авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

БАБИН ГЕРМАН ВЛАДИМИРОВИЧ

МЕТОДИКА И АЛГОРИТМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ОПАСНЫХ

ВЕЩЕСТВ ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

НА МЕЧЕНЫХ НЕЙТРОНАХ

05.11.13 – приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2015 г.

кафедрой системного анализа федерального

государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего профессионального

образования «Санкт-Петербургский

государственный технологический институт

(технический университет)»

Официальные оппоненты

доктор технических наук, доцент, Федеральное

государственное бюджетное учреждение науки

Институт аналитического приборостроения РАН,

заведующий лабораторией «Автоматизации

измерений и цифровой обработки сигналов»

доктор физико-математических наук,

Федеральное государственное бюджетное

учреждение «Петербургский институт ядерной

физики им. Б.П. Константинова», заведующий

лабораторией ядерной спектроскопии.

Халимон

Виктория Ивановна

Манойлов

Владимир Владимирович

Митропольский

Иван Андреевич

Работа выполнена на кафедре системного анализа в федеральном государственном

бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический

университет)»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, заведующий

предприятие госкорпорации «РОСАТОМ».

Защита диссертации состоится «29» декабря 2015

г. в ___ час., ауд. ___ на

заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук,

на соискание

ученой степени доктора наук Д 212.230.06 при федеральном

государственном

бюджетном

образовательном

учреждении

высшего

профессионального

образования

«Санкт-Петербургский

государственный

технологический институт (технический университет)»

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института и на

сайте СПбГТИ(ТУ): http://technolog.edu.ru/ru/documents/file/2490-dissertatsiya-na-soiskanie-

uchenoj-stepeni-kandidata-tekhnicheskikh-nauk.html.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим

направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр. д.26, Санкт-

Петербургский государственный технологический институт (технический университет),

Ученый совет; тел. 494-93-75; факс: 712-77-91; Email: dissowet@technolog.edu.ru.

Автореферат разослан

«

»

2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного

2

совета

Ю.Г. Чесноков

Ведущая организация – Федеральное государственное унитарное предприятие

«Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики имени Н.Л. Духова»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение безопасности в местах с большим

сосредоточением людей является приоритетным направлением любого развитого

государства. Зачастую в подобных местах обнаруживаются предметы или вещи,

которые могут оказаться потенциально опасными. По этой причине очевидна

необходимость оснащения специализированных служб новейшими методами и

средствами обнаружения опасных веществ в условиях замаскированности и в

отсутствие возможности транспортировки подозрительного предмета. В настоящее

время особую опасность при больших скоплениях людей представляют взрывчатые

вещества (ВВ).

На данный момент задача поиска ВВ существенно усложнилась, поскольку

злоумышленники стали использовать безоболочные пластиковые ВВ. Стоит

отметить, что ВВ зачастую помещают в специальную изоляционную оболочку.

Такой подход не позволяет частицам ВВ попасть в пространство вне объема самого

ВВ.

По

данной

причине

многие

физические

методы

обнаружения

ВВ

принципиально не могут справиться с решением данной задачи так как основаны на

анализе химического следа на поверхности объекта или в непосредственной

близости от него. В качестве альтернативы разрабатываются установки на основе

ядерно-физических методов, обладающие высокой проникающей способностью.

Особое внимание для успешной эксплуатации систем обнаружения ВВ

приобретает требование к их автоматизированности и мобильности. Такое

требование позволяет упростить обучение операторов навыкам настройки и

подготовки комплекса к инспектированию.

Одним из перспективных ядерно-физических методов является нейтронно-

радиационный анализ. Основное преимущество метода заключается в использовании

нейтронов в качестве зондирующего излучения. Отличительная особенность этих

частиц состоит в их высокой по сравнению с другими основными видами

ионизирующих излучений проникающей способности. По этой причине в последнее

время

активно

развиваются

и

совершенствуются

методы,

использующие

для

обнаружения ВВ поток нейтронов. И, в частности метод меченых нейтронов. Однако,

практическое использование метода сдерживается отсутствием надежных программно-

реализованных систем.

Таким образом, разработка алгоритмов и программного обеспечения для

мобильной системы обнаружения ВВ на основе метода меченых нейтронов является

актуальной задачей.

Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках Федеральной

целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям

развития научно-технологического комплекса России на 2014

-2020 годы»

(соглашение с Минобрнаукой РФ 14.574.21.0002, идентификационный номер

RFMEFI57414X0002) и проектной части госзадания Минобрнауки РФ

научной деятельности (проект №2.699.2014/K).

в сфере

3

Степень проработанности темы исследования.

Вопрос обнаружения опасных веществ с помощью метода меченых нейтронов

известен. Однако, до настоящего времени остаются до конца не исследованы

методики, позволяющие использовать полную спектральную информацию для

обнаружения ВВ. Отсутствуют процедуры динамического определения времени

измерения и локализации ВВ в инспектируемом объеме.

Цель работы. Целью настоящей диссертации является разработка методов,

алгоритмов и специализированного программного обеспечения для мобильной

установки обнаружения взрывчатых веществ на меченых нейтронах. Система

должна обеспечивать быстрое и надежное обнаружение опасного вещества при

удовлетворительном количестве ложных тревог.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

-

теоретический анализ отличительных особенностей ВВ;

-

сопоставительный анализ различных методов декомпозиции спектров;

-

исследование

влияния

характеристик

блоков

детектирования

на

декомпозицию спектров;

-

разработка алгоритма временной и энергетической калибровки;

-

применение метода последовательного анализа для сокращения времени

определения и локализации положения опасного вещества;

-

разработка

специализированного

программного

обеспечения

для

автоматизированного

обследования

подозрительных объемов для

мобильной

установки УВП – 1103.

Методы исследования. При выполнении работы были использованы методы

матричного исчисления, статистического анализа, математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы

1.

Разработаны алгоритмы временной и

энергетической калибровки

измерительных

блоков

экспериментальной

мобильной

установки

УВП-1103,

учитывающие изменение параметров окружающей среды (температура, влажность).

2.

Математически

обоснована

и

экспериментально

подтверждена

эффективность использования метода последовательного анализа спектров как

метода

сокращения

времени

инспектирования

подозрительного

объекта

в

установках контроля ВВ на меченых нейтронах.

3.

Показана и подтверждена вычислением

методической погрешности

результатов возможность приложения к процедуре декомпозиции спектров метода

Ричардсона-Люси, существенно сокращающего требуемый объем выборки.

4.

Применительно к экспериментальной мобильной установке на меченых

нейтронах предложена методика определения опасного вещества, обеспечивающая

за короткое время инспектирования 95% –вероятность обнаружения ВВ.

4

5. Разработан специализированный программно-алгоритмический комплекс

для экспериментальной мобильной установки УВП - 1103, обеспечивающий

процесс локализации опасного вещества, его идентификацию и предусматривающий

автоматизацию процедуры обследования инспектируемого объема.

Теоретическая значимость работы

Использованные в диссертации подходы и методы (метод последовательного

анализа спектров, процедура декомпозиции спектров по методу Ричардсона-Люси)

развивают теоретические основы радиационного метода контроля опасных веществ и

способствуют

совершенствованию

и

повышению

информационной

надежности

технических средств и систем указанного направления.

Практическая значимость работы

1.

Применительно

к

мобильной

установке

УВП

-1103

разработан

программно-алгоритмический комплекс для обнаружения ВВ при инспектировании

контролируемого объема.

2.

Работоспособность предложенного программно реализованного комплекса

в составе экспериментальной мобильной установки УВП-1103 подтверждена её

испытаниями на предмет обнаружения ВВ в различных материалах.

3.

Разработанные алгоритмы на основе метода последовательного анализа

могут быть применены в различных системах обнаружения и контроля веществ,

использующие нейтронно-радиационного анализ.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы предприятием «Научно-

технический центр «РАТЭК» при разработке программного обеспечения для мобильной

установки УВП-1103, предназначенной для обнаружения ВВ в инспектируемых

предметах.

Личный вклад автора

1.

Разработка алгоритмов для временной и энергетической калибровки

измерительных

блоков

экспериментальной

мобильной

установки

УВП-1103,

учитывающие изменение параметров окружающей среды.

2.

Разработка методики определения и локализации опасного вещества для

установки на меченых нейтронах.

3.

Разработка специализированного программно-алгоритмического комплекса

обеспечивающего процесс локализации опасного вещества, его идентификацию и

предусматривающий автоматизацию процедуры обследования инспектируемого

объема.

Достоверность результатов

Достоверность полученных в диссертационной работе научных положений и

выводов подтверждается корректностью примененного математического аппарата и

использованных методов исследования, практической реализацией результатов,

математической

строгостью

преобразований

при

получении

доказательств,

утверждений и

выводе аналитических зависимостей, а также тестированием

алгоритмов при испытаниях мобильной установки УВП-1103.

5

Основные положения, выносимые на защиту

1.

Алгоритм обнаружения и локализации подозрительного объекта в

инспектируемом объеме для обнаружения ВВ на меченых нейтронах, использующий

метод последовательного анализа спектров.

2.

Алгоритмы временной и энергетической калибровки измерительных блоков

экспериментальной

мобильной

установки

УВП-1103,

учитывающие

изменение

параметров окружающей среды (температура, влажность).

3.

Программно-алгоритмический комплекс экспериментальной мобильной

установки

на

меченых

нейтронах

для

обнаружения

опасных

веществ,

предусматривающий автоматизацию процедуры обследования инспектируемого объема.

4.

Методика определения опасного вещества для экспериментальной

мобильной установки на меченых нейтронах

Апробация работы

Результаты диссертации апробированы на различных конференциях:

-

научной конференции, посвященной 185-й годовщине образования Санкт-

петербургского

государственного

технологического

института

(технического

университета) СПб.: СПбГТИ(ТУ) 27 ноября 2013 года

-

V научно-технической

конференции молодых ученых Санкт-Петербург

2014 Неделя науки СПб.: СПбГТИ(ТУ) 31 марта – 1 апреля 2014 г.

-

научной конференции, посвященная 186-й годовщине образования Санкт-

Петербургского

государственного

технологического

института

(технического

университета) СПб.: СПбГТИ(ТУ) 2-3 декабря 2014 года

-

V научно-технической конференции студентов, аспирантов, молодых

ученых, приуроченной к 80-летию проф. кафедры органической химии СПбГТИ (ТУ)

Б.И. Ионина и открытию НИЛ “Каталитические технологии“ СПб.: СПбГТИ(ТУ) 5

марта 2015 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ. Из них 2 статьи в журналах,

рекомендованных ВАК РФ; 2 свидетельства о государственной регистрации программ

на ЭВМ № 2014660656, №2015610549. Подана

заявка на полезную модель и

изобретение.

Соответствие диссертации научной специальности

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы

контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», а именно: пункту 2 –

«Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств,

приборов и

систем аналитического и неразрушающего контроля с

учетом

особенностей объектов контроля»; пункту 6 – «Разработка алгоритмического и

программно-технического

обеспечения

процессов

обработки

информативных

сигналов

и

представление

результатов

в

приборах

и

средствах

контроля,

автоматизация

приборов

контроля»;

пункту

7

«Методы

повышения

информационной и метрологической надежности приборов и средств контроля в

процессе эксплуатации, диагностика приборов контроля»

6

приложений, содержит 51 рисунок, 6

наименований.

таблиц, список литературы насчитывает 97

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во

введении

обоснована

актуальность

темы

диссертационной

работы,

сформулированы её цель и задачи, приведены положения, выносимые на защиту,

обоснована их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе дана характеристика опасным веществам (ОВ) и далее рассмотрен

первый класс (по рекомендации ООН, ГОСТ 19433–88) ОВ – взрывчатые вещества (ВВ).

Приведено описание основных физических методов мобильных систем, применяемых

для обнаружения ВВ в подозрительных объемах и охарактеризована проблема

обнаружения замаскированных ВВ.

Для оценки эффективности использования

различных методов обнаружения ВВ проанализированы основные признаки и свойства,

с помощью которых происходит обнаружение ВВ. Отмечено, что подавляющее

большинство ВВ имеют в своем составе комбинацию четырех элементов: углерод, азот,

кислород и водород. Процентное содержание азота в объеме для данных типов ВВ

обычно составляет от 17% до 38%.

Большинство ВВ имеют органическую

высокой плотностью от 1,2 до 2 г/см3.

природу происхождения и обладают

На сегодняшний день в основном используются следующие методы и средства:

специально обученные собаки, методы, основанные на ионной хроматографии

(анализаторы паров частиц) и рентгенографии, методы нейтронно-радиационного

анализа.

Большинство из применяемых методов не могут быть использованы в мобильных

системах

и,

что

более

важно,

не

обладают

стабильностью

обнаружения

замаскированных ВВ, не обеспечивают их локализацию. Исключение составляет метод

меченых нейтронов. Выделено несколько важных параметров для систем обнаружения

ВВ:

время,

затраченное

для

проверки

подозрительного

объема,

вероятность

достоверного обнаружения ВВ, вероятность ложной тревоги, автоматизация и

безопасность использования.

Рассматриваемая

технология

позволяет

получать

объемное

изображение

инспектируемого объема повоксельно и определять элементный состав каждого из

вокселей с помощью зондирующего нейтронного потока с последующей обработкой

гамма-излучения.

Здесь и далее под вокслем понимается некоторый элементарный

объем в инспектируемом пространстве.

Перспективность использования метода меченых нейтронов в мобильных

установках для решения задач обнаружения ВВ связана с его особенностями:

-

возможностью

неконтактного

обнаружения

ВВ,

в

том

числе

замаскированных и герметично упакованных;

-

возможностью неразрушающего контроля различных объектов;

7

Структура и объем работы

Диссертация изложена на

119

страницах, состоит из четырех глав и

4

где xdpyi – измеренный спектр, нормированный на количество альфа-частиц,

зарегистрированных за промежуток времени измерения;

Edpi – эталонный спектр полиэтилена (заранее измеренный энергетический спектр

для всех детекторов и пикселей),

8

-

возможностью оценки мер противодействия обнаружению ВВ путем

установки защиты от облучения быстрыми нейтронами или от гамма-излучения;

-

возможностью локализации ВВ в пространстве инспектируемого объекта.

На основе проведенного анализа сделан вывод о перспективности и известной

уникальности метода меченых нейтронов. Также оценена степень завершенности

исследований в области использования данного метода в практических задачах

обнаружения ВВ.

В заключении главы приводится описание экспериментальной мобильной

установки УВП-1103 на меченых нейтронах; cформулированы основные задачи работы.

Во второй главе дано обоснование существенности решения задач точной

энергетической и временной калибровки блоков детектирования для установки на

меченых нейтронах. Условная схема метода представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Условная схема метода меченых нейтронов: y – расстояние от мишени

генератора до точки рождения гамма – кванта,  – время регистрации альфа

Представленный алгоритм позволяет производить настройку временной шкалы в

условиях значительного влияния инспектируемого объема на энергетически-временной

спектр и учитывает изменение температуры, влажности окружающей среды.

Методика временной калибровки предусматривает поиск минимума по аргументу

y для некоторой величины Udpy для данного детектора и пикселя. Для вычисления Udpy

предложена формула:

2

M

(1)

 

 

 

xdpyiEdpi

Udpy

,

xdpyi

i1

частица  гамма-квант, n – нейтрон,  – скорость нейтрона

частицы  – время регистрации гамма – кванта  – энергия гамма – кванта, – альфа

d – номер детектора;

p – номер пикселя;

i – номер энергетического канала;

M – количество энергетических каналов;

y – расстояние (номер временного окна).

Необходимо отметить, что за счет анизотропии, от расстояния между мишенью

генератора

и

вокселем,

характеристического

гамма-излучения

углерода

при

облучении быстрыми нейтронами энергетический спектр для калибровочного

эталона уникален, т.е. единственен. Пример зависимости Udp (y) представлен на

рисунке 2 для центрального пикселя (пятый) и второго детектора в измерении с

водой при суммарном энергетическом спектре в интервале 3 временных окон.

Рисунок 2 – Представление временного спектра для интервала энергий от 3.9 МэВ до 4.7

МэВ: (а) пятый пиксель – второй детектор

(б) зависимость Udp ( y )

Зная два различных положения пробы в единицах временных каналов и их реальное

расстояние до пробы, можно определить цену деления временного интервала по

соотношению:

dp

где y’dp2 y’dp1 – расстояние от мишени НГ до пробы см;

ydp2 ydp1 – расстояние от мишени НГ до пробы во временных каналах;

d – номер детектора;

p – номер пикселя;

dp – цена деления см/канал.

(2)

9

ydp2  ydp1

ydp '2 ydp '1

Для

повышения

стабильности

работы

установки

УВП-1103

в

случае

значительного изменения параметров блоков детектирования,

например, при

больших перепадах температуры, необходимо применять алгоритм, основанный на

анализе формы всего спектра. Такой подход позволяет осуществлять настройку

энергетической шкалы даже в условиях больших изменений параметров блоков

детектирования. Как показала практика, такие случаи часто встречаются в процессе

длительной эксплуатации устройства. Использование классического алгоритма

поиска пиков полного поглощения гамма-кванта в заданной области с априори

известными характерными энергиями в подобных случаях недопустимо, поскольку в

окне каналов поиска могут находиться другие пики. По этим причинам предложен

следующий алгоритм энергетической калибровки блоков детектирования установки:

-

моделирование

эталонного

спектра

для

определенных

параметров

измерительных блоков детектирования в заданном диапазоне;

-

выбор из набора смоделированных спектров наиболее близкого к

измеренному;

-

уточнение положения калибровочного пика методом Блока;

-

установка новых значений параметров для блоков детектирования.

Для выбора наиболее подходящего метода поиска центра пика при точной

калибровке

применен

вычислительный

(компьютерный)

эксперимент.

Идея

эксперимента заключалась в симуляции изменения КУ и соответствующем ему

изменении

формы

спектра.

Полученные

результаты

показали

эффективность

применения метода Блока; который позволяет увеличить вероятность обнаружения

опасных

веществ

и

снизить

количество

ложных

тревог

при

использовании

декомпозиции спектров на одном из этапов принятия решения.

Описанные во второй главе алгоритмы калибровки временной и энергетической

шкалы используются как во время подготовки установки к работе, так и в процессе

инспектирования и полностью автоматизированы, что дает возможность эксплуатации

установки УВП-1103 персоналом без дополнительной подготовки.

В третьей главе подробно рассмотрены методы анализа спектральных данных

характеристического излучения, применяемые в установках на меченых нейтронах. С

использованием методов компьютерного моделирования и теоретических выкладок

предложены

алгоритмы обнаружения и локализации подозрительного объекта в

объеме.

Алгоритмы

используют

методологию

последовательного

анализа

энергетических спектров гамма - излучения для всего объема обеспечивают сокращение

времени

инспектирования и позволяют определить положение ВВ.

Предложенная

методика контроля предусматривает анализ результата на каждом определенном кванте

времени для счетности в заранее определенных областях энергетического спектра.

Таким образом осуществляется разделение объема на безопасные, подозрительные и

неопределенные воксели.

В основу алгоритма положено последовательное сравнение простых гипотез:

H01 – измеренный спектр является фоном случайных совпадений,

H11 – превышение счетности над фоном соответствует превышению для данного

типа ВВ.

10

(3)

Очевидно, что для обнаружения ВВ простого превышения недостаточно. Однако,

это условие является необходимым. С другой стороны, проверка данных гипотез

позволяет принять решение о безопасности анализируемого вокселя.

Учитывая, что большинство ВВ имеют содержат кислород,углерод и азот, на

втором этапе предлагается анализировать наличие кислорода в спектре. Для примера

возьмем ВВ

типа

TNT.

В

качестве

признака также

используется

проверка

статистической гипотезы:

H02 – в спектре присутствует только азот и углерод с плотностью, равной

плотности TNT,

H12 – в спектре присутствуют кислород, углерод и азот с плотностями, равными

плотности TNT.

Для окончательного принятия решения о подозрительности анализируемого вокселя,

предлагается использовать симметричные гипотезы для азота:

H03 – в спектре присутствуют только кислород и углерод с плотностью, равной

плотности TNT,

H13 – в спектре присутствуют кислород, азот и углерод с плотностями, равными

плотности TNT.

Учитывая, что события регистрации гамма-кванта блоками детектирования

подчиняются распределению Пуассона имеем:

dpyi

p – номер альфа-пикселя,

y – расстояние (номер временного окна),

i – номер энергетического канала спектра,

adpti – среднее значение измеренной величины,

xdpyi –величина измеренная во время инспектирования.

Считаем, что интегральная интенсивность в одном канале может быть

представлена в виде линейной комбинации характеристических гамма-пектров от

каждого из интересующих элементов и фона случайных совпадений

(4)

здесь Kdpyic – интенсивность гамма-событий нормированная на один нейтрон и

условную плотность химического элемента, см3/г нейтрон-1

c – условный номер химического элемента,

d – номер детектора,

p – номер альфа-пикселя,

y – расстояние (номер временного окна),

i – номер энергетического канала спектра,

Fdpyi – фон случайных совпадений, нейтрон-1,

11

ea adpyi xdpyi

P xdpyi | adpyi

xdpyi !

где индекс d – номер детектора,

M

adpyi

K

qdpycFdpyi

Np.

dpyic

с1



qdpyc – коэффициент вклада от базисного спектра, г/см3,

M – количество элементов,

Np – количество нейтронов за время измерения, нейтрон.

C

учетом

изложенного

можем

записать

логарифм

функции

отношения

правдоподобия, обращая внимание на то, что индекс c связан с химическими

элементами следующим образом: qdpy1 – условная плотность углерода, qdpy2 – условная

плотность азота, qdpy3 – условная плотность кислорода, в определенном типе ВВ.

Используя формулы (6) для определения порогов к выражениям (5) с заранее

определенными ошибками первого и второго рода α (вероятность ошибки первого рода),

β (вероятность ошибки второго рода), производится заполнение массива маркеров Q

инспектируемого объема. Если для номера детектора d, пикселя p и расстояния y в

момент измерения t величина Qdpyg принимает значение равное 1 по условиям (6), то в

данном вокселе находится подозрительный объект. Если Qdpyg = 0 – объект

безопасный. Если Qdpyg = -1, объект не определен. Заметим, что каждый индекс g строго

соответствует своему типу ВВ.





(5)

Рассмотренная

процедура

позволяет отказаться

от известного,

строго

фиксированного времени анализа подозрительного объекта, которое зачастую

является излишним, например при обнаружении:

- безопасного объекта;

- объекта, не содержащего азот;

- объектов, резко отличающихся от ВВ.

Если в массиве маркеров присутствует хотя бы один элемент равный 1, то по данному

объекту осуществляется более подробный анализ и принимается решение о наличии ВВ.

Это обусловлено тем, что предложенный алгоритм не позволяет достоверно определить,

12

Kdpyi3q3

Kdpyi2q2

3

K

qc





dpyic

900



3

K

qc ,

i250



c1

Fdpyi

c1

dpyic

L1 

xdpyi ln 1

Np

dpy

dpy

dpy







830

L2 

xdpyi ln

H0

H1

i770

700

i650

1

(6)

NpKdpyi3q3 ,

Kdpyi3q2  Kdpyi1q1  Fdpyi

L3 

xdpyi ln

1

NpKdpyi2q2 

Kdpyi3q3  Kdpyi1q1  Fdpyi

0

LdpyTgH,Qdpyg  0;

LdpyTgH,Qdpyg 1;

0

1

T

 ln

;

T

 ln

.

1

1

TgHLdptTgH,Qdpyg  1.

1

находится ли в подозрительном объеме ВВ в силу отсутствия процедуры анализа

формы спектра.

Данные о положении подозрительного вещества определяются индексами d,p,y.

Блок-схема алгоритма представлена на рисунке 3.

Для подтверждения вероятности присутствия различных типов ВВ в случаях

обнаружения

подозрительного

вокселя

осуществляется

декомпозиция

энергетического спектра на базисные в данной области. Далее производится оценка

коэффициентов интенсивностей каждого из базисных спектров. Каждый такой

коэффициент связан с плотностью химического элемента данного базисного

спектра.

После

оценки

коэффициентов

интенсивностей,

предположительно

входящих в подозрительный объект, производится их сравнение с набором

известных для ВВ. Это позволяет обнаружить ВВ в подозрительной области или

отнести объект к безопасному, используя не только счетность в каждом канале

спектра, но и его форму. Вследствие того, что алгоритм декомпозиции требует

больших вычислительных мощностей и чувствителен к статистике спектра,

предложено использовать его на последнем шаге процедуры определения ВВ -

после обнаружения подозрительной области.

Для выбора математического метода декомпозиции спектров выполнено

моделирование

энергетических

спектров

методом

Монте-Карло

с

различным

соотношением

плотностей

элементов

в

предположении,

что

количество

зарегистрированных блоком детектирования гамма-квантов является пуассоновской

величиной.

На основе полученных данных для декомпозиции спектров выбран метод

Ричардсона-Люси. В случае нормированных на единицу базисных спектров метод

сводится к градиентному спуску для максимизации функции правдоподобия по

вектору

q.

Ниже

представлена

функция

логарифма

правдоподобия

для

фиксированного пикселя, детектора и расстояния:

(7)

Aci – базисный спектр для определенного химического элемента с учетом времени

измерения, см3/г,

qc – условная плотность химических элементов, г/см3,

K – количество энергетических каналов,

M – количество химических элементов.

Данных подход позволяет наиболее точно оценить коэффициенты плотностей

элементов в процедуре декомпозиции. В главе также предложен и описан метод

оценки ошибки вычисленных значений коэффициентов qc для метода декомпозиции

во время измерения.

13

K

M 1

K M 1

K







W F,Q

fi ln

Aciqc  

Aciqc

 



ln

fi !

i1

c1

i1 c1

i1

где fi – счетность в i – ом канале измеренного энергетического спектра,

Рисунок 3 – Блок-схема алгоритма локализации и определения подозрительного элементарного объема (вокселя)

Picric

acid

EDGN

RDX

NG

HMX

PETN

DNB

TNT

Tetryl

Обнаружение

98.2%

98.7% 99.1%

99.1%

99.1%

96.5%

99.1%

99.1%

99.1%

Пропуск

1.8%

1.7%

0.9%

0.9%

0.9%

3.5%

0.9%

0.9%

0.9%

Принципиальное описание алгоритма обнаружения и локализации ВВ можно

записать следующим образом:

-

заполнение массива маркеров Q;

-

декомпозиция спектров в случае необходимости и оценка плотностей

каждого из интересующих химических элементов;

-

расчет ошибки для оцененных плотностей;

-

проверка соответствия оцененных плотностей с их ошибками одному из

различных типов ВВ;

-

в случае соответствия более одному из типов ВВ продолжение

измерения до исключения пересечений.

Алгоритм предназначен только для условий, когда ВВ полностью попадает в

воксель или превышает его размеры.

Благодаря использованному подходу последовательный анализ реализован на

каждом

шаге

алгоритма

-

от

определения

подозрительного

вокселя

до

идентификации ВВ.

Для проверки работоспособности разработанного алгоритма было проведено

моделирование методом Монте-Карло спектров при фиксированном расстоянии до

мишени генератора для различных типов ВВ и для различных безопасных

соотношений плотностей углерода, азота и кислорода. Некоторые результаты

представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Проверка работоспособности алгоритма обнаружения ВВ, α = 0.05, β = 0.05

Верная

идентификация

88%

28%

6%

43%

1%

60%

1%

4%

1%

Среднее время, с

67.5

19.8

56.1

22.8

38.6

73.2

46.6

62.3

36.3

Минимальное

время, с

Максимальное

время, с

Среднее время до

верной

идентификации, с

20

5

10

5

15

25

15

10

10

710

90

840

105

330

1590

1140

755

170

107.0

26.1

94.3

79.8

59.5

99.1

71.8

106.1

86.4

Четвертая глава посвящена практической реализации специализированного

программного обеспечения, предназначенного для работы мобильной установки УВП-1103

(пуск, подготовка, обработка данных и обнаружение ВВ при инспектировании

подозрительного объема). Принципиальная схема подключения внешних интерфейсов к

ПК представлена на рисунке 4.

Разработанный программный продукт состоит из специализированных модулей:

-

модуля получения, отсылки и обработки информационных посылок от

каждого микроконтроллера,

-

модуля контроля температуры в установке,

-

модуля контроля состояния нейтронного генератора,

-

модуля первичной обработки спектров (калибровка),

-

модуля обработки спектров для обнаружения и локализации ВВ,

-

модуля визуального интерфейса.

Рисунок 4 – Принципиальная схема подключения внешних интерфейсов к ПК

В предложенном программном продукте реализовано параллельное вычисление для

уменьшения времени обработки спектров, в частности декомпозиции энергетических

спектров, количество которых может достигать 2322 для одного кванта времени.

Реализованная специализированная структура приоритетности команд от различных

микроконтроллеров

и

принципиальная

многопоточность

программных

модулей,

обеспечивает

повышенную

стабильность

работы

установки

и

сохранение

работоспособности при частичном отказе системы (рисунок 5). В главе описана методика

измерения базисных спектров для интересующих элементов.

В конце главы представлены результаты проведенных экспериментов по

обнаружению ВВ с помощью установленного внутри установки УВП-1103 (рисунок 6)

разработанного программно-алгоритмического комплекса “Control-GTII”.

Испытания установки и работоспособности алгоритма проводились с сумкой

следующего

наполнения,

характерного

для

среднестатистического

багажа

прохожего или авиапассажира:

-

текстильные изделия (одежда, полотенца и т. п.);

-

цифровая электроника (ноутбук, телефон, фотоаппарат и т. п.);

-

бумажные изделия (книги, газеты и т. п.);

-

бутылка воды;

16

-

мыло / шампунь;

-

пустая сумка.

Также были проведены испытания с сыпучим наполнителем, который

полностью заполняет сумку. Как правило, в силу сильного искажения измеренного

спектра высока, вероятность ложных тревог и невелика способность обнаружения

ВВ в веществах:

-

сухое молоко;

-

стиральный порошок.

При испытаниях использовался имитатор ВВ (ТНТ) массой 300 граммов.

Сухое молоко и стиральный порошок были расфасованы в коробки

прямоугольной формы. Использовался имитатор взрывчатых веществ ТНТ массой

300 г. Имитатор размещался в тару кубической формы.

Рисунок 5 – Схема организации общения между потоками

В рабочем режиме полная проверка сумки представляет собой серию инспекций с

перемещениями установки относительно сумки так, чтобы была обследована вся сумка.

Поскольку пучок меченых нейтронов на выходе из установки имеет поперечные

размеры примерно 100х100 мм, то для проверки всей сумки со сторонами 600х400 мм

потребуется 6·4=24 инспекции. Итого, с двух сторон - 48 инспекций. Для демонстрации

результатов эксперимента и проверки работоспособности алгоритма обнаружения ВВ

выбирались серии экспериментов, в которых проба приблизительно находилась от НГ в

одной из областей пикселя и на одном и том же расстоянии (~ 10 см). Максимальная

глубина досмотра составляет 15 см.

Всего было проведено 10 досмотров для каждого наполнения без имитатора и 10 с

наполнением. Необходимо отметить, что 10 досмотров соответствуют 480 инспекциям.

Минимальная длина для вокселя выбрана равной 5 см. Учитывая, что количество

детекторов равно 2, а число пикселей - 9, суммарное количество проанализированных

энергетических спектров за все испытания было равно 2*9*(26-5 +1)*480*16 = 3041280. В

таблице 2 представлены результаты досмотров без имитатора, а в таблице 3 - с имитатором.

17

Среднее время измерения, с

81.3

94.1

89.4

112.2

91.2

117.3

121.3

120.3

Процент ложных тревог

инспекции

Текстильные изделия

0.2%

Цифровая электроника

0.6%

Бумажные изделия

0.2%

Бутылка воды

0.0%

Мыло / шампунь

0.6%

Пустая сумка

0.0%

Сухое молоко

3.5%

Стиральный порошок

4.4%

Таблица 3 – Результаты эксперимента по обследованию сумки с TNT

Процент

верных

Среднее время

измерения при

обнаружение, с

84.3

131.7

94.1

78.3

98.1

71.5

61.8

64.5

Процент

обнаружений

пропусков

ВВ

Текстильные изделия и TNT

99.8%

0.2%

Цифровая электроника и TNT

99.8%

0.2%

Бумажные изделия и TNT

99.8%

0.2%

Бутылка воды и TNT

99.8%

0.2%

Мыло / шампунь и TNT

99.6%

0.4%

Пустая сумка и TNT

100.0%

0.0%

Сухое молоко и TNT

100.0%

0.0%

Стиральный порошок и TNT

100.0%

0.0%

18

Рисунок 6 – Фотография установки УВП-1103 на тележке

Таблица 2 – Результаты эксперимента по обследованию сумки без TNT

учитывающий изменения параметров окружающей среды (температура,

нейтронах,

влажность).

2.

Применительно к экспериментальной мобильной установке на меченых

нейтронах для обнаружения опасных веществ обоснована и экспериментально

подтверждена

эффективность использования

метода

последовательного анализа

спектров как метода сокращения времени инспектирования подозрительного объекта.

3.

Применительно к экспериментальной мобильной установке на меченых

нейтронах для обнаружения опасных веществ разработано алгоритмическое и

программное

обеспечение

процесса

обработки

спектров,

предусматривающее

автоматизацию процедуры обследования инспектируемого объема.

4.

Показана и подтверждена вычислением методической погрешности

возможность приложения к процедуре декомпозиции спектров метода Ричардсона-

Люси, существенно сокращающего требуемый объем выборки.

5.

Работоспособность предложенного программно реализованного комплекса

в составе экспериментальной мобильной установки УВП-1103 подтверждена её

испытаниями на предмет обнаружения ВВ в различных инспектируемых объемах.

6.

Программные комплексы внедрены в состав установки УВП-1103 для

обеспечения

процедур

калибровок

системы

контроля

и

обнаружения

ВВ

в

инспектируемом объеме.

19

Можно видеть, что для различного наполнения сумки среднее время

инспектирования оказывается различным. Полученное количество ложных тревог

укладывается в рамки 95% - ной вероятности обнаружения и 5% ложных тревог, что и

составляет

основные

технические

показатели

созданной

установки

автоматизированного контроля и обнаружения взрывчатых веществ.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертации.

1.

Предложен

алгоритм

временной

и

энергетической

калибровки

измерительных блоков экспериментальной мобильной установки УВП-1103 на меченых

Публикации по теме диссертации

1. Бабин Г.В., Халимон В.И. Анализ методов деконволюции спектров в

экспериментах

с

использованием

меченых

нейтронов.

//

Известия

СПбГТИ(ТУ). – 2014. – Вып. 26. – С. 102-108

2. Бабин Г.В Деконволюция спектра алгоритмом Ричардсона-люси при калибровке

систем на основе быстрых меченых нейтронов // V научно-технической

конференции молодых ученых «Неделя науки 2014» СПб.: СПбГТИ(ТУ).

31

марта – 1 апреля 2014.– С. 159.

3. Бабин Г.В., Быданов Е.В Проблемы методологии математической гипотезы // V

научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки 2014» СПб.:

СПбГТИ(ТУ). 31 марта – 1 апреля 2014.– С. 205.

4. Бабин Г.В., Халимон В.И., Вишневкин А.Б., Илькухин Н.Ю. Алгоритм оценки

соотношений концентраций элементов по спектральным данным в экспериментах

с использованием меченых нейтронов. // Вопросы оборонной техники. Научно-

технический журнал. Технические средства противодействия терроризму. Серия

16, выпуск 11 — 12, 2014. – С. 81-88.

5. Бабин Г.В. Метод кластеризации на основе k-средних с использованием критерия

согласия

Пирсона

для

спектральных

данных

//

Научная

конференция,

посвященная

186-й

годовщине

образования

Санкт-Петербургского

государственного технологического института (технического университета).

СПб.: СПбГТИ(ТУ). 2-3 декабря 2014. – С. 178

6. Бабин Г.В., Бабина К.А. Проблема оценки стоимости программного обеспечения

в установках обнаружения опасных веществ. // Международный научно-

исследовательский журнал. – 2015. №1 (32) Часть 2. – С. 12-14.

7. Бабин Г.В., Халимон В.И. Программный комплекс для получения и анализа

данных в измерительных системах с использованием источника меченых

нейтронов. // Информационные системы и технологии (Госуниверситет –

УНПК). – 2015. – № 5 (91) сентябрь-октябрь. – С. 110-116.

8. Бабин Г.В., Халимон В.И. Программный комплекс для получения и анализа

данных в измерительных системах с использованием источника меченых

нейтронов // V научно-техническая конференция студентов, аспирантов, молодых

ученых, приуроченная к 80-летию проф. кафедры органической химии СПбГТИ

(ТУ) Б.И. Ионина и открытию НИЛ “Каталитические технологии“. СПб.:

СПбГТИ(ТУ). 5 марта 2015. – С. 167.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2014660656

(13.10.2014) Рос. Федерация. «Control Analog-to-digital converter associated particle

imaging» / Г.В. Бабин, В.И. Халимон

// Программы для ЭВМ. Базы данных.

Топологии интегральных микросхем : офиц. бюл.11 Федер. службы по

интеллектуальной собственности, пат. и товар. знакам. –М. : ФИПС, 2014.

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2015610549

(15.1.2015) Рос. Федерация. «Control neutron generator, thermal and infrared sensors

for inspection systems » Г.В. Бабин, В.И. Халимон // Программы для ЭВМ. Базы

данных. Топологии интегральных микросхем : офиц. бюл.2 Федер. службы по

интеллектуальной собственности, пат. и товар. знакам. –М. : ФИПС, 2015.

20



Похожие работы:

«Полывяный Юрий Владимирович ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СБИВАНИЯ СЛИВОЧНОГО МАСЛА РОТОРНО-ЛОПАСТНЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ МАСЛОИЗГОТОВИТЕЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации сельского хозяйства АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Пенза – 2015 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Пензенская государственная...»

«Волынов Михаил Анатольевич РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ РЕЧНЫХ ПОТОКОВ И ЭЛЕМЕНТОВ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва – 2015 Научный консультант Официальные оппоненты Боровков Валерий Степанович, доктор технических наук, профессор Асарин Александр Евгеньевич, доктор технических наук, заместитель начальника отдела водохранилищ и охраны...»

«ФИШБЕЙН Анна Ильинична МОДЕЛИ И МЕТОДИКИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ДАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ НАБОРОВ ПРАВИЛ Специальность 05.13.17 – Теоретические основы информатики А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ПЕНЗА 2015 Работа выполнена на кафедре Математическое обеспечение и применение ЭВМ ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет. Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Макарычев Петр...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.