При финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России)
Введение.
Разрабатываемый прибор является средством экспресс-диагностики и идентификации личности. Процедуры анализа спектра поглощения с целью поиска следов ВВ и НВ выполняются параллельно и синхронно с процессом идентификации личности по дактилоскопическому рисунку.
Таким образом, объектами исследования в разрабатываемом приборе являются пальцы (кожа рук человека), подвергающегося досмотру.
Разрабатываемое изделие представляет собой распределенную систему контроля доступа. Отдельные компоненты взаимодействуют между собой через различные интерфейсы (например, Ethernet).
В данной статье приводятся технические решения, о структуре, конструкции и алгоритме работы разрабатываемого изделия с возможностью определения наличия взрывчатых и наркотических веществ.
Ниже приводится состав разрабатываемой системы с описанием основных функций каждого модуля.
В состав системы входят:
1) прибор, предназначенный для установки на КПП для идентификации и контроля всех лиц, проходящих через пост охраны, на наличие следов ВВ и НВ, адсорбированных на коже пальцев рук (далее Сканер);
2) программное обеспечение, предназначенное для подключения прибора к компьютеру и позволяющее также объединять несколько таких систем контроля доступа в единую сеть (далее ПО).
Сканер для обнаружения следов ВВ и НВ, адсорбированных на коже пальцев рук, основан на спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО).
Рассмотрим состав системы более подробно.
Прибор представляет собой программно-аппаратный комплекс для получения изображения отпечатка пальца и обнаружения следовых количеств ВВ и НВ на коже, основанный на использовании метода абсорбционной спектроскопии совместно с методом НПВО.
Рассмотрим основные блоки прибора:
а) Оптический блок в составе узла призмы НПВО, узла фокусирующих линз, узла дифракционной решетки, глобара и модулятора. Оптический блок является основным элементом прибора.
Основное назначение оптического блока – реализация оптимального взаимодействия оптического излучения с диагностируемым объектом в режиме НПВО, получение спектра поглощения, синхронизация работы источника излучения и приемной матрицы, построение изображения отпечатка пальца на приемнике.
б) Электронный блок в составе ИК-приемника, узла сканирования отпечатка пальца, управляющего контроллера и блока питания.
ИК-приемник является электронным модулем с ИК-матрицей и аналого-цифровым преобразователем. ИК-приемник обеспечивает прием (регистрацию) оптического сигнала спектра в требуемом диапазоне.
Узел сканирования отпечатка пальцев – это электронный модуль, состоящий из светочувствительной матрицы видимого диапазона. Узел сканирования обеспечивает прием (регистрацию) оптического сигнала изображения отпечатка пальца.
Управляющий контроллер – основное электронно-вычислительное устройство изделия, обеспечивающее требуемый алгоритм функционирования всех электронных и электромеханических узлов изделия. Также управляющий контроллер осуществляет анализ снятых спектров на предмет наличия НВ и ВВ, предварительную обработку отпечатков пальцев и обмен информацией с внешними устройствами.
Блок питания состоит из нескольких преобразователей постоянного тока и обеспечивает электрическим питанием с требуемыми параметрами все электронные узлы изделия, такие как глобар, управляющий контроллер, ИК-приемник и т.д.
в) Специальное программное обеспечение сканера предназначено для определения наличия ВВ и НВ на объекте и идентификацию типа ВВ и НВ по спектру поглощения. СПО сканера также реализует функцию обмена информацией между прибором и сервером для передачи результатов анализа спектра и изображения отпечатков пальца для последующего дактилоскопического анализа.
1.Принципиальная оптическая схема прибора обнаружения ВВ и НВ.
Как указывалось, оптический узел прибора является основным элементом изделия. На рисунке 1.1 представлена принципиальная оптическая схема прибора. Излучение от инфракрасного источника (глобара) проходит через ограничивающую диафрагму и после механического обтюратора, обеспечивающего периодическую модуляцию излучения с частотой 128 Гц, и зеркала 2 попадает в призму 3. В призме происходит многократное переотражение излучения от граней и возникновение эффекта НПВО [1]. К верхней грани призмы прикладывается объект со следами ВВ и НВ, с которым происходит взаимодействие излучения. Далее излучение с помощью дифракционной решетки 4 раскладывается в спектр и попадает на чувствительный матричный пироэлектрический приемник, таким образом, что на каждый из пикселей приемника приходится участок спектра излучения шириной порядка 0.013 мкм (при 256 пикселях). Оптические элементы 1 предназначены для формирования изображения ограничивающей диафрагмы в плоскости пироэлектрического приемника. Обтюратор необходим для работы пироэлектрического приемника, чувствительного только к переменному сигналу. Для диагностики ВВ и НВ используется спектральный диапазон 5.8-9.2 мкм, внутри которого лежат основные линии поглощения молекул ВВ и НВ. При оптическом контакте с призмой предмета со следами ВВ и НВ возникает эффект НПВО и происходит поглощение соответствующих спектральных компонент излучения на линиях поглощения молекул ВВ и НВ, что и фиксируется пироэлектрическим приемником.
Призма 3 совмещена с оптической системой сканера отпечатка пальца, работающего в видимом диапазоне спектра. Сканер отпечатка пальца включает в состав: призму 6, линзы 7 и 8, осветитель и приемник изображения. В качестве приемника изображения используется монохромная ПЗС матрица разрешением 640 х 480 пикселей. Формат матрицы 1/2”.
2 Макеты
2.1 Макет сканера обнаружения ВВ и НВ
На рисунках 2.1 и 2.2 приводятся оптическая схема и вид макета сканера обнаружения ВВ и НВ.
Рис. 1.1 принципиальная оптическая схема прибора
Рисунок 2.1 – Оптическая схема макета сканера обнаружения ВВ и НВ
Рисунок 2.2 – Вид макета сканера обнаружения ВВ и НВ
С помощью данного макета были получены спектры поглощения: чистой призмы (рис. 2.3), пальца человека (рис. 2.4), аммиачной селитры, тротила, гексогена, лавсана (рис. 2.5).
Рисунок 2.3 – Сигнал с чистой призмы
Рисунок 2.4 – Спектр пальца
Рисунок 2.5 – Спектр лавсана
Материал лавсан предлагается использовать в качестве материала для получения калибровочного спектра прибора. Из рисунка 2.5 видно, что лавсан в исследуемом спектральном диапазоне обладает двумя четко различимыми пиками. По положению этих пиков можно проводить точную юстировку и калибровку прибора в процессе изготовления и периодического обслуживания, соответственно.
2.2 Макет сканера отпечатков пальца, совмещенного со сканером следов ВВ и НВ
Внешний вид макета сканера показан на рисунке 2.9. Макет предназначен для проверки возможности встраивания сканера отпечатка пальца в прибор регистрации спектра вещества на основе эффекта НПВО.
Оптическая схема макета показана на рисунке 2.10.
Рисунок 2.9 – Макет сканера отпечатка пальца
Рисунок 2.10 – Оптическая схема макета сканера отпечатка пальца
Макет продемонстрировал принципиальную возможность реализации совмещенного сканера призмы НПВО и сканера отпечатка пальца. Два сканера работают в разных диапазонах оптического излучения и поэтому могут функционировать независимо друг от друга. Принципиальная сложность заключается в одновременном пропускании через совмещенную оптическую систему двух сканирующих излучений. Тем не менее, опыт реализации оптической схемы показывает, что это возможно.
3 Алгоритм распознавания спектров веществ
Каждое вещество характеризуется набором признаков-особенностей. Такими особенностями могут быть:
- максимум на определённой линии спектра или в некоторой её окрестности,
- выпуклость на определённой линии спектра или в некоторой её окрестности.
Формируя 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.
Сравнение с базой данных спектров веществ производится по следующему алгоритму.
- Берется запись о веществе из базы данных системы.
- Из записи получают данные о количестве особенностей, формируемых этим веществом в спектре. Производится резервирование логического массива такой длины.
- В цикле производится сравнение особенностей вещества с рассчитанными особенностями текущего спектра. Для ускорения работы из базы данных выбирается необходимый спектральный диапазон и вычисляются коэффициенты аппроксимационного полинома в этом диапазоне. По аппроксимирующему полиному вычисляются коэффициенты первой и второй производных.
- Каждая особенность, указанная в базе данных спектров веществ сопровождается своим весовым коэффициентом
- Веса обнаруженных особенностей складываются и сравниваются с порогом обнаружения для принятия решения о наличии или отсутствии вещества.
Особенно эффективно применение корреляционного алгоритма для предотвращения ложного срабатывания прибора. Ситуация когда на спектре чистого пальца обнаруживается пик соответствующий признаку одного из определяемых веществ из-за высокого уровня шума может быть корректно обработана расчетом корреляции.
Выводы
В рамках работы над статьей были получены эталонные спектры для некоторых веществ. Была получена экспериментальная база спектров для этих веществ. Для эталонных спектров определены интервалы для расчета корреляции и определены предельные значения, для коэффициента корреляции таким образом, чтобы количество ошибок алгоритма на имеющейся базе спектров веществ было минимально.
Количество просмотров публикации: Please wait