CN101788687B - 货物和货品的主动非侵入性验证和分析的方法 - Google Patents

Abstract

公开了非侵入性的验证和分析货物的方法。在示范性实施例中，在供应链的第一点确定了元素标记，并将其传输到供应链的第二点。当货品抵达第二点时，可以测量货品的元素标记，并且对比原始的元素标记进行验证。在另一实施例中，可以测量元素标记以验证货品的原产地和标识。在一些实施例中，这种元素标记是运输的货品和/或其包装固有的，在其他实施例中，作为标签材料对运送的货物施加元素标记。

Description

货物和货品的主动非侵入性验证和分析的方法

本申请是已于2006年11月7日提交的以下PCT国际申请的分案申请：国际申请号为PCT/US2006/043427、国家申请号为200680042002.0、发明名称为“货物和货品的主动非侵入性检查和验证的方法与系统”。

对相关申请的引用

本申请要求于2005年11月9日提交的美国临时申请No.60/734915的优先权，该临时申请在此引入以供参考。

技术领域

本发明涉及使用主动非侵入性检查技术进行货物和/或货品的验证的系统与方法。

背景技术

制成品、原材料、设备、补给物、供应品和多种其他产品，通常由陆路、空中、海洋，甚至太空被运送到世界各地。这些产品经常被密封在集装箱中运送，比如货物集装箱。对于运输或处理这些集装箱的任何相关事宜，不管是政府还是私营商业，需要有效手段识别和/或验证这些集装箱的装载物(contents)是很重要的。例如：

●海关和执法部门可能希望检测和阻截违禁品、毒品和诸如炸药或核材料的恐怖威胁。

●商品的接收方可能希望验证正在交付的货品正确无误。

●发货方可能希望确保货品安全、无误地运输和存储。

●生产方和购买方可能希望确定所接收的货品是他们想要的，而不是伪造品。

本领域的技术人员将很容易认识到货品的识别和验证极为重要的其他场合。但是由于各种因素，这种识别和验证可能存在成本高昂或者难以实现的困难，比如：

●通过人工检查的装载物验证可能成本高昂，并在货品的运送中引入不切实际的延误。

●采用需要拆包或者破坏集装箱的破坏性技术进行验证可能行不通。

●集装箱可能是防拆封的，要不然就是很难打开或者很麻烦。

●希望验证的货物可能处于集装箱的深处，或者很难接触。

●对于人工检查，环境可能是危险的，或者不适合的。

在上述情况下，以及本领域技术人员认识到的其他情形下，可能迫切需要一种非破坏性的且非侵入性的检查和/或验证集装箱的装载物的手段。

在货品的任何流通中，一般有供应链，包括原产地(origin)(例如，生产商、制造商、货主等)、运输路线(可能包括包装、运输、转发、暂时存储、接收等)和以接收者的接受交付为标志的终点，比如海关检查站点、购买方或者最终用户。货品识别的非侵入性手段在该供应链沿线的多个节点可能是有用的。当前，如上述所列的原因，可能没有实际可行的方法在供应链的多个节点处确定货品的原产地、质量和其他特性。此外，在许多情况下，目视检查或者其他目前的分析方法可能无法区分真品和赝品。

发明内容

我们已经开发了无需打开集装箱、包裹、封装(enclosure)、包装或者其他封装材料的运输货品的非侵入性识别和/或验证的系统与方法。此处描述的系统和方法能够增加供应链的安全而不会不切实际地增加涉及货品运输的交易成本或时间。

我们开发的系统和方法的优点在于可以允许供应链中的各方确保他们运输和/或接收的是真品和正品。此外，所公开的系统和方法使得可能这样做而无需打开集装箱或者封装，打开集装箱或者封装可能不切实际地延误货物的流通并且增加交易成本和时间。此处描述的系统和方法也能够允许供应链中的各方确定集装箱中的货品没有被篡改(tampering)或者货品的内容和条件没有任何改变。此处描述的系统和方法采用可以识别或者提供集装箱中装载物的详细资料的元素标记(elemental signature)。正如下面将进一步论述的，该元素标记可以是集装箱和/或其装载物所固有的，或者其可以是在制造中、包装时、或在供应链随后点中施加或添加到集装箱或其装载物的。

在一些情况下，可能希望使供应链中的一方具有足够的信息确认装运的货物是真品并且没有任何方式的改动，而无需向该方公开集装箱的装载物。例如，在军事、外交或者其他机密或敏感情况下，这种无需公开装载物的验证可能是有利的。在这些情况下，正如下面进一步论述的，元素标记可以用于证实集装箱和/或其装载物的出处，而不必说明或者允许识别该装载物。这种元素标记可以用于识别作为一个整体的集装箱及其装载物，而无需特殊的描述符。采用这种元素标记的系统可以提供快速高效的方式确定装运的货物已经预期抵达，而没有被改变或者篡改。

在示范性实施例中，可以在供应链的第一点测量货物集装箱或其装载物的元素标记。该元素标记可能是数字编码，并传输到该供应链的随后点中。当该集装箱到达该随后点时，再次测量该元素标记，并与在第一点测量的元素标记进行对比。因此本发明可以提供一种验证集装箱的装载物在运送中没有被篡改或是其他方面改变的途径。

在另一示范性实施例中，基于集装箱和其装载物的元素或同位素组成，和/或基于集装箱中那些装载物的空间分布，可以预测期望的元素标记。例如，可以基于集装箱的装载物的运输载货单或其他清单计算该预测的元素标记。在供应链的任何一点，可以测量集装箱和其装载物的元素标记，并与该期望的元素标记进行对比。这样，可以非侵入性地验证集装箱的装载物。

在另一示范性实施例中，在供应链的制造、包装或其他点处，可以将“标签材料”引入到运输集装箱和/或其装载物中。可以选择这种标签材料以唯一识别货品的原产地或制造商或供应商的点。在该供应链的随后任何点中，可以测量该标签材料的元素标记，从而验证该标签材料识别的原产地或制造商或供应商。

在又一示范性实施例中，可以在集装箱中布置多个标签材料，使得一定的条件能够在元素标记中触发可测量的变化，该变化可以用于检测该条件是否已经发生。

附图说明

在下面的描述中涉及附图，在附图中，图1示出了使用这里描述的系统和方法的实施例的验证货品的示范性过程。

具体实施方式

为了提供全面的理解，现将描述某些说明性的实施例；然而，本领域的普通技术人员将理解，可以改变和修改此处所描述的装置和方法以为其它适当应用提供装置和方法，并且在不偏离此处所描述的系统和方法的范围的情况下，也可以进行其它添加和修改。

除非另有说明，所示出的实施例可理解为提供某些实施例的变化细节的示范性特征。因此，除非另有说明，在不偏离所公开的装置或方法的情况下，示例的特征、部件、模块和/或方面能够以其它方式组合、指定、互换和/或重新安排。此外，部件的形状和尺寸也是示范性的，并且除非另有说明，该形状和尺寸可以改变而不影响所公开的装置或方法。

此处描述的系统和方法可以采用核共振荧光成像(NRFI)、有效原子序数(有效Z)测量、X-射线透射成像、其他主动非侵入性探询技术的测量、或这些测量的结合作为集装箱装载物的非侵入性识别和/或验证的基础。

NRFI测量利用的是当一束光子入射到目标时可以激发该目标的核共振或者随后产生荧光的状态。该目标中包含的特定同位素唯一确定了激发光谱和得到的发射光谱。当检测器系统或者具有解析空间信息能力的检测器阵列检测到这些光谱时，这些光谱允许测量被照射的体积中所包含的同位素的空间分布。题为“Explosives Detectionusing Resonance Fluorescence of Bremsstrahlung Radiation”的美国专利号5115459、题为“Detection of explosives and othermaterials using resonance fluorescence，resonance absorptionand other electromagnetic process with bremsstrahlungradiation”的美国专利号5420905和题为“Adaptive scanning ofmaterials using nuclear resonance fluorescence imaging”的美国专利号7120226中论述了在非侵入性扫描应用中采用NRF I测量的一些示范性系统，这些专利文件的内容在此引入以供参考。

除了NRFI测量(利用共振散射的特征频率识别存在于被扫描的样品中的同位素)，分析从被扫描的目标非共振散射的光子的能谱也可以得到关于该目标成分的信息。例如，正如美国专利申请号11177758所描述的，分析光子的非共振散射可以得到该目标被照射部位的平均或有效原子序数(有效Z)，该专利申请在此引入以供参考。当检测器系统和具有解析空间信息能力的检测器阵列检测到这种非共振谱时，可以得到目标中有效Z的空间分布测量。

使用NRFI和/或有效Z非侵入性扫描方法的优点是可以足够快地完成验证以确保货品运送不会被严重延误。

因为无论是由NRFI或有效Z扫描获得的信号都取决于被扫描的材料的成分，所以可以使用NRF I或有效Z扫描产生被扫描的目标的“元素标记”。(虽然在示范性实施例中，使用货物集装箱进行原理的说明，应该理解使用这些原理可以对任何种类的任何运输进行验证，包括空中、海洋或陆路货物、航空托运的行李、货品等。)

值得注意的是由NRFI获得的信号可能含有同位素以及元素信息。因此在使用NRFI测量的情况中所谓的“元素标记”可能确实是同位素标记。此外，本发明的一些实施例中，该标记可以是传统的X-射线透射成像获得的密度测量或投影的密度图。因此此处描述的本发明的实施例可以使用有效Z标记、NRFI标记、或甚至X-射线透射标记、或这些标记的组合来非侵入性地验证任何运送的货物的内容或原产地。此处使用的“元素标记”的名称一般指的是所有这种标记，或者是由有效Z、NRFI获得的，或者是X-射线透射测量获得的、或由这些测量的组合获得的。术语“元素标记”也应被理解为包括通过分析从目标散射的或透射过该目标的光子确定该目标的一些或全部的元素或同位素成分而获得的任何标记。这样的元素标记可能包括元素或同位素成分、密度的体测量(bulk measurement)；一个或多个元素或同位素组分的总丰度或相对丰度；和/或密度、元素或同位素成分、或组分的总丰度或相对丰度在该目标的全部或一部分中的一维、二维或三维空间分布。下面进一步论述这种元素标记的特定实施例。

任何元素标记可以与货物集装箱中的单个产品、或作为整体的货物集装箱、或集装箱和其装载物的三维子体积(体素(voxel))、或它们之间的任何其他关系相对应。在一些实施例中，元素标记可以包括一列(a list of)同位素以及其总丰度或相对丰度，如NRFI技术所测量的。在一些实施例中，元素标记可能包括一列NRF谱线，即能量和绝对或相对信号强度，该信号强度再次与整个集装箱、集装箱体素、或集装箱的装载物的任何部分相对应。在其他实施例中，单个同位素丰度或甚至单条谱线可能是元素标记所全部要求的。类似地，元素标记可以包括与整个货物集装箱、集装箱体素、或集装箱的装载物的任何部分相对应的有效Z信息。因为NRFI和有效Z测量都允许三维映射，因此货物集装箱(或其任何部分或子单元)的元素标记可能是在特定应用所需要的任何分辨率下得到的三维同位素制图(isotopic map)。应理解的是对于一些应用，也许仅需要货物集装箱作为整体的大概NRFI或有效Z测量，而对于其他的应用，更详细的空间元素标记可能更有用。

图1提供了其中可以采用所描述的系统和方法的示范性实施例的供应链的示意图。步骤102表示供应链的原产地，在此处制造将要运输的产品(如原材料、制成品、或任何其他材料)，和/或包装成货物集装箱。

在步骤104，采用NRFI扫描系统或有效Z扫描系统确定货物集装箱和/或其装载物在原产地的元素标记。图1中由项112表示的在原产地的元素标记，可以由几种途径中的任一种来确定。

在一种示范性方法中，各个产品、各个集装箱、或该集装箱的装载物的其他子单元的元素标记都是已知的。例如，这些元素标记可以在制造站点或包装站点使用NRFI或有效Z测量系统测量得到。或者，可以基于运输的货品或材料的已知成分确定这些元素标记。例如，对于制成品，可以在一定公差内提供先验元素标记作为该产品的制造规范，这样就不必为每个单元测量个体元素标记。

当该集装箱的装载物的子单元的元素标记是已知的，并且已知该集装箱内每个单独的子单元的包装位置时，就可以获得整个集装箱的先验空间元素标记。例如，可以在将产品包装在运输集装箱之前测量并记录制成品的NRFI元素标记。集装箱中该制成品的分布知识可以产生该集装箱的NRFI扫描的预测的三维图，即从该集装箱获得的NRFI信号的预测空间分布。

在一些实施例中，预测的元素标记自身可用作在货品原产地的元素标记112。在可选实施例中，为了给正确制造和/或包装货品提供额外检查，可以在原产地单独测量该元素标记，并将其与预测的元素标记作比较。

可选地，可能不知道或没有考虑运输集装箱中各个产品的元素标记。相反，在原产地可以测量整个集装箱的平均信号或来自于该集装箱的所测量信号的空间分布，并将其用于在原产地产生特定集装箱的元素标记112。

在货品原产地(或在该供应链的任何一点)测量的原始元素标记112，或如上所述的预测的或计算的先验元素标记可以被数字编码并发送到或以其他方式发送到该供应链的任何随后点。例如，如图1所示，元素标记112可以通过互联网114被发送到运输的目的地，该目的地可以是任何中间或最终目的地。也可以采用本领域普通技术人员所知的其他发送手段。此外，该系统和方法适于在存储货品之前和之后，以及在运送时使用，并且此处对原产地和目的地的引用可理解为包括或指的是货品存储之前和之后的时间。

此时，如图1所示的步骤108，运输货物集装箱。在如步骤110所示的目的地或中间点，采用第二NRFI或有效Z扫描系统确定在目的地或中间点的元素标记118。在步骤120，比较在原产地确定的元素标记112和在目的地或中间点确定的元素标记118。该比较可以通过位于目的地或中间点的处理器或任何远程位置(即通过互联网连接到目的地或中间点的处理器)的处理器自动执行。可以用试探法对处理器编程以在某个指定的公差容许范围内确定在目的地或中间点的元素标记118是否与原产地的元素标记112相匹配。在示范性实施例中，匹配的容许公差是基于在原产地进行的扫描的信噪比。因而，匹配的容许公差可以基于在原产地确定的元素标记112和在目的地或中间点确定的元素标记118的统计分析。例如，可以对处理器编程以便如果在目的地或中间点确定的元素标记118的一个或多个特征偏离相应的在原产地确定的元素标记112的一个或多个特征多于一个西格玛(sigma)时，识别匹配失败。在这个确定中考虑的特征可以包括特定谱线的计数(number of counts)、特定同位素或元素的总丰度或相对丰度、在整个集装箱或其一部分估算的有效Z、和/或从在扫描中获得的原始散射或透射数据提取的任何信息以及相应的统计误差条形图(bar)。

在一些实施例中，在原产地可能没有测量元素标记112。相反，如上所述，先验标记可以被计算并传送到目的地或中间点，用于与在目的地或中间点确定的元素标记118作比较。或者，在可选实施例中，可以基于运输的货单、凭据、或在运输时或事先提供的其他信息在目的地或中间点计算预测的元素标记。在这种实施例中，在目的地或中间点确定的元素标记118可以与该预测的元素标记相比较，以便验证该集装箱的装载物是它们应该是的货物。

如果在目的地或中间点确定的元素标记118满足认可标准(通过与供应链中任何地方计算的预测元素标记或在运输的原产地测量的元素标记进行比较)，如步骤128所示，可以验证装运的货物用于交付或这种进一步的适当处理。在元素标记不匹配的情况下，如步骤124所示，可以给装运的货物打上标记以返回给发送方、重新扫描、人工检查、或适于应用的其他动作。在供应链的两点测量的元素标记之间(或预测的元素标记和测量的元素标记之间)的不匹配可以表明该集装箱已经被篡改或者该货物已经被改动。相反地，在该供应链两点测量的元素标记之间(或预设元素标记和测量元素标记之间)的匹配可以作为运送货物的完整性的验证。

在一个实施例中，在供应链的终点，可能有一张经过验证的列有运输的预期装载物的收据。NRFI扫描可以确定运送的货物内同位素含量和/或同位素空间分布，并将它们与给定收据中列出的货物而期望的NRFI信号作比较。这样，可以确定集装箱的装载物，如果需要的话，可与运输清单或载货单作匹配。

使用元素标记验证货品运输的实例是希望验证消费电子设备的运输的情形。该元素标记可以包括要运输的特定电子设备及相关包装的同位素成分，或是在包装之前由NRFI分析确定的，或是根据该电子设备和包装的组成知识预先计算得到的。如果已知该集装箱仅仅装载了那些电子设备和包装，则整个集装箱一定有与那些装载物相一致的标记。因此可以在原产地证实该装载物被装载正确的产品。此外，在该供应链中稍后的NRFI扫描可以再次证实没有发生任何改动。

在另一个实例中，要证实的运送货物可能包含不知道或无法预测其先验分布的材料的非均匀混合物。在这种情形下，在该供应链的原产地可以进行有效Z扫描，以确定该集装箱的元素标记。在该供应链的随后点，可执行另一次有效Z扫描，以验证该元素标记，并且确定该装载物在运输中是否已经被改动。

元素标记可以广泛用于对货物非侵入性检查和/或验证的应用中。如上所述，可以为货物集装箱和其货品总体获得元素标记，或为集装箱内的任何子单元获得。在这种实施例中，元素标记与货物和集装箱自身材料的同位素含量相对应。然而，也可能读取和探测附在产品、货物、或集装箱上的其他产品的元素标记。这些元素标记可以由供应链中的制作商、运输商、或其他方引入，以确保完成其工作，并证实其质量、数量或有效性。他们特殊的元素标记也可以用于制作真实性或未拆封的证明。可选实施例采用此类“标签材料”叠加到运输集装箱的装载物上(包括货品和/或包装材料)。这种标签材料可以提供设计的元素标记，该标记可以为产品、制作商、原产地、生产日期、或运输日期、或希望用非侵入性扫描验证的集装箱装载物的任何其他特征所特有。

用这种标签材料包装的货物可以通过执行NRFI或有效Z扫描来验证，NRFI或有效Z扫描在运输过程中识别该标签材料的存在。标签材料可能是已知比例的已知同位素的混合。标签材料可以是普通材料，但优选地该标签材料是特殊选择的，使得该标签材料的元素标记在特定应用中运输的特定货物、或在货物、货物集装箱、或一般的包装材料中是不常见的。这种标签的实例是¹¹硼，在商品中不多见并且具有多个强NRF态。

此外，制作商和供应商发现为其产品开发识别元素标记是有利的。这种标签材料可以大批地添加到运送货物上，包含在包装材料中、直接合并到制成品，或合并到要应用在产品或集装箱的外部的溶液或感光乳剂中，例如喷涂。

如上所述的标签材料可以用于验证被运输的货物的出处或运输的起始点或途经点。例如，在供应链的目的地或中间点可以知道与货物的特定来源有关的标签材料的成分(或NRFI或有效Z元素标记)。在该目的地或中间点，可以用NRFI或有效Z扫描系统对运送货物进行扫描，并且检测标签材料的存在。因此，在已知材料或其元素标记的供应链的任何一点都可以验证货物的原产地；在供应链中正进行验证的阶段没有必要知道货物的标识(identity)、或者甚至货物的同位素成分。这可能是希望的，例如在军事应用中，沿着供应链验证运送货物而无需向供应链中各方暴露其装载物是有用的。在外交或智能操作中也可能是所希望的，以验证电子设备或任何其他隐蔽或秘密的设备，而无需向供应链中各方暴露其装载物。

在可选实施例中，此处描述的系统和方法可以用于确定在供应链中两点之间是否发生了某种特定条件。在这种实施例中，在运送的货物中可以布置一个或多个标签材料，使得在供应链中的任一点，当特定事件或条件在储存或运输中发生时，标签材料的元素标记可以改变。通过在供应链的随后点检测这种变化(或没有这种变化)，则可确定该事件或条件是否发生。标签材料的元素标记中的适当改变包括可以通过元素标记的测量而检测到的任何改变，包括元素和/或同位素成分的空间分布和/或强度的空间分布的改变。

在这种实施例的实例中，标签材料被布置在条件感测器件中，其中具有截然不同的元素标记的两种标签材料被阀、膜或在某种条件发生时将破裂的其他障碍分开。例如，该障碍可以是耦合到外部传感器的阀，使得该阀可在一定的阈值温度(上限、下限、或二者)、湿度(上限、下限、或二者)、振动或加速度(acceleration)阈值等下打开。用于任何其他可测量条件的传感器可用于触发该障碍的打开或破裂，这些可测量条件如某种特殊气体(如二氧化碳)的存在，暴露于某种化学或生物条件，或暴露于辐射。

在示范性实施例中标签材料可以是气体或液体，这样它们可在障碍破裂时自动混合。在其他实施例中，条件感测器件还可以包括搅拌或混合装置(如搅拌浆或蹼板)，在触发所选择的传感器条件时该装置混合固态标签材料。在使用固态标签材料(如粉状标签材料)的一些实施例中，可能不需要标签材料之间的障碍。在这种实施例中仅在触发搅拌或混合装置时这些材料才混合。

多标签材料的混合在条件发生触发条件感测器件时产生该器件的容积中密度、元素、同位素的新分布。在供应链中的任一节点用足够的分辨率测量元素标记以检测这些变化，这些变化可用于检测触发条件在供应链的任何先前节点是否发生。

尽管已经关于其具体实施例描述了该方法和系统，但它们并不限于此。显然根据以上教导，许多修改和改变都变得显而易见。

尽管已经参照其示范性实施例对此处公开的系统和方法进行了具体说明和描述，但是本领域技术人员将理解在不偏离本公开的精神和范围的情况下，对其可以做出各种形式和细节上的改变。本领域技术人员仅通过常规实验，便会意识到或能够确定这里具体描述的示范性实施例的许多等同物。打算将这些等同物包含在本公开的范围内。

Claims (7)

1.一种验证集装箱的装载物的方法，包括：

a)获得所述装载物的第一元素标记；

b)获得所述装载物的第二元素标记，其包括在所述集装箱已经被运输和/或存储之后确定的关于所述装载物的同位素或元素成分的信息，第二元素标记是至少部分地通过分析来自所述集装箱的所述装载物的非共振散射的光子的能谱而得出的有效原子序数测量来获得的；

c)比较第一元素标记和第二元素标记；以及

d)在第一元素标记和第二元素标记的比较通过预定测试时验证所述装载物，

其中第一元素标记包括至少部分地通过装载物的有效原子序数测量确定的信息。

2.一种用于分析集装箱的装载物的方法，包括：

a)获得所述装载物的第一元素标记；

b)获得所述装载物的第二元素标记，其包括在所述集装箱已经被运输和/或存储之后所述至少部分通过核共振荧光成像、有效原子序数测量、X-射线透射中的至少一种手段确定的关于所述装载物的同位素或元素成分的信息；

c)比较第一元素标记和第二元素标记；

其中在运输和/或存储过程中由传感器检测预定环境条件的发生，并且基于在运输和/或存储过程中对所述预定环境条件的检测，改变集装箱中装载物的空间分布，并且

其中第一元素标记和第二元素标记的比较检测所述装载物在运输和/或存储过程中是否经历了所述预定环境条件。

3.根据权利要求2所述的方法，其中预定环境条件为下降到预定值之下的温度或湿度。

4.根据权利要求2所述的方法，其中预定环境条件为高于预定值的温度或湿度。

5.根据权利要求2所述的方法，其中预定环境条件为下降到预定值之下的振动或加速度。

6.根据权利要求2所述的方法，其中预定环境条件为高于预定值的振动或加速度。

7.根据权利要求2所述的方法，其中预定环境条件为高于预定值的特定物质的存在。

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