Эксперты МИЭМ помогут найти оружие на расстоянии

Карман без секрета

Терагерцовое (ТГц) излучение – это вид электромагнитного излучения, диапазон которого занимает промежуточное положение между инфракрасным и сверхвысокочастотным, в границах от одного до 30-70 терагерц. К естественным источникам терагерцового излучения относится космическое реликтовое излучение, а на высокочастотную область терагерцового диапазона приходится тепловое излучение человека и предметов комнатной температуры.

С 2000-х годов наметилось несколько перспективных направлений использования ТГц излучения: это навигация в условиях ограниченной видимости, экологический мониторинг, вулканология, медицина, астрономия и безопасность, вернее выявление скрытых под одеждой предметов. Ведь службам безопасности аэропортов, стадионов, закрытых объектов, а порой, частных компаний нередко хочется знать, что лежит в карманах, а также в сумках и чемоданах посетителей. Уже много лет для этих целей используются металлодетекторы и рентгеновские установки. Однако, первые не способны выявить керамическое или пластиковое оружие, наркотики и взрывчатые вещества. Сегодня, когда действующий пластиковый (за исключением пары деталей) пистолет можно распечатать на 3D принтере – это серьезная проблема.

Что касается рентгеновских систем, то они помогают детально изучить содержимое чемоданов и сумок, но опасны для человека и не могут быть использованы при досмотре людей.

Прогресс на службе безопасности

Логичным шагом в развитии систем безопасности стали приборы с активным ТГц излучением. «Терагерцовое излучение обладает высокой проникающей способностью, сохраняя при этом высокое пространственное разрешение, – поясняет Константин Смирнов. – Оно, фактически, полностью проходит через одежду и достаточно хорошо – через многие неметаллические предметы». Такие сканеры уже установлены во многих аэропортах: человек помещается внутрь специальной кабины и подвергается облучению, специальный детектор принимает излучение, либо прошедшее сквозь объект (в этом случае контраст изображения определяется коэффициентом пропускания разных частей объекта), либо отраженное излучение (изображение определяется распределением коэффициента отражения наблюдаемого объекта). На монитор выводятся контуры предметов, спрятанных под одеждой или внутри нее, например, в подошве ботинка.

Общий минус всех перечисленных систем – их нельзя использовать дистанционно и скрытно. То есть объект должен пройти через рамку металлодетектора или поместить руки и ноги на желтых кругах внутри кабины с терагерцовым излучателем и стоять неподвижно, пока проходит сканирование, а это занимает определенное время. «Настоящий злоумышленник будет избегать любых рамок, – говорит Смирнов. – Вдобавок, активное детектирование всегда можно обнаружить – нарушителя можно снабдить системой распознающей сканирующее излучение».

Идеальная современная система безопасности должна отвечать целому набору требований:

• возможность дистанционного получения изображений;
• использование пассивных принципов досмотра (чтобы наблюдатель не был обнаружен, а наблюдение не нанесло вред здоровью);
• возможность обнаружения скрытых под одеждой и в багаже объектов;
• возможность распознания материала, из которого изготовлен наблюдаемый объект.

Излучение тела

По мнению Константина Смирнова, полностью удовлетворить этим требованиям на сегодняшний день могут лишь пассивные досмотровые системы терагерцового диапазона, основанные на регистрации собственного излучения объекта. Группа ученых МИЭМ совместно с Институтом радиотехники и электроники РАН (ИРЭ РАН) разработала прототип такого устройства. «Человека не надо ничем облучать, можно просто смотреть излучение его тела, ведь он тоже является источником излучения в ТГц диапазоне, - объяснил принцип действия эксперт. – Оно без помех проходит через свитера, рубашки, куртки... Если на пути встречается какой-то предмет – неважно, металлический или нет, то излучение будет им частично поглощаться, и мы увидим контраст этого предмета на фоне излучения тела».

В качестве чувствительного элемента в пассивных досмотровых системах могут использоваться приемники прямого детектирования и более сложные супергетеродинные приемники. Первые проще и дешевле, а их чувствительность, уже в настоящее время ограничена лишь фоновым излучением. Основное достоинство супергетеродинного приемника – возможность спектрального анализа объекта – то есть с его помощью можно распознать, из какого именно вещества состоит тот или иной предмет, а значит идентифицировать взрывчатые вещества или наркотики.

Если есть в кармане пачка сигарет

В качестве прототипа, экспертами МИЭМ была создана досмотровая система с однопиксельным приемником прямого детектирования. «У нас был пробный вариант для демонстрации возможностей системы. Кадр был небольшой, размером порядка метр на метр, – описывает устройство Смирнов. – Расстояние, на котором мы исследовали объект составляло около 3-5 метров. На таком расстоянии мы могли обнаруживать в нагрудном кармане куртки телефон или пачку сигарет».

По словам разработчика, досмотровая система с использованием пассивного детектора показывает только очертания предмета на фоне человеческого тела. Однако работает он быстрее, чем применяемые сегодня активные досмотровые системы, благодаря разработанному учеными МИЭМ и ИРЭ РАН новому типу детектора. И задача на ближайшее время – еще больше повысить скорость сканирования, в идеале, картинка должна передаваться в режиме реального времени, без всякой задержки. Такие системы могут действовать в любых местах массового скопления людей, где есть риск теракта. «Такие системы безопасности можно установить на стадионах, в концертных залах, человек даже не будет знать, что его сканируют, – рассуждает эксперт. – В перспективе можно сделать элементное распознавание, фактически спектральный анализ, для изучения состава веществ».

По словам ученого, подобные детекторы, во всем мире способны изготовить менее десятка компаний. И только в формате дорогостоящих экспериментальных приборов для научных исследований, вроде обсерватории SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) – совместного проекта НАСА и Немецкого аэрокосмического центра.

Проект, предложенный российскими учеными, уже прошел фазу научно-исследовательских разработок и близок к коммерческой реализации – прибором интересуются компании, работающие в сфере безопасности. В случае успеха это будет первая пассивная терагерцовая досмотровая система, выпускающаяся в промышленных объемах.

*Профессора Базовой кафедры квантовой оптики и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ Константин Смирнов и Григорий Гольцман, а также доцент этой кафедры Сергей Рябчун.

См. также:

Эксперименты МИЭМ повысят надежность космических аппаратов и ядерных реакторов
Физики шифруют донесения
Новые северные комплексы помогут импортозамещению

 

Автор текста: Гринкевич Владислав Владимирович, 12 мая, 2015 г.