RU2343430C2 - Explosives detection system based on spectroscopy method of multibroken total internal reflection (mbtir) within biometric identification procedure - Google Patents
Explosives detection system based on spectroscopy method of multibroken total internal reflection (mbtir) within biometric identification procedure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2343430C2 RU2343430C2 RU2006142551/28A RU2006142551A RU2343430C2 RU 2343430 C2 RU2343430 C2 RU 2343430C2 RU 2006142551/28 A RU2006142551/28 A RU 2006142551/28A RU 2006142551 A RU2006142551 A RU 2006142551A RU 2343430 C2 RU2343430 C2 RU 2343430C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- explosives
- biometric
- optical
- identification
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к средствам для обеспечения безопасности человека и может быть использовано в различных местах контролируемого доступа, таких как транспортные терминалы, аэропорты, а также в других закрытых охраняемых объектах, например военных учреждениях.The invention relates to means for ensuring human security and can be used in various places of controlled access, such as transport terminals, airports, as well as in other closed guarded objects, for example, military institutions.
Существует множество разнообразных систем и методов получения информации о личности человека, например фотографии, которые сканируются на входе, биометрические системы идентификации, которые сравнивают биометрическую информацию с информацией, хранящейся в памяти системы. Идентификация с помощью биометрических технологий является в настоящее время одним из перспективных, бурно развивающихся направлений, среди которых методы и средства, использующие отпечатки пальцев, занимают одно из ведущих мест. Кроме того, существует также множество систем и методов детектирования и идентификации взрывчатых веществ (ВВ), применяемых для ограничения доступа в тех же ситуациях и на тех же объектах, что и биометрические системы контроля доступа.There are many different systems and methods for obtaining information about a person’s personality, for example photographs that are scanned at the input, biometric identification systems that compare biometric information with information stored in the system’s memory. Identification using biometric technologies is currently one of the most promising, rapidly developing areas, among which methods and tools using fingerprints occupy one of the leading places. In addition, there are also many systems and methods for detecting and identifying explosives (BB) used to restrict access in the same situations and at the same facilities as biometric access control systems.
Одной из актуальных проблем, получивших в последние годы широкое распространение во всем мире, является борьба с терроризмом, использующим ВВ. Обычные методы обнаружения ВВ требуют либо просвечивания ионизирующим излучением, небезопасным для здоровья человека, либо забора пробы воздуха или смыва образца с поверхности, то есть дополнительной работы оператора и затрат времени на подготовку образца для исследования.One of the pressing problems that have received widespread in recent years throughout the world is the fight against terrorism using explosives. Conventional methods for detecting explosives require either exposure to ionizing radiation, which is unsafe for human health, or air sampling or flushing the sample from the surface, that is, additional operator work and time required to prepare the sample for research.
В настоящее время во всем мире проводятся работы по разработке и внедрению биометрической паспортизации. В аэропортах, в банках, на границе и т.д. широко используются методы биометрической идентификации личности, основанные на анализе структуры папиллярных линий пальцев путем сканирования и сравнения отпечатков пальцев человека с базой данных. В связи с этим весьма перспективным является включение в процедуру биометрической идентификации анализа поверхности кожи, например отпечатков пальцев, на наличие следов ВВ. Это объясняется тем, что при дактилоскопическом методе контроля анализируются отпечатки пальцев, являющихся частями тела человека, наиболее вероятными в качестве носителя остаточных количеств веществ, с которыми он имел дело накануне. Следует также отметить, что большинство ВВ плохо растворимы в воде и обладают сильными адгезионными свойствами, поэтому вероятность сохранения следовых количеств ВВ в складках кожи в течение длительного времени после контакта и даже после мытья рук достаточна велика. Таким образом, исследование спектра поверхности кожи может дать информацию о контакте человека с ВВ.Currently, work is underway on the development and implementation of biometric certification. At airports, in banks, at the border, etc. widely used methods of biometric identification of the person, based on the analysis of the structure of papillary lines of fingers by scanning and comparing human fingerprints with the database. In this regard, it is very promising to include in the biometric identification procedure an analysis of the surface of the skin, for example, fingerprints, for the presence of traces of explosives. This is due to the fact that with the fingerprint control method, fingerprints are analyzed, which are parts of the human body, most likely as a carrier of residual quantities of substances with which he dealt the day before. It should also be noted that most explosives are poorly soluble in water and have strong adhesive properties, so the likelihood of retaining trace amounts of explosives in the skin folds for a long time after contact and even after washing hands is high. Thus, the study of the spectrum of the surface of the skin can provide information on the contact of a person with explosives.
Существует множество методов детектирования и идентификации ВВ и реализующих их современных приборов, среди которых следует выделить спектроскопические методы обнаружения ВВ. При этом используются как неоптические методы, такие как газовая хроматография, спектрометрия подвижности ионов и масс-спектрометрия, так и оптические. При осуществлении неоптических методов проба воздуха отбирается ручным выносным пробоотборником, проводится ее концентрация и анализ в камере прибора.There are many methods for detecting and identifying explosives and modern devices that implement them, among which are spectroscopic methods for detecting explosives. In this case, both non-optical methods are used, such as gas chromatography, ion mobility spectrometry and mass spectrometry, and optical. When implementing non-optical methods, an air sample is taken by a hand-held remote sampler, its concentration and analysis are carried out in the device chamber.
Наиболее успешно, с точки зрения изготовления коммерческих детекторов паров и частиц ВВ, продвинулись первые два направления. Ввиду высокой чувствительности, селективности и быстродействия в последнее время для контроля микроконцентраций примесей органических и неорганических веществ в газах и, в частности в атмосферном воздухе, все большее применение находят приборы, основанные на методе детектирования по подвижности ионов.From the point of view of manufacturing commercial detectors of vapor and explosive particles, the first two directions have advanced most successfully. Due to the high sensitivity, selectivity and speed recently, for monitoring the micro-concentrations of impurities of organic and inorganic substances in gases and, in particular, in atmospheric air, devices based on the method of detection by ion mobility are increasingly used.
В качестве примера можно привести известный из патентной литературы спектрометр подвижности ионов (см. патент РФ №2216817, МПК 7 H01J 49/40, G01N 27/62, оп. 2003.11.20). Изобретение относится к области газового анализа и может использоваться для определения микропримесей различных веществ в газах или применяться в газовой хроматографии в качестве чувствительного детектора. Известный спектрометр подвижности ионов состоит из камеры ионообразования и дрейфовой камеры. Камера ионообразования, выполненная из диэлектрика, имеет отверстие для ввода анализируемого вещества в смеси с газом-носителем в область ионизации, отверстие для вывода дрейфового газа и смеси анализируемого вещества с газом-носителем. Кроме этого, в камере расположены выталкивающий электрод, представляющий собой пластину из никеля или нержавеющей стали, и диск, на поверхность которого нанесен радиоактивный препарат. Диск имеет отверстие, в котором закреплен сеточный затвор. Дрейфовая камера выполнена из диэлектрика и имеет отверстие для ввода дрейфового газа. В дрейфовой камере размещены апертурная сетка и коллектор ионов. Однородное электрическое поле в области дрейфа создается охранными кольцами, которые изолированы друг от друга втулками из диэлектрика.An example is the ion mobility spectrometer known from the patent literature (see RF patent No. 2216817, IPC 7 H01J 49/40, G01N 27/62, op. 2003.11.20). The invention relates to the field of gas analysis and can be used to determine the trace amounts of various substances in gases or used in gas chromatography as a sensitive detector. The known ion mobility spectrometer consists of an ionization chamber and a drift chamber. The ionization chamber made of a dielectric has an opening for introducing the analyte mixed with the carrier gas into the ionization region, an opening for discharging drift gas and a mixture of the analyte with the carrier gas. In addition, in the chamber there is a pushing electrode, which is a plate of nickel or stainless steel, and a disk, on the surface of which a radioactive preparation is applied. The disk has an opening in which a mesh shutter is fixed. The drift chamber is made of dielectric and has a hole for introducing drift gas. An aperture grid and an ion collector are placed in the drift chamber. A uniform electric field in the drift region is created by guard rings, which are insulated from each other by dielectric bushings.
К достоинствам известного спектрометра следует отнести высокую разрешающую способность и высокую чувствительность устройства, обусловленную геометрическим расположением элементов в камере ионообразования (выталкивающего электрода, сеточного затвора и диска с радиоактивным препаратом).The advantages of the known spectrometer include high resolution and high sensitivity of the device, due to the geometric arrangement of the elements in the ionization chamber (ejection electrode, grid gate and disk with a radioactive preparation).
Однако недостатком известного устройства является низкая селективность обнаружения. Устройство часто не способно отличить ВВ от их аналогов, а также обнаруживает только ограниченную часть типов ВВ. Кроме того, данное устройство невозможно использовать для детектирования и идентификации ВВ, содержащихся в отпечатках пальцев.However, a disadvantage of the known device is the low selectivity of detection. The device is often not able to distinguish explosives from their counterparts, and also detects only a limited part of the types of explosives. In addition, this device cannot be used to detect and identify explosives contained in fingerprints.
Оптические методы отличаются дистанционностью и автоматизацией, а следовательно, обладают двумя принципиальными преимуществами: незаметностью для террориста и отсутствием фазы ручного отбора проб.Optical methods are distinguished by distance and automation, and therefore have two fundamental advantages: invisibility to a terrorist and the absence of a manual sampling phase.
Оптические методы обнаружения ВВ можно разделить на следующие основные группы:Optical methods for detecting explosives can be divided into the following main groups:
- поглощательная спектроскопия;- absorption spectroscopy;
- Рамановская спектроскопия.- Raman spectroscopy.
Однако в виду технической сложности и высокой себестоимости указанных методов только некоторые из них удалось довести до коммерческой реализации. Так, например, многопроходная поглощательная спектроскопия для обнаружения ВВ была предложена в работе (см. M.W.Todd, R.A.Provencal, T.G.Owano, B.A.Paldus, A.Kachanov, V.I.Vodopyanov, M.Hunter, S.Coy, J.I.Steinfeld, and J.T.Arnold «Применение средней инфракрасной «Cavity Ringdown Spectroscopy» с использованием широко перестраиваемого оптического параметрического осциллятора для детектирования следовых количеств ВВ», Applied Physics B75, 367, 2002).However, due to the technical complexity and high cost of these methods, only some of them were able to be brought to commercial implementation. For example, multipass absorption spectroscopy for the detection of explosives was proposed in the work (see MWTodd, RAProvencal, TGOwano, BAPaldus, A. Kachanov, VIVodopyanov, M.Hunter, S. Coy, JISteinfeld, and JTArnold “The use of a medium infrared Cavity Ringdown Spectroscopy using a widely tunable optical parametric oscillator to detect trace amounts of explosives”, Applied Physics B75, 367, 2002).
Из патентной литературы известен детектор для обнаружения взрывчатых веществ (см. патент РФ №2148825, МПК 7 G01N 33/22, G01N 25/54, G01N 21/65, оп. 2000.05.10). Изобретение относится к устройствам для обнаружения взрывчатого материала в образце. Сущность изобретения заключается в том, что присутствие пластикового взрывчатого вещества Семтекс в образце, таком как отпечаток пальца на предмете, обнаруживается с помощью Рамановской спектроскопии. Активные химические ингредиенты Семтекса имеют устойчивые Рамановские пики на 885 и 874 см-1 соответственно. С учетом этого данные пики могут быть обнаружены Рамановской спектроскопической системой с использованием фильтра, имеющего узкую ширину пропускания, сцентрированного на 880 см-1 и пропускающего к детектору свет в узкой полосе, которая перекрывает 874 и 885 см-1. Такой фильтр используется в Рамановской системе, применяемой для сканирования авиационных посадочных талонов, или в Рамановском микроскопе, который воспроизводит изображение отпечатков пальцев. Устройство для обнаружения взрывчатого материала в образце содержит источник света для освещения образца для того, чтобы вызвать получение Рамановского рассеянного света, и детектор для обнаружения Рамановского рассеянного света, полученного от образца. Узкополосный фильтр, середина полосы пропускания которого настроена на величину около 880 см-1, помещается между образцом и детектором. Оптическая схема содержит дифракционную решетку и прибор с зарядовой связью и позволяет в относительно короткий промежуток времени и при наличии в образце загрязнений обнаружить наиболее часто применяемые взрывчатые вещества.A detector for detecting explosives is known from the patent literature (see RF patent No. 2188825, IPC 7 G01N 33/22, G01N 25/54, G01N 21/65, op. 2000.05.10). The invention relates to devices for detecting explosive material in a sample. The essence of the invention lies in the fact that the presence of a plastic explosive substance Semtex in a sample, such as a fingerprint on an object, is detected using Raman spectroscopy. The active chemical ingredients of Semtex have stable Raman peaks at 885 and 874 cm -1, respectively. With this in mind, these peaks can be detected by the Raman spectroscopic system using a filter having a narrow transmission width centered at 880 cm -1 and transmitting light to the detector in a narrow band that overlaps 874 and 885 cm -1 . Such a filter is used in the Raman system used to scan aircraft boarding passes, or in the Raman microscope, which reproduces the image of fingerprints. A device for detecting explosive material in a sample comprises a light source for illuminating the sample in order to cause Raman scattered light, and a detector for detecting Raman scattered light received from the sample. A narrow-band filter, the middle of the passband of which is tuned to a value of about 880 cm -1 , is placed between the sample and the detector. The optical scheme contains a diffraction grating and a charge-coupled device and allows detecting the most commonly used explosives in a relatively short period of time and in the presence of contaminants in the sample.
Существенным недостатком известного технического решения является возможность работы устройства только с образцами, являющимися вторичными переносчиками следов, что уменьшает количество анализируемого вещества. При этом устройство предназначено для работы только в условиях, где имеется квалифицированный персонал, который собирает образцы с отпечатками (билеты, документы). Весьма громоздкой и сложной является также оптическая схема устройства, оснащенная лазерным источником освещения, а также большим количеством зеркал, дихроичных фильтров и линзовых систем.A significant disadvantage of the known technical solution is the ability of the device to work only with samples that are secondary carriers of traces, which reduces the amount of analyte. Moreover, the device is designed to operate only in conditions where there is qualified personnel who collects samples with prints (tickets, documents). Very cumbersome and complex is also the optical design of the device, equipped with a laser light source, as well as a large number of mirrors, dichroic filters and lens systems.
В патентной литературе (см. патент США №6420708, МПК 7 G01N 21/27, G01N 21/35, оп. 16.07.2002) описано устройство для анализа спектра методом многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО). Известное устройство включает протяженный источник света, приспособление для разложения света в спектр, подставку для образца, которая является кристаллом полного внутреннего отражения, и линейку фоточувствительных элементов для детектирования спектра и создания выходного массива данных в виде зависимости интенсивности от длины волны. Подставка для образца расположена между источником света и приспособлением для разложения света в спектр. Свет распространяется вдоль подставки для образца от источника к спектральному приспособлению. Кристалл подставки имеет две поверхности, на одной из которых размещается образец из материала, подвергаемого МНПВО-анализу, и две грани, скошенные под углом к вышеуказанным поверхностям. Инфракрасное излучение от указанного выше источника света может быть непрерывным, электронно модулированным или модулированным механическим модулятором. В описанном устройстве нет необходимости использования фокусирующей оптики, его оптическая система проста и компактна, что является несомненным достоинством прибора. Однако существенным недостатком известного технического решения является недостаточная оперативность, обусловленная большими временными затратами на подготовку образца для исследования. Для спектрального анализа образцов материала, например, снятых на месте преступления отпечатков пальцев, их необходимо доставить в специальную лабораторию и установить на подставку из указанного выше кристалла МНПВО.In the patent literature (see US patent No. 6420708, IPC 7 G01N 21/27, G01N 21/35, op. 16.07.2002) describes a device for spectrum analysis by the method of repeatedly impaired total internal reflection (MNIPO). The known device includes an extended light source, a device for decomposing light into a spectrum, a sample stand, which is a crystal of total internal reflection, and a line of photosensitive elements for detecting the spectrum and creating an output data array in the form of a dependence of intensity on wavelength. The sample stand is located between the light source and the device for the decomposition of light into the spectrum. Light propagates along the sample stand from the source to the spectral arrangement. The crystal of the stand has two surfaces, on one of which a sample of the material subjected to INLT analysis is placed, and two faces, beveled at an angle to the above surfaces. Infrared radiation from the above light source may be continuous, electronically modulated or modulated by a mechanical modulator. In the described device there is no need to use focusing optics, its optical system is simple and compact, which is an undoubted advantage of the device. However, a significant drawback of the known technical solution is the lack of responsiveness due to the large time spent on preparing the sample for research. For spectral analysis of samples of material, for example, fingerprints taken at the crime scene, they must be delivered to a special laboratory and installed on a stand from the above MNPVO crystal.
Существуют научные работы, например, A.Grant, TJ Wilkinson, D.R.Holman, M.C.Martin «Идентификация следов веществ путем анализа латентных отпечатков пальцев при помощи инфракрасной микроспектроскопии», Appl. Spectrosc. 59:1182-7, 2005. В указанной работе для идентификации веществ, содержащихся в отпечатках пальцев, обнаруженных на месте преступления, используется метод МНПВО. Отпечаток снимается с места обнаружения и отправляется в лабораторию, где его прижимают к элементу МНПВО и получают спектр.There are scientific works, for example, A. Grant, TJ Wilkinson, D.R. Holman, M.C. Martin, “Identification of trace substances by analysis of latent fingerprints using infrared microspectroscopy”, Appl. Spectrosc. 59: 1182-7, 2005. In this work, the method of MNVPO is used to identify substances contained in fingerprints found at the crime scene. The fingerprint is taken from the place of detection and sent to the laboratory, where it is pressed to the element MNPVO and get the spectrum.
Известна также система идентификации личности и безопасности (см. патент США №6914668, МПК 7 G01J 3/30, оп. 2004.11.18), являющаяся по своей технической сущности наиболее близкой к заявляемому изобретению. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа. Известная система включает систему идентификации личности и систему детектирования и идентификации контролируемых (взрывчатых) веществ. В указанных системах использованы: считыватель документов для чтения информации с документа и спектроскопический анализатор для анализа вышеупомянутого документа с целью определения наличия или отсутствия на нем контролируемых (взрывчатых) веществ. В состав системы входит также система, обрабатывающая сигналы от системы идентификации личности и системы детектирования и идентификации контролируемых (взрывчатых) веществ, и тревожный индикатор, генерирующий сигнал тревоги от, по крайней мере, одного из вышеупомянутых сигналов.Also known is a personal identification and security system (see US patent No. 6914668,
Система идентификации личности может являться системой сравнения биометрической информации. В соответствии с одним из вариантов воплощения данного изобретения на поверхности биометрического считывателя изображений установлено прозрачное основание, на которое помещается часть тела, например ладонь. Предпочтительно, чтобы прозрачное основание было сделано из материала, который не создает второй гармоники Рамановского (комбинационного) рассеяния и люминесценции при параметрах, определенных для идентификации контролируемых веществ. Еще более предпочтительно, чтобы прозрачное основание было покрыто тонким слоем материала, который создает поверхностно усиленный Рамановский спектр (SERS), например серебром, золотом или медью с шероховатой поверхностью. При такой поверхности молекулы контролируемых веществ могут давать SERS, усиливающий видимость Рамановского спектра в 10 или более раз.The personal identification system may be a system for comparing biometric information. In accordance with one embodiment of the invention, a transparent base is mounted on the surface of the biometric image reader on which a part of the body, such as a palm, is placed. Preferably, the transparent base is made of a material that does not create a second harmonic of Raman (Raman) scattering and luminescence at the parameters determined for the identification of the controlled substances. Even more preferably, the transparent base is coated with a thin layer of material that creates a surface-enhanced Raman spectrum (SERS), for example silver, gold or rough-surface copper. With such a surface, molecules of controlled substances can give SERS, which increases the visibility of the Raman spectrum by 10 or more times.
Указанный выше спектроскопический анализатор для анализа вышеупомянутого документа с целью определения наличия или отсутствия на нем ВВ может являться спектроскопическим анализатором, использующим в качестве источника излучения лазер.The above spectroscopic analyzer for analyzing the aforementioned document in order to determine the presence or absence of explosives on it may be a spectroscopic analyzer using a laser as a radiation source.
Особенностью системы идентификации личности и безопасности является то, что система проверки идентификации личности и система детектирования и идентификации взрывчатых веществ осуществляют идентификацию личности и детектирование и идентификацию взрывчатых веществ одновременно. Это является несомненным достоинством известной системы, отличающим ее от описанных выше аналогов.A feature of the identity and safety identification system is that the identity verification system and the explosive detection and identification system carry out identity identification and the detection and identification of explosives at the same time. This is an undoubted advantage of the known system, distinguishing it from the analogues described above.
Другой важной особенностью известной системы идентификации личности и безопасности является то, что человек, чью личность проверяют системой идентификации личности, не догадывается о наличии в системе возможности обнаружения и идентификации взрывчатых веществ. Это обстоятельство также является важным преимуществом системы, выбранной в качестве прототипа, по сравнению с описанными выше аналогами.Another important feature of the well-known personal identification and security system is that the person whose identity is verified by the personal identification system does not realize that the system can detect and identify explosives. This fact is also an important advantage of the system selected as a prototype, in comparison with the analogues described above.
Однако несмотря на указанные достоинства описанная система имеет недостатки, обусловленные высокими затратами на технические средства, необходимые для ее реализации. Как было указано выше, в спектроскопическом анализаторе, определяющем наличие или отсутствие на документе взрывчатых веществ, в качестве источника света используется лазер, а также сканирующие элементы, например зеркала, вращаемые моторами. Это усложняет и удорожает конструкцию системы, делает ее менее надежной, а также увеличивает ее габариты.However, despite these advantages, the described system has drawbacks due to the high cost of the technical means necessary for its implementation. As mentioned above, in a spectroscopic analyzer that determines the presence or absence of explosives on a document, a laser is used as a light source, as well as scanning elements, such as mirrors rotated by motors. This complicates and increases the cost of the system design, makes it less reliable, and also increases its size.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности, упрощение конструкции и уменьшение габаритов системы при одновременном сохранении достоверности результатов, а также снижении материальных затрат на ее изготовление.The task of the invention is to increase reliability, simplify the design and reduce the size of the system while maintaining the reliability of the results, as well as reducing material costs for its manufacture.
Для решения поставленных задач предлагается система обнаружения взрывчатых веществ в отпечатках пальцев методом спектроскопии многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО) в процессе биометрической идентификации, которая, как и наиболее близкая к ней система, выбранная в качестве прототипа, состоит из системы идентификации личности, представляющей собой систему сравнения биометрической информации, включающую биометрический сканер с установленным на его рабочей поверхности прозрачным основанием, и системы детектирования и идентификации взрывчатых веществ, включающей спектроскопический анализатор с источником излучения. В состав системы обнаружения взрывчатых веществ в отпечатках пальцев входит также устройство обработки сигналов, поступающих из системы идентификации личности и системы детектирования и идентификации взрывчатых веществ, и тревожный индикатор, генерирующий сигнал тревоги, по крайней мере, от одного из вышеупомянутых сигналов.To solve the tasks, a system is proposed for detecting explosives in fingerprints by the method of spectroscopy of repeatedly impaired total internal reflection (INLM) in the process of biometric identification, which, like the system closest to it, chosen as a prototype, consists of a personal identification system, which is a system for comparing biometric information, including a biometric scanner with a transparent base mounted on its working surface, and detection systems Bani and identification of explosives, comprising a spectroscopic analyzer with an emission source. The system for detecting explosives in fingerprints also includes a device for processing signals from an identification system and a system for detecting and identifying explosives, and an alarm indicator that generates an alarm signal from at least one of the aforementioned signals.
Особенностью предлагаемого изобретения, отличающей его от известной, принятой за прототип системы, является то, что в системе идентификации личности используют оптический биометрический сканер, причем прозрачное основание, установленное на его рабочей поверхности, выполнено в виде элемента МНПВО. Элемент МНПВО представляет собой плоскопараллельную пластину со скошенными боковыми гранями: входной и выходной, выполненную из оптического материала, имеющего коэффициент преломления больший, чем у материала, из которого изготовлена призма оптического сканера. Материал пластины пропускает излучение в диапазоне, соответствующем спектрам поглощения идентифицируемых веществ, а также излучение, на котором работает биометрический сканер. Источник излучения выполнен с возможностью установки перед входной скошенной боковой гранью элемента МНПВО, при этом он испускает излучение в диапазоне, соответствующем спектрам поглощения идентифицируемых веществ. Спектроскопический анализатор системы обнаружения взрывчатых веществ в отпечатках пальцев методом спектроскопии МНПВО может быть выполнен в виде дифракционного полихроматора с многоканальным приемником ИК-излучения, либо в виде опто-акустического перестраиваемого фильтра с одноканальным приемником ИК-излучения.A feature of the present invention, which distinguishes it from the well-known system adopted as a prototype, is that an optical biometric scanner is used in the personality identification system, moreover, the transparent base mounted on its working surface is made in the form of an INME element. The INMIS element is a plane-parallel plate with beveled side faces: inlet and outlet, made of optical material having a refractive index greater than that of the material from which the prism of the optical scanner is made. The plate material transmits radiation in the range corresponding to the absorption spectra of the identified substances, as well as the radiation on which the biometric scanner operates. The radiation source is configured to be installed in front of the input beveled side face of the MNVO element, while it emits radiation in the range corresponding to the absorption spectra of the identified substances. The spectroscopic analyzer of the system for detecting explosives in fingerprints by the MNPVO spectroscopy method can be made in the form of a diffraction polychromator with a multi-channel infrared receiver, or in the form of a tunable opto-acoustic filter with a single-channel infrared receiver.
Основными задачами, поставленными при создании предлагаемого изобретения, являются:The main tasks set during the creation of the invention are:
- повышение надежности;- increased reliability;
- упрощение конструкции;- simplification of the design;
- уменьшение габаритов системы;- reducing the size of the system;
- сохранение достоверности результатов;- maintaining the reliability of the results;
- снижение материальных затрат на изготовление системы.- reduction of material costs for the manufacture of the system.
Выполнение указанных задач стало возможным благодаря следующему.The implementation of these tasks was made possible thanks to the following.
В основу заявляемой системы обнаружения взрывчатых веществ в отпечатках пальцев положено явление нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Это явление связано с распространением света во вторую среду, примыкающую к границе, на которой происходит внутреннее отражение в первой, оптически более плотной среде. Внутреннее отражение называется полным (ПВО), если весь световой поток без потерь отражается от границы. Полное внутреннее отражение является нарушенным, если отраженный поток меньше падающего либо за счет поглощения, либо за счет распространения части потока во вторую среду. Элемент НПВО - это прозрачная оптическая деталь, с помощью которой создаются условия для получения спектров НПВО материалов при однократном отражении. Метод получения оптического спектра образца, находящегося в контакте с оптически более плотной средой, основан на измерении света, отраженного поверхностью и возвращенного обратно в более плотную среду. Полученные спектры являются характерными для данного образца. Для усиления интенсивности спектра применяются элементы с большим числом отражений от границы - элементы многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО).The basis of the inventive system for detecting explosives in fingerprints is the phenomenon of impaired total internal reflection (ATR). This phenomenon is associated with the propagation of light into a second medium adjacent to the boundary at which internal reflection occurs in the first, optically denser medium. Internal reflection is called full (AA) if the entire luminous flux is reflected from the border without loss. Total internal reflection is impaired if the reflected flux is smaller than the incident one, either due to absorption or due to the propagation of part of the flux into the second medium. The ATR element is a transparent optical part, with the help of which the conditions are created for obtaining the ATR spectra of materials at a single reflection. The method of obtaining the optical spectrum of a sample in contact with an optically denser medium is based on measuring the light reflected by the surface and returned back to a denser medium. The obtained spectra are characteristic for this sample. To enhance the intensity of the spectrum, elements with a large number of reflections from the boundary — elements of repeatedly disturbed total internal reflection (INRM) —are used.
Принцип метода МНПВО схематически показан на фиг.1. Наиболее широко метод МНПВО распространен в ИК-области.The principle of the MNE method is shown schematically in FIG. The most widely used MNE method is in the infrared.
В заявляемом изобретении предлагается в системе идентификации личности использовать оптический биометрический сканер, причем прозрачное основание, установленное на его рабочей поверхности, выполнено в виде элемента МНПВО, представляющего собой плоскопараллельную пластину со скошенными боковыми гранями (см. фиг.1). Другими важными компонентами системы являются источник излучения и спектроскопический анализатор, позволяющий получить спектр излучения, проходящего через элемент МНПВО (см. фиг.2). При взаимодействии излучения, распространяющегося внутри элемента МНПВО, с прилегающим к поверхности объектом, например пальцем террориста со следами ВВ, регистрируют спектры, которые позволяют идентифицировать вещество согласно его молекулярному составу. Каждая элементная группа молекулы обладает спектром собственных колебаний, которые взаимодействуют с электромагнитным излучениям путем дипольного поглощения. В результате в излучении широкополосного источника электромагнитного излучения образуются полосы поглощения, создающие «подпись», уникальную для каждой молекулы. ВВ являются относительно простыми органическими соединениями с характерными элементными группами, такими как нитрогруппа, бензольное кольцо, непредельные связи и др. Кроме того, как было указано выше, вероятность сохранения следов ВВ на пальцах человека, имевшего дело с изготовлением или упаковкой ВВ, весьма велика в силу высокой адгезионной способности и плохой растворимости в воде.The claimed invention proposes to use an optical biometric scanner in a personality identification system, and the transparent base mounted on its working surface is made in the form of an INME element, which is a plane-parallel plate with beveled side faces (see figure 1). Other important components of the system are the radiation source and spectroscopic analyzer, which allows to obtain the spectrum of radiation passing through the element MNIPO (see figure 2). In the interaction of radiation propagating inside the MNEO element with an object adjacent to the surface, for example, a terrorist’s finger with traces of explosives, spectra are recorded that allow the substance to be identified according to its molecular composition. Each elementary group of the molecule has a spectrum of natural vibrations that interact with electromagnetic radiation through dipole absorption. As a result, absorption bands are formed in the radiation of a broadband source of electromagnetic radiation, creating a “signature” unique to each molecule. EXPLOSIVES are relatively simple organic compounds with characteristic elemental groups, such as a nitro group, a benzene ring, unsaturated bonds, etc. In addition, as mentioned above, the likelihood of traces of explosives remaining on the fingers of a person who has been involved in the manufacture or packaging of explosives is very high strength of high adhesion and poor solubility in water.
Время регистрации оптического спектра методом спектроскопии МНПВО не превышает 1 с, а сам спектр представляет собой уникальную для каждого образца численную информацию, надежно обрабатываемую программным обеспечением. Таким образом, использование метода МНПВО позволяет решить проблему быстродействия, надежности идентификации и автоматизации обнаружения ВВ.The time of recording the optical spectrum by the method of MNPVO spectroscopy does not exceed 1 s, and the spectrum itself is a unique numerical information for each sample, reliably processed by software. Thus, the use of the MNVO method allows solving the problem of speed, reliability of identification and automation of explosive detection.
Еще одним существенным признаком, отличающим предлагаемое изобретение от ближайшего аналога, является наличие в системе источника излучения, установленного перед входной гранью элемента МНПВО. В заявляемой системе нет необходимости в лазерном источнике, благодаря чему удалось существенно упростить конструкцию системы, а следовательно, повысить ее надежность, уменьшить габариты, снизить материальные затраты.Another significant feature that distinguishes the invention from the closest analogue is the presence in the system of a radiation source installed in front of the input face of the element MNVO. In the inventive system, there is no need for a laser source, due to which it was possible to significantly simplify the design of the system, and therefore, increase its reliability, reduce overall dimensions, and reduce material costs.
Метод МНПВО весьма перспективен, так как обладает большими возможностями для оптимизации за счет изменения материала, размеров и геометрии элемента МНПВО, а также разнообразия источников и приемников оптического излучения. Число проникновений излучения в образец регулируется толщиной элемента МНПВО и углом отражения сканирующего излучения. Глубина проникновения излучения зависит от угла отражения, от материала элемента МНПВО и состояния его поверхности. За счет увеличения числа отражений и повышения чувствительности приемника излучения можно добиваться повышения чувствительности метода к малым количествам определяемого вещества. Указанные возможности реализованы в представленном конкретном примере выполнения оптической схемы заявляемой системы обнаружения взрывчатых веществ в отпечатках пальцев (см. фиг.3).The MNE method is very promising because it has great potential for optimization due to changes in the material, size and geometry of the MNE element, as well as the variety of sources and receivers of optical radiation. The number of penetrations of radiation into the sample is governed by the thickness of the INME element and the angle of reflection of the scanning radiation. The penetration depth of the radiation depends on the angle of reflection, on the material of the element MNPVO and the state of its surface. By increasing the number of reflections and increasing the sensitivity of the radiation receiver, it is possible to increase the sensitivity of the method to small amounts of the analyte. These capabilities are implemented in the presented specific example of the optical design of the inventive system for detecting explosives in fingerprints (see figure 3).
Существенные признаки, относящиеся к геометрии элемента МНПВО, а также требования к материалу, из которого он изготовлен, обеспечивают создание оптимальных условий для эффективной реализации метода МНПВО в предлагаемой авторами конструкции системы.The essential features related to the geometry of the element of the MNIPO, as well as the requirements for the material from which it is made, provide the creation of optimal conditions for the effective implementation of the MNIPO method in the system design proposed by the authors.
Признаки, изложенные в пунктах 2 и 3 формулы, касаются различных возможностей реализации спектроскопического анализатора, входящего в состав системы обнаружения взрывчатых веществ в отпечатках пальцев методом спектроскопии МНПВО.The signs set forth in paragraphs 2 and 3 of the formula relate to the various possibilities of implementing a spectroscopic analyzer, which is part of the system for detecting explosives in fingerprints using the MNVPO spectroscopy.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.Thus, the combination of the above features allows us to solve the tasks.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 изображена принципиальная схема метода МНПВО, положенного в основу заявляемого изобретения;Figure 1 shows a schematic diagram of the method MNVO, laid the basis of the claimed invention;
на фиг.2 представлена блок-схема, предлагаемая в качестве одного из конкретных вариантов осуществления заявляемой системы;figure 2 presents a block diagram proposed as one of the specific embodiments of the inventive system;
на фиг.3 представлен один из конкретных примеров выполнения оптической схемы заявляемой системы обнаружения ВВ в отпечатках пальцев (главный вид);figure 3 presents one of specific examples of the optical design of the inventive detection system of explosives in fingerprints (main view);
на фиг.4 показаны спектры тетранитропентаэритрита (ТЭНа), чистого пальца и следов ТЭНа разной интенсивности.figure 4 shows the spectra of tetranitropentaerythritol (TENA), a clean finger and traces of TENA of different intensities.
Система обнаружения ВВ в отпечатках пальцев методом спектроскопии МНПВО, установленная, например, в аэропорте в зоне проверки багажа или личных вещей пассажиров, состоит из системы 1 идентификации личности и системы 2 детектирования и идентификации ВВ (см. фиг.2). Система 1 представляет собой систему сравнения биометрической информации и содержит оптический биометрический сканер 3, на рабочей поверхности которого закреплен элемент 4 МНПВО (см. фиг.3). В качестве биометрического сканера 3 может быть использован, например, один из вариантов устройства для регистрации отпечатка пальца, запатентованного заявителем (см. патент РФ на полезную модель №46914, МПК 7 А61В 5/053, А61В 5/117, опубл. 10.08.2005). Система 2 детектирования и идентификации ВВ состоит из источника инфракрасного излучения 5, элемента 4 МНПВО, спектроскопического анализатора 6 (см. фиг.2), выполненного в виде полихроматора с многоканальным неохлаждаемым приемником 7 ИК-излучения (см. фиг.3). В состав системы обнаружения ВВ входит также устройство 8 обработки сигналов, поступающих из системы 1 идентификации личности и системы 2 детектирования и идентификации ВВ, а также тревожный индикатор 9, генерирующий сигнал тревоги на основании сигналов, поступающих из устройства 8 обработки сигналов. Устройство 8 обработки сигналов, представляющее собой, например, персональный компьютер, содержит базу данных 10 отпечатков пальцев и спектров взрывчатых веществ, а также программное обеспечение 11 для идентификации личности и детектирования ВВ.The system for detecting explosives in fingerprints by the MNIPO spectroscopy installed, for example, at the airport in the area for checking baggage or personal belongings of passengers, consists of an identity system 1 and an explosive detection and identification system 2 (see FIG. 2). System 1 is a system for comparing biometric information and contains an optical biometric scanner 3, on the working surface of which an element MNIPO is fixed (see figure 3). As a biometric scanner 3 can be used, for example, one of the variants of a device for recording a fingerprint patented by the applicant (see RF patent for utility model No. 46914,
Ниже более подробно рассмотрена конструкция одного из конкретных примеров выполнения оптической схемы заявляемой системы обнаружения ВВ в отпечатках пальцев методом спектроскопии МНПВО (см. фиг.3).Below is considered in more detail the design of one of the specific examples of the optical design of the inventive detection system of explosives in fingerprints by the method of spectroscopy MNPVO (see figure 3).
Основным элементом оптической схемы заявляемой системы является элемент 4 МНПВО однократного прохождения, выполненный в виде плоскопараллельной пластины со скошенными боковыми гранями: входной «А» и выходной «Б». В разрезе элемент 4 МНПВО представляет собой правильную трапецию с углами при основании, равными 45°. Такие углы обеспечивают наиболее полное заполнение элемента излучением. Верхняя и нижняя грани элемента 4 МНПВО, а также боковые скошенные грани «А» и «Б» полируются по оптическому классу. Элемент 4 изготавливается из оптического материала с коэффициентом преломления большим, чем у материала, из которого изготовлена призма 12 оптического сканера 3 отпечатков пальцев (см. фиг.3). Это необходимо для полного внутреннего отражения на нижней грани элемента 4 МНПВО. Элемент 4 МНПВО устанавливают на рабочей поверхности призмы 12 и закрепляют клеем, спектр которого не содержит сильных линий поглощения в ИК-области (например, ИК-1М). Это необходимо для того, чтобы спектр клея, образовавшийся в результате МНПВО на нижней грани элемента 4 МНПВО, не заслонил спектр вещества, анализируемого на верхней грани. Перед входной гранью «А» элемента 4 МНПВО установлен источник 5 ИК-излучения. Источником 5 ИК-излучения служит нагретое тело с импульсным характером излучения, например источник ИК-излучения производства фирмы «Патинор Коутингс Лимитед», Москва.The main element of the optical scheme of the claimed system is
Излучение источника 5 входит во входную грань «А», распространяется в элементе 4 МНПВО путем многократных внутренних отражений от верхней и нижней граней и выходит через выходную грань «Б». Сформированный на выходе астигматический пучок преобразуется объективом 13 в коллимированный пучок и направляется на плоскую дифракционную решетку 14. Дифракционная решетка 14 отражает излучение различных длин волн под различными углами, то есть разлагает его в спектр. Отраженное от дифракционной решетки 14 излучение попадает на объектив 15, который строит изображение ИК-спектра в плоскости приемника 7 ИК-излучения. При этом в результате того, что фокальные точки для разных длин волн расположены последовательно в пространстве, при вытянутом многоканальном приемнике 7 ИК-излучения каждая его часть принимает излучение одной длины волны.The radiation from the
В качестве приемника 7 ИК-излучения может быть использована линейка пироэлектрических элементов, чувствительных к излучению в диапазоне 7-11 мкм, например Microray64, швейцарской фирмы IRmicrosystems с окном, блокирующим излучение с длинами волн меньше 6,5 мкм. Параметры объектива 15 рассчитаны таким образом, чтобы расстояние между фокальными областями для излучения с длинами волн 7 и 11 мкм было равно длине многоканального приемника 7 ИК-излучения. В результате на приемнике 7 ИК-излучения формируется энергетический спектр необходимого спектрального диапазона. Приемник 7 ИК-излучения и источник 5 ИК-излучения управляются от одного генератора импульсов (не показан). Для повышения эффективности желательно подобрать сдвиг по фазе, чтобы приемник 7 ИК-излучения включался с небольшой задержкой, компенсирующей время разогрева источника 5 ИК-излучения.As the
Система работает следующим образом.The system operates as follows.
К рабочей грани элемента 4 МНПВО прижимают анализируемый палец. В местах контакта выступов на коже пальца с рабочей гранью элемента 4 МНПВО происходит нарушение полного внутреннего отражения, поэтому интенсивность света, отраженного в этих местах, существенно ниже, чем при полном отражении. Сканер 3 биометрической информации считывает изображение папиллярных линий, которое поступает в устройство 8 обработки сигналов, при помощи математической обработки преобразуется в биометрическую информацию, необходимую для идентификации личности, и сравнивается с отпечатками, имеющимися в базе данных 10.The analyzed finger is pressed to the working face of the
Одновременно в спектре излучения от источника 5 ИК-излучения, распространяющегося вдоль элемента 4 МНПВО до выходной грани «Б» и регистрируемого приемником 7 ИК-излучения, появляются провалы, соответствующие линиям поглощения веществ, содержащихся на поверхности пальца. Сигнал с приемника 7 ИК-излучения поступает в устройство 8 обработки сигналов, в котором он обрабатывается на предмет наличия линий поглощения, расположенных на частотах, соответствующих ВВ. При наличии в спектре нескольких линий данного вещества следует сравнить их относительные интенсивности. Разным веществам может быть приписана разная степень достоверности детектирования. В зависимости от результата сравнения и от степени достоверности детектирования вещества может формироваться вывод об уровне тревоги. При любом уровне тревоги программа выдает отрицательное заключение о прохождении контроля, однако, проверочные действия можно дифференцировать согласно уровню тревоги.At the same time, dips corresponding to the absorption lines of substances contained on the surface of the finger appear in the emission spectrum from the
В качестве иллюстрации на фиг.4 представлены спектры ТЭНа, чистого пальца, пальца с малыми следами ТЭНа и пальца, вымытого водой после контакта с ТЭНом. Спектры рассчитаны как отношение интенсивности излучения, прошедшего через элемент 4 МНПВО, к интенсивности излучения, входящего в него через грань «А» (на фиг.4 соответствует уровню пропускания 100% для всех длин волн).As an illustration, Fig. 4 shows the spectra of a heating element, a clean finger, a finger with small traces of a heating element and a finger washed with water after contact with a heating element. The spectra were calculated as the ratio of the intensity of the radiation transmitted through the
Спектры получены от пальцев, находящихся в контакте с поверхностью рабочей грани элемента 4 МНПВО в течение 2 сек. Из фиг.4 видно, что линии поглощения ТЭНа приходятся на участок гладкого поведения спектра чистого пальца и потому отчетливо выделяются. Степень достоверности детектирования ТЭНа для случая, названного «палец с малыми следами» значительно выше, чем для случая пальца, вымытого после ТЭНа. В первом случае могут выделить 5 линий поглощения ТЭНа, а во втором - только две наиболее сильные. Тем не менее, двух линий в спектре вымытого пальца достаточно, чтобы ПО 11 могло сделать вывод о наличии ВВ и сформировать положительный сигнал для тревожного индикатора 9. Минимальная детектируемая масса для ТЭНа в подобном случае оценивается ≈ 2 мкг.The spectra were obtained from fingers in contact with the surface of the working face of the
Таким образом, предлагаемое изобретение, в основу которого положен метод спектроскопии МНПВО, позволяет по сравнению с прототипом существенно повысить надежность, упростить конструкцию, уменьшить габариты системы и снизить материальные затраты при одновременном сохранении высокой достоверности результатов обнаружения ВВ в отпечатках пальцев.Thus, the present invention, which is based on the method of spectroscopy MNPVO, compared with the prototype can significantly increase reliability, simplify the design, reduce the size of the system and reduce material costs while maintaining high reliability of the results of detection of explosives in fingerprints.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006142551/28A RU2343430C2 (en) | 2006-11-30 | 2006-11-30 | Explosives detection system based on spectroscopy method of multibroken total internal reflection (mbtir) within biometric identification procedure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006142551/28A RU2343430C2 (en) | 2006-11-30 | 2006-11-30 | Explosives detection system based on spectroscopy method of multibroken total internal reflection (mbtir) within biometric identification procedure |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006142551A RU2006142551A (en) | 2008-06-10 |
RU2343430C2 true RU2343430C2 (en) | 2009-01-10 |
Family
ID=39581116
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006142551/28A RU2343430C2 (en) | 2006-11-30 | 2006-11-30 | Explosives detection system based on spectroscopy method of multibroken total internal reflection (mbtir) within biometric identification procedure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2343430C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2727560C1 (en) * | 2020-01-28 | 2020-07-22 | Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" | Monolithic sensor of chemical composition of substance |
-
2006
- 2006-11-30 RU RU2006142551/28A patent/RU2343430C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2727560C1 (en) * | 2020-01-28 | 2020-07-22 | Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" | Monolithic sensor of chemical composition of substance |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006142551A (en) | 2008-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7692776B2 (en) | Chemical imaging explosives (CHIMED) optical sensor | |
KR102054297B1 (en) | Dual spectrometer | |
US7692775B2 (en) | Time and space resolved standoff hyperspectral IED explosives LIDAR detection | |
US5818047A (en) | Detector for explosive substances | |
Gnyba et al. | Portable Raman spectrometer-design rules and applications | |
US9052232B2 (en) | Spheroid sample cell for spectrometer | |
WO2006085946A1 (en) | Method and apparatus for detecting chemical and biological weapon components using raman spectrum | |
US10101273B2 (en) | Optical emission collection and detection device and method | |
CN106442401B (en) | A kind of detection device and detection method of combination Raman spectrum and near infrared spectrum | |
JP6992816B2 (en) | Accessories for infrared spectrophotometer | |
CN109975210A (en) | A kind of bare engine module of handheld Raman spectrometer | |
CN105911022B (en) | Hazardous chemical substance remote sensing detection method and device based on wide-tuning external cavity quantum cascade laser | |
CN110793954A (en) | Portable Raman blood identification system based on echelle grating | |
RU2343430C2 (en) | Explosives detection system based on spectroscopy method of multibroken total internal reflection (mbtir) within biometric identification procedure | |
RU62458U1 (en) | EXPLOSIVES DETECTION SYSTEM BY THE METHOD OF SPECTROSCOPY OF MULTIPLE DISTURBED COMPLETE INTERNAL REFLECTION (INRM) IN THE PROCESS OF BIOMETRIC IDENTIFICATION | |
WO2014192006A1 (en) | A method and a system for detection of hazardous chemicals in a non metallic container | |
RU69640U1 (en) | DEVICE FOR DETECTING TRACE CONCENTRATIONS OF HAZARDOUS SUBSTANCES ON DOCUMENTS | |
CN111562249A (en) | Two-in-one probe capable of simultaneously detecting Raman spectrum and near infrared spectrum | |
US11619588B2 (en) | Portable analyzer | |
JPH0219897B2 (en) | ||
US11860103B2 (en) | Sample identification | |
KR101315856B1 (en) | Device for optically detecting dangerous liquid by use of a linear optical fiber array | |
RU115486U1 (en) | DEVICE FOR CONTACTLESS IDENTIFICATION OF SUBSTANCES AND / OR DETERMINATION OF CONCENTRATIONS OF SUBSTANCES IN THE COMPOSITION OF MULTICOMPONENT MIXTURE | |
Permyakova et al. | The spectrum of substance for the carrier of information on the substance traces | |
RU2686874C1 (en) | Kr-gas analyser |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081201 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20120610 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131201 |