способ обнаружения взрывчатого вещества в объеме, например в багаже, и аппаратура для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ обнаружения взрывчатого вещества в объеме, содержащий сканирование объема излучением для определения заранее заданного свойства каждого из множества элементов, составляющих объем, и идентификацию объема как объема, подозрительного на наличие взрывчатого вещества, отличающийся тем, что упомянутое сканирование производят в трехмерном объеме для определения в качестве заранее заданного признака плотности каждого из множества объемных элементов изображения, представляющих этот трехмерный объем, связывают и помечают объемные элементы изображения, имеющие сходные плотности, при этом для оценки непрерывности множества объемных элементов изображения используют разности между плотностью данного объемного элемента изображения и плотностями объемных элементов изображения, лежащих в плоскостях над и под этим элементом, определяют объем каждой непрерывной области из объемных элементов изображения со сходными плотностями, сравнивают объем каждой такой непрерывной области с первой пороговой величиной и идентифицируют каждую непрерывную область, объем которой превышает первую пороговую величину, как подозрительную область, определяют массу каждой подозрительной области, сравнивают массу каждой подозрительной области со второй пороговой величиной и идентифицируют каждую подозрительную область, масса которой превышает вторую пороговую величину, как область, потенциально содержащую взрывчатое вещество.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при идентификации объема, подозрительного на наличие взрывчатого вещества, производят дополнительный контроль трехмерного объема с целью подтверждения наличия взрывчатого вещества.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительный контроль включает ручной контроль.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительный контроль включает нейтронное сканирование.

5. Аппаратура для обнаружения взрывчатого вещества в объеме, содержащая сканирующее устройство и процессор, отличающаяся тем, что сканирующее устройство выполнено с возможностью сканирования трехмерного объема для определения плотности каждого из множества объемных элементов изображения, представляющих этот трехмерный объем, а процессор содержит модуль идентификации непрерывности, связывающий и помечающий объемные элементы изображения со сходными плотностями из множества объемных элементов изображения, и модуль идентификации объекта, выполненный с возможностью определять объем каждой непрерывной области объемных элементов изображения со сходными плотностями, сравнивать объем каждой такой непрерывной области с первой пороговой величиной и идентифицировать каждую такую непрерывную область, объем которой превышает первую пороговую величину, как подозрительную область, определять массу каждой подозрительной области, сравнивать массу каждой подозрительной области со второй пороговой величиной и идентифицировать каждую подозрительную область, масса которой превышает вторую пороговую величину, как область потенциально содержащую взрывчатое вещество.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к усовершенствованному способу обнаружения объектов малой толщины, например взрывчатых веществ, расположенных вдоль стенок багажа. В частности, изобретение относится к усовершенствованному способу обнаружения объектов малой толщины, например взрывчатых веществ, с помощью рентгеновской компьютерной томографии (КТ).

Обнаружение взрывчатых веществ в багаже представляет собой чрезвычайно сложную задачу, поскольку для взрыва, способного повлечь за собой катастрофу, требуется сравнительно малое количество взрывчатого вещества и поскольку пластиковым взрывчатым веществам можно придать практически любую желаемую форму. Вероятно, наиболее сложной для обнаружения конфигурацией взрывчатого вещества является листовая форма, когда материал формуется в тонкий лист, имеющий очень малую физическую протяженность в одном измерении.

Одним из известных способов обнаружения взрывчатых веществ является применение рентгеновской КТ. Рентгеновская КТ представляет собой метод определения внутреннего строения объекта путем пропускания через него рентгеновского излучения и измерения ослабления излучения при прохождении сквозь объект. В этом методе объект подразделяется на множество объемных элементов изображения, которые являются базовыми единицами размерности объема в процессах формирования изображений. По сравнению с другими предметами, находящимися в багаже, взрывчатые вещества имеют определенный диапазон плотностей, например от 1,2 до 1,8 г/см³, и поэтому ослабляют рентгеновское излучение иначе, нежели невзрывчатые вещества.

Как правило, системы компьютерной томографии сконструированы таким образом, что размер объемного элемента изображения примерно соответствует наименьшему объекту в изображении, представляющему интерес. В случаях, когда требуется высокая чувствительность по контрастности, такой подход, безусловно, оправдан. В действительности часто используются размеры элементов изображения, несколько меньшие пространственного размера представляющего интерес объекта. Однако такой подход намного увеличивает сложность и стоимость системы, так как для получения и восстановления изображений требуется большое число детекторных элементов, углов зрения и объемных элементов изображения. Кроме того, существенно увеличивается нагрузка на источник рентгеновского излучения, так как необходимо поддерживать на приблизительно постоянном уровне количество рентгеновского излучения и, следовательно, отношение сигнал/шум для меньших размеров элементов изображения.

Если толщина листа взрывчатого вещества меньше линейного размера объемного элемента КГ изображения, результат измерения плотности объемного элемента изображения уменьшается, так как этот элемент изображения не весь заполнен взрывчатым веществом. Эта проблема иллюстрируется на фиг. 1 и 2 для случая, когда плотность взрывчатого вещества составляет 1,5 г/см³. На фиг. 1 показан объемный элемент изображения V₁, целиком заполненный взрывчатым веществом; при этом средняя плотность объемного элемента изображения составляет 1,5 г/см³. На фиг. 2 показан объемный элемент изображения V₂, частично заполненный листовым взрывчатым веществом, причем толщина листа составляет 20% линейного размера объемного элемента изображения. Средняя плотность в объемном элементе изображения V₂ уменьшилась до 0,3 г/см³. Традиционные системы КТ рассчитывают плотность для объемного элемента изображения V₂, которая получается меньше плотности, ожидаемой для взрывчатого вещества, и поэтому не распознают объемный элемент изображения V₂ как содержащий взрывчатое вещество.

Задача состоит в том, чтобы отличить такое листовое взрывчатое вещество от других веществ, находящихся в чемодане.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в патенте США N 5022062, М. кл. G 01 N 23/201, опубликованном 4.06.91 г. , в котором обнаружение взрывчатого вещества в объеме, например багаже, включает сканирование объема излучением с помощью сканирующего устройства для определения заранее заданного свойства каждого из множества элементов, составляющих объем, и идентификацию с помощью процессора объема как объема, подозрительного на содержание взрывчатого вещества.

В описанном выше патенте осуществляют двухмерное сканирование объекта, что не позволяет достоверно определить наличие или отсутствие объекта в трехмерном пространстве, если объект в одном измерении имеет малую толщину.

Целью настоящего изобретения является определение наличия или отсутствия объекта в трехмерном пространстве, если объект в одном измерении имеет малую толщину.

Другой целью изобретения является создание усовершенствованного способа обнаружения взрывчатых веществ.

Еще одной целью изобретения является создание способа обнаружения взрывчатых веществ, в котором требуется обрабатывать минимальное число объемных элементов изображения и который в то же время обеспечивает обнаружение листовых взрывчатых веществ, например, расположенных вдоль стенок чемодана.

Еще одной целью изобретения является создание дешевой системы рентгеновской компьютерной томографии для обнаружения взрывчатых веществ.

Способ, соответствующий изобретению, позволяет обнаружить взрывчатое вещество в объеме и содержит сканирование объема излучением для определения заранее заданного свойства каждого из множества элементов, составляющих объем, и идентификацию объема как объема, подозрительного на наличие взрывчатого вещества, причем упомянутое сканирование производят в трехмерном объеме для определения в качестве заранее заданного признака плотности каждого из множества объемных элементов изображения, представляющих этот трехмерный объем, связывают и помечают объемные элементы изображения, имеющие сходные плотности, при этом для оценки непрерывности множества объемных элементов изображения используют разности между плотностью данного объемного элемента изображения и плотностями объемных элементов изображения, лежащих в плоскостях над и под этим элементом, определяют объем каждой непрерывной области из объемных элементов изображения со сходными плотностями, сравнивают объем каждой такой непрерывной области с первой пороговой величиной и идентифицируют каждую непрерывную область, объем которой превышает первую пороговую величину, как подозрительную область, определяют массу каждой подозрительной области, сравнивают массу каждой подозрительной области со второй пороговой величиной и идентифицируют каждую подозрительную область, масса которой превышает вторую пороговую величину, как область, потенциально содержащую взрывчатое вещество.

Кроме того, при идентификации объема, подозрительного на наличие взрывчатого вещества, производят дополнительный контроль трехмерного объема для подтверждения наличия взрывчатого вещества, причем дополнительный контроль включает нейтронное сканирование или ручной контроль.

Аппаратура для обнаружения взрывчатого вещества в объеме содержит сканирующее устройство и процессор, причем сканирующее устройство выполнено с возможностью сканирования трехмерного объема для определения плотности каждого из множества объемных элементов изображения, представляющих этот трехмерных объем, а процессор содержит модуль идентификации непрерывности, связывающий и помечающий объемные элементы изображения со сходными плотностями из множества объемных элементов изображения, и модуль идентификации объекта, выполненный с возможностью определять объем каждой непрерывной области объемных элементов изображения со сходными плотностями, сравнивать объем каждой такой непрерывной области с первой пороговой величиной и идентифицировать каждую такую непрерывную область, объем которой превышает первую пороговую величину, как подозрительную область, определять массу каждой подозрительной области, сравнивать массу каждой подозрительной области со второй пороговой величиной и идентифицировать каждую подозрительную область, масса которой превышает вторую пороговую величину, как область, потенциально содержащую взрывчатое вещество.

Другие цели, признаки и преимущества изобретения объясняются в его подробном описании, которое приводится ниже.

Изобретение описывается со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - полностью заполненный объемный элемент изображения V₁, имеющий среднюю плотность 1,5 г/см³,

Фиг. 2 - частично заполненный объемный элемент изображения ₂, имеющий среднюю плотность 0,3 г/см³,

Фиг. 3 - перспективный вид установки, с помощью которой осуществляется способ, соответствующий изобретению,

Фиг. 4 - вид с торца контрольного портала, пригодного для применения изобретения,

Фиг. 5 - безопасная сумка B₁, в которой имеются небольшие области с заданным диапазоном плотностей, не соединяющиеся между собой,

Фиг. 6 - подозрительная сумка B₂, в которой имеется большая сплошная область с плотностью, соответствующей заданному диапазону,

Фиг. 7 - блок-схема метода обнаружения взрывчатых веществ, соответствующего изобретению.

Изобретение основано на том, что взрывчатые вещества характеризуются определенным диапазоном значений плотности по сравнению с другими предметами, которые могут находиться в багаже, например одеждой, а также на том, что многие взрывчатые вещества должны, чтобы детонировать должным образом, физически составлять единый сплошной объем. В соответствии с изобретением процессор изображения производит идентификацию и помечает соединенные элементы с целью выявления областей, имеющих плотность в определенном диапазоне, и связывает их в единый объем. Затем вычисляется размер этого единого объема и определяется, достаточно ли он велик, чтобы вызвать существенный ущерб, если этот единый объем содержит взрывчатое вещество.

Поскольку изобретение дешевле обычных систем КТ, его можно использовать, например, для первоначальной проверки. Затем можно проводить вторую проверку, например, нейтронным способом или путем ручного досмотра, чтобы подтвердить или опровергнуть, что подозрительная область действительно представляет собой взрывчатое вещество.

В новом способе, соответствующем изобретению, априорное знание сочетается с обработкой и анализом изображения, что позволяет создать систему с более крупными размерами объемных элементов изображения. Рассмотрим для примера лист взрывчатого вещества толщиной 2 мм и плотностью 1,5 г/см³. В обычных системах КГ в таких случаях требуется размер объемного элемента изображения 2 мм и для охвата поля зрения в 1 м необходимо 500 детекторных элементов. Для реконструкции изображения 500 х 500 требуется приблизительно 1000 углов зрения, чтобы обеспечить пространственное разрешение системы. Такая система является чрезвычайно сложной и дорогой по сравнению с настоящим изобретением, которое позволяет использовать объемные элементы изображения большего размера.

На фиг. 3 и 4 показано оборудование, которое можно использовать в предпочтительном варианте осуществления изобретения. На фиг. 3 в перспективном виде изображена сумка В, которую необходимо досмотреть. Сумка В движется по конвейеру 300 в направлении D к порталу 100. В портале 100 имеется источник рентгеновского излучения, который облучает сумку при ее прохождении через портал 100. Кроме того, в портале 100 имеется набор детекторов рентгеновского излучения. Эти детекторы принимают рентгеновские лучи, которые прошли сквозь сумку В. Информация от детекторов поступает в процессор 200 для определения степени ослабления рентгеновского излучения при прохождении сквозь сумку. Процессор 200 содержит модуль определения непрерывности 210 и модуль идентификации объекта 220, которые будут более подробно описаны ниже. Используя информацию об ослаблении рентгеновского излучения, процессор 200 вычисляет плотность для каждого объемного элемента в трехмерном изображении сумки.

Для построения трехмерной картины плотности сумки необходимо, чтобы сумка просматривалась под разными углами. Поэтому нужно поворачивать либо портал 100 вокруг сумки, либо саму сумку. В устройстве, показанном на фиг. 3 и 4, поворачивается портал 100, так как при вращении сумки ее содержимое будет сдвигаться.

На фиг. 4 представлен вид с торца портала 100. В варианте изобретения, показанном на фиг. 4, портал 100 имеет такой размер, чтобы в него вмещались сумки максимального размера 100 см х 50 см. В портале 100 имеются источник рентгеновского излучения 10 и детекторная матрица 20. Источник 10 имеет пиковое напряжение 140 кВ, мощность от 1 до 5 кВт и угол расхождения 30^o. Детекторная матрица 20 имеет 1280 детекторных элементов, расположенных в виде матрицы 8 х 160. Каждый детекторный элемент состоит из сцинтиллятора, соединенного с фотодиодом, и соответствующей электроники для интеграции тока. Размер объемного элемента изображения в этом варианте изобретения составляет 0,625 х 0,625 х 1,25 см. Число сечений для типичной сумки (75 см х 50 см х 20 см) равно 60. Суммарное время контроля для типичной сумки составляет 8 секунд, за которые она просматривается в 250 видах.

Общие сведения по КТ сканированию, оборудованию и обработке сигнала можно найти в публикациях "Компьютерная томография. Часть 1: Введение и промышленное применение", The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, David C. Copley, Jeffrey W. Eberhard, and Gregory A. Mohr, т. 46, N 1, январь 1994 г., стр. 14-26; "Principles of Computerized Tomographic Imaging" (Принципы компьютерного томографического формирования изображений), Avinash C. Kak and Malcolm Slaney (изд-во IEEE Press, 1988); и "Image Reconstruction from Projections" (Восстановление изображения из проекций), Gabor T. Herman (изд-во Academic Press, 1980). Все содержание этих публикаций включено в настоящее описание путем отсылки.

В новом способе, соответствующем изобретению, может применяться большой размер объемного элемента изображения, порядка 1 см. Большой лист взрывчатого вещества, проходящий через данный объемный элемент изображения, заполнит 20% его объема, что даст среднюю плотность объемного элемента 0,3 г/см³. Эта плотность все же достаточно велика, чтобы ее можно было отличить от фоновой плотности сумки 0,2 г/см³. Это позволяет идентифицировать объемные элементы, имеющие значения плотности в пределах заданного диапазона, например, от 0,25 до 1,8 г/см³, как потенциально содержащие взрывчатые вещества. Такие области, имеющие плотности в пределах определенного диапазона, обозначены на фиг. 5 и 6 как области R₁, R₂, R₃ и R₄. Фиг. 5 и 6 подробнее будут обсуждаться ниже.

После того, как определены области, плотности которых выше фонового значения, с помощью процесса трехмерной идентификации и маркировки соединенных элементов методом серой шкалы объединяются все физически прилегающие друг к другу объемные элементы с плотностью в выбранном диапазоне. Методы идентификации и маркировки элементов описаны в главе 4 книги "Robot Vision" (Зрение роботов), автор Berthold Klaus Paul Horn (MIT Press, 1986). Эта публикация включена в настоящее описание путем отсылки.

Методики, описанные в этой книге, модифицированы с целью применения в настоящем изобретении в том смысле, что в изобретении применяется трехмерный метод серой шкалы, а не двухмерный двоичный. Вместо того, чтобы определять, равен ли объемный элемент изображения единице, определяется, является ли разность между ним и выбранным эталонным значением меньше заданной пороговой разности. Если это так, то с объемным элементом изображения обращаются точно так же, как с единицей в двоичной системе. В трехмерных системах используются объемы, а не площади. Для каждого объемного элемента соседствующие с ним объемные элементы подразделяются на расположенные в плоскости выше, в той же плоскости и в плоскости ниже данного объемного элемента. Производится трехмерное растровое сканирование сверху вниз, тогда как сканирование в пределах одной плоскости является двухмерным растровым сканированием. Как и в двухмерном случае, при обозначении используется подмножество соседних элементов. Оцениваются все объемные элементы изображения, лежащие в плоскости над плоскостью данного элемента. Если какой-либо объемный элемент изображения в верхней плоскости попадает в пороговую величину разности рассматриваемого элемента изображения, его помечают. В плоскости, в которой лежит рассматриваемый элемент изображения, используются те же элементы изображения, что и в двухмерном случае. Как и в двухмерном случае, существует возможность, что для частей одного предмета будет использоваться разная маркировка. Так происходит, если два объемных элемента изображения связываются с центральным элементом изображения лишь точечно (не поверхностью и не ребром). В таком случае необходимо отметить, что эти два обозначения эквивалентны, и использовать любое из них для центрального элемента изображения. Может потребоваться повторно помечать объемные элементы изображения путем повторного сканирования объекта.

Объемные элементы изображения со значениями плотности в определенном диапазоне, физически прилегающие друг к другу в трехмерном пространстве и имеющие различия в плотности меньше заданной пороговой разности, группируются, и им дается идентификационное обозначение. Поскольку проверка смежности элементов производится в трех измерениях, при этом легко идентифицируются области малой толщины любой формы и в любой ориентации.

Затем определяется число объемных элементов изображения в каждой области, которое сравнивается с пороговым значением. Небольшие области, то есть области, содержащие малое количество элементов изображения, отбрасываются как "безопасные". Такая ситуация проиллюстрирована на фиг. 5, где показана "безопасная" сумка B₁ с небольшими областями R₁, R₂ и R₃, плотности которых соответствуют определенному диапазону, причем эти области не связаны вместе. Большие непрерывные области, то есть области, содержащие число элементов с плотностями в определенном диапазоне, большее заданного порогового значения, идентифицируются как подозрительные. На фиг. 6 показана подозрительная сумка B₂ с большой непрерывной областью R₄ материала, плотность которого соответствует определенному диапазону. Затем рассчитывается масса, содержащаяся в каждой подозрительной области (областях), путем умножения каждого объемного элемента в этой области на его плотность. Если полученная величина массы превышает заданное пороговое значение, например 1000 г, то область предварительно идентифицируется как взрывоопасная. После этого можно произвести проверку: либо применить другой метод, например сканирование импульсами быстрых нейтронов, либо открыть сумку.

Теперь обратимся к фиг. 7 и опишем пример применения метода, о котором говорилось выше. Большинство операций, представленных на фиг. 7, выполняется в модуле идентификации непрерывности 210 и в модуле идентификации объекта 220 процессора 200. В зависимости от конкретного применения эти модули могут быть реализованы в программном обеспечении, аппаратуре или в комбинации того и другого.

Следует отметить, что метод, показанный на фиг. 7, является всего лишь одним примером применения принципов изобретения. Специалистам понятно, что возможны многочисленные модификации и варианты этого метода.

Пример, показанный на фиг. 7, основан на следующей исходной информации:

(1) Плотность взрывчатого вещества имеет величину в диапазоне от 1,2 до 1,8 г/см³;

(2) Фоновая плотность в чемодане составляет приблизительно 0,2 г/см³;

(3) Не ставится цель обнаружения небольших количеств взрывчатых веществ, например, 100 см³ или 150 г; и

(4) Артефакты частичного объема снижают контрастность плотности прямо пропорционально неполноте заполнения элемента изображения.

В эту исходную информацию могут вноситься изменения в зависимости от конкретной задачи обнаружения. Например, может меняться представляющий интерес диапазон плотностей, который в примере на фиг. 7 выбран от 0,3 до 1,8 г/см³.

В операции S₁ производится сканирование чемодана с целью определения коэффициента линейного ослабления для каждого объемного элемента изображения; этот коэффициент, в свою очередь, выражает плотность каждого объемного элемента. Методы сканирования и определения плотности описаны в указанных выше публикациях на тему КТ сканирования. Полученная информация о плотности запоминается, а затем обрабатывается посредством операций S₂ - S₇, которые позволяют определить потенциально взрывоопасные области на КТ изображении чемодана.

В операции S₂ объемные элементы изображения, имеющие похожий диапазон плотностей, т. е. плотности между 0.3 и 1.8 г/см³, связываются и помечаются как сплошные, непрерывные области. В операции S₃ считается число объемных элементов изображения в каждой непрерывной области. В операции S₄ определяется объем каждой непрерывной (связанной и помеченной) области путем умножения числа элементов изображения в этой области (полученного при операции S₃) на объем одного элемента. Операция S₅ состоит в определении для каждой непрерывной области, превышает ли ее объем пороговое значение T₁, например 750 см³. Любая область, объем которой больше пороговой величины T₁, считается подозрительной, и обработка информации по этой области продолжается операцией S₆.

В операции S₆ определяется масса каждой подозрительной непрерывной области путем суммирования по каждой подозрительной области произведений плотности каждого объемного элемента изображения на его объем. Операция S₇ определяет, превышает ли масса каждой подозрительной непрерывной области (полученная при операции S₆) пороговую величину T₂, например 1000 г. Если масса подозрительной непрерывной области больше пороговой величины T₂, область предварительно идентифицируется как взрывоопасная и выполняется операция S₈. Операция S₇ может предусматривать включение сигнализации. Операция S₈ состоит в проверке наличия или отсутствия взрывчатого вещества; для этого можно или применить дополнительный метод, например сканирование импульсами быстрых нейтронов, либо открыть чемодан.

Поскольку в методе, соответствующем изобретению, вместо объемных элементов изображения размером 2 мм используются объемные элементы изображения большего размера, их число уменьшается. Например, если применяются объемные элементы изображения размером 1 см, требующееся количество детекторных элементов снижается до 100, количество углов зрения снижается приблизительно до 200, а размер изображения снижается до 100 х 100. Таким образом, размер входного набора данных, который пропорционален числу детекторов, умноженному на число углов зрения, уменьшается в 25 раз (или больше, так как толщину томографических слоев тоже можно увеличить). Время восстановления изображения, которое пропорционально числу углов зрения, умноженному на число объемных элементов в изображении, уменьшается в 125 раз. Такое резкое уменьшение количества данных и необходимых вычислений позволяет создать гораздо более простые, надежные и удобные в применении КТ системы для проверки багажа.

Хотя изобретение описано на примерах его конкретных осуществлений и применений, объем изобретения не ограничивается этими конкретными осуществлениями и применениями. Возможны различные изменения, варианты и применения, не выходящие за пределы существа и объема изобретения, которые будут понятны специалистам в данной области после ознакомления с приведенным выше описанием. Например, изобретение не ограничивается установкой, показанной на фиг. 3 и 4. Хотя изобретение особенно целесообразно применять для обнаружения листовых взрывчатых веществ в багаже, оно применимо вообще в любых случаях, когда объект, представляющий интерес, в одном измерении имеет размер меньше размера объемного элемента КТ изображения; например, его можно использовать для выявления и характеристики расслоений в композитных материалах. Соответственно, объем изобретения определяется следующей ниже формулой.