Multi-parameter X-ray baggage scanner for threatening materials detection in Security applications (Multi X-Ray Scan)

Category: 
National funded projects
Period: 
July, 2014 to June, 2016
Coordinator: 
ACCENT PRO 2000 S.R.L.

Cod proiect:

PN:II-PT-PCCA-2013-4-0987

Numar contract: 301/ 01.072014
Manager de proiect : Mihai IOVEA; e-mail: office@accent.ro
Sursa de finantare (bugetul de stat): 1.155.625,00 RON
Alta sursa de finantare (co-finantare): 201.000,00 RON
ParteneriP1  Universitatea din Bucuresti - Facultatea de Fizica (Prof.Dr. Octavian DULIU)
                   P2  Institutul National de Fizica  Laserilor, Plasmei si Radiațiilor
               P3  OPTOELECTRONICA 2001 S.A

Proiectul de faţă îşi propune să rezolve  problema controlului bagajelor de cabină prin studierea, proiectarea, si realizarea unui tip nou de scaner cu raze X care combină tehnica "dual-energy" şi "dual-view' cu tehnica de analiza a paternurilor de difracţie pentru identificarea neinvazivă mult mai precisă a materialelor investigate.
Noul scanner cu raze x va putea detecta orice tip de material suspect, inclusiv explozivi solizi sau lichizi, sau precursorii ai acestora, dar şi materialele din categoria  LAG fară a fi necesară deschiderea bagajelor, acesta fiind un scanner nou de tip D, în concordanţă cu clasificarea ECAC, încă inexistent pe piaţă în acest moment, dar foarte dorit de ECAC şi FAA pentru a relaxa transportul LAG în bagaje.  

Produsul final al proiectului Multi X-Ray Scan, va fi echipamentul MultiXScan alcătuit din două secţiuni distincte: un dispozitiv de radiografie cu raze X dual-energy şi dual-view pentru analiza conţinutului şi localizarea materialului suspect, urmat de un al doilea dispozitiv ce constă dintr-un sistem focalizat de măsurare a difracţiei razelor X al cărui focar poate fi localizat în centrul materialului suspect, pentru identificarea univocă a materialului prin cu compararea spectrului măsurat cu a celor din baza de date.
Prin proiectarea şi realizarea echipamentului, se urmăreşte:
- reducerea ratei rezultatelor fals pozitive de la valoarea actuală de circa 20-25% la o valoare finală de cca 5 %;
- reducerea timpului de scanare al unui bagaj real cu cca 30-40 %;
- reducerea cu cca 50 % a personalul specializat necesar punctelor de control;
- creşterea în mod substanţial a gradului de securitate a populaţiei şi mai ales a pasagerilor l

Etapa I

Studii si analize preliminare

În cadrul acestui proiect s-a efectuat un studiu privind cerințele generale ale dispozitivelor actuale precum și  necesitatea de îmbunătățire a acestora prin dezvoltarea tehnicilor de analiză dual-energy,dual-view(DE-DV) și difracție de raze X. Dacă inițial metoda DE-DV este utilizatăpentru a detecta obiectele periculoase din bagaje,în acest proiect se dorește aplicarea sași în identificarea naturii materialelor din care sunt confecționate obiectele din bagaj cu o precizie rezonabilă a rezultatelor.

Pentru a înțelege principiul de identificare al unui material, au fost punctateinformațiiesențiale referitoare la tehnicile menționate anterior precum și teoria ce stă la baza acestora.De asemenea ,sunt prezentate principiile de achiziție și prelucrare a datelor ce vor fi modificate șiîmbunătățite pe parcursul acestui proiect precum și componentele sistemului mecanic de scanare.Se are în vedere prezentareadispozitivului mecanic proiectat pentru putea analiza un bagaj prin combinarea tehnicii dual-energy cu tehnica dual-view(DE-DV) dar și pe cel necesar în aplicarea tehnicii difracție de raze X.

 

Etapa II

Simulari date, configuratii si teste de laborator. Proiectare sisteme de scanare, realizare algoritmi de analiza

 

In cadrul prezentei etape a fost realizata proiectarea  atat din punct de vedere mecanic cat si electric si electronic asistemului de inspectie care utilizeaza tehnicile de investigatie prin metoda dual-energy precum si prin metoda difractiei de raze X. Au fost realizate teste de laborator  pe diverse esantioane din diverse materiale cu ajutorul celor doua tehnici mai sus mentionate. Deasemenea, au fost realizate variante de lucruale unor aplicatii software pentru prelucrarea datelor obtinute in cursul procesului de achizitie de date cu fiecare din cele doua tehnici de investigare folosite in  sistemul de inspectie.

În cadrul acestui proiect s-a efectuat un studiu privind cerințele generale ale dispozitivelor actuale precum și  necesitatea de îmbunătățire a acestora prin dezvoltarea tehnicilor de analiză dual-energy,dual-view(DE-DV) și difracție de raze X. Dacă inițial metoda DE-DV este utilizată pentru a detecta obiectele periculoase din bagaje, în acest proiect se dorește aplicarea sa și în identificarea naturii materialelor din care sunt confecționate obiectele din bagaj cu o precizie rezonabilă a rezultatelor.

Pentru a înțelege principiul de identificare al unui material, au fost punctate informații esențiale referitoare la tehnicile menționate anterior precum și teoria ce stă la baza acestora. Deasemenea, sunt prezentate principiile de achiziție și prelucrare a datelor ce vor fi modificate și îmbunătățite pe parcursul acestui proiect precum și componentele sistemului mecanic de scanare. S-a avut în vedere prezentarea dispozitivului mecanic de scanare proiectat pentru putea analiza un bagaj prin combinarea tehnicii dual-energy cu tehnica dual-view(DE-DV) dar și pe cel necesar în aplicarea tehnicii de difracție de raze X.

 

Etapa III

Realizare sisteme de scanare  şi implementare programe. Teste si demonstratii. 

In cadrul prezentei etape a fost realizat atat din punct de vedere mecanic cat si electric si electronic  sistemul de inspectie care utilizeaza tehnicile de investigatie prin metoda dual-energy precum si prin metoda difractiei de raze X. Sistemului de deplasare realizat in cadrul etapei precedente, care permitea ansamblului generator de raze X - detector sa se deplaseze atat pe axa X, pentru a realiza o scanare pe toata latimea bagajului, cat si pe axa Y pentru a realiza o analiza in adancime a aceluiasi bagaj, i s-a mai adaugat si un sistem de deplasare longitudinala, construit cu ajutorul unei benzi transportoare ghidata de role cilindrice si actionata de un motor trifazat echipat cu reductor. Acest sistem de deplasare permite bagajului care este supus analizei sa treaca in intregime prin zona de scanare, aceasta  miscare coroborata cu celelalte doua mai sus mentionate permitand  sa se realizeze o scanare completa a continutului acestuia. Descrierea sistemului de deplasare, atat din punct de vedere mecanic cat si electric si electronic se regaseste in ANEXA de la finalul etapei.

Au fost realizate teste si experimente  pe diverse esantioane din diverse materiale cu ajutorul celor doua tehnici mai sus mentionate. Deasemenea, au fost realizate variantele finale ale unor  aplicatii software pentru achizitia si prelucrarea datelor obtinute in cursul procesului de achizitie de date cu fiecare din cele doua tehnici de investigare folosite in  sistemul de inspectie.

Deasemenea, sunt prezentate modificarile și îmbunătățirile aduse aplicatiilor software de achizitie si de prelucrare a datelor, plecand de la variantele de lucru, utilizate in testele si experimentele de laborator pana la variantele finale ale acestora, variante care fac parte din ansamblul de programe care permit sistemului sa functioneze in parametri optimi.

ETAPA IV

Realizare sisteme de scanare  şi implementare programe. Teste si demonstratii. 

Scopul proiectului a fost de a realiza studiile si cercetarile necesare pentru implementarea tehnicii de identificare a materialelor explosive sau periculoase prin difractie cu raze X, aplicatii in domeniul scanarii bagajelor. Probelma care se ridica, in cadrul acestui tip de aplicatie din domeniul securitatii, este de a identifica un material/obiect aflat in interiorul uni bagaj, la o rezolutie spatiala de circa 1 cm. Rezolutia spatiala foarte greu  de obtinut fiind cea de pe axa Z unde, datorita unghiului mic de radiatie difractiata fata de fascicolul de radiatie al sursei, este imposibil de coborat uzual sub 8-10 cm.Au fost testate doua directii principale de detectie a radiatiei difractate:

  • O schema de masurare clasica, bazata pe utilizarea unor detectori 2D de raze X de mari dimensiuni care masoara direct spectrul dimensional spatial de difractie in punctul in care este montat. In urma experimentelor, la care s-au testat diferite metode de colimare, s-a constat ca aceasta solutie nu prezinta o buna rezolutie spatiala pe axa Z si relativ slabe pe directiile X si Y. In final, a fost gasita o solutie inedita de colimare, care a constat in divizarea detectorului 2D in diferite zone 2D mai mici, fiecare din acestea avand un ansamblu de doi colimatori proprii. Practic s-a imbunatatit rezolutia spatiala de circa 2 ori dar rezultatele obtinute sunt incurajatoare si ar permite sa se obtina rezolutii mai bune de circa 3-4 cm pe axa Z printr-o divizare si  mai mare a detectorului 2D;
  • O directie importanta pe care am studiat-o a fost utilizarea detectorilor de radiatie spectroscopici. Initial, testele au fost realizate cu detectori individuali spectroscopici de dimenisiuni relativ mari de ordinul centimetrilor. Din pcatate, cu cat dimensiunea detectorului de radiatii spectroscopic creste, cu atat combinarea spectrelor difractate in diferitele pozitii de pe detector se compun, astfel ca spectrul obtinut este unul compus din suma spectrelor locale. Acest lucru denatureaza spectrul real si, din acesta cauza, este necesara fie utilizarea unui detector de dimeniuni mici fie sa se utilizeze o arie de detectori si sa se combine spectrele prin calcularea momentum-ului acestor spectre. Prin bunavointa Ruttherford Appleton Laboratory – Oxford, UK care ne-a imprumutat, de-a lungul proiectului, initial un model prototip de detector 2D spectroscopic iar apoi un model perfectionat, am putut studia set-up bazat pe astfel de detectori. Am constatat ca intr-adevar, spectrele sunt mult imbunatatite dar inca sunt probleme cu colimarea fasciculului difractat. Dupa mai multe incercari, am reusit sa proiectam un collimator din wolfram cu design complex dedicat care a reusit, prin insumarea momentum-ului spectrelor de difractie achizitionate rapid sa identifice materialele si sa aiba o rezolutie spatiala mult imbunatatita, de ordinul 1-2 cm;
  • In cadrul testelor s-au utilizat doua set-up-uri de iradiere cu raze X, unde au fost realizate diferite teste si experimente specifice:
  • Primul, bazat pe o sursa microfocus si un sistem de colimare si pozitionare aflat in dotarea INFLPR, unde s-au realizat testele preliminare cu detectori 2D si spectroscopici individuali, s-a realizat optimizarea colimarii prin divizarea si colimarea detectorului 2D si s-au masurat o multitudine de materiale ale caror spectre de difractie au fost incluse in baza de date.
  • Al doilea set-up a fost realizat de AP2K si UNIBUC in cadrul unitatii nucleare a UNIBUC unde s-au realizat teste cu surse minifocus de putere mai mare (500W) si unde s-a instalat ansamblul mecanic de testare motorizat realizat de partenerul OPTOELECTRONICA care a permis focalizarea sistemului de masura spectre difractie in orice punct din interiorul unui bagaj, in timp ce acesta este transportat de conveior.
  •  Rezultatul notabil cel mai performant al proiectului este cel obtinut prin utilizarea detectorului 2D HEXITEC impreuna cu colimatorul 2D din wolfram, care permit o focalizare excelenta si respectiv o rezolutie spatiala foarte buna. Datele spectrale insumate ale celor 80 X 80 detectori spectroscopici individuali, prin calcularea spectrelor in „momentum”, pot fi achizitionate rapid, in cateva secunde, astfel spectrul final are un zgomot statistic mult redus si poate fi cu usurinta identificat.

Acest rezultat este unul extrem de util pentru implementarea unei tehnologii generice bazat pe difractia razelor X si va face obiectul unei depuneri de cerere de brevet de inventie, impreuna cu realizatorul detectorului HEXITEC, respectiv Ruttherford Appleton Laboratory- Oxford, UK.

 

Partners list: 
National Institute For Lasers Plasma And Radiation Physics (Romania)
OPTOELECTRONICA 2001 S.A. (Romania)
University of Bucharest - Faculty of Physics (Prof.Dr. Octavian DULIU) (Romania)