Подписка
МЕНЮ
Подписка

Рынок ростовых сканеров: тренды и перспективы

Вадим Старцев, Аркадий Наумов, 04/03/21

Досмотровых устройств существует достаточно много – для досмотра грузов, машин, людей, ручной клади и др. Данный обзор посвящен так называемым сканерам для всего тела (Full-Body Scanner – ростовой сканер), которые без физического контакта обнаруживают объекты на поверхности или внутри тела человека в целях проверки безопасности. В зависимости от используемой технологии оператор может видеть изображение тела человека (в определенном диапазоне длин волн), мультипликационное изображение человека с индикатором, показывающим, где были обнаружены какие-либо подозрительные предметы, или полное рентгеновское изображение.

С начала 2000-х гг. ростовые сканеры (РС) начали дополнять металлоискатели в аэропортах и на вокзалах во многих странах.

В настоящее время в них используются следующие технологии:

  • прямое рентгеновское излучение;
  • рентгеновское излучение обратного рассеяния;
  • сканеры миллиметрового диапазона в радиодиапазоне;
  • сканеры терагерцевого диапазона.

Просвечивающие (проникающие) рентгеновские РС

В таких сканерах первого поколения рентгеновское излучение проходит через тело человека, а затем улавливается массивом детекторов, подобно медицинским рентген-аппаратам.

Именно этот тип ростовых сканеров позволяет обнаруживать предметы, скрытые внутри человеческого тела (например, наркотики, которые носят наркокурьеры в желудке) или в его естественных полостях.

Так, пенитенциарные службы всех стран постоянно закупают рентгеновские РС для целей обнаружения контрабанды и оружия, поскольку только проникающие рентгеновские устройства могут обнаруживать металлическую и неметаллическую контрабанду, спрятанную под одеждой, а также внутри полостей тела.

Первые ростовые сканеры, использующие прямое рентгеновское излучение, "выросли" из медицинских аппаратов, видимо, еще в 1980–1990-х гг. и использовались для поиска контрабанды в режиме выборочного специального досмотра. В этом качестве они используются до сих пор.

Сканеры обратного рассеяния

Сканер обратного рассеяния регистрирует излучение, не прошедшее сквозь объект, а отраженное от него. Обратное рассеяние рентгеновских лучей обусловлено в первую очередь эффектом Комптона. В то время как просвечивающие сканеры позволяют получить лишь распределение плотности вещества, установки обратного рассеяния способны различать состав материала, в том числе органического.

Рентгеновские аппараты с обратным рассеянием по-прежнему используют проникающее излучение, но с низкой дозой. Полученная доза обычно не превышает 0,25 мкЗв. Из-за низкой дозы полученное изображение не может иметь диагностического качества для медицинских целей, но его вполне достаточно для обнаружения предметов.

022Рис.1. Диапазон электромагнитного излучения – рентгеновский, терагерцевый и радио (миллиметровый) и области, используемые в ростовых сканерах

Сканеры миллиметрового диапазона

Радиоволновые системы более безопасны по сравнению даже с малодозовыми рентгеновскими системами. Принятые в настоящее время сканеры работают в миллиметровом диапазоне, используя неионизирующее излучение, и не имеют доказанных неблагоприятных последствий для здоровья. Традиционные микроволновые сканеры первого поколения освещают объекты на частотах ниже 30 ГГц. РС последнего поколения работает в полосе частот миллиметрового диапазона между 70 и 80 ГГц. При мощности около 1 мВт пиковая мощность передачи примерно в три раза ниже, чем у излучений от мобильных телефонов, и практически не обнаруживается в том месте, где стоит сканируемый человек. Конечно, система не видит того, что спрятано внутри человека. Также она бессильна, если пассажир одет в мокрую одежду, кофту с люрексом или наряд из ткани с металлическим напылением.

Сканеры терагерцевого диапазона

Терагерцевые сканеры иногда не выделяют в отдельную группу, относя к сканерам миллиметрового диапазона. Отчасти это связано с тем, что данный диапазон в настоящее время только "осваивается" исследователями и производством. По нашему мнению, выделение их в отдельную группу целесообразно в связи с бурным развитием такого класса устройств.

Уникальные свойства

Из-за своей близости к инфракрасному и микроволновому излучению терагерцевые волны обладают рядом уникальных свойств, присущих как излучению ИК-области электромагнитного спектра, так и микроволновому излучению. По сравнению с видимым и ИК-излучением терагерцевое излучение является длинноволновым, а значит оно менее подвержено рассеянию.

В результате в этом диапазоне прозрачны многие сухие диэлектрические материалы, такие как ткани, дерево, бумага, пластмассы. Поэтому терагерцевое излучение можно использовать для неразрушающего контроля материалов, сканирования в аэропортах и др. В то же время длина волны излучения достаточно мала, чтобы обеспечить субмикронное пространственное разрешение при использовании свободно распространяющегося излучения. Энергия кванта ТГц-излучения мала, поэтому ТГц-волны являются неионизирующими, а следовательно более безопасны для организма человека, чем все диапазоны, обсуждавшиеся выше.

Свойства ТГц-излучения позволяют использовать ТГц-изображающие системы, ТГц-спектроскопию для поиска скрытых запрещенных взрывчатых и наркотических веществ, оружия.

Спектральные коэффициенты отражения ТГц-излучения разных объектов, взрывчатых и наркотических материалов, оружия различаются.
Упаковочные материалы, одежда человека в определенной мере прозрачны для ТГц-излучения, что позволяет говорить о возможности использования активных и пассивных ТГц-изображающих систем для поиска скрытых запрещенных предметов. При построении изображений не отображается анатомическое строение человеческого тела.

023Рис. 2. Этапы развития терагерцевых систем

Типы сканеров

Терагерцевый сканер может быть двух типов – активным или пассивным. Пассивный сканер воспринимает и визуализирует ТГц-излучение, всегда исходящее от любого живого организма, так что очертания тела пассажира становятся хорошо видны. А активный сканер сам является источником терагерцевого излучения и визуализирует излучение, отраженное телом пассажира.

Факторы, мешающие широкому распространению

Однако проблема разработки эффективной элементной базы источников и приемников ТГц-излучения до конца не решена. Хотя терагерцевые системы досмотра являются очень перспективными, их широкому распространению мешает ряд технических проблем, которые необходимо преодолеть. Основная из них – это доступность источников излучения и детекторов. Сложность создания эффективных терагерцевых источников связана с тем, что в терагерцевом диапазоне плохо применимы хорошо разработанные методы генерации излучений соседних оптического и микроволнового диапазонов. В диапазоне до 100 ГГц источники излучения и высококачественные детекторы выпускаются серийно, и 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 довольно 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.

024Рис. 3. Эволюция ростовых сканеров

История появления и развития РС

Первые ростовые сканеры, использующие прямое рентгеновское излучение, "выросли" из медицинских аппаратов, видимо, еще в 1980–1990-х гг. и использовались для поиска контрабанды в режиме выборочного специального досмотра. В этом качестве они используются до сих пор.

Первый РС обратного рентгеновского излучения был разработан в 1992 г., еще до того момента, как для них появился заметный рынок. Принцип работы следующий: трубка, используемая для генерации рентгеновского излучения, обладает остронаправленной диаграммой направленности, близкой к оптическому лучу. Установка, управляя лучом, сканирует поверхность тела человека, одновременно производится фиксация рассеянного рентгеновского излучения, по которому восстанавливается изображение человека. Из-за малой мощности рентгеновского излучения система способна "увидеть" предметы, находящиеся только на поверхности тела человека, но не внутри его. Из-за малой излучаемой мощности перед досмотром требуется снимать верхнюю одежду и обувь. Эти устройства использовались в аэропортах. За ними через несколько лет последовали устройства, работающие в мм-диапазоне, хотя спрос оставался ограниченным. После событий 11 сентября 2001 г. стало ясно, что рынок оборудования для обеспечения безопасности будет стремительно развиваться. С этого момента произошли кардинальные изменения проверки безопасности перед посадкой.

025Рис. 4. Динамика и прогноз развития мирового рынка ростовых сканеров 2018–2025 гг., млн долларов (источник – MarketsandMarkets)

Пенитенциарные службы всех стран постоянно закупают рентгеновские РС для целей обнаружения контрабанды и оружия, поскольку только проникающие рентгеновские устройства могут обнаруживать металлическую и неметаллическую контрабанду, спрятанную под одеждой, а также внутри полостей тела

Экономика отрасли

После 2001 г. рынок ростовых сканеров, стартовав практически с нулевой отметки, стал бурно развиваться. Достигнув в 2019 г. величины, превышающей 300 млн долларов, в 2020 г. он, по предварительным оценкам, снизился до 276 млн долларов из-за проблем, связанных с эпидемией COVID-19. Но, как ожидается, в дальнейшем рынок продолжит свой рост и к 2025 г. составит 485 млн долларов.

В течение периода 2020–2025 гг. прогнозируется преимущественный рост в Азиатско-Тихоокеанском регионе с максимальным CAGR (совокупный годовой темп роста) около 12%.

Рост этого региона, возможно, связан с высокими инвестициями в аэропорты и улучшением состояния пенитенциарной системы стран региона. Китай и Индия вкладывают большие средства в строительство новых аэропортов.

Например, в январе 2020 г. правительство Индии приняло решение оснастить 84 аэропорта сканерами всего тела, что привело к более быстрому росту индийского рынка.

"Биометрическая идентификация. 101 ответ в помощь разработчикам и заказчикам" читать >>>

Основной акцент РС последних поколений – программное обеспечение

Каждый цикл сканирования создает огромный набор данных амплитудных и фазовых значений, который может быть использован в качестве основы для анализа. Особенно это относится к ростовым сканерам миллиметрового диапазона. Полученные сигналы сравниваются с передаваемыми сигналами по амплитуде и фазе, а дифференциальное значение содержит всю необходимую информацию об объекте тестирования. Задача состоит в том, чтобы интерпретировать эту информацию посредством правильного моделирования, то есть путем отображения физических данных в конкретных характеристиках и атрибутах объекта. В последнее время так называемые глубокие методы обучения искусственного интеллекта заменили традиционные алгоритмы машинного обучения во многих сферах применения.

Можно добиться хороших результатов с помощью нейронных сетей, когда дело доходит до распознавания образов. Например, сети, особенно подходящие для обработки изображений, называемые сверточными нейронными сетями, теперь превосходят людей в таких задачах, как распознавание дорожных знаков.

026Комплексы для досмотра, работающие на миллиметровом и терагерцевом излучении, в отличие от рентгеновского, безопасны для человека

Из огромного количества обработанных образцов программное обеспечение самостоятельно узнает, как выглядят образцы, вызывающие тревогу. В чрезвычайно интенсивном процессе оптимизации процессора, в котором изменяются миллионы параметров, алгоритм глубокого обучения работает через базу данных, находя те атрибуты и классификаторы, которые лучше всего подходят для идентификации случаев совершения нарушений. Глубокое обучение предоставляет решающие преимущества в разработке программного обеспечения сканера. Этот метод не только позволяет достичь высокого качества обнаружения, но также особенно привлекателен, поскольку результаты генерируются автоматически. В среднесрочной перспективе прогресс в области массовых параллельных вычислений выведет на рынок РС, которые даже не будут восприниматься как оборудование для обеспечения безопасности и не будут препятствовать передвижениям пассажиров.

Резюме и перспективы

У большинства существующих ростовых сканеров имеются недостатки:

  • микроволновые системы слишком дороги и требуют гигантского объема вычислений;
  • проверяемый субъект должен оставаться несколько секунд неподвижным, вследствие этого становится необходимым портал или кабина, что прерывает движение потока людей;
  • поскольку такие системы работают в мм-диапазоне длин волн, то им легко противодействовать, например просто намочив верхнюю одежду минеральной водой;
  • микроволновые системы предполагают огромный объем вычислений для визуализиции изображения;
  • современные терагерцевые излучатели имеют довольно низкую эффективность преобразования энергии оптического импульса в энергию терагерцевой волны;
  • высокое поглощение парами воды существенно ослабляет терагерцевый сигнал при его распространении в атмосфере;
  • толстые образцы или образцы с высоким коэффициентом поглощения в терагерцевом диапазоне не позволяют зарегистрировать прошедший терагерцевый сигнал, можно исследовать только слабый рассеянный или отраженный сигнал.

Эти проблемы имеют общее решение – увеличение соотношения "сигнал/шум" системы, то есть фактически увеличение мощности терагерцевого излучателя или увеличение чувствительности детектора.

Терагерцевые системы пока слишком редки и довольно дороги, хотя потенциально они могут стать дешевле и не требовать гигантского объема вычислений для визуализации. Будущее, по нашему мнению, принадлежит аппаратам, работающим на терагерцевом излучении.

Оно не только считается безвредным для здоровья, но и, по крайней мере, потенциально гораздо более эффективно, чем рентгеновское.
В ближайшее время ожидается появление недорогих матриц детекторов терагерцевого диапазона, подобных тепловизионным неохлаждаемым матрицам. Это, несомненно, сделает системы терагерцевого диапазона более доступными.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" №6/2020

Редакция советует

В статье описаны виды ростовых сканеров, сферы их применения, история возникновения и развития, сделано резюме о перспективах данного вида оборудования.
Терагерцевые системы безопасности (пассивные сканеры и комплексы, гиростабилизированные платформы, оптико-электронные комплексы) производит российское оптико-механическое конструкторское бюро "АСТРОН". Разработанные в компании изделия используются во многих отраслях промышленности: нефтегазовом секторе, РЖД, транспортном машиностроении и др.

Больше статей по теме "Система контроля доступа" >>

Темы:СКУДСистемы контроля доступаДосмотрЖурнал "Системы безопасности" №6/2020

Хотите участвовать?

Выберите вариант!

 

КАЛЕНДАРЬ МЕРОПРИЯТИЙ 2021
ПОСЕТИТЬ МЕРОПРИЯТИЯ
ВЫСТУПИТЬ НА КОНФЕРЕНЦИЯХ
ПРОЕКТ «СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ»
Комментарии

More...