонический, полигармонический или импульсными токами. Их частота лежит в диапазоне от 1 до 10 кГц.

Основными техническими характеристиками стационарного металлообнаружителя являются: чувствительность, вероятность правильного обнаружения, вероятность ложной тревоги, селективность и совместимость с другими приборами аналогичного применения.

Чувствительность определяется наименьшей величиной предмета, который может быть обнаружен с заданной вероятностью. Так как э.д.с. на выходе приемной антенны зависит от нескольких параметров предмета (размеров, формы, электропроводности, магнитной проницаемости), то выбрать точную меру, определяющую чувствительность, сложно. Поэтому на практике пользуются приблизительными данными об объеме предмета или его массе.

Блок-схема стационарного металлообнаружителя представлена на рис. 2.

Излучающая индуктивная система 2 состоит из четырех излучающих катушек (две ? излучающие основного канала и две ? компенсационного), которые создают четырехфазное импульсное магнитное поле в зоне обнаружения. Генератор 1 вырабатывает стабильные во времени импульсы питания излучающей индуктивной системы и импульсы выборки сигналов в схемах блоков обработки сигналов каналов 1 и 2. Приемная индуктивная система 3 состоит из двух катушек. Для получения равномерной чувствительности в контролируемой зоне катушки имеют форму двойных восьмерок”, смещенных относительно друг друга по вертикали и горизонтали. Блоки 4, 5 обработки сигнала каналов 1 и 2 предназначены для усиления, преобразования и фильтрации сигналов, поступающих с катушек приемной индуктивной системы.

Основной и компенсационные сигналы каждого канала имеют разную полярность за счет фазировки излучающих катушек. Это позволяет получить в блоке обработки сигнала сложение полезных сигналов и взаимоуничтожение синфазной помехи. Полезным сигналом является любое изменение формы переходного процесса при проносе через приемо-передающие индуктивные системы металлообнаружителя металлического предмета. Суммарный сигнал в блоке обработки сигнала усиливается, фильтруется от помех и после схемы формирования модуля сигнала подается на индикатор.

В индикаторе 7 сигналы приемных каналов суммируются, преобразуются из аналоговых сигналов в дискретные и поступают на дискретный светодиодный индикатор уровня и формирователь звукового сигнала с длительностью звучания пропорциональной амплитуде сигнала. Блок управления 6 служит для включения и выключения изделия и регулировки его чувствительности. Блок питания 8 вырабатывает напряжения, необходимые для работы электронных блоков изделия.

Современные стационарные металлообнаружители имеют чувствительность, достаточную для регистрации предметов массой от 10 г, и обеспечивают регулировку чувствительности в целях отстройки от предметов меньших размеров и массы, чем предметы поиска. Диапазон регулировки составляет 40 дБ (100 рад) и более, что приблизительно соответствует диапазону изменения размеров реальных предметов поиска. При подготовке к работе нужный уровень чувствительности выбирается так, чтобы при максимальной отстройке от меньших предметов вероятность обнаружения предметов поиска была практически равна 1. В этом случае вероятность пропуска предметов меньших размеров и массы, чем предметы поиска, называется селективностью.

Селективность существенно зависит от однородности зоны обнаружения, которая характеризируется отношением максимальной э.д.с. в приемной антенне к минимальной во всем проеме арки при проносе одного и того же предмета. Чем ближе это отношение к 1, тем лучше однородность и, следовательно, селективность устройства.

Стационарный металлообнаружитель имеет достаточно высокую помехоустойчивость, что обеспечивается специальной конструкцией и конфигурацией приемных антенн, а также схемотехническими решениями электронных узлов. Тем не менее, при работе в условиях интенсивных электронных помех, например, в условиях аэропорта, возможны ложные срабатывания. Для существенного улучшения помехоустойчивости в состав стационарного металлообнаружителя включается дополнительный инфракрасный (ИК) канал, канал регистрации проходящего через проем человека и совместная обработка сигналов основного и ИК-каналов.

Портативные (ручные) металлообнаружители

Портативные (ручные) металлообнаружители используются для оперативного поиска металлических предметов, скрытых на теле человека, в багаже, корреспонденции и т.п. Конструктивно металлообнаружитель выполняется в виде портативного диэлектрического корпуса, в котором размещается поисковый элемент, электронные узлы обработки и индикации, элементы питания. Поисковым элементом является индукционный контур в виде прямоугольной, круглой или цилиндрической катушки.

Функционирование портативного металлообнаружителя происходит по следующей схеме.

Катушка включается в цепь генератора. При появлении вблизи нее металлического предмета меняется ее индуктивность, что приводит к изменению параметров генерации. Эти изменения регистрируются схемой обработки и передаются в виде светового или звукового сигнала.

Рис. 2. Блок-схема стационарного металлообнаружителя

Частота генератора, как правило, находится в диапазоне от 10 до 100 кГц. Электромагнитное поле катушки достаточно слабое и так же, как в стационарном варианте металлообнаружителя, полностью соответствует санитарно-биологическим нормам.

Блок-схема портативного (ручного) металлообнаружителя представлена на рис. 3.

Опорный генератор 1 формирует электрические импульсы с частотой повторения Fс. При отсутствии металлического предмета в электрическом поле катушки индуктивности измерительным генератором 2 вырабатываются электрические импульсы с частотой повторения FП. Сигналы измерительного и опорного генераторов подаются на смеситель 3, после которого в результате обработки формируется сигнал в виде импульсов с частотой повторения F = FС – FП. Далее частота повторения преобразуется в пилообразные импульсы, амплитуда которых обратно пропорциональна частоте повторения. Пилообразные импульсы поступают на вход компаратора 7, формирующего перепад напряжения, используемый для запуска формирователя звукового сигнала 8. При срабатывании формирователя звукового сигнала схема совпадений 10 пропускает сигнал звукового генератора на усилитель мощности и динамик 11, выдающий выходной звуковой сигнал металлообнаружителя.

До момента появления металлического предмета в поле катушки индуктивности измерительного генератора амплитуда пилообразных импульсов меньше порога срабатывания компаратора и звуковые сигналы не вырабатываются.

При попадании металлического предмета в поле действия катушки индуктивности частота импульсов, вырабатываемых измерительным генератором, изменяется, амплитуда пилообразных импульсов увеличивается и превышает порог срабатывания компаратора, компаратор запускает формирователь звукового сигнала, схема совпадений начинает пропускать сигнал звукового генератора и на выходе металлообнаружителя возникает звуковой сигнал, свидетельствующий о наличии металла. Для исключения влияния колебаний напряжения питания (разряд батарейного источника питания 12) в схему введен стабилизатор напряжения 13.

Портативные металлообнаружители эффективно применяются в комплекте со стационарными. В этом случае после прохода через стационарный металлообнаружитель при необходимости можно уточнить наличие предметов поиска дополнительной проверкой портативным прибором.

Портативные металлобнаружители различных фирм отличаются выбранными формами, введением дополнительных сервисных органов управления и эксплуатационными характеристиками при практически сходных обнаружительных характеристиках. Чувствительность портативных металлообнаружителей устанавливается в каждом конкретном случае ручной регулировкой.

Рис. 3. Блок-схема портативного (ручного) металлообнаружителя

Отечественная досмотровая техника при тех же основных технических характеристиках, что и зарубежная, проигрывает в дизайне, но зато более устойчива к климатическим условиям эксплуатации в России и обладает существенно меньшей стоимостью. По интроскопам – на 20 ? 25%, а по металлообнаружителям ? до 50%. Кроме того, ремонт и техническое обслуживание отечественной техники в гарантийный и послегарантийный периоды значительно дешевле зарубежной.

Активизация международного терроризма ставит задачу дальнейшего повышения эффективности средств досмотровой техники как в плане совершенствования технических характеристик существующего оборудования, так и в плане поиска путей создания перспективных приборов, основанных на новых физических принципах.

1. Ахматов А.П., Лазаков В.Н., Шкляев Б.Г., Кулешов В.А., Колесов Ф.Е. Рентгеновский моноблок. Авт. свид. № 876041, 1981.
2. Ахматов А..П., Клейменов С.Е., Котов В.Б. Возможности применения нейронных алгоритмов в системах обработки информации рентгенотелевизионных интроскопов для досмотра багажа и ручной клади. Нейрокомпьютер № 3, 4, 1997.
3. Ахматов А.П. Антитеррористическое и досмотровое оборудование. Межотраслевой тематический каталог “Системы безопасности”, 2001.
4. Ахматов А.П., Антонов К.А. Технические средства защиты государственных объектов, ядерных центров и учреждений. Доклад на V Всероссийской научно-практической конференции по актуальным проблемам защиты и безопасности. Санкт-Петербург, 2003.
5. Ахматов А.П., Клейменов С.Е. Возможности использования рентгеновских систем досмотра для обнаружения террористических закладок ВВ. Доклад на международном семинаре НАТО Обнаружение закладок ВВ, развитие техники против терроризма”. Москва, 2003.