DE69028205T2

DE69028205T2 - Nachweissystem für sprengstoffe mit mehreren fühlern

Info

Publication number: DE69028205T2
Application number: DE69028205T
Authority: DE
Inventors: Tsahi Gozani; Z Sawa; Patrick Shea
Original assignee: Science Applications International Corp SAIC
Current assignee: Rapiscan Systems Neutronics and Advanced Technologies Corp
Priority date: 1989-06-16
Filing date: 1990-06-15
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2010-06-16
Also published as: EP0476070A4; DE69028205D1; CA2060647C; US5078952A; CA2060647A1; EP0476070B1; AU6359090A; ATE141687T1; WO1990016072A1; EP0476070A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sprengstofferfassungssystem, welches zum Erfassen von Sprengstoffen in überprüftem Gepäck von Fluggesellschaften verwendet wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein auf der Kernphysik beruhendes Sprengstofferfassungssystem, welches genau zwischen Gepäckstücken mit und ohne Sprengstoffen unterscheidet, wie es im ersten Teil des Anspruchs 1 angegeben ist. Das System umfaßt, zusätzlich zu einer Neutronenquelle und einem Feld von Gammastrahlungsdetektoren, einen Neutronendetektor, Mittel zum Entfernen von Hintergrundrauschen in dem sich ergebenden Gammastrahlungsspektrum, ein Röntgenstrahlungssystem und ein künstliches Neuronensystem (ANS). Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Erfassen von Sprengstoffen in einem Objekt, wie es im ersten Teil des Anspruchs 10 beschrieben ist.
Es besteht ein großes Erfordernis zum Abtasten von Gepäck und anderen Paketen zur Erfassung von jeglichem explosiven Material, welches innerhalb derer Verpackung enthalten und verdeckt ist. Beispielsweise wird täglich eine große Anzahl an Gepäckstücken (schätzungsweise über 2 Millionen) überprüft und/oder durch nahezu siebenhundertundfünfzigtausend (750.000) Passagiere in sechshundert (600) Flughäfen, die im ganzen Land bestehen, in Flugzeuge getragen. Viele Gepäckstücke mehr bewegen sich durch die Poststationen oder werden in empfindliche Gebäude transportiert. Es besteht eine Möglichkeit, obgleich diese gering ist, daß irgendein Gepäckstück oder Paket explosives Material enthalten kann.
Es ist daher wünschenswert, die Öffentlichkeit durch Vorsehen von Erfassungssystemen zu schützen, um das Gepäck und Pakete abzutasten, um das Vorhandensein von irgendeinem explosiven Material zu erfassen.
Es folgt daraus, daß jedes System zum Überprüfen von Gepäck oder Paketstücken eine sehr hohe Erfassungswahrscheinlichkeit (PD) aufweisen muß, um effektiv zu sein. Aufgrund der großen Anzahl verarbeiteter Pakete ist für die Anwendbarkeit ein hoher Durchsatz erforderlich. Zusätzlich ist, aufgrund der großen Anzahl abgetasteter Gegenstände, jedes Erfassungssystem der Möglichkeit der Auslösung eines Fehlalarms unterworfen. Die Wahrscheinlichkeit dieser Fehlalarme (PFA) muß minimiert werden, um ein effektives Sprengstofferfassungssystem vorzusehen. Dies liegt daran, daß, wenn ein Alarm auftritt, es zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt ist, ob er richtig oder falsch ist. Dies bedeutet, daß jedesmal dann, wenn ein Alarm auftritt, ein Passagier oder ein Paketstück zur weiteren Untersuchung herausgenommen werden muß. Wenn Fehlalarme in beträchtlich hohem Ausmaß auftreten, dann ist das Belästigungsausmaß hoch, und die Verzögerungen könnten für die Öffentlichkeit unannehmbar sein. Es ist daher wichtig, daß jegliches Sprengstofferfassungssystem eine sehr hohe Erfassungswahrscheinlichkeit (hohe PD), eine hohe Durchsatzrate und gleichzeitig eine sehr geringe Fehlalarmwahrscheinlichkeit (geringe PFA) aufweisen muß. Diese sich widersprechenden Kriterien haben in der Vergangenheit die Anstrengungen, ein zuverlässiges und brauchbares System aufzubauen, behindert.
Im allgemeinen haben bekannte Systeme die gewünschten Kriterien einer hohen Erfassungswahrscheinlichkeit (PD) mit geringer Fehlalarmwahrscheinlichkeit (PFA) bei annehmbaren Durchsatzraten nicht erfüllt. Als ein Beispiel ist ein derartiges System des Stands der Technik in der US-A- 3 832 545 gezeigt.
Dieses Patent sieht ein System zur Erfassung von Stickstoff vor, welcher im allgemeinen in den zu erfassenden explosiven Materialien vorhanden ist. Wie in dem erwähnten Patent beschrieben, wird ein grobes zweidimensionales Profil des stickstoffgehalts innerhalb des untersuchten Objekts vorgesehen. Dieses Profil wird dann bei einem Versuch verwendet, zu bestimmen, ob explosive Materialien vorhanden sind. Unglücklicherweise ist jedoch aufgrund der Detektortypen, welche durch die in der US-A-3 832 545 beschriebene Erfindung verwendet werden (Flüssigkeits- oder Kunststoffszintillatoren) die Verarbeitung der Detektorsignale relativ langsam und mühsam, wodurch die Durchsatzrate beschränkt wird. Ferner ermöglicht die zweidimensionale Einschränkung, daß viele Materialien in dem untersuchten Objekt derart positioniert werden, daß sie nicht erfaßt werden, wodurch eine unannehmbar geringe PD vorgesehen wird.
Andere Typen von Sprengstofferfassungssystemen des Stands der Technik beruhen auf dem vorherigen durchsetzen von explosiven Materialien mit einem Spurmaterial, wie z.B. einem radioaktiven Spurmaterial. Obgleich dieser Systemtyp sehr hilfreich sein könnte, wenn alle explosiven Materialien mit derartigen Spurmaterialien hergestellt werden würden, ist, aufgrund der großen Anzahl an explosivem Material, welches bereits hergestellt worden ist, und aufgrund der Schwierigkeit, die Herstellung aller explosiven Materialien zu kontrollieren, so daß sie immer Spurmaterial enthalten, dieser Systemtyp nicht praktisch. Ein brauchbares System muß in der Lage sein, das Vorhandensein von explosivem Material eines herkömmlichen und eines nicht herkömmlichen Typs zu erfassen, das in einem Objekt entweder in seiner ursprünglich hergestellten Form enthalten oder in dem Objekt verteilt ist, um zu versuchen, das Erfassungssystem zu stören oder zu umgehen. Die Systeme des Stands der Technik haben diese verschiedenen Kriterien nicht erfüllt und können die gewünschte hohe Erfassungswahrscheinlichkeit mit der relativ geringen Erzeugung von Fehlalarmen nicht erzeugen.
Eine annehmbare Antwort auf die Sprengstoffgefahr bei der Luftfahrt, bei der Post oder beim Transport erfordert Erfassungstechniken, welche sehr empfindlich sind, spezifisch sind, schnell sind und nicht-eindringend sind. Dabei bietet die effiziente Erfassung von Stickstoff die beste Gesamtlösung, obgleich andere Elemente ebenso erfaßt werden könnten. Es ist daher wichtig, daß die Erfassung von Stickstoff vorgesehen ist, um die maximale Information über die physikalischen Parameter des Sprengstoffs vorzusehen, wie z.B. die Dichte und die räumliche Verteilung. Die Verwendung von auf der Kernphysik beruhenden Techniken, welche das Gepäck oder die Pakete thermischen Neutronen aussetzen, können die Basis eines Systems zum Erzeugen der gewünschten Ergebnisse sein, dieses System kann jedoch nicht auf den Techniken des Stands der Technik beruhen.
Ein derartiges System des Stands der Technik ist in der EP- A-0 295 429 offenbart, welche eine Einrichtung zum nichtinvasiven Erfassen von Schmuggelware in einem Objekt offenbart, wobei die Einrichtung Mittel zum Erzeugen thermischer Neutronen umfaßt, Mittel zum Bestrahlen des Objekts mit den thermischen Neutronen, wobei die Wechselwirkungen der thermischen Neutronen mit Atomkernen innerhalb des Objekts zu der Emission von Gammastrahlen führen, wobei die Gammastrahlen ein Energieniveau aufweisen, das für die in dem Objekt enthaltenen Kernspezien charakteristisch ist, Erfassungsmittel zum Erfassen von emittierten Gammastrahlen, welche ein Energieniveau aufweisen, das für wenigstens ein Element, wie z.B. Stickstoff, Chlor oder Wasserstoff, charakteristisch ist, und zum groben Bestimmen des Orts innerhalb des Objekts, von welchem die erfaßten Gammastrahlen herstammen, wobei die Erfassung der Gammastrahlen und ihres Quellenorts ein Maß der Dichteverteilung des wenigstens einen Elements in dem Objekt vorsehen.
Es ist wichtig, daß die Intensität, die Energie und die räumliche Verteilung der erfaßten Strahlen von dem untersuchten Objekt in einer Art und Weise vorgesehen werden, die hilft, das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein von Sprengstoffen zu bestimmen; dies ist bis jetzt noch nicht erreicht worden.
Zusätzlich zu hohen Erfassungsempfindlichkeiten und wenigen Fehlalarmen sollte die Erfassung von Sprengstoff unabhängig von der spezifischen Konfiguration sein und muß nichteindringend sein, um die Privatsphäre zu schützen. Die Erfassungsausrüstung muß selbstverständlich unschädlich für die Inhalte der überprüften Gegenstände und für das Betriebspersonal und die Umgebung sein. Weitere mehr allgemeine Kriterien sind, daß das System zuverlässig sein muß, leicht gewartet und durch relativ ungeübtes Personal betrieben werden kann und daß die Kosten nieder genug sein müssen, so daß es für Fluggesellschaften und Flughäfen keine Belastung ist. Schließlich ist es wünschenswert, daß, wenn alle anderen Erfordernisse erfüllt sind, die Größe des Systems relativ klein ist, so daß das System in einer Vielzahl von Umgebungen gebraucht werden kann.
Zusätzlich zu den auf der Kernphysik beruhenden Systemen, welche vorangehend beschrieben worden sind, sind ferner nicht auf der Kernphysik beruhende Systeme untersucht worden. Diese Systeme haben gelegentlich relativ hohe Erfassungseffizienzen für einige Typen von Sprengstoffen erzielt, sie weisen jedoch im allgemeinen relativ hohe Fehlalarmraten auf und haben hohe Abtastzeiten. Diese Typen von Nicht-Kernphysik-Systemen können selbst die gewünschten Ergebnisse daher nicht erzielen. Einige Merkmale derartiger Nicht-Kernphysik-Systeme können jedoch in vorteilhafter Weise mit einem Kernphysik-System, wie es hier beschrieben ist, kombiniert werden, um die gesamten Erfassungsfähigkeiten des Systems signifikant zu verbessern.
Um ein geeignetes Sprengstofferfassungssystem zu entwikkeln, ist ein Verständnis der Eigenschaften der verschiedenen Sprengstoffe, welche für die zu verwendenden spezifischen Techniken relevant sind, erforderlich. Obgleich eine große Anzahl an Sprengstofftypen existiert, ist eine allgemeine Klassifizierung in sechs Hauptgruppen mit kleinen Variationen vorgeschlagen worden. Das vorgeschlagene Klassifizierungsschema umfaßt die folgenden Sprengstofftypen: (1) Auf Nitroglyzerin basierende Dynamite, (2) auf Ammoniumnitrat basierende Dynamite, (3) Militärsprengstoffe, (4) selbstgemachte Sprengstoffe, (5) Pulver geringer Ordnung und (6) Sprengstoffe für spezielle Zwecke.
Im allgemeinen enthalten alle diese Sprengstofftypen eine relativ hohe Stickstoffmenge, die von neun bis fünfunddreißig Gewichtsprozent reicht. Die nominelle Dichte dieser Sprengstoffe liegt typischerweise bei 1,6 g/cm³, wobei der Bereich von 1,25 bis 2 g/cm³ oder mehr reicht. Diese physikalischen Eigenschaften zeigen, daß die einheitlichste Kennzeichnung von Sprengstoff die hohe Konzentration und Dichte des Stickstoffgehalts ist. Ferner kann das Vorhandensein anderer Elemente in Verbindung mit dem Vorhandensein von Stickstoff in Betracht gezogen werden. Physikalische Faktoren können ebenso zum Identifizieren von Sprengstoff hilfreich sein. Ein physikalischer Faktor ist beispielsweise eine minimale Ausbreitungsdicke oder ein minimaler Durchmesser, bei dem die meisten Sprengstoffe effektiv sind. Die minimale Ausbreitungsdicke erfordert einen meßbaren naheligenden Körper von Sprengstoffen in den anderen beiden Dimensionen. Diese Information ist hilfreich bei der Erfassung von Sprengstoffen, ohne daß eine bestimmte Annahme über die tatsächliche Form des Sprengstoffs gemacht wird.
Man kann daher erkennen, daß eine auf der Kernphysik beruhende Erfassungstechnik eine Erfassung des Stickstoffgehalts vorsehen kann, welcher Stickstoffgehalt eine Anzeige bezüglich des Vorhandenseins eines Sprengstoffs vorsehen kann. Das häufige Auftreten von Stickstoff in nicht explosiven Materialien beschränkt jedoch das Niveau der Erfassungsempfindlichkeit, und das alleinige Erfassen des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Stickstoff ist im allgemeinen nicht ausreichend. Daher ist über das einfache Erfassen des Vorhandenseins von Stickstoff hinaus zusätzliche Information erforderlich. Die vorliegende Erfindung sieht diese zusätzliche Information vor.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Einrichtung zum nichtinvasiven Erfassen von Schmuggelware in einem Objekt vor, wobei die Vorrichtung umfaßt: Mittel zum Erzeugen thermischer Neutronen, Mittel zum Bestrahlen des Objekts mit den thermischen Neutronen, wobei die Wechselwirkungen der thermischen Neutronen mit Atomkernen innerhalb des Objekts zur Emission von Gammastrahlen führen, wobei die Gammastrahlen ein Energieniveau aufweisen, das für die in dem Objekt enthaltene Kernspezies charakteristisch ist, Erfassungsmittel zum Erfassen emittierter Gammastrahlen, welche ein Energieniveau aufweisen, das für wenigstens ein Element charakteristisch ist, und zum groben Bestimmen des Orts innerhalb des Objekts, von welchem die erfaßten Gammastrahlen herstammen, wobei die Erfassung der Gammastrahlen und deren Quellenort somit ein Maß für die Dichteverteilung des wenigstens einen Elements in dem Objekt vorsehen, gekennzeichnet durch parallel verteilte Verarbeitungsmittel, welche auf die Erfassungsmittel ansprechen zum Erkennen eines Musters erfaßter Gammastrahlen, welches für einen bestimmten Typ von Schmuggelware bezeichnend ist, Abbildungsmittel, welche auf die Erfassungsmittel ansprechen zum Erzeugen eines Dichtebilds des wenigstens einen Elements innerhalb des Objekts, Röntgenstrahlungsmittel zum Erzeugen von wenigstens einem zweidimensionalen Elektronendichtebild des Objekts und Mittel zum Kombinieren des Dichtebilds des wenigstens einen Elements und des Elektronendichtebilds, um zu bestimmen, ob das kombinierte Bild das Vorhandensein von Schmuggelware innerhalb des Objekts anzeigt.
Die vorliegende Erfindung sieht ferner ein Verfahren zum Erfassen von Sprengstoffen in einem Objekt vor, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
a) Bestrahlen wenigstens eines Objekts, das unbekannte Materialien enthält, mit thermischen Neutronen, die eine ausreichende Energie und Konzentration aufweisen, um die Wandungen des Objekts zu durchdringen, um in den Materialien innerhalb des Objekts absorbiert zu werden, wobei die Wechselwirkungen der thermischen Neutronen mit Atomkernen innerhalb des Objekts zur Emission von Gammastrahlen führen, wobei die Gammastrahlen ein Energieniveau aufweisen, das für die in dem Objekt enthaltene Kernspezies charakteristisch ist,
b) Erfassen und Aufzeichnen der Anzahl an Gammastrahlen, welche ein bestimmtes Energieniveau aufweisen, die von den Materialien in dem Objekt als ein Ergebnis der Neutronenbombardierung des Schritts a) emittiert werden, wobei das bestimmte Energieniveau der Gammastrahlen für wenigstens ein Element charakteristisch ist,
gekennzeichnet durch die Schritte:
c) Erkennen eines Musters von erfaßten Gammastrahlen, das für einen bestimmten Typ von Schmuggelware bezeichnend ist,
d) Erzeugen wenigstens eines zweidimensionalen Elektronendichtebildes des Objekts, und
e) Kombinieren des Dichtebilds des wenigstens einen Elements und des Elektronendichtebilds, um zu bestimmen, ob das kombinierte Bild das Vorhandensein von Schmuggelware in dem Objekt anzeigt.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben spezielle Ausgestaltungen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung kann somit ein auf der Kernphysik beruhendes Erfassungssystem und Verfahren vorsehen, welches Schmuggelware, wie z.B. Sprengstoffe, in überprüftem Fluggesellschaftsgepäck oder anderen Paketen mit einer hohen Erfassungswahrscheinlichkeit (PD) und einer geringen Fehlalarmwahrscheinlichkeit (PFA) effizient erfaßt. Das Erfassungssystem kombiniert vorteilhafterweise verschiedene Erfassungskriterien, um die Geschwindigkeit und das Vermögen, mit welchem das Erfassungssystem in der Lage ist, zwischen Objekten (Paketen, Koffern, Gepäckstücken, etc.) mit Sprengstoffen und Objekten ohne Sprengstoffen zu unterscheiden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein hoher Gehalt und eine hohe Konzentration von Stickstoff in einem untersuchten Objekt sichergestellt. Der Gehalt und die Konzentration von anderen Elementen in Verbindung mit Stickstoff wird ferner wahlweise verwendet. Dafür wird die thermische Neutronen-Aktivierung (TNA) verwendet, um das Objekt in ein Bad aus thermischen Neutronen einzutauchen, welche Neutronen mit den Atomkernen wechselwirken und eine prompte Emission von Gammastrahlen bewirken. Wenn Stickstoff vorhanden ist, dann weisen die Gammastrahlen eine einzige Energie auf (10,8 MeV). Wenn andere vorgeschriebene Elemente vorhanden sind, dann haben die Gammastrahlen andere bekannte Energien. Das Vorhandensein derartiger für Stickstoff spezifischer (oder für andere Elemente spezifischer) Gammastrahlen umfaßt somit eine "Signatur" eines Sprengstoffs. Eine Hauptfunktion der vorliegenden Erfindung ist es somit, derartige für Stickstoff spezifische (oder für andere Elemente spezifische) Gammastrahlen zu erfassen.
Um die höchstmögliche Stickstoffempfindlichkeit zu erhalten, sieht das Erfassungsschema einer Ausführungsform die höchstmögliche Zählrate von Gammastrahlen aufgrund von Stickstoff mit einem möglichst geringen Hintergrund (von Gammastrahlen, die nicht von Stickstoff herrühren) vor. Dies wird durch Verwendung eines geeignet gestalteten Detektorfelds erreicht, das das untersuchte Objekt umgibt, wenn dieses in das thermische Neutronenbad eingetaucht wird, und durch geeignete Signalverarbeitungstechniken, um die Gammastrahlenzählungen durchzuführen. Die 10,8 MeV Gammastrahlenzählrate von jedem Detektor innerhalb des Felds wird dann mit einem geeigneten Rekonstruktionsalgorithmus kombiniert, um ein grobes zwei- oder dreidimensionales Bild des Stickstoff enthaltenden Materials innerhalb des Objekts zu ergeben. Das grobe Bild hilft zum Identifizieren von Sprengstoffen, da es ein grobes Maß der Stickstoffdichte vorsieht. (Dieses Dichtemaß ist aufgrund der praktischen Größen von Gammadetektoren und der großen Detektoren inhärent grob.)
Die vorliegende Erfindung erhöht gemäß einer Ausführungsform derselben die räumliche Auflösung des Stickstoffbildes (und verbessert somit das Maß der Stickstoffdichte) durch Korrelieren des Gammastrahlenbildes mit geringer Auflösung mit einem zweidimensionalen Dichtebild mit hoher Auflösung, welches durch Verwendung von Röntgenstrahlungsradiografie erhalten wird. Diese Technik verbessert die Erfassung von Sprengstoffen, da Sprengstoffe im allgemeinen eine hohe physikalische Dichte sowie einen hohen Stickstoffgehalt aufweisen. Vorteilhafterweise sind die Auflösung und die Präzision, die unter Verwendung derartiger bekannter und untersuchter Röntgenstrahlungssysteme erhalten werden, weitaus besser als diejenigen, welche auf Neutronen beruhende Systeme vorsehen können. Somit wird durch Korrelieren des groben (jedoch sehr stickstoffspezifischen) Bildes, das von dem Gammastrahlendetektor erhalten wird, mit dem Bild mit hoher räumlicher Auflösung (jedoch nicht stickstoffspezifisch), das von dem Röntgenstrahlungsradiografiesystem geliefert wird, ein sehr viel gehaltvolleres Bild von dichten, Stickstoff enthaltenden Materialien in dem untersuchten Objekt erhalten.
Die Kombination der Gamma- und Röntgen-Bilderzeugung sieht vorteilhafterweise verbesserte Merkmale vor, die keine alleine vorsehen kann. Wenn beispielsweise ein Röntgenstrahlungsbild eines untersuchten Objekts während eines On- Line-Betriebs das Vorhandensein eines Gegenstands anzeigt, der Sprengstoff sein könnte, dann kann das kombinierte Bild des Objekts dem Betriebspersonal, das für das Erfassen derartiger Sprengstoffe verantwortlich ist, vorgelegt werden. Das Gammastrahlenbild kann dann dazu verwendet werden, das Röntgenstrahlungsbild zu "färben", so daß der Sprengstoff leicht aus anderen, in dem Röntgenstrahlungsbild zu sehenden Gegenständen herausgegriffen werden kann. Die Form des Sprengstoffs kann ebenso mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden, wodurch der Transport von Sprengstoffen, wie z.B. Munition, wenn diese deklariert ist, möglich wird, um zu bestätigen, daß nur Sprengstoffe in geeigneter Form vorhanden sind.
Eine weitere Ausführungsform des verbesserten Sprengstofferfassungssystems der vorliegenden Erfindung umfaßt die Verwendung eines Elektronendetektors. Der Neutronendetektor ermöglicht vorteilhafterweise, daß der Neutronenfluß gemessen wird, welcher Neutronenfluß ein weiteres Mittel zum Erhalten einer Dichteinformation betreffend die Inhalte des untersuchten Objekts vorsieht. D.h., durch Zählen der Anzahl an Elektronen, welche in der Lage sind, durch das Objekt hindurchzugehen, ohne mit den Atomkernen wechselzuwirken, entsprechend dem, was in der herkömmlichen Neutronenradiografie durchgeführt wird, wird ein weiteres Dichtemaß der in dem Objekt enthaltenen Elemente erhalten. Diese zusätzliche Information verbessert das Bildauflösungsvermögen des Systems weiter.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt Mittel zum Verbessern der Art und Weise, in welcher die Gammastrahlungszählsignale verarbeitet werden, und insbesondere der Art und Weise, in welcher Hintergrundrauschen (Gammastrahlungszählwerte aufgrund von Nicht-Stickstoffelementen) von den gemessenen Gammastrahlungsspektren entfernt wird. Gemäß dieser Technik wird das Hintergrundrauschen an einem Punkt des Gammastrahlungsspektrums gemessen, geeignet gewichtet und von dem Gammastrahlungsspektrum an dem interessanten Punkt subtrahiert, z.B. 10,8 MeV, um Hintergrundrauschen von dem interessanten Punkt zu entfernen. Diese Technik der Hintergrundsubtrakiton wird nachfolgend als das "spektrale Korrelationsverfahren" (SCM) bezeichnet.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Verwendung eines künstlichen Neuronensystems (ANS), eine Form einer parallel verteilten Verarbeitungstechnik, um die Geschwindigkeit und das Vermögen, mit welchem das System in der Lage ist, Objekte mit Sprengstoffen von Objekten ohne Sprengstoffen zu unterscheiden, zu verbessern.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht ein auf der TNA beruhendes Sprengstofferfassungssystem vor, welches verschiedene Kombinationen der folgenden Verbesserungen umfaßt: (1) Ein Röntgenstrahlungssystem, (2) einen Neutronendetektor, (3) Mittel zum Verwenden einer SCM- oder einer äquivalenten Technik, um Hintergrundrauschen von den Gammastrahlungsspektren zu entfernen, und/oder (4) ein ANS, um die Geschwindigkeit und die Genauigkeit zu verbessern, mit welchen die Entscheidung, betreffend das Vorhandensein von Sprengstoffen, durchgeführt wird.
Im Betrieb funktioniert eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie folgt: Neutronen von einer Neutronenquelle werden auf ein untersuchtes Objekt gerichtet. Die Neutronen sind von ausreichend hoher Energie, so daß sie leicht in das zu untersuchende Objekt eindringen, z.B. durch die Wandungen oder Seiten der Pakete oder Gepäckstücke. Diese Neutronen werden durch die Atomkerne der Elemente, welche die in dem untersuchten Objekt enthaltenden Materialien bilden, absorbiert oder wechselwirken mit diesen. Verschiedene Elemente emittieren Gammastrahlen bei verschiedenen charakteristischen Energieniveaus nach einer derartigen Neutronenabsorption oder Wechselwirkung (wie bei der Fluoreszenz). Beispielsweise weisen Gammastrahlen, welche von Stickstoff emittiert werden, ein anderes charakteristisches Energieniveau auf, als Gammastrahlen, welche von Sauerstoff oder Kohlenstoff bei der gleichen Neutronenbestrahlung emittiert werden. Die emittierten Gammastrahlen weisen eine Energie auf, die hoch genug ist, daß diese leicht die Wandungen des untersuchten Objekts durchdringen. Ein geeignetes Detektorfeld ist derart positioniert, daß es das Objekt, wenn dieses untersucht wird, effektiv umgibt. Dieses Detektorfeld fängt die emittierten Gammastrahlen auf und zeichnet die Anzahl der Gammastrahlen (d.h. Zählungen der Gammastrahlen) auf, die bei einer ausgewählten charakteristischen Energie beobachtet werden (beispielsweise 10,8 MeV, entsprechend Stickstoff). Die Anzahl von Gammastrahlen mit einer bestimmten charakteristischen Energie (der Gammastrahlenzählwert), welche durch einen bestimmten Detektor erfaßt wird, hängt von der Menge des Elements, das in dem untersuchten Material vorhanden ist, von dem Ort des Elements innerhalb des untersuchten Pakets, von der Anzahl der vorhandenen Neutronen (der Neutronenkonzentration) und von der Wahrscheinlichkeit, daß das Element ein Neutron einfängt und Gammastrahlen emittiert, ab. Da die Anzahl der vorhandenen Neutronen bekannt ist (oder gemessen werden kann, welche Messung durch die Verwendung des Neutronendetektors ermöglicht wird), und da die Wahrscheinlichkeit, daß das Element ein Neutron einfangen wird und Gammastrahlen emittiert, für jedes Element eine bekannte Konstante ist, sieht eine Analyse der aufgezeichneten Gammastrahlen mit ausgewählter Energie, ebenso wie der durch den Neutronendetektor gemessene Neutronenfluß, somit eine Information zum Bestimmen der Menge jedes Elements und seines Orts innerhalb des untersuchten Materials vor. Diese Bestimmung führt wiederum zu einer Anzeige, ob ein explosives Material in dem untersuchten Objekt vorhanden ist.
Vorteilhafterweise wird sogar eine genauere Zählung der von Stickstoff emittierten Gammastrahlen (d.h. Gammastrahlen mit 10,8 MeV) möglich gemacht, in dem effektiv das Hintergrundrauschen von den Gammastrahlenspektren bei 10,8 MeV unter Verwendung des spektralen Korrelationsverfahrens (SCM), welches hier beschrieben ist, entfernt wird.
Die Bestimmung, ob ein explosives Material in dem Objekt vorhanden ist, kann ebenso deutlich vereinfacht werden, wobei die Erfassungswahrscheinlichkeit (PD) erhöht wird, während die Fehlalarmwahrscheinlichkeit (PFA) bei einem annehmbaren geringen Niveau gehalten wird, indem das ANS- System verwendet wird. Das ANS-System verarbeitet effizient die aufgezeichneten Daten von allen Detektoren innerhalb des Detektorfelds parallel. Ferner erfordert das ANS-System, im Gegensatz zur herkömmlichen statistischen Unterscheidungsanalyse (welche ebenso dazu verwendet werden kann, um eine Sprengstoff/Nicht-Sprengstoff-Entscheidung durchzuführen), keine komplexen und arbeitsintensiven Kalibrierprozeduren. Statt dessen lernt durch die Verwendung von ANS das Erfassungssystem, explosive Materialien zu erfassen, indem ihm einfach repräsentative Beispiele von Objekten präsentiert werden, welche explosive Materialien enthalten. Ein derartiges System weist nicht nur eine Geschwindigkeit auf, welche höher ist als bei bekannten Erfassungssystemen, sondern ist ebenso besser an sich ändernde Umstände anpaßbar Beispielsweise kann das System theoretisch dazu verwendet werden, andere Materialien als explosive Materialien, z.B. Schmuggelware, zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung umfaßt in einer Ausführungsform eine spezifische Anordnung eines Typs von Detektoren, welche bezüglich einer Quelle thermischer Neutronen positioniert sind, um die Anzahl an Gammastrahlen zu zählen, um eine geeignete Information vorzusehen, die zum Sicherstellen des Vorhandenseins und der Dichteverteilung von Stickstoff erforderlich ist. Die Information kann dann einfach durch das Erfassungssystem analysiert werden, um das mögliche Vorhandensein einer Sprengstoffgefahr anzuzeigen. Eine hohe Zählrate von erfaßten Gammastrahlen einer bestimmten Energie zeigt beispielsweise sofort das Vorhandensein einer großen Stickstoffmenge an. Das ANS kann dann mit einer hohen PD schnell bestimmen, ob das Vorhandensein von Stickstoff das Vorhandensein eines explosiven Materials anzeigt, oder ob es das Vorhandensein eines anderen stickstoffreichen Materials anzeigt. Vorteilhafterweise ist mit dem ANS das System einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner in der Lage, Sprengstoffe in unkonventionellen Konfigurationen zu erfassen, während die Anzahl an Fehlalarmen bei einem relativ geringen Niveau gehalten wird. Die Detektorsysteme des Stands der Technik können im Gegensatz dazu, während sie eine grobe Erfassung von Sprengstoffen vorsehen, keine empfindlichere Erfassung der unkonventionellen Sprengstoffkonfigurationen mit einem relativ geringen Betrag an Fehlalarmen vorsehen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Sprengstofferfassungssystems der vorliegenden Erfindung umfaßt die Verwendung von effizienten anorganischen Szintillatoren, welche in der Lage sind, nahe beieinanderliegende energiereiche Gammastrahlungslinien aufzulösen. Insbesondere werden Natriumiodid-Szintillatoren zum Vorsehen der Erfassung verwendet. Es wird darauf hingewiesen, daß jedoch andere anorganische Szintillatoren, wie z.B. Zäsiumiodid, Wismuthgermanat- und Bariumfluorid-Szintillatoren, ebenso verwendet werden können. Zusätzlich können anorganische Festkörperdetektoren, wie z.B. lithiumgedriftetes Germanium, hochreines Germanium oder Quecksilberiodid verwendet werden.
Die anorganischen Szintillatoren einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind dazu eingerichtet, wenigstens einen Ring von Detektoren zu bilden, um eine Erfassung einer Mehrzahl von Schnitten oder parallelen aufeinanderfolgenden Ebenen des untersuchten Objekts vorzusehen, wenn das Objekt kontinuierlich durch den Ring von Detektoren bewegt wird. In einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist dieser Ring in Sätze von C-Ringen unterbrochen, und um eine bessere dreidimensionale Wiedergabe vorzusehen, können zwei zueinander im Abstand angeordnete C-Ringdetektoren verwendet werden, wobei die offenen Enden der C-Ringe zuemanderweisen, um eine das Objekt vollständig umgebende Erfassung zu erzeugen, wobei die Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Ebenen ein dreidimensionales Profil des untersuchten Objekts ergibt. Diese Ringe müssen nicht alle in der gleichen Ebene liegen, ferner müssen sie nicht gleich geformt sein.
Die in dem Detektorfeld einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthaltenen Detektoren können einen oder mehrere Neutronendetektoren umfassen. Ein derartiger Neutronendetektor (Detektoren) ist typischerweise in Abstand von dem C-Ringfeld von Gammastrahlendetektoren angeordnet. Jeder Detektor ist mit einer geeigneten Verarbeitungsschaltung gekoppelt. Diese Verarbeitungsschaltung kann ein künstliches Neuronensystem (ANS) umfassen. Das ANS ermöglicht, daß die Signale von jedem Detektor in einem parallel verteilten Verarbeitungsschema verarbeitet werden, welches eine sehr schnelle und dennoch genaue Analyse des vollständigen Datensatzes vorsieht. Tatsächlich lernt das ANS und erkennt Merkmale in den Detektorbeobachtungen und erzeugt automatisch Klassifizierungskriterien. Das ANS hat die Fähigkeit, Muster zu lernen und Objekte beruhend auf diesen Mustern zu klassifizieren. Dieses Lernvermögen ist vorteilhafterweise ein inhärentes Merkmal des ANS und erfordert nicht das Programmieren oder eine Algorithmusentwicklung. Das ANS braucht lediglich Beispiele, von welchen es lernen kann.
Das System einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ferner in der Lage, einen kontinuierlichen Strom von Objekten abzutasten, wie z.B. Gepäckstücke und Pakete, die auf einem Förderband getragen sind. Zusätzlich kann der Betrieb des Systems vollständig automatisch sein, so daß das System nicht von der Erfahrung oder dem Interprätationsvermögen eines Bedieners abhängt, wodurch eine automatische Erfassung von Sprengstoffen vorgesehen ist.
Es ist ein Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Sprengstofferfassungssystem vorzusehen, welches kontinuierlich Objekte bezüglich explosiver Materialien mit einer annehmbaren Durchsatzrate untersuchen kann, z.B. nicht geringer als näherungsweise ein Objekt alle sechs Sekunden.
Es ist ein Merkmal einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, ein derartiges Erfassungssystem vorzusehen, welches Film- oder magnetische Aufzeichnungsmedien nicht beschädigt.
Ein Merkmal einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, ein Erfassungssystem vorzusehen, welches eine hohe PD und eine annehmbar geringe PFA aufweist, und das ein Alarmsignal vorsieht, das das mögliche Vorhandensein eines Sprengstoffs in einem bestimmten Objekt anzeigt, bevor das Objekt das System verläßt.
Es ist ein Merkmal einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, ein Sprengstofferfassungssystem vorzusehen, in welchem komplexe und arbeitsintensive Kalibrierprozeduren minimiert werden können, wodurch es möglich wird, das System schnell zu installieren und leicht zu betreiben.
Ein Merkmal einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es, ein Stickstoffbild des untersuchten Objekts vorzusehen. In einer Ausführungsform kann die räumliche Auflösung des Stickstoffbildes durch die Verwendung von Röntgenstrahlungsradiografie beträchtlich verbessert werden.
Ein Merkmal einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ermöglicht ferner, daß Hintergrundrauschen bei einem spezifischen Punkt des Gammastrahlenspektrums entfernt wird, wodurch die Empfindlichkeit des Systems zur Erfassung von Gammastrahlen bei dem spezifischen Punkt deutlich verbessert wird.
Es ist ein Merkmal einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, daß zusätzliche Elemente, wie z.B. Wasserstoff, Chlor, in dem untersuchten Objekt identifiziert werden können, und aus der Identifizierung kann eine bessere Unterscheidung von Schmuggelware, z.B. Sprengstoffen oder Drogen, erhalten werden.
Ein Merkmal einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ermöglicht, daß das Erfassungssystem Muster von Proben lernt und Objekte beruhend auf diesen gelernten Mustern klassifiziert, ohne einem Erfordernis des Programmierens oder der Entwicklung von Algorithem.
Es ist ein weiteres Merkmal einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, ein Erfassungssystem vorzusehen, welches leicht zum Erfassen einer großen Vielzahl verschiedener Typen von Sprengstoffen oder anderen Materalien anpaßbar ist und/oder sich selbst im Falle einer falschen Klassifizierung eines bestimmten Objekts schnell korrigieren kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines auf der Kernphysik beruhenden Sprengstofferfassungssystems ist;
Fig. 2A eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Gepäck- oder Paketinspektionssystems darstellt;
Fig. 2B das System der Fig. 1 darstellt, wobei ein Abschirmungsabschnitt des Systems entfernt ist;
Fig. 3 eine mögliche Anordnung eines Förderwegs für das System darstellt, wobei die Positionierung eines Paars von thermischen Neutronenquellen und Sätzen von anorganischen Szintillatordetektoren, umfassend ein C-Ringdetektorfeld, gezeigt ist;
Fig. 4 ein Blockdiagramm des Systems ist, welches die Erfassung von bestimmten Gammastrahlen zeigt, die bei der Erfassung von explosivem Material verwendet werden, wobei Wellenformen (a), (b) und (c) in Fig. 4 für die Signale bei bestimmten Punkten in dem System repräsentativ sind;
Fig. 5(a), (b) und (c) typische räumliche Profile einer Stickstoffkonzentration für explosive und nichtexplosive Materialien darstellen;
Fig. 6 ein typisches thermisches Neutronenaktivierungs- Gammaspektrum darstellt und ferner die Art und Weise darstellt, in welcher Hintergrundrauschen von einem Bereich des Spektrums von einem anderen Bereich des Spektrums subtrahiert wird, um Hintergrundrauschen zu entfernen;
Fig. 7 schematisch das Neutronenerfassungssystem einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, das mit einem Röntgenstrahlungssystem kombiniert ist;
Fig. 8 ein dreischichtiges Rückausbreitungsnetzwerk eines bevorzugten ANS zeigt, das beim Analysieren der Detektordaten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Zwecke der Klassifizierung, ob das untersuchte Objekt Sprengstoffe enthält, verwendet werden kann;
Fig. 9 ein Graph ist, der die Erfassungswahrscheinlichkeit und die Fehlalarmwahrscheinlichkeit, die mit einem Sprengstofferfassungssystem, das eine ANS- Analyse der Detektordaten verwendet, gegenüber einem Sprengstofferfassungssystem, das eine herkömmlichere Unterscheidungsanalyse der Detektordaten verwendet, vergleicht.
Wenn man sich zunächst der Fig. 1 zuwendet, so ist dort ein vereinfachtes schematisches Diagramm des auf der Kernphysik beruhenden Sprengstofferfassungssystems 100 dargestellt. Das System umfaßt eine radioaktive Quelle 101, die thermische Neutronen 106 emittiert. Die thermische Neutronenquelle 102 kann eine Düse 104 oder eine ähnliche Struktur verwenden, welche die Neutronen 106 in Richtung des untersuchten Objekts richtet, wie z.B. ein Gepäckstück 108, um das Gepäckstück und seine Inhalte mit Neutronen zu bestrahlen und zu durchdringen. In einem explosiven Material 110, das in dem Gepäckstück 108 angeordnet ist, enthaltener Stickstoff wechselwirkt mit der Neutronenstrahlung und emittiert prompte Gammastrahlen 112 mit einem bestimmten Energieniveau. Nicht explosive Materialien innerhalb des Gepäcks können andere Elemente aufweisen, die ebenso mit der Neutronenstrahlung wechselwirken; die von derartigen anderen Elementen emittierten Gammastrahlen weisen jedoch eine andere Energie auf, als diejenigen von Stickstoff. Die Anzahl und die Energie von Gammastrahlen werden in einem Detektor 114 gemessen, welcher Detektor ein geeignetes Ausgangssignal für jeden empfangenen Gammastrahl bei einer bestimmten Energie erzeugt. Ein Computer 116 überwacht die Ausgabe des Detektors 114, und nach einer geeigneten Signalverarbeitung erzeugt dieser eine Bestimmung, ob explosives Material in dem Gepäckstück vorhanden ist. Wenn ja, dann ertönt ein Alarm 118, oder wird in anderer Weise erzeugt (z.B. visuell), welcher Alarm das Betriebspersonal alarmariert, daß explosives Material 110 innerhalb des Gepäckstücks vorhanden sein kann, so daß geeignete Maßnahmen ergriffen werden können. Derartige Maßnahmen können beispielsweise das automatische Aussortieren des verdächtigen Gepäckstücks von den anderen Gepäckstücken umfassen, so daß eine ausgedehnte manuelle oder anderweitige Durchsuchung des Gepäckstücks und seiner Inhalte durchgeführt werden kann.
Wie in Fig. 2A gezeigt, umfaßt ein Typ eines Sprengstofferfassungssystem 110 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Ladestation 12 (welche aus einer Waage zum Wiegen des Gepäcks bestehen kann) und eine Entladestation 14 (welche aus einem Aussortierer bestehen kann zum Trennen des alarmierenden Gepäckstücks von dem Rest). Die Ladestation führt zu einem kontinuierlichen Förderband 16, welches sich von der Ladestation 12 zur Entladestation. 16 erstreckt und eine kontinuierliche Bewegung aufweist, wie durch die Pfeile 18 gezeigt. Eine zentrale Abschirmungsstruktur 20 umschließt das Sprengstofferfassungssystem, wobei zwei externe Flügelabschnitte 22, 24 sich von der zentralen Struktur 20 zum Umschließen des Förderbands 16 erstrecken, das von und zu der Lade- und der Entladestation 12, 14 führt.
Wie man in Fig. 2B erkennen kann, in der die Abschirmungen 20, 22 und 24 entfernt sind, ist das Sprengstofferfassungssystem über einem zentralen Abschnitt des Förderbands 16 angeordnet. Insbesondere umfaßt das Sprengstofferfassungssystem eine Hohlraumstruktur 26, durch welche das Förderband 16 hindurchläuft Wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt, können verschiedene Gepäckstücke oder Pakete auf der Ladestation 12 positioniert werden und können dann durch den Hohlraum 16 zu der Entladestation 14 durch das Förderband 16 getragen werden.
Der Hohlraum ist durch externe Wandungselemente gebildet, umfassend eine obere Wandung 28, Seitenwandungen 30 und 31 und eine Bodenwandung (nicht gezeigt), welche unter dem Förderband 16 positioniert ist. Durch die Wandungselemente erstrecken sich thermische Neutronenquellen hindurch, wie z.B. eine Quelle 32, welche an der Oberseite des Hohlraums positioniert ist, und, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Neutronenquelle 34, welche von der Neutronenquelle 32 im Abstand angeordnet ist und an der Unterseite des Hohlraums positioniert ist. Wie in den Fig. 2 und 3 ferner gezeigt, sind Detektorstrukturen derart positioniert, daß sie C-Ringe von Detektoren bilden, deren offene Enden den Neutronenquellen gegenüberliegen. Dies kann man in Fig. 3 erkennen, worin die seitlichen Detektorstrukturen 36 und 38 zusammen mit der unteren Detektorstruktur 40 der Neutronenquelle 32 zugeordnet sind. In gleicher Weise sind seitliche Detektorstrukturen 42 und 44 zusammen mit der oberen Detektorstruktur 46 der Neutronenquelle 34 zugeordnet.
Wie in Fig. 3 gezeigt, können die seitlichen Detektorstrukturen mit zwei Sätzen von vier Detektoren versehen sein, die jeweils in den seitlichen Detektorstrukturen 36 und 38 angeordnet sind. Die untere Detektorstruktur 40 umfaßt zwei Sätze von sieben Detektoren. Die der Neutronenquelle 34 zugeordneten Detektoren umfassen in gleicher Weise zwei Sätze von vier Detektoren&sub1; die in jeder seitlichen Detektorstruktur 42 und 44 angeordnet sind, und zwei Sätze von sieben Detektoren, die in der oberen Detektorstruktur 46 angeordnet sind. Die der Neutronenquelle 32 zugeordneten Detektoren bilden daher einen C-Ring von Detektoren, wobei ein offener Abschnitt des C nach oben weist. In entgegengesetzter Art und Weise bilden die der Neutronenquelle 34 zugeordneten Detektoren einen C-Ring, wobei ein offener Abschnitt des C nach unten weist. Die Kombination der beiden Sätze von C-Ringdetektoren sieht daher die Erfassung eines vollständigen Rings um das untersuchte Objekt herum vor, um ein besseres dreidimensionales Bild der Stickstoffverteilung innerhalb jedes bestimmten Objekts vorzusehen, das durch die beiden Sätze von Detektoren hindurchläuft
Obgleich die Erfindung mit Bezug auf die Verwendung von zwei C-Ringdetektorstrukturen beschrieben wird, wobei jeder C-Ring zwei Sätze von parallelen Reihen und Spalten von Detektoren umfaßt, wird darauf hingeweisen, daß nur eine einzige C-Ringstruktur mit nur einer einzigen Reihe und Spalte von Detektoren verwendet werden kann. Die Verwendung von zusätzlichen parallelen Sätzen von Detektoren verbessert eine Sichtbarmachung des Profils der Stickstoffkonzentration, ein einfacheres System könnte jedoch mit einem einzigen C-Ring und einer einzigen Reihe und Spalte von Detektoren verwendet werden. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß mehr oder weniger Detektoren verwendet werden können. Es könnte ebenso ein vollständiger oder ein Teilring von Detektoren außerhalb der Ebene der Quelle um den Hohlraum herum angeordnet werden.
Die tatsächliche Struktur der Neutronenquelle und ihre Umgebung, wie z.B. die Strukturen 32 und 34, kann von jedem Typ sein. Beispielsweise kann die Neutronenquelle eine Radioisotop-(wie z.B. ²&sup5;² Cf) oder eine Elektronen-Neutronenquelle (wie z.B. (DD) oder (DT) Generatoren) sein. Durch Kollisionen, hauptsächlich mit den Kernen des ausgewählten Materials, das die Quelle umgibt, werden die Neutronen verzögert, um eine Wolke von thermischen Neutronen mit niedriger Energie innerhalb des Hohlraums zu erzeugen. Die thermischen Neutronen mit geringer Energie wechselwirken insbesondere mit der Vielzahl von Kernen in dem Gepäckstück oder Paket. Die Wechselwirkung der thermischen Neutronen mit geringer Energie erzeugt charakteristische Hochenergiegammastrahlen, welche durch die externen Reihen und Spalten, welche die C-Ringdetektoren bilden, erfaßt werden.
Jeder Detektor in den Reihen und Spalten ist vorzugsweise aus anorganischen Szintillatoren gebildet.
Insbesondere können alle Detektoren, wie z.B. durch einen Detektor 48 wiedergegeben, aus einem anorganischen Szintillatormaterial, wie z.B. Natriumiodid (NaI) gebildet sein. Andere anorganische Materialien können verwendet werden, beispielsweise anorganische Szintillatormaterialien, wie z.B. Zäsiumiodid (CsI), Wismuthgermanat (BGO-Bi&sub4; Ge&sub3;O&sub1;&sub2;) oder Bariumfluorid (BaF&sub2;). Ferner können Festkörperdetektoren verwendet werden, um die Detektoren vorzusehen, wie z.B. lithiumgedriftetes Germanium (Ge(Li)), hochreines Germanium (HPGe) oder Quecksilberiodid (HGI&sub2;). Die bestimmten Details einer spezifischen Detektorstruktur bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung, die spezifische Verwendung eines anorganischen Szintillators mit guter Energieauflösung und Effizienz zum Erfassen von durch thermische Neutronen erzeugten Gammastrahlen sieht jedoch eine einzigartige Erfassung von Stickstoff und/oder anderen Elementen vor und bildet einen Teil der vorliegenden Erfindung.
Obgleich anorganische Szintillatoren in der Vergangenheit mit thermischen Neutronen verwendet worden sind, war diese Verwendung nicht auf die Erfassung von Stickstoff in Sprengstoffen gerichtet, sondern auf das Vorsehen der Erfassung von Chlor, Eisen, Chrom etc. als eine Hintergrundkomponente und nicht spezifisch zur Erfassung der Stickstoffkomponente und der räumlichen Verteilung der explosiven Materialien. Andere Verwendungen anorganischer Szintillatoren sind in Verbindung mit schnellen Neutronenquellen beschrieben worden, um Stickstoff zu erfassen; dieser andere Typ einer Neutronenquelle sieht jedoch einen anderen Typ einer Erfassung vor.
Eine thermische Neutronenquelle kann mit einem geeigneten Szintillator kombiniert werden, z.B. einem anorganischen Szintillator, wie z.B. einem Natriumiodiddetektor. Diese spezifische Kombination sieht die Fähigkeit des Auflösens nahe beieinanderliegender energiereicher Gammastrahlungslinien vor und insbesondere die Erfassung der bestimmten Gammastrahlungslinien, welche den Stickstoffgehalt in Sprengstoffen wiedergeben. Diese bestimmten energiereichen Gammastrahlungslinien treten bei 10,8 MeV auf. Der anorganische Szintillatordetektor wird vorzugsweise verwendet, da er ein sehr effizienter Detektor ist und daher annehmbare Merkmale in einer Anzahl an Bereichen vorsieht. Diese Bereiche umfassen das Niveau der Gesamtzählrate, die Form des Detektors, die Verfügbarkeit des Detektors, die Zuverlässigkeit und die Kosten. Es wird darauf hingewiesen, daß der anorganische Szintillator ebenso zum Erfassen anderer Elemente, welche für einen Sprengstoff repräsentativ sind, verwendet werden kann.
Wie vorangehend angezeigt, ist das momentan bevorzugte anorganische Material Natriumiodid, es können jedoch andere anorganische Materialien verwendet werden. Beispielsweise weist Wismutgermanat aufgrund des Wismut eine hohe effektive Atomzahl und eine höhere Dichte auf als Natriumiodid. Die Effizienz eines Wismutgermanat-Szintillators ist daher höher als diejenige von Natriumiodid. Wismutgermanat-Szintillatoren sind jedoch bei der Energieauflösung schlechter als Natriumiodid und die Kosten für einen Wismutgermanat- Szintillator sind deutlich höher als diejenigen für Natriumiodid, und es weist ferner eine Hintergrundkomponente auf, welche das Stickstoffsignal stören kann. Diese beiden anorganischen Strukturen sind jedoch besser als die organischen Szintillatoren, die in Vorrichtungen des Stands der Technik verwendet werden.
Der Hauptvorteil der organischen Szintillatoren des Stands der Technik, welche aus Kunststoff oder flüssig sein können, ist deren schnelle Ansprechzeit, welche außerordentlich hohe Zählraten zuläßt. Aufgrund der sehr hohen Zählraten kann mit einem hohen Hintergrund von anderen Neutronenreaktionen leicht umgegangen werden und dadurch ein Erfordernis für eine ausgeklügelte Hohlraumgestaltung beseitigt werden. Weitere Vorteile der organischen Szintillatoren sind deren relativ geringe Kosten und die leichte Herstellbarkeit. Selbst mit diesen Vorteilen sieht jedoch die Verwendung von anorganischen Szintillatoren, und insbesondere die C-Ringkonfiguration einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine höhere Auflösung vor und daher eine effizientere Erfassung von expiosivem Material. Die organischen Szintillatoren sind für energiereiche Gammastrahlen ineffiziente Detektoren und ihre Gamma-Spektroskopiequalitäten sind schlecht. Organische Szintillatoren haben daher eine schlechte Energieauflösung und machen die Unterscheidung zwischen Stickstoff- und löschbaren Signalen, welche z.B. mit Cl, Fe, Cr oder Ni auftreten, sehr schwierig.
Wie man aus Fig. 3 erkennen kann, läuft jedes abzutastende Objekt, wie z.B. ein Gepäckstück, durch den Hohlraum auf dem Förderband 16 und wird den durch die thermische Neutronenquelle 32 erzeugten thermischen Neutronen ausgesetzt. Bei aufeinanderfolgenden Positionen des Gepäckstücks sehen die individuellen Detektoren 48, welche die Reihe 40 und die Spalten 36 und 38 bilden, ein Querschnittsprofil jedes Stickstoff enthaltenden Materials vor. Der C-Ring von Detektoren sieht daher eine zweidimensionale Scheibe oder Ebene der Stickstoffkonzentration vor, und ein dreidimensionales Profil, welches durch die aufeinanderfolgenden Scheiben gebildet wird, die erzeugt werden, wenn das Gepäckstück sich durch den C-Ring von Detektoren hindurchbewegt.
Die durch die Detektorstrukturen 36, 38 und 40 vorgesehene zweidimensionale Ebene weist am oberen Ende eine geringere Auflösung auf, da der C-Ring nicht vollständig ist. Obgleich eine Detektorstruktur ebenso entlang der oberen Oberfläche des Hohlraums vorgesehen sein könnte, könnte eine derartige Detektorstruktur sich mit der Erzeugung der thermischen Neutronen durch die Quelle 32 derartiger Neutronen gegenseitig stören. Eine effizientere Art der Vervollständigung des Rings ist es, eine zweite C-förmige Gruppe von Detektorstrukturen auszubilden, welche stromabwärts der ersten Gruppe derart angeordnet ist, daß das Gepäckstück sich von dem ersten C-Ring von Detektorstrukturen zu dem zweiten C-Ring von Detektorstrukturen bewegt, wobei die offenen Enden der C-Ringe in den ersten und zweiten Sätzen zueinander entgegengesetzt sind. Die von den beiden Sätzen von C-Ringen von Detektorstrukturen erhaltene Information kann in einem Computer elektronisch verarbeitet werden, um ein vollständiges Bild zu ergeben. Wie oben angezeigt, bildet dieses Bild ein dreidimensionales Bild des Behälters, wie z.B. des Gepäckstücks, und seiner Inhalte, indem aufeinanderfolgende Scheiben oder Ebenen der Information erzeugt werden.
Die Fig. 4 stellt allgemein die Erfassung der Information durch irgendeinen der individuellen Detektoren 48 dar. Wie in Fig. 4 gezeigt, werden Neutronen von den Quellen, entweder 32 und 34, thermisch gemacht und treffen auf ein Gepäckstück oder ein Paket auf, das durch den Block 50 wiedergegeben ist. Die einzelnen Detektoren 48, welche die C- Ringdetektorstrukturen bilden, erfassen jeweils die Erzeugung von Gammastrahlung. Die Reaktion zwischen den thermischen Neutronen und dem Stickstoff in dem Sprengstoff oder anderen Materialien ist wie folgt:
¹&sup4;&sub7;N + &sub0;&sub1;nth ¹&sup5;&sub7;N + γ
Der erste Faktor in der obigen Gleichung ist der Stickstoff in dem Sprengstoff oder dem anderen Material innerhalb des Pakets. Beispielsweise enthalten Wolle, Baumwolle, etc. Stickstoff. Wenn der Stickstoff mit thermischen Neutronen beschossen wird, wie durch den zweiten Faktor gezeigt, wird Stickstoff in einer geänderten Form (ein anderes Stickstoffisotop) und Gammastrahlung erzeugt, von welcher ungefähr 14 % bei 10,8 MeV liegen. Jeder Gammastrahl, der durch einen Detektor 48 erfaßt wird, erzeugt eine Ausgabe von dem Detektor, wie in der Wellenform (a) in Fig. 4 gezeigt. Wie man erkennen kann, erzeugt der Detektor 48 ein Ausgangssignal mit einer Höhe "h", das in ungefähr einer Mikrosekunde exponentiell auf null fällt. Die Detektoren 48 werden von einer Hochspannungsquelle 52 mit einer Hochspannung versorgt. Die Höhe "h" und die Fläche unter dem abfallenden Signal sind beide proportional zur Gammastrahlungsenergie.
Die Ausgabe von jedem Detektor 48 wird direkt durch einen Vorverstärker und einen Verstärker 54 geleitet, um ein Ausgangssignal, wie in der Wellenform (b) in Fig. 4 gezeigt, zu erzeugen. Man kann erkennen, daß die einzelnen Gammastrahlen von dem exponentiell abfallenden Signal in ein Impulssignal umgewandelt werden, das eine Höhe "H" aufweist, die proportional zur Fläche unter dem in der Wellenform (a) gezeigten Signal ist. Es wird darauf hingewiesen, daß jeder durch jeden Detektor 48 empfangene Gammastrahl aufeinanderfolgende Signale erzeugt, die die Stickstoffkonzentration wiedergeben.
Die Ausgabe von dem Vorverstärker/Verstärker 54 wird durch einen Analog/Digital (A/D)-Wandler 56 geleitet, um eine digitale Zahl zu erzeugen, welche die Höhe "H" der Wellenform (b) der Fig. 4 wiedergibt. Man kann daher erkennen, daß die Ausgaben von den A/D-Wandlern 56 eine Reihe von digitalen Zahlen sind, welche die Erfassung der Gammastrahlen wiedergeben, die wiederum die Konzentration von Stickstoff wiedergeben. Ein kleiner Bereich der digitalen Zahlen entspricht den interessanten Gammastrahlen. Wenn mehr und mehr Gammastrahlen an jedem Detektor erfaßt werden, dann wird die digitale Zahl von den A/D-Wandlern 56 an jedem Zeitpunkt gezählt. Die Zählungen von jeder aufgetretenen digitalen Zahl, die proportional zur Anzahl an Stickstoffgammastrahlen, die auf den Detektor einfallen, ist, werden dann in einen Computer 58 eingekoppelt, um ein Profil jeder Scheibe oder Ebene des untersuchten Objekts zu erzeugen und um eine dreidimensionale Wiedergabe der Stickstoffkonzentration des Objekts zu erzeugen. Die Wellenform (c) stellt das Profil des durch die Detektoren 48 empfangenen Spektrums dar, wobei ein Raum 60 zwischen den beiden den interessanten Bereich wiedergebenden Linien vorhanden ist, insbesondere den Gammastrahlen, welche Stickstoff wiedergeben.
Eine alternative Technik (und eine in den meisten Fällen bevorzugte Technik) zum Erzeugen der Detektorsignale und insbesondere zum genauen Zählen der Signale mit einer hohen Rate, ist in Drndarevic, Ryge & Gozani, "A Signal Processor for High Counting Rate gamma ray Spectroscopy with NaI(T1) Detectors," IEEE Proceedings of Nudear Science (Feb. 1988) beschrieben. Der in dem erwähnten Artikel beschriebene Detektor ist vorteilhafterweise auf das Problem des "pile up" gerichtet und ermöglicht, daß nur sehr wenige gültige Impulse verloren werden, während das störende Hintergrundrauschen minimiert wird.
Die Fig. 5(a), (b) und (c) stellen typische Profile für explosives Material in einer Blockform dar; nicht explosive Materialien, wie z.B. einen Wollmantel oder eine Jacke, und explosivematerialien in einer Scheibenform. Wie man in Fig. 5(a) erkennen kann, welche die Erfassung von einer Spalte von Detektoren an vier aufeinanderfolgenden Ebenen des sich an den Detektoren vorbeibewegenden Objekts wiedergibt, geben die hohen Lesewerte von 12 in zwei aufeinanderfolgenden Ebenen und 8 in der dritten folgenden Ebene eine hohe Konzentration eines stickstoffreichen Materials wieder, welches möglicherweise einen Block eines explosiven Materials wiedergibt. Die Detektoren in der anderen Spalte und entlang der Reihe würden das Vorhandensein eines derartigen Blockmaterials bestätigen. Der große Unterschied zwischen den Lesewerten in dem Profil der Fig. 5(a) zeigt eine ungewöhnliche Dichte von Stickstoffmaterial, die für andere Arten von Gegenständen, die Stickstoff enthalten, nicht typisch ist.
Beispielsweise stellt die Fig. 5(b) einen Gegenstand, wie z.B. einen Wollmantel oder Anzug dar, welcher eine relativ hohe Stickstoffmenge enthält, wobei jedoch der Stickstoff in einem diffusen Muster verteilt ist, was für das Vorhandensein von explosivem Material nicht repräsentativ wäre. Obgleich der gesamte Stickstoffgehalt des Wollgegenstands ziemlich hoch ist, erreicht die Konzentration nicht die Niveaus eines explosiven Materials.
Die Fig. 5(c) stellt ein explosives Material in einer Scheibenform entlang einer Seite oder eines Rands des Gepäckstücks dar, und die Konzentration des Stickstoffs und die hohen Lesewerte bezüglich den niederen Lesewerten zeigen das Vorhandensein von einem Gegenstand an, der eine relativ hohe Stickstoffkonzentration sowie eine relativ hohe Dichte für diese Konzentration aufweist. Dies wäre wiederum typisch für ein Profil eines explosiven Materials. Der Computer 58 kann daher dazu programmiert werden, daß er derartige spezifische Profile identifiziert und einen Alarm, wie z.B. durch eine Alarmvorrichtung 62, erzeugt, so daß das Gepäckstück oder Paket einer gründlicheren Inspektion unterzogen werden kann.
Wenn man sich als nächstes der Fig. 6 zuwendet, so ist dort ein typisches thermisches Neutronenaktivierungs-Gammastrahlungsspektrum dargestellt. Die vertikale Achse gibt den Gammastrahlungszählwert wieder, die horizontale Achse gibt die bestimmte Kanalzahl wieder, durch welche der Zählwert erfaßt wird. Da jeder Kanal dazu eingerichtet ist, ein bestimmtes Energieniveau zu messen, ist die horizontale Achse somit proportional zu den verschiedenen Energieniveaus der erfaßten Gammastrahlen. Eine gute Beschreibung dieses Typs von Instrumenten und Meßtechniken, die zum Erfassen von Kernstrahlung verwendet werden, wie z.B. von Gammastrahlung, kann beispielsweise in Nuclear Instrumentation, Abschnitt 1.5, Seiten 4-18 (McGraw Hill, Series in Nuclear Engineering) gefunden werden.
In Fig. 6 ist zu erkennen, daß die Gammastrahlungsspitze 126, welche Stickstoff entspricht, mit "N (10,8 MeV)" bezeichnet, eine kleinere Amplitude aufweist, als das umgebende Hintergrundrauschen. Somit kann, um die bei 10,8 MeV auftretenden Gammastrahlen besser erfassen zu können, ein spektrales Korrelationsverfahren (SCM) oder eine entsprechende Technik verwendet werden, um das Hintergrundrauschen zu verringern. Ein bevorzugtes SCM wird nachfolgend beschrieben. Im wesentlichen bestimmt das nachfolgend beschriebene SCM das Hintergrundrauschen an einem gewünschten Ort des Spektrums, d.h. der Stickstoffspitze, durch Korrelation mit anderen spektralen Regionen, wie z.B. nahe der Chlorspitze 128 (8,6 MeV). Interferenzen von schwachen Spitzen in dem gewünschten Bereich können durch das Messen als zugeordnete starke Spitze anderswo im Spektrum und das Subtrahieren des geeigneten Bruchteils von dem Bereich von Interesse bestimmt werden. Da die Quellen für Hintergrundrauschen in dem System grundsätzlich über das gesamte Spektrum in Beziehung stehen, d.h. das Rauschen an einem Ort steht in Beziehung zu dem Rauschen an einem anderen Ort, hat diese Hintergrundsubtraktionstechnik den gewünschten Effekt, daß ein Großteil des Hintergrundrauschens nahe der spektralen Spitze von Interesse entfernt wird.
Die Fig. 6 zeigt ferner zusätzliche Gammastrahlenspitzen, welche anderen Elementen, z.B. Wasserstoff, Chlor, entsprechen. In diesen Spitzen erfaßte Gammastrahlen können dazu verwendet werden, die Menge von anderen Elementen als Stickstoff, die in dem untersuchten Objekt vorhanden sind, zu messen. Messungen dieser Elemente werden oft dazu verwendet, das Erfassungsvermögen für Schmuggelware, z.B. Sprengstoffe, in dem Objekt weiter zu verbessern. Bei spielsweise weisen Sprengstoffe typischerweise Wasserstoff in Kombination mit Stickstoff auf. Somit ist das Vorhandensein eines charakteristischen Stickstoffsignals ohne einem charakteristischen Wasserstoffsignal für die meisten Sprengstoffe nicht typisch, wogegen das Vorhandensein eines charakteristischen Stickstoffsignals in Kombination mit einem charakteristischen Wasserstoffsignal typisch für die meisten Sprengstoffe ist.
Mit Bezug auf die Fig. 7 ist eine schematische Wiedergabe der wesentlichen Hardware-Komponenten dargestellt, die in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sein können. Eine Neutronenquelle 130 richtet thermische Neutronen 132 auf ein Gepäckstück oder Objekt 134, dessen Inhalte zu untersuchen sind. Wenn gewünscht, dann kann ein Kollimator 136 helfen, die Neutronen 132 derart zu richten, daß sie an dem Ort, wo die Neutronen in das Objekt 134 eintreten, eine gewünschte Querschnittsform bestrahlen. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann die Querschnittsform des bestrahlten Bereichs beispielsweise ein schmales Rechteck 138 sein.
Das Objekt 134 wird innerhalb der abgeschirmten Kammer 135 auf einem Förderband 140 oder einem entsprechenden Pakettransportmechanismus an der Quelle 130 für thermische Neutronen 132 vorbeibewegt. Das Förderband 140 wird durch einen Motor 142 in einer kontinuierlichen oder einer schrittweisen Art angetrieben. Das Förderband 140 transportiert das Objekt 134 weiter durch eine Kammer eines herkömmlichen Röntgenstrahlungssystems 150, worin eine Quelle für Röntgenstrahlen 152 und ein entsprechender Detektor (nicht gezeigt) dazu verwendet werden, ein herkömmliches Elektronendichtebild des Objekts und seiner Gegenstände zu erzeugen.
Ein Feld 144 von Gammastrahlungsdetektoren ist wahlweise um das Objekt 134 herum nahe dem Bereich angeordnet, wo das Objekt durch den Neutronenstrahl 132 innerhalb der abgeschirmten Kammer 135 bestrahlt wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß, obgleich nur ein Feld 144 derartiger Detektoren oberhalb des Objekts 134 angeordnet dargestellt ist, mehrere derartiger Felder verwendet werden können, z.B. eines oberhalb des Objekts, wie gezeigt, eines unter dem Objekt und eines hinter dem Objekt, wodurch ein C-Ring gebildet wird, welcher das Objekt 134 effekt umgibt, wenn dieses bestrahlt wird, wie in Fig. 3 gezeigt. Zusätzlich zu dem Feld von Gammastrahlungsdetektoren 144 ist wenigstens ein Neutronendetektor 146 hinter dem Objekt 134 gegenüber der Neutronenquelle 130 angeordnet. Dieser Neutronendetektor 146 fängt viele der Neutronen auf, welche durch die Kammer 135 und das Objekt 134 hindurchgehen, ohne mit Atomkernen wechselzuwirken. Zusätzliche Neutronendetektoren können an anderen Orten in dem Hohlraum angeordnet werden.
Geeignete Steuerschaltungen 148 sind mit den vorangehend beschriebenen Komponenten verbunden. Die Steuerschaltungen werden wiederum durch einen geeigneten Computer 154 überwacht oder betrieben. Der Computer 154 umfaßt herkömmliche Eingabe/Ausgabevorrichtungen, wie z.B. eine Tastatur 156, einen Terminalanzeigeschirm 158 und/oder einen Drucker (nicht gezeigt). Eine nicht flüchtige Speichervorrichtung 160, wie z.B. ein Disketten- oder Bandspeicher, kann ebenso mit dem Computer 154 gekoppelt sein, wenn dies erforderlich ist, um große Mengen von Daten, welche zum Untersuchen einer großen Menge von Objekten nach bestimmter Schmuggelware erforderlich sind, wieder aufzunehmen oder zu verfolgen.
Im Betrieb wird das Objekt 134 durch Neutronen 132 in Schnitten oder Scheiben bestrahlt, wenn das Objekt sich durch den Strahl hindurchbewegt Die sich aus der Wechselwirkung der Neutronen mit Atomkernen in dem Objekt ergebenden Gammastrahlen werden in dem Gammastrahlendetektorfeld 144 erfaßt. Neutronen, welche durch die Kammer 135 und das Objekt 134 hindurchgehen, werden in dem Neutronendetektor durch jeden Detektor 146 erfaßt. Die Anzahl an Gammastrahlen bei bestimmten Energieniveaus, die durch jeden Detektor in dem Feld erfaßt werden, sieht ein Maß für ein bestimmtes Element oder die Kombination von Elementen vor, welche innerhalb der bestrahlten Scheibe oder des bestrahlten Schnitts des Objekts vorhanden sind und charakteristisch für das Niveau der Gammastrahlenemission sind. Durch Kombinieren dieser Information von all den Detektoren und durch Berücksichtigen der Anzahl an Neutronen, welche durch das Objekt hindurchgehen, ohne mit Atomkernen wechselzuwirken (wie durch den Neutronendetektor 146 erfaßt), kann eine Dichteverteilung der Elemente innerhalb des bestrahlten Abschnitts des Objekts erhalten werden. Durch Kombinieren derartiger Dichteinformation für alle diese Scheiben des Objekts, welche erzeugt werden, wenn das Objekt sich durch die Neutronen 132 hindurchbewegt, kann somit ein dreidimensionales Dichtebild der Inhalte des Objekts gebildet werden.
Vorteilhafterweise kann die Kerndichteinformation, welche unter Verwendung der Gammastrahlen- und der Neutronendetektoren, wie vorangehend beschrieben, erhalten wird, durch Kombinieren derselben mit der Elektronendichteinformation weiter verbessert werden, welche von dem Röntgenstrahlungssystem 150 erhalten wird. Wenn derartige kombinierte Dichteinformation das Vorhandensein von Schmuggelware nahelegt, dann wird das Objekt zur weiteren Untersuchung gekennzeichnet (z.B. von dem Förderband für eine manuelle Durchsuchung abgenommen). Eine bevorzugte Art und Weise, in welcher das Röntgenstrahlungsbild der Elektronendichte mit dem Gammastrahlungsbild der Stickstoffdichte korreliert wird, wird nachfolgend angegeben.
Wie durch die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, kann es wünschenswert sein (obwohl nicht zwingend), daß die Neutronen 132 durch einen Kollimator 136 auf das untersuchte Objekt 134 gerichtet werden. Der Kollimator 136 kann von herkömmlicher Ausgestaltung sein, die in der Physik gut bekannt ist, und umfaßt Neutronenstreuungs- und Absorptionsmaterialien mit Dichten, die das Herausschneiden eines gewünschten Querschnitts eines Neutronenstrahls sicherstellen, umfassend die Reduktion des auf die Gammastrahlungsdetektoren auftreffenden Neutronenflusses. Die Lücke des Kollimators definiert somit einen schmalen fächerartigen Strahl von Neutronen, die auf einen bekannten Abschnitt oder ein Volumenelement (Voxel) des untersuchten Objekts auftreffen und in dieses eindringen. Die Verwendung des Kollimators 136 ermöglicht vorteilhafterweise, daß ein Satz von fächerartigen Neutronenstrahlen erzeugt wird, wodurch das Erzeugen unabhängiger Bestrahlungsstationen und das Gewährleisten einer besseren Ausnutzung der Quellenneutronen ermöglicht wird.
Wenn man sich wieder der Ausführungsform der Erfindung in Fig. 4 zuwendet, so erkannt man, daß die Ausgaben der A/D- Wandler 56 in einen Computer 58 eingegeben werden. Es ist eine der Hauptfunktionen des Computers 56, die durch jeden der Detektoren 48 gemessenen Daten (z.B. die Anzahl an Gammastrahlen bei einer bestimmten Energie) zu analysieren, um ein Objekt genau und schnell als eines mit oder ohne Sprengstoffen zu klassifizieren. Eine entsprechende Funktion muß durch den in der Ausführungsform der Fig. 7 gezeigten Computer 154 durchgeführt werden (andere Funktionen, wie z.B. das Speichern von Aufzeichnungen und Mischhaushaltungsfunktionen, welche bei dem Sprengstofferfassungssystem ebenso vorhanden sind, können ebenso durch die Computer 58 oder 154 durchgeführt werden, derartige Funktionen werden jedoch als herkömmliche Funktionen betrachtet und werden hier nicht beschrieben.)
Es gibt eine Anzahl an Datenanalysetechniken, die innerhalb der Computer verwendet werden können, um deren Klassifizierungsfunktion zu erhalten. Zwei derartige Verfahren werden hier beschrieben: (1) Standardentscheidungsanalyse; und (2) künstliches Neuronensystem-(ANS)-Analyse. Von diesen beiden Verfahren ist das ANS das beyorzugte Verfahren, da, wie nachfolgend angegeben, dieses eine PD vorsieht, die um 2,5 % größer ist als die PD, die unter Verwendung der Standardentscheidungsanalyse bei dem gleichen Durchsatz und den gleichen PFA-Niveaus erhalten wird.
Ungeachtet dessen, welches Verfahren verwendet wird, ist es jedoch in einigen Fällen hilfreich (jedoch nicht in allen Fällen), zunächst bestimmte "Merkmale" zu identifizieren, die in den Detektor- oder anderen Daten vorhanden sind. Durch Identifizieren derartiger Merkmale in den Daten und durch Präsentieren derartiger Merkmale dem ANS-System (im Gegensatz zum Präsentieren von unbearbeiteten Detektordaten dem ANS-System) kann die Klassifizierungsfunktion beträchtlich vereinfacht werden, obgleich der Aufbau und die Kalibrierung des ANS-Systems (d.h. das Verfahren zum Bestimmen der Merkmale) etwas komplizierter sein können.
Jeder individuelle Detektor in dem System erzeugt einige Information über die Menge und den Ort der Elemente, z.B. Stickstoff, in dem untersuchten Objekt. Unglücklicherweise ist aufgrund der Interferenz mit anderen Elementen, statistischen Fluktuationen und dergleichen ein wesentlicher Betrag an Rauschen in dem System vorhanden. Tatsächlich ist das Signal/Rauschen-Verhältnis für einen einzigen Detektor ziemlich gering. Dieses geringe Signal/Rauschen-Verhältnis kann durch Kombinieren der Informationen von mehreren Detektoren mit überlappenden Sichtfeldern etwas verbessert werden. Beispielsweise kann durch Mitteln zweier Detektoren das Signal/Rauschen-Verhältnis um einen Faktor der Quadratwurzel aus zwei verbessert werden. Im allgemeinen verschlechtert jedoch das Kombinieren von mehr und mehr Detektoren die räumliche Auflösung des Systems. Daher muß nach einer Möglichkeit gesucht werden, die einerseits ein akzeptables Signal/Rauschen-Verhältnis vorsieht und die andererseits eine akzeptable räumliche Auflösung vorsieht. Beide Kriterien sind zum Verbessern der Fähigkeit des Systems, Sprengstoffe zu erfassen, erforderlich.
Um sowohl die Anforderungen an die räumliche Auflösung als auch an das Signal/Rauschen-Verhältnis zu erfüllen, ist es somit in vielen Fällen hilfreich, einen Satz von "Merkmalen" mit verschiedenen Beträgen an Rauschwiderständen zu definieren, die immer noch eine hilfreiche und geeignete räumliche Information vorsehen. Ein "Merkmal" kann somit jegliche Kombination von Detektorsignalen in dem Detektorfeld sein. Einige der Merkmale können einfach sein, andere können kompliziert sein (wie z.B. die rekonstruierte dreidimensionale Stickstoffdichteverteilung) und können Bilderzeugungstechniken erfordern. Ein Satz von Merkmalen kann definiert werden durch: (1) Berechnen oder Abschätzen bestimmter vorweggenommener Merkmale, welche normalerweise bei einem Satz typischer Objekte vorhanden sein würden (z.B. Gepäckstücke), die Sprengstoffe enthalten; (2) Entwickeln von Kalibriertechniken unter Verwendung verschiedener Sätze dieser Merkmale; und (3) Testen des Leistungsvermögens der Kalibriertechniken an einem Testsatz von Daten.
Experimente haben gezeigt, daß die veränderung irgendeines Merkmals bei Objekten mit Sprengstoffen ungefähr die gleiche ist wie bei Objekten ohne Sprengstoffe, obwohl selbstverständlich Werte des Merkmals sich zwischen den beiden Klassen von Objekten unterscheiden können. Es trifft ferner zu, daß die Verteilung der "Explosionsfähigkeit (Bombness)" (d.h. die Wahrscheinlichkeit, daß explosive Materialien vorhanden sind) in Objekten, wie z.B. Koffern, ausgesprochen nicht normal ist. Die meisten Koffer enthalten beispielsweise wenig Stickstoff und sind somit ziemlich einfach als nicht gefährlich zu klassifizieren (enthalten keine Sprengstoffe). Ein signifikanter Prozentsatz der in Flughäfen und ähnlichen Orten behandelten Gepäckstücke enthält jedoch ausreichend Stickstoff und andere störende Materialien, um das Erfassungssystem falscherweise zu alarmieren, wenn keine weiteren Klassifizierungskriterien vorhanden sind. Die Verteilung des "Explosionsvermögens" folgt somit (grob) der Stickstoffverteilung, d.h. die meisten Gepäckstücke sind bei geringem Gefahrniveau vorhanden; es ist jedoch ein ausgedehnter Schwanz der Verteilung vorhanden. Das Hinzufügen einer simulierten Gefahr verschiebt die Verteilung, ohne deren Form zu stören. Dies führt zu der Veränderung aller Merkmale, die bei Objekten mit und ohne Gefahr gleich sind, wie vorangehend angegeben.

Standard-Entscheidungs-Analyse

Das erste (und herkömmlichere) Verfahren, das zum Klassifizieren der untersuchten Objekte bezüglich des Enthaltens oder Nichtenthaltens von Sprengstoffen verwendet wird, wird als Standard-Entscheidungs-Analyse bezeichnet. Die in der Standard-Entscheidungs-Analyse verwendete Basistechnik ist die lineare Diskriminantenanalyse. In der linearen Diskriminantenanalyse wird ein Diskriminantenwert durch lineare Kombination der Werte eines Satzes von Merkmalen, die für ein Gepäckstück gemessen werden, berechnet. Wenn der Diskriminantenwert größer ist als eine vorgeschriebene Schwelle, z.B. null, wird das Gepäckstück als eine Gefahr enthaltend klassifiziert, ansonsten wird das Gepäckstück gelöscht.
Im geometrischen Sinne sind die Merkmale Achsen, welche den Klassifizierungs-Hyper-Raum definieren. Die Messung eines bestimmten Gepäckstücks (z.B. Koffer) wird als ein Punkt in diesem Raum aufgetragen. Die Punkte für Koffer ohne Gefahr sammeln sich separat von denjenigen mit Gefahren an. Die Hyperebene, welche die beiden Ansammlungen am besten trennt, kann als eine Trennfläche betrachtet werden, welche sich aus der linearen Diskriminantenfunktion ergibt. Tatsächlich ist der berechnete Diskriminantenwert nur der normale Abstand zwischen der Hyperebene von dem Punkt, der das Gepäckstück wiedergibt, wobei das Vorzeichen (positiv oder negativ) angibt, auf welcher "Seite" der Hyperebene der Punkt ist. Quadratische oder andere Funktionsformen können für die Diskriminante verwendet werden, was zum Aufteilen von Oberflächen führt, die etwas anderes sind als Ebenen.
Die Anwendung der herkömmlichen Technik der kleinsten Quadrate bei dem Klassifizierungsproblem führt dazu, daß die Aufteilung der Hyperebene orthogonal zu der Linie ist, welche die Mittelpunkte der beiden Ansammlungen verbindet.
Diese Ebene liegt ferner in der Mitte zwischen den beiden Zentren, wenn der Abstand nach der Normalisierung durch die Kovarianzmatrix gemessen wird. Jeder Überlapp zwischen den beiden Ansammlungen bestimmt den möglichen Überschreitungsausgleich (tradeoff) zwischen Erfassungs- und Fehlalarmsraten. Durch Bewegen der unterteilenden Hyperebene entlang der die beiden Zentren verbindenden Linie (was zum Ändern der Schwelle äquivalent ist, die der Diskriminantenwert überschreiten muß), kann dieser Überschreitungsausgleich auf irgendeinen Pegel gesetzt werden, von Fehlalarmrate null (und einer geringen Erfassungsrate) auf 100 % Erfassung und einer dementsprechend höheren Fehlalarmrate. Zusätzlich impliziert der Wert der Diskriminante eine "Sicherheit" für die Entscheidung. Dieser Wert kann in einer Art von Bayesian-Analyse verwendet oder kann einfach auf die Überschreitungsausgleichskurve als der PD/PFA-Punkt aufgetragen werden, der sich ergeben würde, wenn die Schwelle auf diesen Wert gesetzt wäre.
Unglücklicherweise ist in der Praxis die Entwicklung der Diskriminante ein kompliziertes Problem. Zunächst muß eine Klassifikation des Detektordatensatzes gemacht werden, so daß die Gepäckstücke, welche zu gleichen Instrumentenantworten führen, zusammengruppiert werden. Beispielsweise werden große schwere Koffer als eine Gruppe analysiert. Dann muß der Satz der Merkmale, die in jeder Gruppe zu verwenden sind, ausgewählt werden. Die Berechnung des Diskriminantenkoeffizienten ist relativ herkömmlich, wenn die Merkmale einmal ausgewählt sind. Eine Vielzahl an Computerprogrammen ist zum Durchführen dieser Berechnung erhältlich. Einige Einstellungen müssen durchgeführt werden, um das Leistungsvermögen zu verbessern, indem ermöglicht wird, daß einige Bereiche des Entscheidungsraums bestimmte Entscheidungen treffen. Dies sind Situationen, in welchen eine "von Hand"-Technik Vorteil aus der Tatsache zieht, daß die Verteilung der untersuchten Objekte nicht normal ist. Schließlich wird die sich ergebende Kalibrierung an einem Satz von Daten getestet, der nicht in der Kalibrierung verwendet worden ist, und eventuell im On- Line-Betrieb während der überwachten Tests. Die Erfahrung mit der Verwendung dieser Technik hat ergeben, daß herkömmlicherweise eine separate Kalibrierung für die Volumen- und die Scheibensprengstoffe durchgeführt werden muß, aufgrund ihrer unterschiedlichen gemessenen Antworten in dem System. Unglücklicherweise ist typischerweise eine beträchtliche Zeitmenge, z.B. mehrere Tage statistischer Analyse, erforderlich, um diese Diskriminantenentwicklung und -kalibrierung korrekt durchzuführen.
Es wird bevorzugt, daß die Robustheit dieses Kalibriervorgangs getestet wird und daß beruhend auf einem derartigen Text Einstellungen so wie erforderlich durchgeführt werden, um eine robuste Kalibrierung vorzusehen. Das Testen der Robustheit kann durchgeführt werden, indem ein großer Datensatz (erhalten durch das Durchlaufen einer großen Anzahl an Gepäckstücken durch ein Erfassungssystem, wie es hier beschrieben ist) genommen wird und dieser in mehrere verschiedene Gruppen oder Untersätze aufgeteilt wird. Eine Kalibrierung kann dann an allen mit Ausnahme von einer Gruppe oder von einem Untersatz durchgeführt werden und dann an diesem letzten Untersatz getestet werden. Jeder Untersatz wird dann wiederum als der Test-Untersatz in einer Art und Weise verwendet, die gleich der in der Klappmesser-Analyse verwendet wird. Der Unterschied zwischen dem Leistungsvermögen der Kalibrierung an sich selbst und an dem Test-Untersatz sieht ein Maß für die Robustheit vor. Ein großer Unterschied zeigt eine schlechte Robustheit an. Die Anzahl an Klassifizierungsgruppen und Merkmalen in jeder Gruppe kann dann gewählt und wie erforderlich eingestellt werden, bis die Kalibrierung robust wird.

Künstliches Neuronensystem-(ANS)-Analyse.

Ein (ANS) kann als eine Ansammlung einfacher Prozessoren (Neuronen) beschrieben werden, die in einem parallelen Netzwerk angeordnet sind. In einer Ausführungsform eines ANS akzeptiert jedes Neuron eine Eingabe von verschiedenen anderen mit einer verschiedenen Gewichtung, die bei jeder Verbindung angewendet wird. Wenn die Summe der gewichteten Eingaben einen vorhandenen Wert übersteigt, dann "feuert" das Neuron und sendet sein Ausgabesignal zu den anderen Neuronen. Einige Neuronen (Eingabeschicht) sind direkt mit den zur Verfügung stehenden Eingaben zu dem ANS verbunden. Andere Neuronen (die Ausgabeschicht) verbinden sich zu dem gewünschten Ausgangssignal (welches in dem Falle eines Sprengstofferfassungssystems Ausgangssignale umfaßt, die von "keine Gefahr" bis zu "muß eine Gefahr sein" reichen). Trainings- oder Kalibrierobjekte sind in der Form der Eingangssignale vorhanden, welche einer gewünschten Ausgabe entsprechen, und die Gewichtungen in dem Netzwerk werden gemäß einer Lernregel eingestellt, bis das Netzwerk die korrekte gewünschte Ausgabe vorhersagt. Die Gewichtungen werden dann eingefroren, und das geschulte ANS wird dann an einem Testsatz von Daten zum Identifizieren von Gefahren verwendet. Vorteilhafterweise erfordert der Trainierschritt keinen Eingriff eines Bedieners, wenn die Daten einmal zusammengestellt sind; dem Netzwerk wird einfach das Iterieren einer Lösung ermöglicht. Wenn die geeignete Netzwerkarchitektur erhalten worden ist, dann kann das ANS mit einer deutlich geringeren Einbeziehung eines Bedieners trainiert werden als das vorangehend beschriebene Diskriminantenanalyseverfahren.
Man kann erkennen, daß ein ANS einfach die Form eines parallel verteilten Netzwerks (PDN) aufweist, das aus Verarbeitungselementen (PES) besteht, die über als Zwischenverbindungen bezeichnete Informationskanäle miteinander verbunden sind. Wenn diese PES eine einfache Funktion erfüllen, wie z.B. "an", wenn die gewichteten Eingaben in diese eine vorgeschriebene Schwelle überschreiten, und "aus", wenn nicht, dann können diese PES als "Neuronen" bezeichnet werden. Jedes PE oder Neuron kann mehrere Eingangssignale aufweisen, weist typischerweise jedoch nur ein Ausgangssignal auf (obgleich dieses Ausgangssignal mit mehreren verschiedenen Orten innerhalb des ANS verbunden sein kann). Die PES sind in mehreren verschiedenen Schichten angeordnet. Eine erste oder Eingabeschicht von PES ist im allgemeinen dadurch gekennzeichnet, daß jedes PE eine Eingabe aufweist, die eines der Eingangssignale zu dem PDN umfaßt. Eine Ausgabeschicht von PES ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes PE eines der Ausgangssignale des PDN vorsieht. Die Ausgangssignale von jedem PE in der Eingabeschicht umfassen die Eingangssignale zu den PES anderer Schichten, entweder in einer Vorwärtsregelungs- oder Rückkopplungszwischenverbindung, und diese Zwischenverbindungen, wie sie beschrieben sind, können durch einen geeigneten Faktor gewichtet werden. Bei einfachen PDN-Anwendungen können zwei Schichten von PES ausreichend sein, in welchem Falle das PDN nur eine Eingabeschicht und eine Ausgabeschicht umfaßt. Für komplexere Anwendungen können eine oder mehrere verdeckte Schichten von PES zwischen der Eingabe- und der Ausgabeschicht erforderlich sein. Die Komplexität des PDN wird im wesentlichen durch die Anzahl der Schichten von PES bestimmt. Die allgemeine Struktur eines Drei-Schichten-PDN oder -ANS ist beispielsweise in Fig. 6 dargestellt. Dieses bestimmte Drei-Schichten-ANS wird nachfolgend weiter diskutiert.
Parallel verteilte Netzwerke sind im Stand der Technik beschrieben worden. Siehe beispielsweise Rummelhart et al. Parallel Distributed Processing, Ausgabe I (MIT Press 1986). Allgemein ausgedrückt werden derartige Systeme dadurch charakteristiert, daß sie umfassen: (1) einen Satz von Verarbeitungseinheiten oder -elementen; (2) einen Aktivierungszustand (d.h. den momentanen Zustand des Elements); (3) eine Ausgabefunktion für jedes Element (d.h. eine Funktion, welche das Ausgangssignal als eine Funktion der Eingangssignale definiert; (4) ein Verbindungsmuster unter den Verarbeitungselementen; (5) eine Ausbreitungsregel für Ausbreitungsmuster von Aktivitäten (Signale) durch die Verbindungsmuster; (6) eine Aktivierungsregel zum Kombinieren der auf ein Verarbeitungselement auftreffenden Eingaben mit dem momentanen Zustand des Elements, um ein neues Aktivierungsniveau für das Element zu erzeugen; (7) eine Lernregel, wodurch Verbindungsmuster durch Erfahrung modifiziert werden können; und (8) eine Umgebung, innerhalb welcher das System arbeitet.
Ein Vorteil der Verwendung eines PDN oder ANS ist, daß es die Stärke der Zwischenverbindungen zwischen Verarbeitungselementen anpassen oder selbst justieren kann. Die Selbstanpassung ermöglicht, daß ein ANS "lernt" und eventuell die gesamte Leistungsfähigkeit des Systems verbessert.
Das Lernen ergibt sich aus der Anwendung einer ausgewählten Lernregel. Die meisten Lernregeln umfassen Varianten der Hebbian-Lernregel, welche aussagt, daß, wenn zwei Einheiten (Verarbeitungselemente) sehr aktiv sind, die Stärke der Zwischenverbindung zwischen diesen beiden Einheiten verstärkt werden sollte. Eine Variation dieser Lernregel ist die Delta-Regel. Gemäß der verallgemeinerten Delta-Regel ist der Lernbetrag (d.h. die Stärke oder Gewichtung der Zwischenverbindung zwischen den Verarbeitungselementen) proportional zu der Differenz (oder Delta) zwischen der tatsächlich erhaltenen Aktivierung und einer durch einen Lehrer vorgesehenen Soll-Aktivierung. Diese Delta-Regel ist ausführlich in den Kapiteln 8 und 11 von Rummelhart-Veröffentlichung, welche vorangehend erwähnt worden ist, diskutiert, und verschiedene Variationen oder Erweiterungen dieser Regel existieren. Die Delta-Regel, ihre Variationen und/oder Erweiterungen, sieht die primäre Lernregel vor, welche durch das ANS der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Obgleich andere Lernregeln, welche bekannt sind oder noch zu entwickeln sind, selbstverständlich bei dem Sprengstofferfassungssystem verwendet werden könnten, sieht die Verwendung der Delta-Regel vorteilhafterweise einen effektiven Weg zum genauen Lehren des ANS vor, wie es ein Sprengstoff enthaltendes Objekt erkennt, beruhend auf der Verwendung von Objekten, welche bekannte Sprengstoffe aufweisen, als die "Lehrer".
Die für eine vorgegebene Anwendung ausgewählte bestimmte Lernregel wird im Stand der Technik oftmals als ein "Lernparadigma" bezeichnet. Wie bereits angegeben, existieren vielzählige Lernparadigmen, und diese sind im Stand der Technik dokumentiert.
Es gibt zwei Variationen eines auf dem ANS beruhenden Sprengstofferfassungssystems:
(1) Ein System, in welchem die rohen Daten von den Detektoren (die Detektorzählwerte) die Eingangssignale zu den ANS umfassen; und (2) ein System, worin entwickelte "Merkmale" aus den rohen Detektordaten, wie vorangehend beschrieben, die Eingangssignale zu den ANS umfassen.
Gemäß der ersten Variation wird das ANS anfänglich gelehrt, indem ihm Detektorzählwerte für untersuchte Objekte und die Kategorie von jedem Objekt (ob Sprengstoff vorhanden ist oder nicht) präsentiert werden. Diese Objekte umfassen den Trainingssatz von Objekten. Das ANS justiert dann die Zwischenverbindungsstärke zwischen den verschiedenen Verarbeitungselementen unter Verwendung einer geeigneten Lernregel, wie z.B. der Delta-Regel, um eine korrekte Klassifizierung von jedem Objekt in dem Lernsatz sicherzustellen. Beobachtungen (z.B. Detektorzählwerte) für verschiedene Objekte (nicht den Trainingssatz) werden dann dem ANS präsentiert, welches wiederum jedes Objekt beruhend auf der Zwischenverbindungsstärke, welche sich aus dem Trainingssatz ergibt, klassifiziert. Vorteilhafterweise reduziert die Verwendung von rohen Daten von den Detektoren (im Gegensatz zur Verwendung von "Merkmalen" der Detektoren) die zeitaufwendigen Schritte des Berechnens und Entwickelns von Merkmalen erheblich oder eliminiert diese. Nachteilhafterweise erfordert die Verwendung von rohen Detektordaten eine signifikant längere Trainingszeit für das ANS. Dies liegt daran, daß die Anzahl an Detektoren, und daher die Anzahl an Eingaben in das ANS, beträchtlich größer ist als die Anzahl an Detektormerkmalen, was dazu führt, daß ein viel komplexeres ANS (erhöhte Anzahl an Niveaus) verwendet werden muß. Beispielsweise erfordert die Verwendung von rohen Detektordaten (unter der Annahme, daß die Detektoren in ihrem Umfang gleich den in Fig. 2 und 3 gezeigten sind) ungefähr 200 Eingabeneuronen (Signalverbindungen) zu dem ANS. Bei 200 Eingangssignalleitungen sind zwei verdeckte Schichten von PES im ANS erforderlich, um ein annehmbares Leistungsvermögen zu erreichen. Im Gegensatz dazu erfordert die Verwendung von Detektormerkmalen lediglich ungefähr 20 Eingabeneuronen, und somit wird die Komplexität des ANS deutlich vereinfacht. Aus diesem Grund wird die Verwendung von Detektormerkmalen der Verwendung von rohen Detektordaten als Eingaben zu den ANS-Neuronen vorgezogen.
Gemäß der zweiten Variation des auf dem ANS beruhenden Erfassungssystems werden "Merkmale" aus den Detektorsignalen, wie vorangehend beschrieben, entwickelt. Diese Merkmale umfassen die Eingangssignale zu dem ANS. Ein Diagramm eines bevorzugten ANS, welches bei dieser Variation verwendet wird, ist in Fig. 8 gezeigt. Dieses ANS umfaßt ein vollständig verbundenes, dreischichtiges Vorwärtsregelungsnetzwerk. Das Netzwerk umfaßt eine erste Schicht (Eingabeschicht) von Neuronen (PES) 120. Diese Eingabeschicht empfängt einen Satz von vorberechneten Merkmalsvektoren von dem Sprengstofferfassungssystem, welche auf Grauskalenwerte zwischen -0,5 und +0,5 normiert worden sind. Eine mittlere Schicht (verdeckte Schicht) von Neuronen 122 lernt, Merkmale zu kodieren, die nicht explizit in den Eingabemustern vorhanden sind. Eine letzte Schicht (Ausgabeschicht) von Neuronen 124 erzeugt einen Grauskalenwert, welcher mit einer Schwelle zum Erhalten einer Entscheidung verglichen werden kann. Die Ausgabeschicht ist mit +0,5 kodiert, wenn das untersuchte Objekt eine Sprengstoffgefahr enthält, und mit -0,5, wenn nicht. Obgleich die Schritte des Berechnens und Entwickelns derartiger "Merkmale" zur Verwendung bei dieser zweiten Variation eine beträchtliche Zeit benötigen können, kann, wenn einmal ein derartiger Satz von Merkmalen entwickelt worden ist, die Anzahl an Eingabeneuronen für das ANS signifikant verringert werden und die Komplexität des ANS-Netzwerks kann deutlich vereinfacht werden, im Vergleich zu demjenigen, welches erforderlich wäre, wenn die erste Variation verwendet werden würde (rohe Detektordaten, die direkt mit den Eingabeneuronen des ANS verbunden sind).
Vorteilhafterweise ist durch Verwendung des in Fig. 8 gezeigten Netzwerks keine Vorklassifizierung (groß, klein, etc.) der Objekte erforderlich, wie sie bei dem Diskriminantenanalyseverfahren verwendet wird. Die Liste von Merkmalen, welche in das Netzwerk eingegeben werden, kann all diejenigen umfassen, welche bei den Diskriminantenfunktionen verwendet werden, welche Merkmale einige aufweisen können, die eine signifikante Kolinearität aufweisen. Das Training des Netzwerks wird durch wiederholtes Präsentieren eines Trainingsdatensatzes dem Netzwerk mit relativ geringer Lernrate erreicht. Vorteilhafterweise kann ein derartiges Training mit nur einer minimalen menschlichen Überwachung durchgeführt werden. Die Rückausbreitung (BP) wird als das Lernparadigma für das System verwendet. BP beruht auf der verallgemeinerten Delta-Regel, welche vorangehend erwähnt worden ist, und ist im Stand der Technik gut bekannt. Diese Regel ist im wesentlichen ein Steilster- Abfall-Verfahren zum Berechnen der Zwischenverbindungsgewichtungen zwischen Neuronen des ANS, wodurch der gesamte quadratische Ausgabefehler bei einem Satz von Trainingsvektoren minimiert wird. Die Auswertung der Effektivität des ANS-Netzwerks kann durch einfaches Überwachen des sich ergebenden Fehlers beurteilt werden (da angenommen werden kann, daß das Netzwerk Fehler macht und falsche Anzeigen macht), und/oder indem einfach die PD- und PFA-Raten für einen Testsatz von Objekten gemessen werden.
Ein Leistungsvergleich zwischen einem Sprengstofferfassungssystem, das das Diskriminantenanalyseverfahren verwendewt und einem, das ein durch die BP-Technik trainiertes ANS verwendet, ist in Fig. 9 gezeigt. Das Leistungsvermögen beider Techniken wird an einem Testsatz von Objekten ausgewertet, der sich von dem Trainingssatz unterscheidet. Da die Ausgaben der beiden Techniken Grauskalenwerte erzeugen, können verschiedene Schwellen angewandt werden, um verschiedene Leistungspunkte an der PD PFA- Überschreitungsausgleichskurve zu erhalten. Jede Kurve in Fig. 9 ist durch Ändern der Schwellen für die Entscheidung über den annehmbaren Bereich erzeugt worden.
Die Fig. 9 zeigt deutlich, daß das ANS-Verfahren bei Fehlalarmraten größer als 1,75 % besser arbeitet als das Diskriminantenanalyseverfahren. Beispielsweise verringert bei dem Betriebspunkt von 95 % Erfassung (was ein typischer Betriebspunkt für ein brauchbares Sprengstofferfassungssystem ist) das ANS die Fehlalarmrate um ungefähr 1,5 - 2,0 %. Vorteilhafterweise führt dies bei einem Sprengstofferfassungssystem mit einem hohen Objektdurchsatz zu deutlich weniger Objekten, die durch sekundäre Techniken abgetastet oder überprüft werden müssen. Bei geringfügig höheren Erfassungsraten, z.B. 96 %, verringert das ANS den Unterschied zwischen den PFA-Raten weiter (obgleich der Wert des PFA bei beiden Verfahren ansteigt).
Ein durch das BP-trainierte ANS-Netzwerk gebotener Vorteil bezüglich des Diskriminantenanalyseverfahrens ist, daß das ANS relativ weniger menschliche Überwachung erfordert. Wie vorangehend angegeben, kann das Kalibrieren der Diskriminantenanalyse einige Tage statistischer Analyse erfordern. Bei der BP-Technik sind nur einige Stunden Einrichtzeit durch eine mit Computern vertraute Person und ein oder zwei Tage Computerzeit (zum Trainieren des Systems) erforderlich.
Wie man in Fig. 9 erkennen kann, ist das Leistungsvermögen des ANS-Netzwerks bei geringen Fehlalarmraten (weniger als 1,75 %) wesentlich geringer als bei dem Diskriminantenanalyseverfahren. Es wird angenommen, daß dies durch die bestimmte Aktivierungsfunktion verursacht wird, die in dem ANS-Netzwerk verwendet wird. (Die Aktivierungsfunktion ist diejenige Funktion, welche die Beziehung zwischen der Ausgabe eines bestimmten Neurons und seiner (seinen) Eingabe(n) definiert.) Die S-Funktion (Sigmoidfunktion) ist verwendet worden, und diese Funktion ist in der Mitte sehr steil (d.h. bei resultierenden Eingangswerten nahe bei 0). Daher neigen die meisten der Ausgabeaktivierungswerte dazu, sich um -0,5 und +0,5 anzusammeln. Es wird unvermeidbarerweise einige nicht gefährliche Objekte geben, die ähnliche Charakteristiken aufweisen wie gefährliche Objekte. In diesen Fällen werden die nicht gefährlichen Objekte ebenso einen Wert nahe bei +0,5 aufweisen. Um diese Objekte zu entfernen, müßte die Schwelle nahe bei +0,5 eingestellt werden. Dies würde jedoch dazu führen, daß die Erfassungsrate stark abfällt. Es wird jedoch angenommen, daß es eine bessere Lösung dieses Problems ist (des geringen Leistungsvermögens bei geringen PFA-Raten), eine glattere Aktivierungsfunktion zu verwenden.
Der ANS-Abschnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch herkömmliche Software und/oder Hardware ausgeführt sein, welche in dem Computer 116 (Fig. 1) oder dem Computer 58 (Fig. 4) installiert oder mit diesem gekoppelt ist, welcher Computer nachfolgend als der "Host"- Computer bezeichnet wird. Eine Ausführungsform umfaßt beispielsweise ein Feld von Prozessornetzwerken oder eine "Karte", die in dem Host-Computer installiert oder mit diesem gekoppelt ist. Ein geeignetes Prozessorfeldnetzwerk, das diese Funktion durchführen kann, ist von Science Applications International Corporation (SAIC), San Diego, CA 92121, unter dem Namen "Delta II Floating Point Processor" im Handel erhältlich.
Der Vorteil der Verwendung eines Feldprozessors des angegebenen Typs ist, daß die ANS-Berechnungen schnell durchgeführt werden können, wobei viele Berechnungen parallel durchgeführt werden.
Eine weitere Ausführung enthält das Ausbilden des ANS unter Verwendung von Software. Ein geeignetes Modellierprogramm, das ein ANS-Netzwerk auf einem herkömmlichen IBM PC/AT oder einem kompatiblen Computer simuliert, ist beispielsweise im Handel von Science Applications International Corporation (SAIC), San Diego, CA 92121, unter dem Namen "ANSim." erhältlich. Durch Verwendung des ANSim-Programms an einem IBM PC/AT oder einem kompatiblen Computer ist es somit möglich, die ANS-Abschnitte van Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung leicht zu modellieren.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen ein Sprengstofferfassungssystem unter der Verwendung von Neutronen von einer Quelle vor, welche auf ein Objekt auftreffen, das potentiell explosives Material enthält, wobei die Neutronen mit dem Stickstoff oder anderen Elementen, die in dem Objekt enthalten sind, wechselwirken, um Gammastrahlen zu erzeugen. Die Gammastrahlen werden durch geeignete Detektoren erfaßt, wie z.B. anorganische Szintillatoren, und in einer bevorzugten Ausführungsform sind die Szintillatoren derart angeordnet, daß sie das Objekt umgeben, um eine Erfassung einer zweidimensionalen Scheibe oder Ebene des untersuchten Objekts vorzusehen. Ein Neutronendetektor kann ferner dazu verwendet werden, den Neutronenfluß in der gleichen Umgebung wie die Gammastrahlendetektoren zu messen. Das Objekt wird kontinuierlich durch einen Ring von Detektoren bewegt, so daß aufeinanderfolgende Scheiben oder Ebenen den Aufbau eines dreidimensionalen Profils des Stickstoff enthaltenden Materials in dem untersuchten Objekt vorsehen. Das dreidimensionale Profil kann dann dazu verwendet werden, die Konzentration und die Verteilung des Stickstoff enthaltenden Materials zu bestimmen und eine Bestimmung durchzuführen, ob das Stickstoff enthaltende Material ein Profil aufweist, das wahrscheinlich ein explosives Material ist, wie z.B. eine hohe Stickstoffdichte. Diese Bestimmung wird durch Korrelieren des Stickstoffdichtebildes, das somit erhalten wird, mit einem Röntgenstrahlungsbild des gleichen Objekts verbessert. In einer Ausführungsform wird die Bestimmung durch die Verwendung eines künstlichen Neuronensystems oder eines äquivalenten parallel verteilten Netzwerks weiter vereinfacht. Die Verwendung eines ANS führt vorteilhafterweise zu einer PD des Systems, welche erhöht ist, und/oder einer PFA des Systems, welche verringert ist, jeweils bezüglich denjenigen, welche unter Verwendung herkömmlicher Standardentscheidungsanalysen erhalten werden.
In einer Ausführungsform ist der anorganische Szintillator Natriumiodid, und zwei entgegengesetzt angeordnete C-Ring- Detektoren, deren offene Enden jeweils voneinander weg weisen, werden verwendet, um ein komplettes Profil jeder Scheibe oder jeder Ebene entlang allen vier Seiten vorzusehen. Zusätzlich können die Gammastrahlendetektoren aus Sätzen von Detektoren in Reihen und Spalten gebildet sein, um das Erfassungsvermögen durch Empfangen zusätzlicher Gammastrahlen, welche durch die Wechselwirkung der thermischen Neutronen mit Stickstoff in dem Hohlraum erzeugt werden, zu verbessern. Die vorliegende Erfindung sieht daher eine höhere Auflösung und Effizienz bei der Erfassung von potentiell explosivem Material vor, und da dies in kurzer Zeit erreicht wird, sieht sie ferner einen geeigneten Durchsatz für das Gepäck oder die Pakete durch das System hindurch vor.
Obgleich die hier offenbarte Erfindung anhand spezifischer Ausführungsformen und Anwendungen derselben beschrieben worden ist, können vielzählige Modifikationen und Variationen durch den Fachmann durchgeführt werden, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen. Beispielsweise können, anstelle der Verwendung eines auf der TNA beruhenden Systems zum Untersuchen oder Abtasten des Gepäcks oder der Pakete, um zu bewirken, daß die charakteristischen Gammastrahlen von den in dem Gepäck oder den Paketen enthaltenen Materialien emittiert werden, andere äquivalente oder gleiche Systeme verwendet werden. Beispielsweise könnte ein FNA-(schnelle Neutronen-Aktivierung)-System verwendet werden. Solange Gammastrahlen oder andere Indizien, welche für die Zusammensetzung der Materialien innerhalb des Pakets oder des Gepäcks charakteristisch sind, erzeugt werden, und solange ein geeignetes Erfassungssystem oder ein Mechanismus zum quantitativen Erfassen der Gammastrahlen oder der Anzeichen verwendet wird, kann ein ANS-System, wie es hier beschrieben worden ist, zum Analysieren der erfaßten Strahlung (Gammastrahlen oder andere Anzeichen) zum Zwecke des Bestimmens, ob Sprengstoff oder andere Materialien in dem Paket oder dem Gepäck vorhanden sind, verwendet werden. Vorteilhafterweise kann der ANS-Abschnitt eines derartigen Erfassungssystems eine Funktion des Unterscheidens zwischen Paketen mit und ohne den Materialien von Interesse einfach durch Lernen von Beispielen durchführen, und muß nicht mit komplexen Algorithmen beruhend auf herkömmlichen statistischen Analysetechniken programmiert werden.
Die nachfolgende Beschreibung beschreibt die Art und Weise, in welcher ein Elektronendichtebild, welches von einem herkömmlichen Röntgenstrahlungssystem erhalten wird, mit dem von den Gammastrahlendetektoren eines thermischen Neutronen-Aktivierungs-(TNA)-Systems erhaltenen Stickstoff dichtebild korreliert wird, um Sprengstoffe zu erfassen.
Das vorliegende Verfahren beruht auf der Prämisse, soviele Merkmale des explosiven Materials wie möglich zu identifizieren. Das vorliegende System verwendet Information von verschiedenen Sensoren und jegliche a priori-Information, welche in mathematisch und logisch geeigneten Arten zum Erhalten des korrektesten Ergebnisses kombiniert werden.
Das erste und das bedeutendste Merkmal von Sprengstoff ist der hohe Stickstoffgehalt. Daher sollte es der Grundmodus des verbesserten EDS sein, eine so hohe Empfindlichkeit für Stickstoff wie möglich zu haben. Dies enthält die höchstmögliche Zählrate aufgrund von Stickstoff mit einem so nieder wie möglichen Hintergrund. Die prompte Aktivierung von Stickstoff durch thermische Neutronen ist bestimmt das Mittel zum Erreichen der höchsten Gesamtempfindlichkeit für Stickstoff. Eine hohe auf Stickstoff bezogene Gammazählrate in einem geeignet gestalteten Detektorfeld und mit einem geeigneten Rekonstruktionsalgorithmus kann ein grobes 2D oder 3D Bild des Stickstoff enthaltenden Materials ergeben. Obgleich diese Information äußerst hilfreich ist (da sie ein Maß für die Stickstoffdichte ist), ist sie von ihrer Natur aus grob, aufgrund der praktischen Größen von Gammadetektoren und der großen statistischen Fluktuationen der Zählwerte, welche in den individuellen Detektoren angesammelt werden. Die beiden auf TNA beruhenden Systeme, die bei SAIC, Santa Clara, aufgebaut worden sind, weisen eine verbesserte Ausgestaltung auf, eine hohe Stickstoffgammazählrate und grobe Bilderzeugungsfähigkeiten, und bilden somit den ersten Instrumentenmodus in dem kombinierten System.
Der nächste sehr hilfreiche Modus wäre es, die räumliche Auflösung des Stickstoffbildes zu erhöhen (und somit das Maß der Stickstoffdichte zu verbessern), durch Korrelation mit einem Hochauflösungs-Dichtebild. Die effizienteste Technik zum Erhalten eines zweidimensionalen Dichtebilds eines Objekts mit hoher Auflösung ist die Röntgenstrahlungsradiografie. Die Auflösung und die Präzision, die derartige akzeptierte und getestete Systeme vorsehen können, ist weitaus besser als diejenigen, welche auf Neutronen beruhende Systeme vorsehen können.
Das grobe (doch sehr stickstoffspezifische) Bild, welches mit dem TNA-EDS unter Verwendung des geeigneten Rekonstruktionsalgorithmus erhalten wird, wird dann mit dem Bild mit hoher Auflösung (jedoch nicht stickstoffspezifisch) korreliert, das von dem Röntgenradiografiesystem geliefert wird. Somit werden die wichtigsten Merkmale der beiden Modalitäten, nämlich die hohe Stickstoffspezifität in dem TNA-EDS und die hohe räumliche Auflösung der Röntgenstrahlung in einem objektiven Weg zusammengemischt, um ein inhaltsreicheres Bild des Stickstoff enthaltenden Materials zu erzeugen.
Die Kombination von Gamma- und Röntgenstrahlungsbildern ermöglicht Dinge, die keines alleine vorsehen kann. Wenn beispielsweise ein Sprengstoff in einem On-Line-Betrieb erfaßt wird, dann kann das kombinierte Bild dem zum Entfernen desselben verantwortlichen Personal präsentiert werden. Die Verwendung der Gammastrahlungs-"Färbung" zum Herausgreifen von Sprengstoff aus dem Röntgenstrahlungsbild sollte das Vermögen eines Experten, zum Analysieren von dessen Aufbau, deutlich verbessern. Die Form des Sprengstoffs wird ebenso bestimmbar sein, da es momentan legal ist, Sprengstoff in der Form von Munition (wenn sie deklariert ist) in Mengen zu transportieren, die größer ist als die Schwelle; das Röntgenstrahlungsradiografiesystem ermöglicht das Überprüfen des Behälters, um zu bestätigen, daß dies der Weg ist, auf dem die Sprengstoffe transportiert werden. Die Automatisierung des Mustererkennungsverfahrens ist der Gegenstand momentaner Forschung an vielen Instituten; die Verwendung der Gammastrahlungs-"Färbung" zum Fokussieren dieser Software auf die Bedeutungsmuster könnte diese Software jedoch beträchtlich vereinfachen.
Das vorliegende System besteht zu gleichen Teilen aus Hardware und Software. Durch Verwendung von gebrauchsfertigen Komponenten konnte die meiste Anstrengung während des Projekts auf die Software und die Entscheidungsentwicklung gerichtet werden. Die enthaltene Hardware ist weitgehend verwendet worden und ist im Handel erhältlich und umfaßt einen Doppelansichts-Röntgenstrahlungsscanner, einen Mikrocomputer und einen Relais-Controller. Die Software, welche das System betreibt, ist jedoch eine selbst hergestellte Software und macht in Verbindung mit der TNA dieses System einzigartig.
Der Röntgenstrahlungsscanner sieht zwei orthogonale Bilder von jedem abgetasteten Gegenstand vor. Das Röntgenstrahlungssystem verwendet zwei 160 KeV Röntgenstrahlungsgeneratoren sowie deren beide Energieversorgungen, zwei lineare Detektorfelder mit 12 Fotodioden pro Zoll, zwei Anzeigemonitore und ein Fördersystem. Ein Satz dieser elektronischen Einrichtungen sieht ein vertikal durch den abgetasteten Gegenstand genommenes Bild vor (Draufsicht), während der andere Satz ein horizontal durch den gleichen Gegenstand genommenes Bild vorsieht (Seitenansicht). Die beiden Röntgenstrahlungsgeneratoren und Detektorfelder sind voneinander um 8,9 cm (3,5 Zoll) entlang der Bewegungsachse des Förderbands versetzt, um ein Übersprechen zu verhindern. Jede der 512x480-Pixel-Röntgenstrahlungsprojektionen wird gleichzeitig Seite an Seite angezeigt, wenn der Gegenstand abgetastet wird.
Das Fördersystem umfaßt das Förderband, welches ein Standardteil des Röntgenstrahlungsscanners ist, sowie einen pneumatisch betätigten Taschenschieber, welcher für das vorliegende System entworfen und gebaut worden ist. Der Schieber stellt ein geeignetes Timing und eine räumliche Trennung der von dem TNA-System erhaltenen Taschen sicher. Der Taschenschieber ist ein Tisch, welcher an dem Eingangsende der Förderbandanordnung angebracht ist. Begrenzungsschalter, pneumatische Aktuatoren und Ventile und Luftfilterkomponenten sind unter dem Schiebetisch angebracht. Ein kleiner Luftkompressor liefert den pneumatischen Druck. Wenn das System zum Verarbeiten einer neuen Tasche fertig ist, dann werden die pneumatischen Zylinder in Sequenz angetrieben. Ein Zylinder betätigt eine Gleitplatte von der Rückseite der Maschine. Dies orientiert die Tasche korrekt. Der zweite Zylinder bewegt die andere Gleitplatte und den Endschieber, welcher die Tasche auf das Förderband schiebt.
Das verwendete Mikrocomputersystem ist um drei Hauptkomponenten herum aufgebaut: Einen primären Computer, einen Bildprozessor und eine optische Diskette. Der Computer wird zur Datenerfassung verwendet, zur Prozeßsteuerung und sowohl zur On-Line- als auch zur Off-Line-Analyse der Daten. Während des On-Line-Betriebs wird Information zwischen dem Computer des TNA-Systems und dem primären Computer über eine serielle Verbindung zwischen den beiden Computern übertragen. Der primäre Computer weist zwei 70 Megabyte (MB) Festplatten zum Daten- und Programmspeichern sowie 10 MB Speicherplatz auf.
Das optische Diskettenlaufwerk fügt zusätzlich zwei Gigabyte-Speicher pro optische Diskette hinzu. Optische Disketten werden primär zum Speichern von Röntgenstrahlungsbildern verwendet, welche jeweils 1/2 MB erfordern, sie werden jedoch auch zum Archivieren der TNA-Daten verwendet. Zusätzlich zu dem Vermögen, bis zu 4000 Doppelansichts-Röntgenstrahlungsbilder pro optischer Diskette speichern zu können, weist die optische Diskette den Vorteil auf, daß sie einen schnellen und zuverlässigen beliebigen Zugriff zu allen Daten, die gesammelt worden sind, ermöglicht.
Der Bildprozessor wird verwendet, um das von der Stickstoffverteilungs- und Röntgenstrahlungsprojektion korrelierte Bild zu erhalten. Der Bildprozessor weist acht 8-Bit 512x512 Bildpufferspeicher zur Bildverarbeitung auf. Paare von Bildpufferspeichern können kombiniert werden, um 16- Bit-Rahmenbetriebe zu ermöglichen. Die Röntgenstrahlungsbilder werden durch direkte Koaxialkabelverbindungen mit den Anzeigemonitoren des Röntgenstrahlungsscanners durch den Bildprozessor erfaßt. Ein 1024x1024-Pixel-Fernsehmonitor wird zum Anzeigen der Inhalte der verschiedenen Bildpufferspeicher des Bildprozessors verwendet, um die Ergebnisse der an den Bildern durchgeführten Operationen zu untersuchen.
Eine Steuerung der Sequentialisierung und des Timings auf hohem Niveau der Mechanismen, die bei der Erfassung der Röntgenstrahlungsbilder verwendet werden, wird durch einen Relais-Controller vorgesehen. Der Controller verwendet eine Relais-Logik, um die Aktivierung des Schiebetisches, des Röntgenstrahlungsscanners, der Analysesoftware und des Videoschalters vorherzusagen, welcher Videoschalter ein Relais-Mechanismus ist, der die Eingabe in den Bildprozessor zwischen den beiden Röntgenstrahlungsanzeigemonitoren umschaltet. Der Controller ist in einer staubfreien Umhüllung aufgenommen, welche an dem Röntgenstrahlungsscanner angebracht worden ist.
Die Software für das vorliegende System besteht aus drei Aufgaben:
- Datenerfassung
- Datenanalyse
- Entscheidungsanalyse
Der Hauptzweck des Datenerfassungsmoduls ist das Erfassen von rohen Daten von dem Röntgenstrahlungsscanner und der TNA-Information von dem TNA-System. Das Datenerfassungsmodul ist in zwei kleinere Aufgaben unterteilt:
i Röntgenstrahlungsbilderfassung
ii TNA-Bilderfassung
Das Röntgenstrahlungsbilderfassungssystem verwendet die Elektronik und die Anzeigevorrichtung des Röntgenstrahlungsscanners. Die Daten werden Zeile für Zeile aufgezeichnet und korrigiert. Die Korrektur umfaßt sowohl den Anstieg als den Null-Pegel und wird zwischen den Taschen automatisch aktualisiert. Die korrigierten Daten werden in zwei Videospeicher verschoben, wo sie durch den Bediener beobachtet werden können. Am Ende jedes vollständigen Bilds werden die Daten schnell in zwei Bildprozessorpufferspeicher, die an dem Computer vorgesehen sind, eingelesen.
Die TNA-Bilderfassung wird durch eine serielle RS-232- Standleitungsverbindung zwischen dem Computer der TNA und dem primären Computer durchgeführt. Das TNA-System erzeugt einen Satz von Daten für jede Tasche. Dieser Datensatz besteht aus dem Taschen-Identifizierer, dem Größenfeld, der Taschenlänge, dem Gewicht und dem reduzierten oder über dem Hintergrund liegenden Stickstoffbild als eine Funktion der Taschenposition. Die Übertragung und der Empfang des Informationspakets werden durch von dem Hauptcode (QUEFIL) separaten Prozessen gehandhabt.
Der Hauptzweck des QUEFIL-Programms ist das Annehmen der TNA-Bilddaten von dem Computer der TNA und das Verarbeiten derselben gemäß dem mit den Daten übersandten Steuercode. Dieser Steuercode gibt den Platz in der Schlange an, an dem das Bild sich aufhält. Normalerweise werden die Daten in einer FIFO (First In First Out)-Schlange angeordnet. Das Analysemodul kann dann die Daten, so wie erforderlich, von dieser Schlange entnehmen.
Das Datenanalysemodul ist ein Abschnitt des Codes, der sowohl das Röntgenstrahlungs- als auch das TNA-Bild zum Erzeugen der Diskriminantenwerte für das Entscheidungsanalysemodul verarbeitet. Das Datenanalysemodul kann in vier kleinere Aufgaben weiter unterteilt werden:
i Projektion
ii Korrelation
iii Randverstärkung
iv Agglomeration
Die Aufgabe des Projektionsmoduls ist es, Projektionen der Stickstoffverteilung in dem TNA-Hohlraum zu erhalten, welche von Sichtpunkten aus erhalten werden, die denjenigen, durch welche die Röntgenstrahlungsprojektionen erzeugt worden sind, entsprechen. Zwei Projektionsalgorithmen sind entwickelt worden, von welchen beide Projektionen der Stickstoffverteilung auf orthogonale Ebenen, entsprechend den Röntgenstrahlungsprojektionsebenen, erzeugen. Ein Projektionsalgorithmus, als der Gerade-Projektion-Algorithmus bekannt (STRAT-PROJ), erzeugt eine Projektion entlang paralleler Strahlen, die orthogonal zur Ebene oder Projektion sind. Der andere Algorithmus, bekannt als der Gekrümmte-Projektion-Algorithmus (verwendet die Programme PROSUM und PROMAX), erzeugt ein Bild, das mehr der Fächerstrahlprojektion entspricht, die tatsächlich durch das Röntgenstrahlungssystem erzeugt wird. Beide Module ermöglichen, daß ein Vektor von Gewichtungsfaktoren bei jedem Voxel, das durch jeden Strahl der Projektion durchschnitten wird, angewandt wird. Das PROMAX-Programm ordnet die Gewichtung 1 dem geschnittenen Voxel mit maximaler Intensität zu und null all den anderen geschnittenen Voxels. PROSUM verwendet bei jedem geschnittenen Voxel die gleiche Gewichtung.
Die Gerade-Projektion ist als ein leicht ausführbarer Algorithmus entwickelt worden, der verwendet werden könnte, während der kompliziertere Fächerstrahlprojektionscode entwickelt wird. Der Gerade-Projektion-Algorithmus ist vollständig in FORTRAN geschrieben und umfaßt keine geometrische Betrachtung der tatsächlichen Fächerstrahlprojektiongeometrie des Röntgenstrahlungssystems. STRAT-PROJ projiziert die Stickstoffverteilung durch einfaches Summieren der Voxel-Intensitäten entlang Strahlen orthogonal zur Projektionsebene.
Der Gekrümmte-Projektion-Algorithmus beruht auf zwei Programmen, von welchen eines die maximale entlang des Strahlenwegs erhaltene Voxel-Intensität projiziert (PROMAX) und ein weiteres die Summe der Voxel-Intensitäten entlang jedes Strahls projiziert (PROSUM). In PROSUM wird das abschließend gekrümmte und gewichtete Bild durch Multiplizieren der maximalen Voxel-Intensität mit dem gewünschten Gewichtungsfaktor, Addieren des Ergebnisses zu der mittleren Voxel- Intensitätprojektion und Normieren auf den korrekten Intensitätsbereich erhalten. Somit führt die Prozedur zu einem gewichteten Mittel zwischen der maximalen Intensität durchsetzter Voxel und der mittleren Intensität durchsetzter Voxel.
PROMAX und PROSUM sind identisch zueinander, mit Ausnahme, daß PROMAX nur die maximale Intensität entlang des Projektionswegs hält, während PROSUM den Gesamtwert der Voxel- Intensitäten entlang jedes Strahls hält. Beide Programme verwenden ein Assembler-Sprachen-Kernprogramm, das in dem Bildprozessor arbeitet und das durch einen FORTRAN-Treiber aufgerufen wird. Der durch jedes Programm verwendete Krümmungsalgorithmus komprimiert jede Schicht von Voxels in eine Ebene. Die Vergrößerung bei jeder Schicht wird aus den Abmessungen des Röntgenstrahlungshohlraums und durch Verwendung einfacher geometrischer Beziehungen bestimmt. Jede Schicht wird durch den geeigneten Vergrößerungsfaktor in der Richtung quer zur Bewegungsrichtung gedehnt oder gekrümmt. Das gewünschte Ergebnis wird durch Projektion entlang paralleler Strahlen durch die gekrümmten Schichten erhalten.
Der Gekrümmte-Projektion-Algorithmus ist zum Bestimmen entwickelt worden, ob ein Projektionsprogramm, das näherungsweise die Vergrößerungseffekte in dem Röntgenstrahlungssystem berechnet hat, in beträchtlicher Weise das Leistungsvermögen des Systems verbessern würde. Nach Ausführung der gekrümmten Projektion ist keine signifikante objektive Verbesserung beobachtet worden. Dies kann an dem groben TNA-Gitter liegen, den geringen Vergrößerungen, die mit den typischen Taschenabmessungen zusammenhängen, und den Unbestimmtheiten, die bei der TNA-Rekonstruktion auftreten. Zusätzlich hat der letzte Algorithmus, welcher sowohl die Krümmungs- als auch die lineare Gewichtung bei der maximalen Voxel-Intensität umfaßt hat, ungefähr 1,6 Sekunden pro Projektion benötigt, wogegen der Gerade-Projektion-Algorithmus deutlich weniger als eine Sekunde benötigt hat. Da dieses Mehr an Zeit in Anbetracht der beschränkten Vorteile der gekrümmten Projektion als unannehmbar betrachtet worden ist, ist bei der Analyse, die durchgeführt worden ist, ausschließlich der Gerade-Projektion-Algorithmus verwendet worden.
Das Randverstärkungsprogramm ist zum Beseitigen schmaler Bereiche mit hoher Dichte entwickelt worden, die sich aus der Korrelation und der Agglomeration ergeben haben. Diese schmalen Bereiche mit hoher Dichte haben Verbindungen zwischen Gefahrbereichen und Nicht-Gefahrbereichen in dem Rest des Koffers verursacht. Der Randverstärkungs- oder Skelettierungsalgorithmus ist wie folgt:
- Identifizieren der Ränder des Objekts und des korrelierten Bildes in einem Bild
- Verstärken dieser Ränder, um sie deutlicher zu machen
- Erzeugen eines Randbildes, das nur aus den verstärkten Rändern besteht
- Subtrahieren des "Rand"-Bildes von dem originalen Bild, wodurch sich ein Bild mit "subtrahiertem Rand" ergibt.
Die Agglomerisierung oder "Klecksbildung" ist das Verfahren zum Identifizieren stark korrelierter Objekte innerhalb des korrelierten Bildes und wird durch das Assembler-Code- Programm FVC durchgeführt. Nachdem die Korrelationsfaltung durchgeführt worden ist, wird ein binäres Bild aus dem korrelierten Bild erzeugt. Pixel, die eine Intensität aufweisen, die größer als die Schwelle ist, die ausgewählt worden ist, werden mit einer Intensität von 255 gekennzeichnet (weiß), während Pixel, welche unter dieser Schwelle liegen, mit 0 gekennzeichnet werden (schwarz). Das Programm FVC identifiziert aneinander anstoßende Bereiche von Pixel, welche eine Intensität von 255 aufweisen. Beginnend von der linken unteren Ecke des Bereichs von Interesse sucht FVC nach Pixeln, welche eine Intensität von 255 aufweisen. Nach dem Finden eines weißen Pixels führt FVC Tests durch, um zu bestimmen, ob irgendwelche benachbarten Pixel ebenso weiß sind. Dieser Nachbarschaftstest wird bei jedem benachbarten weißen Pixel durchgeführt, bis keine neuen Pixel gefunden werden. Objekte werden in einem gekennzeichneten Bild durch Zuordnen eines jeden Satzes benachbarter Pixel zu einem unterschiedlichen Intensitätspegel identifiziert. Mit anderen Worten, das erste zu identifizierende Objekt wird dasjenige sein, das am nähesten bei der linken unteren Ecke des Bereichs von Interesse ist, und dieser wird in dem gekennzeichneten Bild eine Intensität 1 zugeordnet. Dem nächsten identifizierten Objekt wird ein Intensitätspegel von 2 zugeordnet usw. Da das gekennzeichnete Bild 8 Bit tief ist, ist das Kennzeichnungsschema in der Lage, bis zu 255 Objekte zu identifizieren.
Wenn einmal all diese stark korrelierten Objekte identifiziert worden sind, macht FVC einen weiteren Durchlauf über das binäre Bild, dieses Mal, um die Grenzen der gefundenen Objekte zu identifizieren. Um dies durchzuführen, identifiziert FVC weiße Pixel, welche benachbarte schwarze Pixel aufweisen. Jedes weiße Pixel, bei dem festgestellt wird, daß es ein benachbartes schwarzes Pixel hat, wird auf einen Überlappungspuffer abgebildet, wo die Umfangslinien all der Objekte grün angezeigt werden.
Das Entscheidungsanalysemodul ist verantwortlich für die Bestimmung, ob ein Koffer einen Sprengstoff enthält oder nicht. Die Entscheidungsanalyse kann in zwei Algorithmen für Volumen- und Scheibensprengstoffe unterteilt werden.
Der Volumenalgorithmus beruht auf einer Agglomerationstechnik, welche das Korrelationsbild nimmt und die Objekte in dem Koffer mit "Klecksen" lokalisiert, die über einer vorgegebenen Schwelle liegen. Die Kleckse werden dann analysiert, um unterscheidende Merkmale für die abschließende Entscheidung zu erzeugen. Momentan wird dieser Algorithmus lediglich bei der "Draufsicht" der Koffer verwendet. Obgleich es möglich ist, diesen Algorithmus bei der Seitenansicht zu verwenden, ist jedoch in dem Test die Nachbildung immer außerhalb des Koffers angeordnet worden und hat sich somit in der Seitenansicht zu deutlich gezeigt.
Der Scheibenalgorithmus wird aktiviert, wenn das TNA-System das mögliche Vorhandensein eines scheibenartigen Sprengstoffs signalisiert. Der Scheibenalgorithmus verwendet sowohl die Seitenansicht als auch die Draufsicht des Röntgenstrahlungsbildes. Die Draufsicht ist zweckdienlich für die Erfassung von scheibenartigem Sprengstoff an der Seite, und die Seitenansicht ist zweckdienlich für scheibenartige Sprengstoffe an der Ober- oder der Unterseite. Die unterscheidenden Merkmale für den Scheibenalgorithmus werden durch Auswerten, wie das Röntgenstrahlungsbild gedämpft wird, erzeugt. Die Draufsicht ist zweckdienlich für die Erfassung von scheibenartigem Sprengstoff an der Seite, und die Seitenansicht ist zweckdienlich für scheibenartige Sprengstoffe an der Ober- oder der Unterseite. Die unterscheidenden Merkmale für den Scheibenalgorithmus werden durch Auswerten, wie der Röntgenstrahlungsstrahl entlang der Ränder abgeschwächt ist, und durch Auswerten des korrelierten Bildes erzeugt. Die abschließende Entscheidung wird beruhend auf diesen unterscheidenden Merkmalen durchgeführt.
Die Theorie hinter dem vorliegenden System ist das Kombinieren zweier einzelner Informationsteile, so daß das Ergebnis besser ist als wenn beide einzeln verwendet werden würden. Das Kombinieren der Kernphysik und der grundliegenden Röntgenstrahlungstechnologie hat ein System ergeben, welches Sprengstoffe mit einem hohen Präzisionsausmaß erfaßt. Das verwendete Verfahren und der Ursprung von jedem der Informationsteile wird nachfolgend beschrieben.
Es gibt zwei Quellen für die Information, welche die Eingabe für das vorliegende System umfassen. Eine davon sind die Daten des TNA-EDS-Systems. Die andere sind die durch den Röntgenstrahlungsscanner gelieferten Röntgenstrahlungsbilder. Das vorliegende System kombiniert diese beiden Informationsteile in ein "Stickstoff-physikalische Dichte"- Bild. Da explosives Material im allgemeinen sowohl eine hohe Stickstoffdichte als auch eine hohe physikalische Dichte aufweist, ist dieses kombinierte Bild eine bessere Vorhersage für das Vorhandensein eines Sprengstoffs als jedes Bild allein. Zusätzlich verbessert, wenn Sprengstoff vorhanden ist, das Korrelationsverfahren die räumliche Auflösung des Stickstoffbildes. Somit kann ein Koffer, welcher scheinbar eine ausreichend hohe Stickstoffdichte aufweist, daß er in dem TNA-System eine Gefahr darstellt, mit dem vorliegenden System genauer untersucht werden. Wenn nicht ausreichend Masse vorhanden wäre, um eine Gefahr darzustellen, dann wäre der TNA-Alarm falsch.
Die Daten von dem TNA-System umfassen die Information darüber, wieviel Stickstoff in der Tasche vorhanden ist, sowie über eine grobe Annäherung von dessen Ort. Die Stickstoffgehaltinformation des Koffers wird aus den grundlegenden Prinzipien des TNA-Systems abgeleitet. Der Ausdruck TNA bezieht sich auf die thermische Neutronenaktivierung. Wenn ein thermisches Neutron auf einen Atomkern eines vorgegebenen Elements auftrifft, dann kann einer der beiden folgenden Vorgänge auftreten. Das Neutron kann entweder durch den Kern absorbiert werden, oder es kann "abprallen". Es ist das erstere Ereignis, welches zu den Signalen in dem TNA- System führt. Ein thermisches Neutron ist im thermischen Gleichgewicht mit dem Material (dessen minimaler Energie) und weist daher die höchste Wahrscheinlichkeit auf, daß es durch einen Atomkern absorbiert wird.
Wenn ein Kern ein Neutron absorbiert, dann wird er "aktiviert", und es besteht eine Wahrscheinlichkeit, daß ein Gammastrahl einer für das absorbierende Element bestimmten Energie abgegeben wird. Der Ausdruck "Aktivierung" bezieht sich somit auf den Fall, in dem ein Kern ein Neutron einfängt und einen Gammastrahl emittiert. Für Stickstoff hat der interessante Gammastrahl eine Energie von 10,8 MeV. Diese Gammastrahlen werden durch ein Feld von Detektoren erfaßt, die zum Rekonstruieren des TNA-Bildes verwendet werden.
Die zum Erzeugen des Stickstoffbildes aus den erfaßten Daten verwendete Technik ist die algebraische Rekonstruktionstechnik (ART) mit Regularisierung. Das Signal von dem Koffer kann durch einen Vektor, S, wiedergegeben werden, welcher die beobachtete Zählrate ist, die in jedem Detektor für jedes Zeitintervall als seine Elemente beobachtet wird. Wenn N Detektoren und T Beobachtungszeiten vorhanden wären, dann sind die ersten N Elemente von S die Zählwerte in den Detektoren für die erste Zeitperiode, die nächsten N Elemente sind für die zweite Zeitperiode usw., bis zu dem N*T- Element. In gleicher Weise gibt es einen Vektor P der Stickstoffdichten in dem Hohlraum. Der Hohlraum ist in eine Anzahl an Volumenelementen (Voxels) unterteilt, von welchen jedes ungefähr die Größe der Detektoren aufweist, ein Kubus mit 4 Zoll Seitenlänge. Der Stickstoffgehalt von jedem Voxel beschreibt die Verteilung der Stickstoffdichten mit einem Ausmaß an Präzision, welches mit den relativ großen Detektoren, die in dem System verwendet werden, möglich ist. Die Voxeis werden einfach der Reihe nach mit x numeriert, mit der schnellsten Änderung von links nach rechts, dann mit y, mit Veränderung von oben nach unten und schließlich mit z mit der geringsten Veränderung von dem Eingang zu dem Ausgang des Hohlraums entlang des Bands. Das Signal und die Stickstoffdichte sind durch eine Transfermatrix W aufeinander bezogen:
S = Wp (1)
Die Elemente von W können durch die Verwendung des in der Phase I verwendeten Simulationscodes berechnet werden, oder sie können durch Experimente mit kleinen Stickstoffmengen in nahezu leeren Behältern gemessen werden. In der Praxis ist die Abschätzung der Vorwärtsantwortmatrix durch Verwendung des Simulationscodes durchgeführt worden.
Das Problem bei On-Line-Betrieben ist das Berechnen des Werts des Vektors p aus der gegebenen Messung von S. Da es mehr Messungen (Elemente in S) gibt, als es zu bestimmende Werte gibt (Elemente in p), ergibt die algebraische Rekonstruktionstechnik die herkömmliche Lösung mit den geringsten Quadraten:
= (WT W)&supmin;¹ WT S (2)
Unglücklicherweise ist aufgrund des in dem System vorhandenen Rauschens und des hohen Korrelationsausmaßes zwischen den Elementen von W die W W-Matrix schlecht konditioniert, und ihre inverse Matrix wird sowohl große als auch kleine Elemente in sich aufweisen. Als Ergebnis daraus treten in dem rekonstruierten Bild Artefakte auf, die durch große Variationen oder durch abwechselnden hohen und niederen Stickstoffgehalt in benachbarten Voxeln wiedergegeben sind. Um diese Effekte zu verringern und um die Stabilität des Ergebnisses zu erhöhen, wird eine Glattheits-Randbedingung hinzugefügt. Diese Technik ist als Regularisierung bekannt.
In diesem Falle ist die hinzugefügte Glattheits-Randbedingung von der Art, welche große erste Ableitungen der Stickstoffdichte "bestraft", d.h. sie versucht, eine erste Ableitung über das gesamte Bild von null zu erzeugen. Der Effekt ist ein gleichförmiger Hintergrund und ein sanfter Übergang an den Bereichen mit hoher Stickstoffdichte. Wenn die Randbedingung ins äußerste getrieben wird, d.h. wenn sie einen großen Lagrange-Multiplikator aufweist, dann wird das Ergebnis ein gleichförmiges Bild sein. Wenn K der Matrixoperator für die erste Ableitung des p-Vektors ist, dann wird die Gleichung (2) zu (durch die Anwendung der herkömmlichen Lagrange-Randbedingungen):
= [(WT = W g KT K)&supmin;¹ WT]S (3)
In der Gleichung (3) ist g der "Glättungskoeffizient"; je größer dieser ist, desto glatter wird die sich ergebende Abschätzung von p sein. Dieser Parameter erfordert eine Justierung, um eine gute Rekonstruktion zu erzeugen.
Alle Ausdrücke in der eckigen Klammer in Gleichung (3) sind aus dem Aufbau des Systems bekannt; somit können sie in einem On-Line-Betrieb bereits vorher berechnet werden und als eine einzige Matrix gespeichert werden. Während des On- Line-Betriebs ist es lediglich erforderlich, eine einzige Matrixmultiplikation durchzuführen. Dies ist eine wesentliche Anzahl an Berechnungen (die Matrix in eckigen Klammern, die inverse Transfermatrix, ist in dieser Anwendung eine 140x270 Matrix), die jedoch in der zur Verfügung stehenden Zeit durchführbar sind. Diese Rekonstruktion erzeugt ein dreidimensionales Bild, in dem die Zahl in jedem Voxel linear auf die Stickstoffmenge bezogen ist, die in jedem Voxel vorhanden ist.
Zur Verwendung dieses Stickstoffbilds muß dieses mit dem Röntgenstrahlungsbild "korreliert" werden. Der erste Schritt bei dem Korrelationsvorgang verringert die Größe des Röntgenstrahlungsbilds durch Verringern der Pixel, so daß sie mit den TNA-Projektionen kompatibel sind (es wird dreimal jedes zweite ungerade Pixel entfernt, so daß sich ein Gesamtverringerungsfaktor von 8 ergibt). Dieses Bild wird in S&sub1; gespeichert, den Röntgenstrahlungsdaten mit hoher Auflösung. Der nächste Schritt verringert die Auflösung des Röntgenstrahlungsbildes auf diejenige des TNA- Bildes, unter Verwendung einer Faltung des Bildes mit einem schmalen Gauß'schen Kern. (Ein schmaler Kern ist einer, in welchem die meisten Elemente null sind. Ein schmaler Kern kann das Überstreichen eines großen Bereichs bei einer begrenzten Computerzeit ergeben.) Das Ergebnis der Faltung führt zu dem Bild S&sub1; den Röntgenstrahlungsbildern, die erhalten worden wären, wenn das Röntgenstrahlungssystem eine räumliche Auflösung hätte, die mit dem TNA-System vergleichbar ist. Das Ergebnis der Faltung wird zum Erzeugen der Bilder S&sub0;, S&sub1; und S&sub1;² verwendet, wobei S&sub0; das TNA- Projektionsbild ist. Nach dem Durchführen sowohl der vorangehend angegebenen Draufsicht als auch der Seitenansicht werden die Ergebnisse dieser Bildmultiplikationen verschoben und addiert, um ein einziges Bild aus vier Unterbildern zu erzeugen: Die Draufsicht S&sub0;, S&sub1; und S&sub1;² und die Seitenansicht S&sub0;, S&sub1; und S&sub1;². Der nächste Schritt bei der Korrelation ist das Erzeugen von "Erwartungs"-Werten der Produktbilder. Dies wird durch eine lokale Mittelwertfaltung durchgeführt. Das Ergebnis dieser Operation ist ein 8-Bit- Bild, von welchem ein Teil < S&sub0;S&sub1;> /S&sub1;²> wiedergibt, wobei < > die räumliche Mittelung in dem lokalen Bereich bezeichnet. Der letzte Schritt ist das Anwenden einer Schwelle bei dem korrelierten Bild, um ein binäres Bild mit hoher Stickstoffdichte und hoher Materialdichte in dem Objekt zu erzeugen. Das binäre Bild kann dann durch ein Agglomerisationsprogramm analysiert werden, um die Akzeptanz/zurückweisungs-Kriterien zu bestimmen.

Claims

1. Einrichtung zum nicht invasiven Erfassen von Schmuggelware in einem Objekt (108, 134), wobei die Einrichtung umfaßt:

ein Mittel (102, 130) zum Erzeugen thermischer Neutronen,

ein Mittel (104, 136) zum Bestrahlen des Objektes mit den thermischen Neutronen, worin die Wechselwirkungen der thermischen Neutronen mit Atomkernen innerhalb des Objekts zur Emission von Gammastrahlen führen, wobei die Gammastrahlen ein Energieniveau aufweisen, das für in dem Objekt enthaltene Kernspezien charakteristisch ist,

ein Erfassungsmittel (114, 144) zum Erfassen der emittierten Gammastrahlen, welche ein Energieniveau aufweisen, das für wenigstens ein Element charakteristisch ist, und zum groben Bestimmen des Orts innerhalb des Objekts, von welchem die erfaßten Gammastrahlen stammen, wobei die Erfassung der Gammastrahlen und ihres Quellenortes somit ein Maß für die Dichteverteilung des wenigstens einen Elements in dem Objekt vorsehen,

gekennzeichnet durch

ein parallel verteiltes Verarbeitungsmittel (154, 120, 122, 124), welches auf das Erfassungsmittel (114, 144) anspricht zum Erkennen eines Musters erfaßter Gammastrahlen, welches für einen bestimmten Typ von Schmuggelware bezeichnend ist,

ein Abbildungsmittel (116, 154), welches auf das Erfassungsmittel (114, 144) anspricht zum Erzeugen

eines Dichtebildes des wenigstens einen Elements in dem Objekt,

ein Röntgenstrahlungsmittel (150) zum Erzeugen wenigstens eines zweidimensionalen Elektronendichtebildes des Objekts, und

ein Mittel (148, 154) zum Kombinieren des Dichtebildes von wenigstens einem Element und des Elektronendichtebildes zum Bestimmen, ob das kombinierte Bild das Vorhandensein von Schmuggelware in dem Objekt anzeigt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, worin das parallel verteilte Verarbeitungsmittel ein künstliches Neuronensystem (116, 154, 120, 122, 124) ist, wobei das künstliche Neuronensystem ein Erkennungsmittel umfaßt,

welches auf das Erfassungsmittel anspricht zum Erkennen des Musters erfaßter Gammastrahlen, welches für den bestimmten Typ von Schmuggelware bezeichnend ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend ein Mittel (146) zum Erfassung von Neutronen, welche durch das Objekt hindurchgehen, ohne mit Atomkernen wechselzuwirken, wobei die Erfassung der Neutronen somit ein Maß für die Dichteverteilung aller Materialien in dem Objekt vorsieht, umfassend das wenigstens eine Element.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das Erfassungsmittel (114, 144) spektrale Korrelationsmittel umfaßt zum Messen von Hintergrundrauschen an einem ersten Ort des erfaßten Gammastrahlungsspektrums und zum Subtrahieren des Hintergrundrauschens von einem zweiten Ort in dem Gammastrahlungsspektrum, wobei der zweite Ort in dem Gammastrahlungsspektrum den sich aus der Neutronenwechselwirkung mit Stickstoffkernen ergebenden Gammastrahlen entspricht.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, worin:

a) das Mittel (102, 130) zum Erzeugen thermischer Neutronen eine Neutronenquelle ist,

b) das Erfassungsmittel (114, 144) zum Erfassen emittierter Gammastrahlen ein Detektorfeld ist, welches eine Mehrzahl von Gammastrahlungsdetektoren umfaßt, wobei jeder der Gammastrahlungsdetektoren in dem Fall,daß ein Gammastrahl durch den Detektor aufgefangen wird, ein Erfassungssignal vorsieht,

c) das Mittel (104, 136) zum Bestrahlen des Objekts ferner ein Mittel zum Positionieren des Detektorfeldes bezüglich des Objekts umfaßt, so daß von den Elementen innerhalb des Objekts als ein Ergebnis der Neutronenbestrahlung emittierte Gammastrahlen durch die Gammastrahlungsdetektoren des Detektorfelds erfaßt werden, und

d) wobei das parallel verteilte Verarbeitungsmittel (154, 120, 122, 124) auf die Signale von dem Detektorfeld anspricht, wodurch zwischen Objekten, welche Sprengstoffe enthalten, und Objekten, welche keine Sprengstoffe enthalten, unterschieden wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, worin das Detektorfeld ferner wenigstens einen Neutronendetektor (146) umfaßt, wobei der Neutronendetektor ein Neutronenerfassungssignal vorsieht, wenn ein Neutron durch den Neutronendetektor aufgefangen wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, ferner umfassend ein spektrales Korrelationsmittel zum Entfernen von Rauschen von den Gammastrahlungserfassungssignalen, welche durch die Gammastrahlungsdetektoren erzeugt werden, wodurch nur Gammastrahlen, welche ein ausgewähltes Energieniveau aufweisen, durch das parallel verteilte Verarbeitungsmittel akzeptiert werden.

8. Einrichtung nach Anspruch 5, worin das parallel verteilte Verarbeitungsmittel (154, 120, 122, 124) eine Mehrzahl von Prozessorschichten umfaßt, wobei eine erste Schicht der Prozessoren ein Erfassungssignal von einem der Mehrzahl von Detektoren als ein Eingangssignal empfängt, eine letzte Schicht der Prozessoren eine Mehrzahl von Ausgangssignalen vorsieht, welche die Objekte als Objekte, welche Sprengstoffe enthalten, und als Objekte, welche keine Sprengstoffe enthalten, klassifizieren.

9. Einrichtung nach Anspruch 5, worin das parallel verteilte Verarbeitungsmittel (154, 120, 122, 124) eine Mehrzahl von Prozessorschichten umfaßt, wobei eine erste Schicht der Prozessoren ein Merkmalssignal, das von einer ausgewählten Kombination der Detektorsignale abgeleitet wird, als ein Eingangssignal empfängt, eine letzte Schicht der Prozessoren eine Mehrzahl von Ausgangssignalen vorsieht, welche die Objekte als Objekte, welche Sprengstoffe enthalten, und als Objekte, welche keine Sprengstoffe enthalten, klassifizieren.

10. Verfahren zum Erfassen von Sprengstoffen in einem Objekt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

a) Bestrahlen wenigstens eines Objekts, das unbekannte Materialien enthält, mit thermischen Neutronen ausreichender Energie und Konzentration, um die Wandungen des Objekts zu durchdringen und um in den Materialien innerhalb des Objekts absorbiert zu werden, worin die Wechselwirkungen der thermischen Neutronen mit Atomkernen innerhalb des Objekts zur Emission von Gammastrahlen führt, wobei die Gammastrahlen ein Energieniveau aufweisen, das charakteristisch für die in dem Objekt enthaltenen Kernspezien ist,

b) Erfassen und Aufzeichnen der Anzahl von von den Materialien in dem Objekt als ein Ergebnis des Neutronenbeschußes des Schritts a) emittierten Gammastrahlen, welche ein bestimmtes Energieniveau aufweisen, wobei das bestimmte Energieniveau der Gammastrahlen charakteristisch für wenigstens ein Element ist,

gekennzeichnet durch die Schritte:

c) Erkennen eines Musters von erfaßten Gammastrahlen als für einen bestimmten Typ von Schmuggelware bezeichnend,

d) Erzeugen wenigstens eines zweidimensionalen Elektronendichtebildes des Objekts durch Röntgenstrahlung, und

e) Kombinieren des Dichtebildes von wenigstens einem Element und des Elektronendichtebilds zum Bestimmen, ob das kombinierte Bild das Vorhandensein von Schmuggelware in dem Objekt anzeigt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin der Schritt der Erkennung eines Musters von erfaßten Gammastrahlen durch ein künstliches Neuronensystem (116, 120, 122, 124) durchgeführt wird, wobei das Verfahren die Anfangsschritte umfaßt:

a) Bestrahlen wenigstens eines Objekts, das ein bekanntes explosives Material enthält, mit Neutronen ausreichender Energie und Konzentration, um die Wandungen des Objekts zu durchdringen und in dem explosiven Material innerhalb des Objekts absorbiert zu werden,

b) Erfassen und Aufzeichnen einer Anzahl an Gammastrahlen bei bestimmten Energieniveaus aus dem explosiven Material in dem Objekt als Ergebnis des Elektronenbeschußes des Schritts a),

c) Erzeugen wenigstens eines zweidimensionalen Elektronendichtebildes des Objekts, und

d) Präsentieren von Daten, welche von den Gammastrahlungszählwerten und dem Elektronendichtebild, die von dem explosiven Material erhalten werden, abgeleitet weren, dem künstlichen Neuronensystem (116, 120, 122, 124) zum Zwecke des Lehrens des künstlichen Neuronensystems, wie das bekannte explosive Material geeignet zu klassifizieren ist.