СТАЦИОНАРНЫЙ ИНСПЕКЦИОННО-ДОСМОТРОВЫЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2023 года по МПК G01N23/04 

Изобретение относится к области технических средств бесконтактного неразрушающего контроля крупногабаритных объектов (КГО) с использованием рентгеновского излучения и может применяться для обнаружения в них незаконных скрытых вложений, например, наркотических средств, взрывчатых веществ, оружия, боеприпасов и др., на таможенных, полицейских и иных пунктах пропуска и контроля.

Известны несколько видов и типов инспекционно-досмотровых комплексов (ИДК), в частности: мобильные, стационарные, железнодорожные и портальные, имеющие типовой набор оборудования и единый принцип работы [1].

Основными элементами оборудования являются источник рентгеновского излучения (ИРИ) и система приема рентгеновского излучения, прошедшего сквозь контролируемый КГО, включающая в себя детекторную линейку.

Принцип работы ИДК заключается в:

- формировании из исходного излучения в форме конуса с большим радиусом основания узкого (порядка 5 мм) веерообразного пучка рентгеновских лучей с помощью щелевой диафрагмы (коллиматора);

- расположении коллиматора строго напротив детекторной линейки и в одной плоскости с ней;

- равномерном перемещении КГО относительно неподвижного ИРИ (или наоборот: КГО неподвижен, а ИРИ перемещается с постоянной скоростью относительно неподвижного КГО);

- последовательном сканировании (просвечивании) импульсным веерообразным пучком лучей всего перемещаемого объекта контроля, который располагается между коллиматором и детекторной линейкой;

- регистрации детекторами прошедшего сквозь КГО рентгеновского излучения, интенсивность которого обратно пропорциональна плотности находящихся в КГО предметов;

- преобразовании аналоговых выходных сигналов (в частности, напряжения) детекторов в соответствующие цифровые коды;

- преобразовании цифровых кодов в видеосигналы и представлении цельного изображения КГО на экране монитора.

Наиболее распространенными являются мобильные ИДК (МИДК), оборудование которых располагается на автомобильных шасси [2]. Эти комплексы удобны в работе из-за своей мобильности, но они имеют и некоторые недостатки:

- ограничения по значению энергии рентгеновского излучения (не более 6 МэВ, в стационарных ИДК - порядка 9 МэВ), а от значения энергии зависят разрешающая способность, контрастность и проникающая способность излучения в стали;

- развернутые в рабочем положении П-образные «ворота», в створе которых находится КГО, при движении МИДК по неровностям или при сильной ветровой нагрузке совершают заметные случайные раскачивания, которые могут привести к «смазыванию» отдельных фрагментов рентгеновского изображения КГО.

Стационарные ИДК (СИДК) имеют лучшие эксплуатационно-технические характеристики по сравнению с МИДК. Примером современных СИДК могут служить отечественный стационарный комплекс производства ООО «Скантроник Системс» СТ-6035 [3], который имеет широкие функциональные возможности. В нем, благодаря детекторной линейке в форме части окружности, получаются рентгеновские изображение высокого качества. Применение клистронного ИРИ и дуального метода сканирования позволяют за одно сканирование определять наличие/отсутствие в объекте органических веществ (в частности, наркотических средств или взрывчатых веществ), распознавать материалы по четырем группам, изменять цветовое представление рентгеновского изображения.

Однако все известные СИДК, в том числе и СТ-6035, не позволяют получать на экране монитора четкие контуры различных предметов, находящихся внутри контролируемого КГО. А зачастую именно по контурам можно определить, что за предмет находится в контролируемом объекте.

Наиболее близким техническим решением является стационарный ИДК [4]. Прототип включает в себя: ИРИ, коллиматор, систему приема рентгеновского излучения, направляющие для постановки КГО, рельсовый путь, две детекторных линейки, блок обработки информации, блок выделения контуров и монитор. Блок выделения контуров состоит из сумматоров с одним инвертирующим входом, квадраторов, арифметических и пороговых устройств, устройства задания порога.

Здесь узкий веерообразный пучок рентгеновских лучей перекрывает обе детекторные линейки. На экране формируется не только рентгеновское изображение всего КГО, но и появляется дополнительная опция выделения четких контуров предметов, находящихся внутри этого КГО.

Недостатком прототипа является наличие неизбежных шумов выходных сигналов детекторов обеих линеек, которые приводят к снижению качества всего рентгеновского изображения объекта контроля.

Целью изобретения является повышение качества рентгеновских изображений, полученных с применением СИДК, за счет снижения уровня шумов выходных сигналов детекторов обеих линеек.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемый стационарный ИДК, содержащий источник рентгеновского излучения, коллиматор и систему приема рентгеновского излучения в форме части окружности, представляющую собой две детекторных линейки той же формы по N детекторов на каждой, расположенные рядом друг с другом и на которые одновременно попадает узкий веерообразный пучок рентгеновских лучей, выходящих из коллиматора и перекрывающий их, расположенные в железобетонном досмотровом тоннеле и составляющие единую конструкцию, перемещающуюся по рельсам относительно неподвижного крупногабаритного объекта контроля, который устанавливается для сканирования между коллиматором и детекторными линейками на площадке с соответствующими направляющими, а также блок обработки информации (БОИ), с которым связан монитор оператора, дополнительно введен блок подавления шумов (БПШ), выход которого связан с входом БОИ, а к его входам подключены выходы детекторов соответственно первой и второй детекторных линеек.

В свою очередь, БПШ включает в себя по (N-1) штук сумматоров на четыре входа и делителей на четыре, на входы каждого сумматора поступают выходные сигналы с детекторов соседних одноименных пар обеих линеек, причем, выходы со второй по (N-1) пар детекторов подключаются одновременно к входам двух соседних сумматоров следующим образом: i-я пара подключается к i-му и (i-1)-мy сумматорам, а выходы всех (N-1) сумматоров связаны с соответствующими входами всех (N-1) делителей на четыре, выходы которых подключены к входам БОИ.

Функциональная схема стационарного инспекционно-досмотрового комплекса представлена на фиг. 1, а на фиг. 2 представлены структурная схема вводимого блока подавления шумов и его связи с детекторными линейками комплекса.

На фиг. 1 и 2 приняты следующие буквенные и цифровые обозначения: 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - коллиматор, 3 - система приема рентгеновского излучения, 4 - контролируемый КГО, 5 - направляющие для постановки КГО для сканирования, 6 - рельсовый путь для перемещения ИРИ, коллиматора и системы приема рентгеновского излучения относительно неподвижного КГО, 7 - первая детекторная линейка, 8 - вторая детекторная линейка, 9 - блок подавления шумов, 10 - блок обработки информации, 11 - монитор, 12 - оператор анализа информации, 13 - железобетонный досмотровый тоннель, в котором расположено рентгеновское оборудование стационарного ИДК, 14₁-14_N-1 - сумматоры на четыре входа, 15₁-15_N-1 - делители на четыре.

Теоретическое обоснование подавления шумов в детекторах СИДК заключается в следующем.

Никакая система регистрации не обеспечивает идеального качества изображений исследуемых объектов. Выходные сигналы детекторов при регистрации рентгеновских изображений подвергаются воздействию различных шумов случайного характера, приводящих в конечном итоге к соответствующим искажениям в целом рентгеновского изображения КГО и понижению его качества. Для описания случайных воздействий на выходные сигналы детекторов используются различные модели шумов.

Наиболее распространенной моделью шумов является случайный аддитивный гауссовский шум, статистически независимый от полезного сигнала с выхода детектора. Модель аддитивного шума используется тогда, когда сигнал на выходе системы или на каком-либо этапе преобразования может рассматриваться как сумма полезного сигнала и некоторого случайного сигнала. Эта модель достаточно точно описывает действие шума в детекторах ИДК, так как регистрируются сигналы с большой амплитудой. Математическое ожидание такого шума будем считать равным нулю.

Аддитивный гауссовский шум характеризуется добавлением к каждому пикселю изображения значений с нормальным (гауссовским) распределением и с нулевым средним значением (математическим ожиданием).

Рассмотрим более подробно основные причины возникновения такого шума [5]:

1. Дефекты потенциального барьера, вызывающие утечку заряда, сгенерированного за время экспозиции - так называемый черный дефект.

2. Темновой ток, являющийся вредным следствием термоэлектронной эмиссии и туннельного эффекта, и возникающий в детекторе при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма.

3. Шумы, возникающие вследствие стохастической природы взаимодействия фотонов света с атомами материала фотодиодов детектора.

Пусть процесс регистрации рентгеновского изображения на i-м детекторе линейки описывается следующим выражением [6]:

где S_i - выходной сигнал детектора, n_i - шумы регистрации выходного сигнала.

Рассмотрим четыре рядом расположенных детектора, причем два из них принадлежат первой линейке детекторов, и два соответственно, рядом расположенные детекторы из второй линейки. Математическое ожидание шума регистрации в каждом детекторе в соответствии с принятой моделью шума будем считать равными нулю:

Дисперсия шума регистрации в каждом детекторе:

где М[*]- оператор математического ожидания:

где g(y) - плотность распределения соответствующей случайной величины.

После усреднения в сумматоре 14 и деления в делителе 15 будем иметь сигнал на выходе:

Дисперсия усредненного значения сигнала на выходе делителя 15 будет иметь следующий вид:

С учетом того, что регистрация сигналов на выходе детекторов происходит на соседних детекторах, сигналы на них независимы, а математические ожидания вида М[x_ix_j], если i не равно j, следует считать

равными нулю

С учетом этого:

То есть при усреднении сигналов с четырех детекторов дисперсия регистрации рентгеновского изображения уменьшается в четыре раза, и соответственно повышается качество получаемого рентгеновского изображения объекта контроля.

Стационарный ИДК работает следующим образом.

Для сканирования КГО 4 по направляющим 5 устанавливается на специальной бетонной площадке между коллиматором 2 и системой приема рентгеновского излучения 3. ИРИ 1 формирует импульсные рентгеновские пучки рентгеновских лучей в форме конуса. Коллиматор (или щелевая диафрагма) формирует из исходного конусообразного рентгеновского пучка узкий веерообразные пучок рентгеновских лучей шириной порядка 5 мм. Угол веерообразного пучка такой, что бы он мог полностью перекрыть по высоте весь КГО.

Этот импульсный веерообразный пучок лучей пронизывает КГО и попадает на детекторные линейки 7 и 8 по N детекторов на каждой. Так как рентгеновское излучение от ИРИ имеет неизбежную конусность, то ширина веерообразного пучка лучей при попадании на систему приема излучения 3 будет иметь ширину порядка 20 мм, что позволяет перекрывать детекторы на обеих линейках. В случае необходимости ширину пучка несложно сделать больше, увеличив несколько ширину щели в коллиматоре.

Во время сканирования ИРИ, коллиматор и система приема рентгеновского излучения равномерно перемещаются по рельсам 6 относительно неподвижного КГО, пронизывая его последовательностью коротких импульсов рентгеновского излучения.

Пройденные сквозь КГО импульсы излучения в детекторах преобразуются в напряжения, значения которых прямо пропорциональны интенсивности пройденных сквозь КГО импульсов рентгеновского излучения: чем выше интенсивность падающего на детектор излучения (т.е. чем меньше его ослабление предметами, находящимися внутри КГО), тем больше напряжение на выходе детектора.

Как отмечалось выше, на выходе каждого детектора кроме полезного сигнала имеют место неизбежные шумы, с которыми необходимо бороться. Из-за наличия шумов выходной сигнал детектора будет несколько отличаться от истинного сигнала, соответствующего непосредственно реальной интенсивности пройденного через КГО пучка лучей. Это может снижать качество рентгеновского изображения объекта контроля.

Для борьбы с шумами напряжения с выходов детекторов линеек 7 и 8 попарно (с двух соседних пар) поступают на четырехвходовые сумматоры 14₁-14_N-1 блока подавления шумов 9, например (см. фиг. 2): с детекторов 7₁-8₁ и 7₂-8₂ → на входы сумматора 14₁; с детекторов 7₂-8₂ и 7₃-8₃ → на входы сумматора 14₂; с детекторов 7₃-8₃ и 7₄-8₄ → на входы сумматора 14₃ и т.д. В сумматорах эти напряжения суммируются: (7₁+8₁+7₂+8₂); (7₂+8₂+7₃₊8₃); (7₃+8₃+7₄+8₄) и т.д., а затем там же в БПШ 9 делятся соответствующими делителями 15₁-15_N-1 на четыре: первая сумма делится делителем 15₁, вторая сумма делится делителем 15₂ и т.д. В результате, следуя вышеописанной теории, существенно уменьшается дисперсия шума выходных сигналах детекторов.

После этого сигналы с выходов БПШ в блоке БОИ 10 преобразуются в соответствующие цифровые коды, которые, в свою очередь, преобразуются в видеосигналы, отображающиеся на экране монитора 11.

Каждому веерообразному импульсу излучения будет соответствовать полоска видеоизображения КГО шириной до 20 мм, хранящаяся в оперативной памяти БОИ 10. Эти «полоски» затем соединяются воедино, образуя цельное рентгеновское изображение контролируемого КГО, которое сохраняется в постоянной памяти БОИ и отображается на мониторе 11 оператора для проведения им его анализа.

Таким образом, путем предложенных преобразований выходных сигналов детекторов системы приема рентгеновского излучения с целью уменьшения в них шумов будет существенно повышено качество рентгеновского изображения объекта контроля в целом.

Источники информации

1. Башлы П.Н., Вербов В.Ф. и др. Таможенное дело: инспекционно-досмотровые комплексы России и зарубежных государств: учебное наглядное пособие. - Ростов н/Д: Ростовский филиал Российской таможенной академии, 2015. - 147 с.

2. Башлы П.Н., Вербов В.Ф. и др. Таможенное дело: практика и теория применения инспекционно-досмотровых комплексов: Учебник. - Ростов н/Д: Ростовский филиал Российской таможенной академии, 2019. - 360 с.

3. Вербов В.Ф., Огородников С.А., Симочко СВ. Стационарный инспекционно-досмотровый комплекс СТ-6035: Сборник документов. - Ростов н/Д: Ростовский филиал Российской таможенной академии; СПб: ООО «Скантроник Системе», 2018. - 98 с.

4. Башлы П.Н., Безуглов Д.А., Вербов В.Ф. Стационарный инспекционно-досмотровый комплекс. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2021126118 от 19.08.2022. (Прототип)

5. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Введение в проектирование оптико-электронных приборов: системный подход: Учебник. Под ред. Ю.Г. Якушенкова. – М.: Университетская книга, 2016. - 488 с.

6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов. - 6-е изд. стер. - М.: Высш. шк., 1999. - 576 с.

Использование: для досмотра крупногабаритных объектов (КГО). Сущность изобретения заключается в том, что стационарный инспекционно-досмотровый комплекс содержит источник рентгеновского излучения, коллиматор и систему приема рентгеновского излучения в форме части окружности, представляющую собой две детекторные линейки той же формы по N детекторов на каждой, расположенные рядом друг с другом и на которые одновременно попадает узкий пучок рентгеновских лучей, и составляющие единую конструкцию, перемещающуюся по рельсам относительно неподвижного КГО, который устанавливается для сканирования между коллиматором и детекторными линейками, а также блок обработки информации (БОИ), с которым связан монитор оператора, при этом в его состав дополнительно включен блок подавления шумов (БПШ), выход которого связан с входом БОИ, а к его входам подключены выходы детекторов первой и второй детекторных линеек. В свою очередь, БПШ включает в себя по (N-1) штук сумматоров на четыре входа и делителей на четыре, на входы каждого сумматора поступают выходные сигналы с детекторов соседних одноименных пар обеих линеек, причем выходы со второй по (N-1) пар детекторов подключаются одновременно к входам двух соседних сумматоров следующим образом: i-я пара подключается к i-му и (i-1)-му сумматорам, а выходы всех (N-1) сумматоров связаны с соответствующими входами всех (N-1) делителей на четыре, выходы которых подключены к входам БОИ. Технический результат: повышение качества рентгеновских изображений, полученных с применением стационарного инспеционно-досмотрового комплекса, за счет снижения уровня шумов выходных сигналов детекторов обеих линеек. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Стационарный инспекционно-досмотровый комплекс, содержащий источник рентгеновского излучения, коллиматор и систему приема рентгеновского излучения в форме части окружности, представляющую собой две детекторные линейки той же формы по N детекторов на каждой, расположенные рядом друг с другом и на которые одновременно попадает узкий веерообразный пучок рентгеновских лучей, выходящих из коллиматора и перекрывающий их, расположенные в железобетонном досмотровом тоннеле и составляющие единую конструкцию, перемещающуюся по рельсам относительно неподвижного крупногабаритного объекта контроля, который устанавливается для сканирования между коллиматором и детекторными линейками на площадке с соответствующими направляющими, а также блок обработки информации (БОИ), с которым связан монитор оператора, отличающийся тем, что в его состав дополнительно введен блок подавления шумов (БПШ), выход которого связан с входом БОИ, а к его входам подключены выходы детекторов первой и второй детекторных линеек.

2. Стационарный инспекционно-досмотровый комплекс по п. 1, отличающийся тем, что БПШ включает в себя по (N-1) штук сумматоров на четыре входа и делителей на четыре, на входы каждого сумматора поступают выходные сигналы с детекторов соседних одноименных пар обеих линеек, причем выходы со второй по (N-1) пар детекторов подключаются одновременно к входам двух соседних сумматоров следующим образом: i-я пара подключается к i-му и (i-1)-мy сумматорам, а выходы всех (N-1) сумматоров связаны с соответствующими входами всех (N-1) делителей на четыре, выходы которых подключены к входам БОИ.