Терагерцевое излучение: использование в системах досмотра. 

Лебедев Сергей Николаевич

Инженер по досмотровому оборудованию


Требования к системам досмотра год от года становятся все строже. Если ранее было достаточно оснастить пункт пропуска металлодетекторами и рентгенотелевизионной техникой для досмотра личных вещей, то сейчас, как правило, необходимо обеспечить обнаружение всех видов угроз и, желательно, идентификацию подозрительных предметов.


Расширилась и сфера применения досмотрового оборудования. Сейчас оно используется не только на контрольно-пропускных пунктах объектов особой важности, но и для обеспечения безопасности транспортной инфраструктуры, массовых мероприятий, организации доступа в офисные здания. Одно из слабых мест в системах безопасности пунктов пропуска – персональный досмотр. Используемые в настоящее время досмотровые установки, как правило, имеют низкую пропускную способность, большое количество ложных тревог и низкое разрешение. Стоимость систем персонального досмотра достаточно высока и ни одна из подобных систем пока не способна решить все задачи, стоящие перед службой безопасности. Только совместная работа нескольких досмотровых комплексов, использующих различные физические принципы, позволяет в какой-то мере обеспечить приемлемое качество персонального досмотра.


Для нужд служб безопасности необходимы новые технологии досмотра, требующие минимальных навыков от эксплуатирующего персонала, безопасные для человека и обеспечивающие быстрый и качественный досмотр. Современное досмотровое оборудование должно позволять своевременно обнаруживать потенциально опасные предметы, идентифицировать их химический состав. В некоторых случаях необходимо иметь возможность проводить обнаружение и идентификацию дистанционно, на расстояниях до 50 метров. Желательно также, чтобы стоимость оборудования не была чрезмерно высокой. Ведущие разработчики досмотрового оборудования активно ищут новые технологии и используют самые современные научные достижения. Одна из последних тенденций – повышенное внимание к терагерцевому излучению - участку спектра электромагнитного излучения, который лежит в диапазоне от 300 ГГц до 3 ТГц (в некоторых источниках нижней границей диапазона считается 100 ГГц). Терагерцевое электромагнитное излучение имеет ряд интересных свойств:


1. Все окружающие нас предметы в той или иной степени излучают терагерцевые волны.
2. В отличие от применяемого в тепловизионной технике инфракрасного излучения, терагерцевые волны хорошо проходят через ткани, картон, некоторые виды пластика. Керамика и металлы отражают это излучение, жидкости хорошо поглощают его. Это позволяет хорошо различать различные потенциально опасные объекты на изображении.
3. Большинство предметов, запрещенных к проносу, имеют специфические спектры поглощения в терагерцевом диапазоне. Использование терагерцевой спектроскопии позволяет дистанционно идентифицировать взрывчатку и наркотики, что является большим плюсом, так как не всегда можно идентифицировать их другими методами.
4. Пространственное разрешение терагерцевых систем может быть существенно выше, чем в системах, использующих миллиметровое излучение (около 0.3 мм на частоте 1 ТГц).
5. Терагерцевое излучение безопасно для человека.

В силу своих специфических свойств, терагерцевые волны могут использоваться как для персонального досмотра, так и для досмотра личных вещей.


Терагерцевые комплексы персонального досмотра могут использовать как собственное излучение человека, так и активную подсветку. По этому принципу они подразделяются на пассивные и активные.


Собственное излучение человека в терагерцевом диапазоне крайне мало. Излучение тела человека близко к излучению абсолютно черного тела, имеющего температуру 310 К, при этом максимум излучаемой энергии приходится на длину волны 9.4 мкм. На терагерцевый диапазон приходится излучаемая мощность порядка тысячных долей ватта, которая рассеивается в пространстве во всех направлениях. В результате до детектора доходит очень малая часть излученной телом энергии, что предъявляет очень высокие требования к чувствительности. Также нужно учитывать, что как температурный контраст между собственным излучением тела и излучением скрытых под одеждой предметов очень мал, так что детекторы, используемые для пассивного детектирования, должны обнаруживать минимальную разницу температур. Наиболее чувствительные детекторы, которые можно использовать для пассивных систем терагерцевого радиовидения, хотя и обеспечивают хорошее качество изображения, требуют охлаждения до температур жидкого гелия, что сильно ограничивает их применение. К тому же существуют технические сложности создания линеек и матриц охлаждаемых детекторов.


Рис. 1. Реальное изображение

(по материалам Jena-Optronik GmbH)

Рис. 2. Терагерцевое изображение

(по материалам Jena-Optronik GmbH)


Менее чувствительные детекторы, которые не требуют для работы охлаждения до криогенных температур, используются чаще. Досмотровые комплексы, использующие подобные детекторы, выпускаются серийно. Хотя пространственное разрешение подобных систем не велико и качество изображения достаточно невысокое, на такие системы, тем не менее, есть спрос.


«КОМПАНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬ» проводила исследования в области пассивного радиовидения с целью выяснения потенциальной возможности использования терагерцевого излучения в целях персонального досмотра. Был создан действующий макет досмотрового комплекса, который показал хорошие результаты, однако существовавшая на тот момент элементная база не позволила создать приемлемый по стоимости продукт.


Активные системы, использующие подсветку, могут использоваться как для создания изображения, так и для терагерцевой спектроскопии. Требования к чувствительности детекторов для таких систем существенно ниже. Важную роль играет выбор частоты, на которой осуществляется подсветка. Чем выше частота, тем менее прозрачна ткань и другие материалы. Фактически на частотах выше 600 ГГц проникающая способность излучения серьезно снижается, в то время как для терагерцевой спектроскопии интересны именно частоты выше 1 ТГц. Таким образом, совмещение радиовидения со спектроскопией является достаточно сложной задачей. Но эта задача вполне решаема. Прототипы систем, в которых одновременно формируется изображение объекта и осуществляется спектроскопия, уже существуют. Разрабатываются также комплексы, с помощью которых будет возможно обнаруживать частицы взрывчатых веществ, находящихся на поверхности либо в воздухе, если вещество имеет достаточно высокую упругость паров.


Хотя терагерцевые системы досмотра являются очень перспективными, их широкому распространению мешает ряд технических проблем, которые необходимо преодолеть.


Основная проблема, мешающая внедрению – это доступность источников излучения и детекторов. В диапазоне до 100 ГГц источники излучения и высококачественные детекторы выпускаются серийно и в сейчас досмотровые комплексы на их основе успешно конкурируют с рентгеновскими системами обратного рассеяния по качеству изображения и стоимости. Более высокочастотные источники, которые позволяют осуществлять спектроскопию материалов (некоторые интересующие службы безопасности материалы имеют спектры поглощения на частотах до 10 ТГц), пока еще достаточно дороги. Есть основания полагать, что в ближайшее время промышленность начнет выпускать подобные источники крупными сериями, в результате чего их стоимость существенно снизится и спектрометры на их базе будут коммерчески доступны.


Также в ближайшее время ожидается появление недорогих матриц детекторов терагерцевого диапазона, подобных тепловизионным неохлаждаемым матрицам. Серьезных научных исследований в данном направлении не требуется – необходимо только внедрить существующие разработки. Несколько европейских и американских исследовательских групп ведут работу в этом направлении. Появление матриц, несомненно, сделает системы терагерцевого радиовидения более доступными.

Читайте также: