Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ СЛЕДОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИК-ДИАПАЗОНА
|
Введение 5
Глава 1. Общая характеристика проблемы и обзор методов ее решения 11
1.1 Методы дистанционного обнаружения следовых количеств ВВ 11
1.1.1 Спектроскопия комбинационного рассеяния света 15
1.1.2 Спектроскопия когерентного актистоксова комбинационного рассеяния
света 16
1.1.3 Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия 17
1.1.4 Лазерно-индуцированная флуоресценция продуктов фотофрагментации
ВВ 19
1.1.5 ИК-спектроскопия продуктов лазерной фотофрагментации ВВ 20
1.1.6 Методы лазерной фототермической спектроскопии 21
1.1.7 Метод активного формирования спектральных изображений 23
1.2 Выбор метода обнаружения ВВ 25
Глава 2. Теоретические основы метода активного формирования
спектральных изображений 26
2.1 Выбор рабочей области исследования 26
2.2 Формирование гиперспектрального куба данных 29
2.3 Выбор анализируемых веществ и материалов-подложек 35
2.4 Выбор методов создания тестовых образцов следовых количеств ВВ 39
2.4.1 Перевод отпечатков пальцев 39
2.4.2 Взвешивание 40
2.4.3 Просеивание 41
2.4.4 Распыление 43
2.4.5 Струйная печать 46
2.4.6 Микропипетирование 49
2.4.7 Центрифугирование 50
2.4.8 Погружение 51
2.5 Выбор методов обработки гиперспектральных данных 52
2.5.1 Предварительная обработка 53
2.5.2 Статистическая обработка 55
Глава 3. Разработка и создание измерительного комплекса обнаружения
конденсированных следов ВВ 65
3.1 Выбор оборудования и создание измерительного комплекса 65
3.1.1 Выбор источника излучения 65
3.1.2 Выбор ИК-приемника 71
3.1.3 Выбор вспомогательного оборудования 73
3.1.4 Выбор материалов и элементов оптической системы 75
3.2 Настройка и автоматизация измерительного комплекса 78
3.3 Подготовка тестовых образцов 87
3.4 Методика выполнения исследований 92
Глава 4. Экспериментальные исследования и определение характеристик
измерительного комплекса 93
4.1 Регистрация эталонных спектров ВВ 93
4.2 Результаты экспериментального исследования обнаружения и
идентификации ВВ 93
4.3 Определение характеристик измерительного комплекса и исследование
возможности их улучшения 107
4.3.1 Определение вероятности обнаружения и идентификации ВВ 107
4.3.2 Определение предела обнаружения измерительного комплекса 108
4.3.3 Определение селективности обнаружения и идентификации ВВ 110
4.3.4 Определение дальности и времени обнаружения ВВ 111
4.3.5 Технические характеристики комплекса обнаружения следов ВВ 113
4.3.6 Практические рекомендации по улучшению технических характеристик
комплекса 114
Заключение 116
Список сокращений и условных обозначений 118
Список литературы 119
Приложение А (справочное) Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015613911 (копия) 131
Приложение Б (справочное) Акт использования результатов работы в БТИ АлтГТУ 132
Приложение В (справочное) Акт использования результатов работы в ИПХЭТ СО РАН
Глава 1. Общая характеристика проблемы и обзор методов ее решения 11
1.1 Методы дистанционного обнаружения следовых количеств ВВ 11
1.1.1 Спектроскопия комбинационного рассеяния света 15
1.1.2 Спектроскопия когерентного актистоксова комбинационного рассеяния
света 16
1.1.3 Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия 17
1.1.4 Лазерно-индуцированная флуоресценция продуктов фотофрагментации
ВВ 19
1.1.5 ИК-спектроскопия продуктов лазерной фотофрагментации ВВ 20
1.1.6 Методы лазерной фототермической спектроскопии 21
1.1.7 Метод активного формирования спектральных изображений 23
1.2 Выбор метода обнаружения ВВ 25
Глава 2. Теоретические основы метода активного формирования
спектральных изображений 26
2.1 Выбор рабочей области исследования 26
2.2 Формирование гиперспектрального куба данных 29
2.3 Выбор анализируемых веществ и материалов-подложек 35
2.4 Выбор методов создания тестовых образцов следовых количеств ВВ 39
2.4.1 Перевод отпечатков пальцев 39
2.4.2 Взвешивание 40
2.4.3 Просеивание 41
2.4.4 Распыление 43
2.4.5 Струйная печать 46
2.4.6 Микропипетирование 49
2.4.7 Центрифугирование 50
2.4.8 Погружение 51
2.5 Выбор методов обработки гиперспектральных данных 52
2.5.1 Предварительная обработка 53
2.5.2 Статистическая обработка 55
Глава 3. Разработка и создание измерительного комплекса обнаружения
конденсированных следов ВВ 65
3.1 Выбор оборудования и создание измерительного комплекса 65
3.1.1 Выбор источника излучения 65
3.1.2 Выбор ИК-приемника 71
3.1.3 Выбор вспомогательного оборудования 73
3.1.4 Выбор материалов и элементов оптической системы 75
3.2 Настройка и автоматизация измерительного комплекса 78
3.3 Подготовка тестовых образцов 87
3.4 Методика выполнения исследований 92
Глава 4. Экспериментальные исследования и определение характеристик
измерительного комплекса 93
4.1 Регистрация эталонных спектров ВВ 93
4.2 Результаты экспериментального исследования обнаружения и
идентификации ВВ 93
4.3 Определение характеристик измерительного комплекса и исследование
возможности их улучшения 107
4.3.1 Определение вероятности обнаружения и идентификации ВВ 107
4.3.2 Определение предела обнаружения измерительного комплекса 108
4.3.3 Определение селективности обнаружения и идентификации ВВ 110
4.3.4 Определение дальности и времени обнаружения ВВ 111
4.3.5 Технические характеристики комплекса обнаружения следов ВВ 113
4.3.6 Практические рекомендации по улучшению технических характеристик
комплекса 114
Заключение 116
Список сокращений и условных обозначений 118
Список литературы 119
Приложение А (справочное) Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015613911 (копия) 131
Приложение Б (справочное) Акт использования результатов работы в БТИ АлтГТУ 132
Приложение В (справочное) Акт использования результатов работы в ИПХЭТ СО РАН
Актуальность диссертационной работы.
В настоящее время повышенную угрозу для человека представляет распространенность террористических актов с применением ВВ. За последнее десятилетие в мире совершены несколько тысяч террористических актов, в результате которых погибли десятки тысяч человек [1].
Террористы устанавливают взрывные устройства (ВУ) в подвалах, арендуемых помещениях, снимаемых квартирах, припаркованных автомобилях, туннелях, метро, в городском транспорте и т.п., при этом используются как промышленные, так и самодельные ВУ. Опасен не только сам взрыв, но и его последствия, выражающиеся, как правило, в обрушении конструкций и зданий, приводящие к большому количеству жертв и существенному материальному урону [2-4].
В связи с этим оперативное обнаружение и идентификация ВВ и ВУ является актуальной задачей. В России и за рубежом разработан и производится целый ряд средств поиска зарядов ВВ и взрывоопасных предметов, однако до настоящего времени не создана эффективная система дистанционного обнаружения ВВ и устройств, подходящая для массового оснащения мест скопления людей. Общепризнано, что ни один способ обнаружения ВВ в отдельности не может обеспечить стопроцентную гарантию обнаружения и только сочетание нескольких методов контроля позволяет получить гарантию безопасности. Поэтому для предотвращения террористических актов, идентификации лиц изготавливающих ВУ, сканирования багажа на объектах всей транспортной инфраструктуры и в местах большого скопления людей необходима разработка новых и совершенствование существующих методов и средств обнаружения ВВ.
Большинство из существующих на сегодняшний день методов и средств обнаружения ВВ требуют непосредственного контакта с объектом исследования. Однако при выполнении обследования не всегда имеется такая возможность. Одним из существенных признаков, позволяющим обнаружить ВВ, является наличие следов ВВ на одежде и коже человека, поверхности ручной клади и багажа, которые сохраняются длительное время даже при незначительном контакте с ВВ. В связи с этим дистанционному детектированию следов конденсированных ВВ и паров ВВ, находящихся в тех или иных количествах вблизи или на поверхности ВУ, уделяется повышенное внимание.
Сегодня принципиальной возможностью дистанционных измерений (более 10 м) обладают только оптические (лазерные) методы обнаружения паров и следов конденсированных ВВ, поэтому именно они в большей степени вызывают исследовательский интерес. Применение средств для обнаружения ВВ в паровой фазе на базе оптических методов крайне осложнено низким уровнем концентрации паров ВВ в атмосфере ввиду их низкой летучести. Поэтому наибольший интерес представляют дистанционные методы обнаружения следовых количеств ВВ на поверхности различных объектов и на теле человека.
Одним из новых, перспективных и менее изученных оптических методов является метод активного формирования спектральных изображений (АФСИ), позволяющий обнаруживать следовые количества веществ. Применение лазера для сканирования поверхности делает возможным проведение анализа дистанционно.
В связи с этим целью диссертационной работы является разработка комплекса и исследование метода дистанционного обнаружения и идентификации следов взрывчатых веществ на поверхности объектов при воздействии лазерного излучения ИК-диапазона.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать существующие методы и технические средства для обнаружения следовых количеств ВВ. Провести анализ применимости метода АФСИ для дистанционного обнаружения следов конденсированных ВВ на поверхности;
- определить необходимые технические характеристики оборудования для создания комплекса;
- автоматизировать работу аппаратуры комплекса дистанционного обнаружения и идентификации следов ВВ;
- экспериментально оценить эффективность обнаружения следов ВВ в реальных условиях и подтвердить технические характеристики разработанного комплекса;
- разработать практические рекомендации по улучшению характеристик комплекса.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) Впервые реализован метод АФСИ в измерительном комплексе с
использованием перестраиваемого СО2-лазера и неохлаждаемой
микроболометрической камеры, позволяющий дистанционно и скрытно детектировать следы конденсированных ВВ с поверхностной концентрацией: 0,2 мг/см2 - для октогена; 0,9 мг/см2 - для гексогена; 0,35 мг/см2 - для ТНТ и 0,5 мг/см2 - для ТЭНа.
2) Впервые выполнена обработка гиперспектральных данных для идентификации ВВ, заключающаяся в использовании метода минимального расстояния и метода спектрального угла.
3) Разработана методика дистанционного обнаружения следов конденсированных ВВ методом АФСИ с учетом типа ВВ и подложки, условий окружающей среды и параметров измерительного комплекса.
Практическая значимость работы:
1) Разработанный измерительный комплекс обеспечивает дистанционное обнаружение и идентификацию ВВ на поверхности тел со следующими характеристиками: вероятность обнаружения ВВ более 89 %, предел обнаружения ВВ менее 0,84 мг/см2, время обнаружения не более 6 мин, дистанция обнаружения не менее 0,5 м.
2) Разработано ПО, позволяющее автоматизировать процессы управления
характеристиками перестраиваемого СО2-лазера (свидетельство о
государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015613911), регистрации и обработки гиперспектрального куба данных, а также идентификации типа ВВ и вывода полученных результатов о наличии следов ВВ.
3) Создана собственная библиотека ИК-спектров поглощения следовых количеств реальных ВВ (октоген, гексоген, ТНТ, ТЭН) с возможностью ее дополнения.
Достоверность результатов диссертации, полученных в работе, обеспечивается применением современных методов исследования, сертифицированной измерительной аппаратуры, современных программных средств, а также большим объемом полученных экспериментальных данных. Достоверность результатов обнаружения удовлетворительно подтверждается соответствием расчетных и экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
1) Метод АФСИ для дистанционного обнаружения и идентификации следов ВВ, основанный на формировании и анализе набора пространственноспектральных изображений (гиперпектральный куб данных), получаемого в результате регистрации многоэлементным приёмником диффузно рассеянного исследуемой поверхностью излучения при её облучении перестраиваемым источником лазерного излучения с узкой полосой генерации.
2) Оптико-электронный комплекс дистанционного обнаружения следов ВВ, реализованный на основе метода АФСИ с использованием перестраиваемого СО2- лазера и микроболометрической камеры с многоэлементной матрицей.
3) Автоматизация процессов регистрации и обработки гиперспектрального куба данных, а также идентификация типа ВВ и вывод полученных результатов о наличии следов ВВ.
4) Основные технические характеристики оптико-электронного комплекса по обнаружению следов ВВ.
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 11 научных трудах, из которых 4 статьи опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК, и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2015613911).
Апробация результатов исследований.
Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались, и получили положительную оценку на XI Всероссийской научнотехнической конференция «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях ИАМП-2014» (г. Бийск, 2014), V и VII Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (г. Бийск, 2014, 2018), 16th и 17th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electronic Devices «EDM 2015» и «EDM 2016» (Erlagol, Altai, 2015, 2016), XII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с Международным участием «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП-2017)» (г. Бийск, 2017), The 6th International Symposium on Energetic Materials and their Applications (ISEM2017) (Tohoku University, Sendai, Miyagi Prefecture, Japan, 2017).
Личный вклад автора заключался в анализе литературных данных, выборе оборудования и создании комплекса, разработке ПО, проведении экспериментов, обработке полученных данных. Диссертант принимал непосредственное участие в подготовке публикаций, научных статей и докладов на конференциях.
Объём и структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Изложена на 133 страницах машинописного текста, включая 4 таблицы и 84 рисунка. Список литературы включает 118 источников.
Краткое содержание диссертации.
Во введении обоснована актуальность работы и описано состояние проблемы на сегодняшний день, сформулирована цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость, кратко представлено содержание по главам.
В первой главе выполнен обзор оптических методов дистанционного обнаружения следов конденсированных ВВ на поверхности. Рассмотрены созданные средства диагностики ВВ. Сделан выбор перспективного метода обнаружения ВВ.
Во второй главе представлены теоретические исследования основ метода АФСИ с целью создания работоспособного измерительного комплекса. Выбрана рабочая область исследования, перечень обследуемых веществ и подложек. Представлен анализ методов создания тестовых образцов со сверхмалыми концентрациями следовых количеств ВВ для целей их дальнейшего обнаружения и идентификации. Выбраны точные, простые в изготовлении и менее затратные методы. Выбраны методы анализа регистрируемого набора спектральных данных.
В третье главе представлено создание, автоматизация и проверка работоспособности измерительного комплекса. Создана библиотека ИК-спектров поглощения ВВ. Изготовлены тестовые образцы и разработана методика проведения экспериментальных исследований.
В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований метода АФСИ и обнаружения следовых количеств различных конденсированных ВВ на поверхности на основе разработанного комплекса. Определены основные характеристики, предъявляемые к измерительному комплексу, и приведены результаты исследования возможности их улучшения.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
В настоящее время повышенную угрозу для человека представляет распространенность террористических актов с применением ВВ. За последнее десятилетие в мире совершены несколько тысяч террористических актов, в результате которых погибли десятки тысяч человек [1].
Террористы устанавливают взрывные устройства (ВУ) в подвалах, арендуемых помещениях, снимаемых квартирах, припаркованных автомобилях, туннелях, метро, в городском транспорте и т.п., при этом используются как промышленные, так и самодельные ВУ. Опасен не только сам взрыв, но и его последствия, выражающиеся, как правило, в обрушении конструкций и зданий, приводящие к большому количеству жертв и существенному материальному урону [2-4].
В связи с этим оперативное обнаружение и идентификация ВВ и ВУ является актуальной задачей. В России и за рубежом разработан и производится целый ряд средств поиска зарядов ВВ и взрывоопасных предметов, однако до настоящего времени не создана эффективная система дистанционного обнаружения ВВ и устройств, подходящая для массового оснащения мест скопления людей. Общепризнано, что ни один способ обнаружения ВВ в отдельности не может обеспечить стопроцентную гарантию обнаружения и только сочетание нескольких методов контроля позволяет получить гарантию безопасности. Поэтому для предотвращения террористических актов, идентификации лиц изготавливающих ВУ, сканирования багажа на объектах всей транспортной инфраструктуры и в местах большого скопления людей необходима разработка новых и совершенствование существующих методов и средств обнаружения ВВ.
Большинство из существующих на сегодняшний день методов и средств обнаружения ВВ требуют непосредственного контакта с объектом исследования. Однако при выполнении обследования не всегда имеется такая возможность. Одним из существенных признаков, позволяющим обнаружить ВВ, является наличие следов ВВ на одежде и коже человека, поверхности ручной клади и багажа, которые сохраняются длительное время даже при незначительном контакте с ВВ. В связи с этим дистанционному детектированию следов конденсированных ВВ и паров ВВ, находящихся в тех или иных количествах вблизи или на поверхности ВУ, уделяется повышенное внимание.
Сегодня принципиальной возможностью дистанционных измерений (более 10 м) обладают только оптические (лазерные) методы обнаружения паров и следов конденсированных ВВ, поэтому именно они в большей степени вызывают исследовательский интерес. Применение средств для обнаружения ВВ в паровой фазе на базе оптических методов крайне осложнено низким уровнем концентрации паров ВВ в атмосфере ввиду их низкой летучести. Поэтому наибольший интерес представляют дистанционные методы обнаружения следовых количеств ВВ на поверхности различных объектов и на теле человека.
Одним из новых, перспективных и менее изученных оптических методов является метод активного формирования спектральных изображений (АФСИ), позволяющий обнаруживать следовые количества веществ. Применение лазера для сканирования поверхности делает возможным проведение анализа дистанционно.
В связи с этим целью диссертационной работы является разработка комплекса и исследование метода дистанционного обнаружения и идентификации следов взрывчатых веществ на поверхности объектов при воздействии лазерного излучения ИК-диапазона.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать существующие методы и технические средства для обнаружения следовых количеств ВВ. Провести анализ применимости метода АФСИ для дистанционного обнаружения следов конденсированных ВВ на поверхности;
- определить необходимые технические характеристики оборудования для создания комплекса;
- автоматизировать работу аппаратуры комплекса дистанционного обнаружения и идентификации следов ВВ;
- экспериментально оценить эффективность обнаружения следов ВВ в реальных условиях и подтвердить технические характеристики разработанного комплекса;
- разработать практические рекомендации по улучшению характеристик комплекса.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) Впервые реализован метод АФСИ в измерительном комплексе с
использованием перестраиваемого СО2-лазера и неохлаждаемой
микроболометрической камеры, позволяющий дистанционно и скрытно детектировать следы конденсированных ВВ с поверхностной концентрацией: 0,2 мг/см2 - для октогена; 0,9 мг/см2 - для гексогена; 0,35 мг/см2 - для ТНТ и 0,5 мг/см2 - для ТЭНа.
2) Впервые выполнена обработка гиперспектральных данных для идентификации ВВ, заключающаяся в использовании метода минимального расстояния и метода спектрального угла.
3) Разработана методика дистанционного обнаружения следов конденсированных ВВ методом АФСИ с учетом типа ВВ и подложки, условий окружающей среды и параметров измерительного комплекса.
Практическая значимость работы:
1) Разработанный измерительный комплекс обеспечивает дистанционное обнаружение и идентификацию ВВ на поверхности тел со следующими характеристиками: вероятность обнаружения ВВ более 89 %, предел обнаружения ВВ менее 0,84 мг/см2, время обнаружения не более 6 мин, дистанция обнаружения не менее 0,5 м.
2) Разработано ПО, позволяющее автоматизировать процессы управления
характеристиками перестраиваемого СО2-лазера (свидетельство о
государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015613911), регистрации и обработки гиперспектрального куба данных, а также идентификации типа ВВ и вывода полученных результатов о наличии следов ВВ.
3) Создана собственная библиотека ИК-спектров поглощения следовых количеств реальных ВВ (октоген, гексоген, ТНТ, ТЭН) с возможностью ее дополнения.
Достоверность результатов диссертации, полученных в работе, обеспечивается применением современных методов исследования, сертифицированной измерительной аппаратуры, современных программных средств, а также большим объемом полученных экспериментальных данных. Достоверность результатов обнаружения удовлетворительно подтверждается соответствием расчетных и экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
1) Метод АФСИ для дистанционного обнаружения и идентификации следов ВВ, основанный на формировании и анализе набора пространственноспектральных изображений (гиперпектральный куб данных), получаемого в результате регистрации многоэлементным приёмником диффузно рассеянного исследуемой поверхностью излучения при её облучении перестраиваемым источником лазерного излучения с узкой полосой генерации.
2) Оптико-электронный комплекс дистанционного обнаружения следов ВВ, реализованный на основе метода АФСИ с использованием перестраиваемого СО2- лазера и микроболометрической камеры с многоэлементной матрицей.
3) Автоматизация процессов регистрации и обработки гиперспектрального куба данных, а также идентификация типа ВВ и вывод полученных результатов о наличии следов ВВ.
4) Основные технические характеристики оптико-электронного комплекса по обнаружению следов ВВ.
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 11 научных трудах, из которых 4 статьи опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК, и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2015613911).
Апробация результатов исследований.
Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались, и получили положительную оценку на XI Всероссийской научнотехнической конференция «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях ИАМП-2014» (г. Бийск, 2014), V и VII Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (г. Бийск, 2014, 2018), 16th и 17th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electronic Devices «EDM 2015» и «EDM 2016» (Erlagol, Altai, 2015, 2016), XII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с Международным участием «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП-2017)» (г. Бийск, 2017), The 6th International Symposium on Energetic Materials and their Applications (ISEM2017) (Tohoku University, Sendai, Miyagi Prefecture, Japan, 2017).
Личный вклад автора заключался в анализе литературных данных, выборе оборудования и создании комплекса, разработке ПО, проведении экспериментов, обработке полученных данных. Диссертант принимал непосредственное участие в подготовке публикаций, научных статей и докладов на конференциях.
Объём и структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Изложена на 133 страницах машинописного текста, включая 4 таблицы и 84 рисунка. Список литературы включает 118 источников.
Краткое содержание диссертации.
Во введении обоснована актуальность работы и описано состояние проблемы на сегодняшний день, сформулирована цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость, кратко представлено содержание по главам.
В первой главе выполнен обзор оптических методов дистанционного обнаружения следов конденсированных ВВ на поверхности. Рассмотрены созданные средства диагностики ВВ. Сделан выбор перспективного метода обнаружения ВВ.
Во второй главе представлены теоретические исследования основ метода АФСИ с целью создания работоспособного измерительного комплекса. Выбрана рабочая область исследования, перечень обследуемых веществ и подложек. Представлен анализ методов создания тестовых образцов со сверхмалыми концентрациями следовых количеств ВВ для целей их дальнейшего обнаружения и идентификации. Выбраны точные, простые в изготовлении и менее затратные методы. Выбраны методы анализа регистрируемого набора спектральных данных.
В третье главе представлено создание, автоматизация и проверка работоспособности измерительного комплекса. Создана библиотека ИК-спектров поглощения ВВ. Изготовлены тестовые образцы и разработана методика проведения экспериментальных исследований.
В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований метода АФСИ и обнаружения следовых количеств различных конденсированных ВВ на поверхности на основе разработанного комплекса. Определены основные характеристики, предъявляемые к измерительному комплексу, и приведены результаты исследования возможности их улучшения.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
В результате выполнения работы решены следующие задачи:
1. Проведено теоретическое исследование применимости метода АФСИ для дистанционного обнаружения следов ВВ. Проанализирована и выбрана ИК рабочая область спектра в диапазоне 8-14 мкм. Исследовано взаимодействие лазерного излучения с тестовым образцом. На основе анализа методов обработки гиперспектральных данных выбраны два попиксельных метода - метод спектрального угла и метод минимального расстояния, заключающиеся в сравнении зарегистрированных и эталонных спектров.
2. На основе установленных оптимальных параметров (лазер - СО2 с ВЧ
накачкой и диффузным охлаждением, мощностью до 10 Вт, и имеющий возможность программной перестройки длины волны в диапазоне 8-14 мкм, ИК- приёмник - неохлаждаемая микроболометрическая камера с матрицей на основе аморфного кремния) был произведен выбор оборудования и разработан измерительный комплекс на базе перестраиваемого СО2-лазера и
микроболометрической камеры с многоэлементной матрицей.
3. Выполнена автоматизация измерительного комплекса дистанционного обнаружения и идентификации следов ВВ, позволяющая управлять процессами генерации лазерного излучения на каждой длине волны с одновременным измерением его характеристик (коэффициент заполнения сигнала управления, мощность излучения, длина волны линий излучения), автоматически для каждой длины волны регистрировать спектральные изображения; а также обрабатывать гиперспектральные данные и выдавать заключение о наличии следов искомых веществ на исследуемой поверхности.
4. Проведена серия экспериментальных исследований по проверке
работоспособности и определению характеристик разработанного комплекса на специально подготовленных образцах взрывчатых и взрывобезопасных веществ с известными параметрами. Установлено, что в среднем вероятность обнаружения ВВ составила 89 %, а предел обнаружения следов конденсированного ВВ
составил 0,84 мг/см2. Комплекс показал высокую селективность при разделении взрывчатых от не взрывчатых веществ. Общее время обнаружения с использованием всех 56 длин волн не превышает 6 мин. Дистанция обнаружения - 0,5 м при минимальной площади объекта, приходящегося на один пиксель,
равной 0,013 см2.
5. Предложены рекомендации по возможности улучшения характеристик измерительного комплекса программно-алгоритмическими и аппаратурными способами (замена ИК-камеры на камеру с более высоким разрешением, с более высокой чувствительностью; использование более длиннофокусного объектива; снижения шумов камеры за счет охлаждения; использование квантово-каскадного лазера или набора СО2-лазеров, в том числе с фиксированными длинами волн излучения; изготовления тестовых мишеней с меньшей поверхностной концентрацией; применение субпиксельных алгоритмов обработки; использование более мощных компьютеров; оптимизация алгоритма ПО).
1. Проведено теоретическое исследование применимости метода АФСИ для дистанционного обнаружения следов ВВ. Проанализирована и выбрана ИК рабочая область спектра в диапазоне 8-14 мкм. Исследовано взаимодействие лазерного излучения с тестовым образцом. На основе анализа методов обработки гиперспектральных данных выбраны два попиксельных метода - метод спектрального угла и метод минимального расстояния, заключающиеся в сравнении зарегистрированных и эталонных спектров.
2. На основе установленных оптимальных параметров (лазер - СО2 с ВЧ
накачкой и диффузным охлаждением, мощностью до 10 Вт, и имеющий возможность программной перестройки длины волны в диапазоне 8-14 мкм, ИК- приёмник - неохлаждаемая микроболометрическая камера с матрицей на основе аморфного кремния) был произведен выбор оборудования и разработан измерительный комплекс на базе перестраиваемого СО2-лазера и
микроболометрической камеры с многоэлементной матрицей.
3. Выполнена автоматизация измерительного комплекса дистанционного обнаружения и идентификации следов ВВ, позволяющая управлять процессами генерации лазерного излучения на каждой длине волны с одновременным измерением его характеристик (коэффициент заполнения сигнала управления, мощность излучения, длина волны линий излучения), автоматически для каждой длины волны регистрировать спектральные изображения; а также обрабатывать гиперспектральные данные и выдавать заключение о наличии следов искомых веществ на исследуемой поверхности.
4. Проведена серия экспериментальных исследований по проверке
работоспособности и определению характеристик разработанного комплекса на специально подготовленных образцах взрывчатых и взрывобезопасных веществ с известными параметрами. Установлено, что в среднем вероятность обнаружения ВВ составила 89 %, а предел обнаружения следов конденсированного ВВ
составил 0,84 мг/см2. Комплекс показал высокую селективность при разделении взрывчатых от не взрывчатых веществ. Общее время обнаружения с использованием всех 56 длин волн не превышает 6 мин. Дистанция обнаружения - 0,5 м при минимальной площади объекта, приходящегося на один пиксель,
равной 0,013 см2.
5. Предложены рекомендации по возможности улучшения характеристик измерительного комплекса программно-алгоритмическими и аппаратурными способами (замена ИК-камеры на камеру с более высоким разрешением, с более высокой чувствительностью; использование более длиннофокусного объектива; снижения шумов камеры за счет охлаждения; использование квантово-каскадного лазера или набора СО2-лазеров, в том числе с фиксированными длинами волн излучения; изготовления тестовых мишеней с меньшей поверхностной концентрацией; применение субпиксельных алгоритмов обработки; использование более мощных компьютеров; оптимизация алгоритма ПО).