Борейшо Алексей Анатольевич¹, кандидат экономических наук,
Страхов Сергей Юрьевич¹,  кандидат физико-математических наук
Коновалов Константин Анатольевич¹,
Романов Александр Юрьевич2,
Дружинин Сергей Леонидович1,
Перхина Елена Викторовна1
¹ООО «НПП «Лазерные системы»
²ГУ «НПО «Специальная техника и связь» МВД России, т./ф. +7(495)6733629

Практическая реализация технологии абсорбционной  спектроскопии в приборе для обнаружения следовых количеств взрывчатых веществ на предметах

Работа посвящена актуальной проблеме разработки новых эффективных средств противодействия терроризму, а именно - новому прибору для обнаружения взрывчатых веществ. В работе рассмотрена практическая реализация принципа абсорбционной инфракрасной спектроскопии взрывчатых веществ и метода нарушенного полного внутреннего отражения в рамках прибора «Данник-4» для детектирования следовых количеств взрывчатых веществ на поверхностях предметов. Такой прибор является уникальным и не имеет прямых аналогов; его преимуществами являются короткое время анализа (1..3 с), достаточно высокая чувствительность (0,1 -1 мкг), простота работы и обслуживания, а также - высокая скорость калибровки и очистки после обнаружения взрывчатых веществ.

Как известно, все методы обнаружения взрывчатых веществ (ВВ) можно разделить на прямые и следовые. Прямые методы направлены на обнаружение ВВ в количествах от нескольких десятков грамм. Следовые методы позволяют обнаруживать малые количества ВВ (следы) на уровне порядка 10-3-10-13 грамм. Среди следовых методов наиболее распространёнными являются электрохимические методы - спектрометры ионной подвижности, газовые хроматографы, масс-спектрометры, а также - комплекты, использующие методы цветовых химических реакций и т.д. Одним из направлений следового детектирования является использование оптических методов, в частности, методов абсорбционной спектроскопии.

Абсорбционная спектроскопия основана на использовании эффекта поглощения исследуемым веществом оптического излучения с определёнными длинами волн, совпадающими с характерными для каждого вещества линиями поглощения. Взрывчатые вещества имеют инфракрасные (ИК) спектры поглощения, сконцентрированные в диапазоне 5-10 мкм и обусловленные валентными и деформационными колебаниями молекул в их составе [2, 3].

Для реализации абсорбционной спектроскопии в работах [2,3] предложено использование метода нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), схема которого представлена на рис. 1. НПВО - явление, основанное на проникновении световой волны из оптически более плотной среды 1 в менее плотную среду 2 на глубину, соизмеримую с длиной волны излучения. Этот эффект наблюдается в условиях полного внутреннего отражения. Если среда 2 не поглощает излучение, то нарушения полного внутреннего отражения не происходит, и вся энергия излучения возвращается в среду 1. Если при проходе излучения в среду 2 происходит частичное поглощение света на длинах волн, соответствующих спектру поглощения среды, то возникает эффект НПВО. Таким образом, спектр проходящей через призму волны содержит информацию о спектре поглощения среды 2, приложенного к призме. На практике в качестве среды 2 может выступать предмет, проверяемый на наличие на нем ВВ. Теория метода НПВО подробно изложена в [1].

Рис. 1. Схема метода НПВО

В качестве анализатора спектра может использоваться дифракционная решётка, Фурье-спектрометр или линейный спектральный фильтр. Принцип действия Фурье-спектрометра и дифракционной решётки подробно описаны в многочисленных работах, например в [4]. Линейный спектральный фильтр представляет собой протяжённый фильтр с чередующимися покрытиями, каждый участок которого пропускает определённый спектральный интервал и регистрируется отдельным приёмником (или отдельными элементами матричного приёмника). Преимущества и недостатки различных спектральных анализаторов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение анализаторов спектра

а - полученный на Фурье-спектрометре НПВО спектр
пропускания сильных следов гексогена, нанесённых на поверхность призмы

б - полученный на приборе «Данник-4»
спектр поглощения чистого пальца

в -полученный на приборе «Данник-4» спектр
поглощения пальца со слабыми (~100 нг) следами гексогена.

Рис. 2. Спектры НПВО

В НПП «Лазерные системы» по заказу МВД Российской Федерации был разработан прибор «Данник-4», основанный на использовании абсорбционной инфракрасной спектроскопии и эффекта нарушенного полного внутреннего отражения. В приборе используется глобар в качестве источника ИК излучения и неподвижная дифракционная решётка совместно со специальным матричным пироприёмником для проведения спектрального анализа. Помимо этого в состав прибора входит электронный блок, обеспечивающий управление и питание прибора, а также - компактный компьютер с сенсорным монитором для управления и обработки данных. Отдельным элементом прибора является программное обеспечение верхнего уровня, в задачу которого входит обработка данных спектрального анализа.

Спектры НПВО, получаемые с помощью данного прибора, представляют собой распределение интенсивности спектральных компонент по пикселам пироэлектрического приёмника. В связи с тем, что отдельные линии поглощения ВВ накладывались на спектр их носителя (кожа человека, обложка документа, бумага), интенсивность которого зависит от силы прижатия предмета к призме и площади контакта, и, кроме того, исследовались очень слабые следы ВВ (на уровне 10-5 - 10-7 г), классические алгоритмы корреляционного и регрессионного анализа в данном случае не работали. В приборе «Данник-4» для детектирования следов ВВ использовался специальный алгоритм локальной корреляции, который основывается на нескольких основных моментах:

1. Спектр каждого вещества характеризуется набором признаков-особенностей. Такими особенностями могут быть максимумы на определённых линиях спектра (пикселах приёмной матрицы), когда концентрация ВВ достаточно высока, или же - точки перегиба и соответствующие им выпуклости, когда концентрация ВВ недостаточна для появления выраженных максимумов в области линий поглощения.

2.Поиск признаков-особенностей непосредственно в дискретных зашумлённых данных спектра будет приводить к частым ошибкам, что в конечном итоге приведёт к ложным срабатываниям прибора и к пропуску опасных веществ.

3. Для снижения влияния шума на результаты обработки спектр аппроксимируется кусочно-непрерывными полиномами.

4. Полином строится на некоторой окрестности интересующей линии спектра - там, где ожидается проявление признака-особенности определённого ВВ. Для вычисления коэффициентов полинома применяется метод наименьших квадратов (регрессионный анализ).

5. Вычисляются коэффициенты первой и второй производной полинома.

6. Вычисляются корни первой производной. С учётом значений второй производной в данных точках экстремумы разделяются на минимумы и максимумы.

7. Вычисляются корни второй производной. Находятся диапазоны отрицательных и положительных значений второй производной - выпуклостей полинома вверх и вниз.

8.Формируется набор найденных особых точек (экстремумов, перегибов), который можно сравнить с набором особенностей, присущих какому-либо веществу (на предмет прямого или частичного соответствия), и сделать вывод о его наличии или отсутствии.

Как видно, такой алгоритм представляет собой сочетание регрессионного анализа (в той части, которая связана с определением аппроксимирующих полиномов) и корреляционного анализа (в части сравнения локальных признаков-особенностей спектра с аналогичными признаками конкретных ВВ).

На рис. 2а в качестве примера представлен спектр пропускания гексогена, полученный на лабораторном Фурье-спектрометре ФСМ-1202 (спектральный диапазон 11501550 см-1, спектральное разрешение - 1 см-1), а на рис. 2б и 2в - спектры поглощения чистого пальца и пальца со слабыми следами гек-согена, полученные на приборе «Данник-4». Для детектирования гексогена в диапазоне спектральной чувствительности прибора используются линии поглощения 1315 и 1265 см-1 (помечены штриховыми линиями), которые при малых концентрациях вещества обусловливают появление на спектральном распределении признаков - особенностей (максимумов или перегибов, в зависимости от концентрации ВВ) в районе пикселей с номерами 57 и 71, соответственно. В окрестностях этих пикселей спектральная кривая аппроксимируется двумя кусочно-непрерывными полиномами пятой степени, анализ которых позволяет выявить наличие или отсутствие указанных признаков - особенностей гексогена.

Рис. 3. Прибор «Данник-4»

Программное обеспечение, установленное на встроенный в прибор компьютер, является двухуровневым. Первый уровень предназначен для простого пользователя и содержит две сенсорные кнопки управления:

• «Фон» - калибровка прибора, выполнять которую рекомендуется после каждого обнаружения ВВ, предварительно очистив поверхность призмы НПВО специальной салфеткой;
• «Измерение» - поиск и распознавание ВВ на поверхности, осуществляемые после приложения к чувствительному элементу прибора (призме НПВО) предмета, на поверхности которого могут быть ВВ.

При наличии ВВ на монитор прибора выводится предупреждающая надпись, содержащая название обнаруженного ВВ, информация о спектре поглощения которого есть в базе данных прибора. Определение спектра фоновой засветки, то есть калибровка прибора, и непосредственное измерение ВВ занимают 1-3 с, что является рекордно коротким временем для приборов такого уровня чувствительности.

Второй уровень программного обеспечения предназначен исключительно для опытного пользователя прибора. На этом уровне осуществляется «обучение» прибора новым веществам, то есть расширение собственной базы данных прибора, визуализация спектра поглощения на графике, обмен данными с другими компьютерами, отработка новых алгоритмов распознавания и т.д.

На рис. 3 представлен внешний вид прибора Данник-4, а в таблице 2 - его основные технические характеристики.

Таблица 2. Основные характеристики прибора.

* - в настоящее время ведутся работы по расширению номенклатуры диагностируемых веществ - как взрывчатых, так и наркотических.

К основным преимуществам прибора по сравнению с аналогами относятся:

• высокое быстродействие;
• определение ВВ непосредственно на носителе, без их испарения;
• широкая номенклатура диагностируемых ВВ (в т.ч. аммиачной селитры, определение которой электрохимическими методами затруднено);
• достаточно высокая чувствительность;
• лёгкость очистки чувствительного элемента от обнаруженных ВВ и загрязнения.

В заключение следует отметить, что практическое использование прибора может быть связано с обнаружением следовых количеств ВВ на пальцах и ладонях человека, специальных салфетках-абсорберах, бумаге и других предметах, поверхность которых способна адгезировать ВВ. Сейчас ведутся работы по совершенствованию конструкции прибора, расширению базы данных (перечня обнаруживаемых веществ), отработке технологии использования прибора в конкретных ситуациях.

Литература

1. Харрик Н.Спектроскопия внутреннего отражения. - М.: Мир, 1970. - 325 с.
2. Берцева Е.В., Савин А.В. Explosives trace detection in the process of biometricalfingerprint identification for access control // Proceedings SPIE. - 2007. - Vol.6594.
3. Борейшо А.С., БерцеваЕ.В., КорепановВ.С., Морозов А.В., Страхов С.Ю., Савин А.В., Тарасова Т.Е. Detection of explosives traces on documents by attenuated total reflection method //Proceedings of SPIE. - 2007. - Vol.6733.
4. Белл Р.Дж. Введение в фурье-спектроскопию. - М.: Мир. - 1975.

Статья опубликована на сайте: 29.07.2011