对内容物进行非侵入式检测的容器检测系统的制作方法

专利名称：对内容物进行非侵入式检测的容器检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及集装箱容器内容物的检测系统，特别是对容器内的危 险物质，如放射性和/或中子源物质、爆炸物、和特殊物质如高浓缩铀 进行检测和鉴别的非侵入式系统和方法，以及鉴别容器内正常情况放 射性物质。这样的非侵入式容器内容物检测和鉴别系统在检测时不需 要进入容器腔内。系统可以包括放射传感器系统，利用集成的伽玛射 线传感器和中子检测，配合光谱分析功能来分辨容器中的特殊的同位 素物质。这样的系统还包括检测和分辨容器中的爆炸物和特殊物质， 这些特殊的物质可以包括高浓缩铀。
背景技术：
现有技术的检测系统在检测集装箱容器中的放射性、中子、爆炸 物和特殊物质，例如这种系统装在龙门起重机臂上时，会造成检测系 统灵敏度和效率受限而且不能抵御恶劣的环境。用于检测集装箱容器 的放射性的放射检测系统不能检测特殊的同位素。不能鉴别容器中存 在的特殊的同位素使这些系统不能用来进一步鉴别容器中的货物或物 质，因此也限制了它们可靠评估内容物的有效性。而且，也使这些系 统不能用在容器内容物检测的证实，从而造成了假警报率，影响了商 业物流。再者，这些传统的实现也很难克服由于模拟电缆系统带来的
模拟噪声。此外，在对大的集装箱容器进行处理时，高达每分钟200G的震动因子会造成传统辐射检测系统关键元件的失效或误动作。现有 集装箱容器检测系统的这些特点，如用在龙门起重机，严重影响了放 射性、中子源、爆炸物和特殊物质的检测系统的商业生存力。检测系 统对商业物流造成了很大的负面影响，特别是减少了在严格应用环境 下的效力和可靠性。
另外，用于检测爆炸物的技术不能穿透金属，或者所使用的方法 对人类有危险，如使用活跃的X射线或伽玛成像这些不留痕迹的方法
检测或鉴别藏在集装箱容器中的爆炸物。因此就有一个需求存在克
服前述现有技术存在的问题。

发明内容
根据本发明的 一个实施例，公开了 一种检测系统或方法，使用更 有效的方法来检测伽玛和中子辐射，有效消除不稳定问题、模拟电缆 积累的噪声、震动因素，如遭遇恶劣的操作环境。伽玛探测器提供高
分辨率的从lk电子伏特到3M电子伏特的数据用于光谱分析。而且， 本发明的实施例提出了放射检测支持功能，如自动校准、自动增益控 制和自动校准验证，用于对传感器或传感器阵列的高精度校准。按照 实施例，本发明可以方便地把商用成品或已有的辐射传感器集成到一 个非侵入式的容器检测系统。加之本发明的实施例还包括快速和高度 精确的光谱分析软件以处理从辐射传感器得到的询问辐射数据，鉴别 特殊的某个或多个同位素以及它们的比例。
为了检测是否有放射性物质藏在集装箱容器内，同位素传感和鉴 别系统可以与容器结合配置，如用来吊起和转移容器的起重机上。典 型的容器起重机包括一个提升附件用来处置集装箱容器。同位素传感和鉴别系统应该包含一个或多个伽玛和中子探测器，它们安装在起重 机的提升附件(或者在延长臂)上，给计算机提供详细的辐射光谱数 据，计算机进行光语分析，来检测或鉴别存在于容器内的同位素。许 多正常情况放射性物质存在于普通货物中会造成辐射检测系统的假报 警。通过鉴别存在的特殊同位素，系统也可以鉴别同位素所代表的货 物或物质的种类。通过一个代表已鉴别同位素的可能货物的列表，系 统可以比较已鉴别的货物或物质和集装箱容器载货单上的内容，判断 放射性物质所代表的是否与容器内预想的物质相匹配。过程1)筌别容
器内的同位素，2)鉴别同位素所代表的货物或物质，3)验证已鉴别
货物和载货单上的内容，可以有效验证容器而没有对商业物流产生负
面影响。
还有，本发明的一个实施例得益于伽玛传感器，它集成了模拟电 路和数字变换器，去掉了模拟电缆，极大地减少了系统设计的模拟部 分从而减少了系统涉及中的背景噪声。采用的固态中子传感器不受震 动和系统冲击的影响，它集成了模拟数字转换器极大地减少了系统工 作时的背景噪声。这样在通常的运输和对容器处理过程中，对集装箱 内的辐射的检测和传感更加可靠。
在一个实施例中，传感器接口单元(siu)为辐射#:测器提供一个 开放接口。辐射探测器基于模拟传感器接口组件，该组件包含于可互 换的子板。模拟部分负责对探测器输出信号进行放大和整形，然后把 模拟脉冲变换到数字信号。数字部分读取数字信号，检测输入脉冲的 峰值，然后将峰值数据通过通信路径送到处理器完成光谱分析。
根据一个实施例，伽玛传感器组合到提升附件(如在延长横梁) 中，或者将伽玛传感器安装到外壳(如金属管)中，设计得结实并粗糙使其能与起重臂(或延长横梁)连接，然而起重臂要有底面(或者 面对着待检查的容器的表面)，对穿透外壳的伽玛粒子的沖击最小，
以保持伽玛传感器的灵敏度。这个表面可以这样得到通过使用特殊
的材料，或对外壳表面进行加工，这个表面接近被检查容器，如在每 个传感器位置上的传感器管的底部金属表面。
根据一个实施例，中子传感器与起重设备的延长横梁组成一体。 或者，中子传感器可以装进外壳，如金属盒，设计得结实并粗糙使其 能与起重臂设备和/或延长横梁连接，对穿透外壳的中子粒子的冲击最 小，以保持中子传感器的灵敏度。中子调解器可以布置在外壳内，有 助于热中子的检测。
由起重机制造商提供的附加减震方法可以减少起重机横梁的冲击 和震动，最终减少伽玛传感器和中子传感器的冲击和震动。
按照另一种实施例，伽玛辐射传感器包含环境温度探测器，它具
有高的分辨率和lk电子伏特到3M电子伏特的伽玛范围。通过设置碘 化钠传感器，使得这样的一个传感器组合的检测范围达到3M电子伏 特，在662k电子伏特到3M电子伏特范围具有高分辨率。加上碲化镉 锌传感器，能得到lk电子伏特到662电子伏特的高分辨率范围。这两 种传感器或其它传感器的组合将使高分辨率检测的范围覆盖全部辐射 同位素范围。
按照另 一种实施例， 一个或多个电池供电的中子传感器和/或电池 供电的伽玛传感器被布置在集装箱容器内。
按照另一种实施例，辐射传感器连接到处理器系统。处理器系统 收集和分析检测到的伽玛能量级别和光谱数据，然后将这些数据送到光诿分析引擎。从每个探测器传来的数据被单独编址后送到光谱分析 引擎，这样就可以进行单独探测器数据或探测器组数据的光谱分析。
处理器系统和数据釆集系统和每个位于起重臂(或延长横梁)内 的传感设备电连接，以从中子传感设备阵列采集信号，形成采集到的 光谱数据的柱状图。光谱分析系统根据柱状图分辨存在的同位素。
根据一种实施例，光谱分析系统包含信息处理系统和软件来分析 采集到的数据并分辨存在的同位素。光谱分析软件包含多种不同的滤 波技术来去除背景噪声、干扰信号，例如反向散射辐射。还有多种方 法用来对已鉴别的同位素进行多重确认。在有多种同位素存在的情况 下，系统可以鉴别每种同位素的比例。例如一种方法可以用来进行光 谱分析，如采用容器检测系统的 一种实施例中的光谱分析软件，包
括l)一种方法和系统，用来提高模式识别系统性能，如美国专利 No. 6,847,731所述；2 ) —种LINSCAN方法(光谱的线性分析方 法)，如美国临时专利申请(No. 60/759,331, 2006年1月17曰申请, 发明人David L. Frank,专利名称从存在的辐射光谱、中子和阿尔法 射线中进行组成判断的方法)所述，其中公开的全部内容以引用的方 式结合入本发明。
按照一种实施例，信息处理系统的用户界面提供检测到的辐射光 谱和鉴别到的同位素的图形显示。用户界面可以让系统使用者和其它 事物一起看到单独的探测器、探测器组、单独的传感器和传感器组， 从而进行快速地鉴别保持条件、检测到的辐射和鉴别到的同位素。
本发明的另 一 个实施例提出了利用无线电频率进行材料检测的方 法。在对起重设备进行操作时，通过在容器和起重臂(或延长横梁) 之间存在的粗金属接触，将无线电频率输入集装箱容器。利用无线电频率进行材料检测，如核四极矩共振(NQR)法就是一种对爆炸物和 其它材料进行检测和鉴别的公认技术。这种方法可以用在起重设备 (如延长横梁)上，将脉冲射频能量馈入要检查的容器的腔内，将容 器作为媒介，收集返回信号用于分析、检测和鉴别容器的内容物。这 个实施例的关键在于利用了起重臂(或延长横梁)和容器之间的电连 接(金属-金属接触)，以非侵入的方式，实现对所要检查的容器内的 爆炸物和其它物质的射频分析和检测。这种方法克服了射频信号无法
穿透密封金属物体，如集装箱容器的缺陷，能在对含有危险或危害物 质的容器进行分析时，以安全的方法在人能接触到的地方进行。
在本发明的一个实施例中，传感器界面单元可以集成商用成品或 者已有的传感器，形成一个非侵入式的检测系统。


图1示出本发明的一个实施例的靠近起重臂设备(或延长横梁) 的容器，配有装在传感器盒中的传感器。
图2是传感器及相关电路在起重臂(或延长横梁)的范例位置的 简化示意图。
图3是传感器在传感器盒中范例配置的简化示意图。
图4是本发明的一个实施例的起重臂的延长横梁的侧纵向横截面
视图，示出了安装在延长横梁上的传感器盒的范例配置。
图5是用于检测爆炸物和特殊物质的射频检测系统的范例的简化 示意图。
图6是本发明的一个实施例的数据采集和分析系统范例的框图。图7是电池供电的探测器范例的框图。
具体实施例方式
颖的，相信通过如下的描述并结合附图以及附图标记可以更好地理解 本发明。披露的具体实施例只是本发明的范例，它可以由多种形式实 现。因此这里披露的特殊结构和功能细节不能被理解为具有限定作 用，它仅仅作为权利要求的基础，以及作为用来教授本领于普通技术 人员的基础，用于在各种适当细节结构上应用本发明。而且这里提到 的术语和习语不作为一种限制，仅为对本发明提供一个可以理解的描 述之用。
这里用的术语"一个"，可以定义为一个，或多于一个。这里的 术语"多个"，可以定义为两个或多于两个。这里用的术语"另一 个"可以定义为至少一个或更多。这里所用的术语"包括"和/或"具 有"，定义为包含(即开放性限定)。这里用到的"连接"，定义为 连接，不必须直接连接，也不必须是机械连接。这里用到的"程 序，，、"计算机程序"、"软件应用"以及类似词语，定义为在计算 机系统上执行指令的指令序列。程序、计算机程序或软件应用，可以
包括子程序、函数、过程、目标方法、目标实现、可执行应用、applet JAVA程序、servlt JAVA程序、源代码、目标代码、共享库/动态加载 库和/或其它的用来在计算机系统上执行指令的指令序列。数据存储方 法，如这里所定义，包括许多不同类型的计算机可读媒体，可以让计 算机从那里读取数据，以及保存数据以便计算机可以再次读取。这样 的数据存储装置可以包含例如非挥发存储，如ROM、 Flash存储器、带后备电池的RAM、磁盘驱动器存储器、CD-ROM、 DVD以及其它 永久存储媒体。然而，即使是挥发性存储如RAM、缓存、CACHE存 储器和网络线路都是本发明的不同实施例中用来进行数据存储的装 置。
本发明的 一种实施例通过提供一种高分辨率的伽玛传感器，并将 其与模数转换器集成，并提出了强壮和不受振动和冲击因子影响的固 态中子传感器，从而减少了噪声和冲击因子，克服了现有技术中存在 的问题。此外，通过把这些辐射检测设备安装到减震外壳内，而且这 个外壳也是通过减震安装在起重机的延长横梁上，就形成了稳固的设 计，可以经受长期的高达每分钟200G的沖击力。采集到的辐射传感器 数据可以检测和鉴别所要检查的容器内所含的特殊同位素。
本发明的一种实施例包括伽玛和中子传感器，显著提高了同位素 检测和鉴别的效率和灵敏度，特别是在用在严酷的环境中，如安装在 起重机的延长横梁上时。探测器与传感器接口单元(SIU)相连，SIU 提供校正、自动增益控制、校正确认、远程诊断、信号处理和与光谱 分析传感器数据的处理器的通信。SIU如美国临时专利申请No. 60〃59,332,申请日2006年1月17日，发明人David L. FRANK,专利 名称"传感器接口单元与CBRNE传感器的自动支持功能方法"所述， 此专利在本文中引用。中子传感器设备是固态的，弥补了传统中子传 感器设备的不足，尤其是在恶劣环境下如起重机臂上时。
按照本发明的一个实施例，起重臂设备(或延长横梁)上安装的 传感器系统可以包含节点，该节点位于集成了化学、生物、辐射、核 和爆炸物(CBRNE)的分布式体系机构系统中。这样的系统的一个例 子在美国专利申请No. 60/759,373,申请日2006年1月17日，专利名称"具有用于CBRNE设备的普通平台的分布式传感器网络，，，其中公开 的全部内容以引用的方式结合入本发明。
依照本发明的一个实施例，起重臂(或延长横梁)上安装的辐射 传感器系统包含一个或多个伽玛和中子传感器设备，它们减震安装， 可以经受长期的高达每分钟200G的冲击力。 一个这种方法是弹簧块减 震方法，可以用来抑制冲击效应。传感器设备被假设是无限刚性的， 冲击脉冲直接传递到弹簧块减震器。这种冲击緩冲系统参见图3和图 4,下面将有更详细的讨i仑。
传感器还应该防护电磁干扰(EMI)。数据采集系统，与每个传感 器设备电连接，从传感器设备采集信号。采集到的信号代表了每个传 感器是否检测到了伽玛或中子辐射。作为选择，远程监控系统与数据 采集系统通信互联，用来在远程监控传感器设备所采集到的信号，从 而在远程就可以确定阵列中是否有一个或多个伽玛中子传感器设备提 供伽玛数据或中子辐射数据，光谱分析系统鉴别传感器所检测到的特 定的同位素，下面还要详细讨论。用户界面提供传感器相关数据，如 可以对每个传感器和传感器组送来的数据、辐射检测和传感器检测到 的一个或多个同位素的鉴别，进行图形化的显示。
依照本发明的范例实施例，现在讨论的是安装在起重设备的延长 横梁上的辐射和鉴别系统，以及该系统的操作。
图l示出了配置在起重臂(或延长横梁)101上、或在外部102或 在容器103的内部的辐射监测和鉴别系统的范例，较以前的配置为与 起重设备相连接的辐射测试设备，在检测效率和灵敏度方面有了显著 的提高。图l示出了各种传感器外壳104的安装位置示例。辐射检测 和鉴别系统的范例的创造性特征和优势，如配置为与起重设备或其它集装箱处理操作装置连接，将在下面讨论。然而，假设读者了解辐射
和传感器技术。中子检测半导体设备和技术的例子在McGregor等人的 美国专利No. 6,545,281中已有描述，该专利于2001年7月6日申请， 专利名称为"麻点表面的中子探测器"，此外在Klann等人的美国专 利No. 6,479,826中也有描述，该专利在2000年11月22日申请，专利 名称为"中子检测的具有涂层的半导体；还有McGregor等人的美国专 利申请No. 10/695,019,题目为"高效中子探测器及其制作方法"，其 中公开的全部内容以引用的方式结合入本发明。
参照图2,范例的辐射检测和鉴别系统配置在起重臂设备(或延长 横梁)201上。系统包括一个或多个传感器202,包含伽玛传感器和中 子传感器。伽玛传感器202纟是供lk电子伏特到3M电子伏特范围的高 分辨率的检测。 一个或多个中子传感器202包含固态设备。传感器202 与数据采集和通讯系统203通信互联。将传感器202安装到起重臂设 备201的过程将在下面更详细地讨论。
参照图3，框架结构范例采用外壳300来举例说明，可以设置成 支持多种类型的伽玛传感器303、 304和中子传感器305。外壳300安 装在起重臂设备(或延长横梁)上(图3未示出)。外壳300提供辐 射传感器系统的模块化安装，以及冲击吸收能力，可以长时间经受高 达每分钟200G的沖击力，在这种起重臂设备处理大型容器时会遇到。 在这个例子中，外壳300与起重臂设备电气绝缘，为外壳300内的电 子线路和其它设备提供了 EMI防护。外壳300上的沖击吸收装备 301、 302在外壳300和起重机的延长横梁(未示出)之间提供冲击吸 收。传感器沖击装备306进一步将传感器303、 304、 305与起重机的 延长横梁(未示出)工作时遇到的冲击力隔离。在外壳300内可以包含其它的电子装置和设备，如传感器接口模块、数据采集电子装置和 数据通信电子装置。任何这些电路和/或模块可以安装在外壳300内， 或其它的分立外壳(未示出)内，利用冲击吸收装备可以有助于与起 重机的延长横梁(未示出)工作时遇到的冲击力隔离。而且按照本范
例，除了吸收冲击，这些在外壳301内的线路和模块受益于与起重臂 设备的电气绝缘，和外壳300提供的EMI防护。
图4图示了另一个起重臂设备(或延长横梁)401和框架结构(如 外壳)402间安装布置的例子。在这个例子中，框架结构402包含容纳 传感器414的至少部分外壳。这个至少部分外壳402包括一个或多个 附着在框架结构402上的外壳壁。 一个或多个壁有助于保护至少部分 外壳内402的传感器414及其它电子装置和设备，不受外部环境的破 坏。框架结构402上没有壁的那部分区域可以为传感器414的检测表 面和要检查的容器之间提供无阻挡和且直接的路径(没有其它壁结构 的阻碍)，这样就增强了传感器414的检测灵敏度。 一些减震装备 404、 406、 408、 410、 412吸收冲击，有助于将框架结构402、在至少 部分外壳402内的传感器414和其它的电子装置和模块与当起重机延 长横梁401工作时的冲击力隔离。至少部分外壳402装在延长横梁401 上的凹陷处，如延长横梁401工字梁的凹陷处。在这个例子中，传感 器414装在框架结构402中，并从延长横梁401的工字梁的凹陷处伸 出。传感器414的这种安装方式可以为传感器414的辐射;f全测表面和 起重臂设备(或延长横梁)401抓吊的要检查的容器(图4未示出)之 间提供无阻挡且直接的路径(没有其它结构如延长横梁401的阻碍)
虽然范例中讨论过框架结构402包含支持一个或多个传感器414 的至少部分外壳，本领域普通技术人员从本发明的讨论中能够明白，术语"框架结构"应当被赋予广泛的含义，它包含许多不同类型的框 架结构，按照本发明的其它实施例，能支撑一个或多个传感器414。例 如，框架结构可以包含没有外壳壁的框架。框架结构也可以包含起重
机设备的结构，如延长横梁本身，以支撑传感器414。例如，传感器 414,甚至数字数据采集系统610和光谱分析系统640 (如图6所 示)，也可以集成到龙门起重机的延长横梁中。框架结构还可以包括 与起重臂设备分离且独立的结构。例如，框架结构可以包含叉车结 构。或者，框架结构可以包含固定支撑结构来支撑传感器414，被;险容 器可以放到传感器414附近进行容器内容物的检查。在一个实施例 中，框架结构预期为包含了待检查容器的框架结构。如此的框架结构 可以支持一个或多个在容器内和/或在容器外的传感器414,下面将更 详纟田地讨论。
现在参照图5，按照本发明的一个实施例，起重臂爆炸物和特殊物 质传感器系统包含一个或多个射频发生器和接收器502以产生信号， 产生的信号通过位于起重臂设备(或延伸横梁)501和要检查的容器 504之间的电气粗触点503，用脉冲输入容器的腔。射频返回信号(来 自要检查的容器的腔)通过容器504和起重臂设备(或延伸横梁)501 的电气连接被一个或多个接收器502接收。容器和互联结构共同提供 一个或多个射频天线系统将射频返回信号耦合到射频接收器502。然后 射频接收器502将射频返回信号传送到数据采集和分析系统(如图6 所示的系统)供处理。在这个例子中，接收器502包含处理电路，将 接收到的返回信号(如接收到的模拟信号)变成数字信号以提供给数 据采集和分析系统做进一步的处理。参照图6,在这个例子中，数据采集系统610通过电缆、无线通信
链路、和/或其它通信链路605，与每个传感器单元中的每一个伽玛辐 射传感器设备601和中子传感器设备602，以及每一个射频传感器设备 603，如包含一个或多个接收器502,通信互联，如图5所示。电缆优 选包含有防护的模拟电缆以减少来自一个或多个传感器601、 602和 603的输出信号中的背景噪声。数据采集系统610包含具有数据通信接 口 624的信息处理系统，数据通信接口 624从辐射传感器单元601、 602和射频传感器设备603采集信号。在这个例子中，采集到的信号代 表了检测到辐射的每个伽玛传感器的详细光谱数据。
数据传感器系统610采用模块化设计，可以专用于辐射^f全测和鉴 别，或爆炸物和特殊物质检测和鉴别的射频信号采集，或者结合起 来，同时支持辐射检测和射频信号采集。
数据采集系统610与本地控制器和监视系统612通信互联。本地 系统612包含信息处理系统，它包括计算机、内存、存储、和用户接 口 614,如在监视器上显示和键盘，或其它用户输入/输出设备。在这 个例子中，本地系统612也包含多通道分析器630和光谱分析器640。
多通道分析器(MCA) 630包含由多个单独的通道分析器 (SCA)组成的设备。单独通道分析器询问从单独的辐射传感器601、 602接收到的模拟信号，判断接收到信号的具体能量范围是否等于单独 通道已识别的范围。如果接收到的能量在SCA的范围之内，则SCA计 数器更新。随着时间的过去，SCA计数器在累加。在特定的时间间 隔，多通道分析器630包含了多个SCA计数器的，以产生柱状图。柱 状图代表存在的辐射的光谱图像。按照一个例子，MCA630，利用结合了计算机内存的模拟数字转换器，计算机内存相当于数千个SCA和计 数器，相当强大而且便宜。
柱状图由光谱分析系统640使用，用来鉴别被检查的容器中所容 纳的物质中存在的同位素。信息处理系统612实现的一个功能是光谱 分析，由光谱分析器640实现，用来鉴别被检查容器中含有的一种或 多种同位素、爆炸物或特殊物质。至于辐射检测，光谱分析器640将 一个或多个存在的辐射的光谱图像与由存储在同位素数据库622中的 一个或多个光谱图像650代表的已知同位素相比较。通过捕捉每个同 位素的多个不同的光谱数据，会产生许多图像，可以与一个或多个存 在的辐射的光谱图像相比较。同位素数据库622中有表示每个已知同 位素一个或多个光谱图像650。这些多个光谱图像代表了获得的已知同 位素的光谱辐射数据获得物的不同级别，因此采集到的待鉴别的同位 素的辐射数据可以通过从一个或多个传感器得到的多方面的光谱数据 进行比较和鉴别。无论是否有少量(或大量)的从传感器获得的数 据，光谱分析系统640会比较从传感器获得的辐射数据和与已知同位 素相关联的一个或多个的光谱图像。总之，光谱分析系统通过分析采 集到的辐射数据的 一个或多个光谱图像与存储在同位素数据库中622 的一个或多个光谱图像，对采集到的辐射数据进行分析，鉴别与采集 到的辐射数据相关的一种或多种同位素，其中每个已知同位素都与存 储在同位素数据库622中的一个或多个光谱图像关联。存储的与已知 的同位素关联的一个或多个光谱图像代表了光谱辐射数据的一个或多 个级别，这些数据通过一个或多个传感器对已知同位素进行检测获
3曰付。这种通过与已知同位素相关联的光语图像进行比较和分析的方法 增强了匹配的可靠性和效率，即将已获得的来自传感器的光谱图像和 每个可能的需要鉴别的同位素进行匹配的效率和可靠性增强。在传感 器辐射检测中， 一旦一种或多种可能的同位素被判别存在，信息处理 系统612就可以对同位素混合和可能存在于被检查的容器中的材料、
货物和/或产品进行比较。而且， 一个清单数据库615包括了每种待检 容器内容物详细的描述。清单数据库615可以被信息处理系统612所 参照从而判断容器内是否具有可能的物质、货物和/或产品与清单中特 定的待检查的容器中包含的期望和认可的物质、货物和/或产品相匹 配。按照本发明的实施例，这个匹配过程与过去任何容器内容监测过 程相比，具有显而易见的更高效率和可靠性。
按照本发明的实施例，光谱分析系统640包含信息处理系统和分 析采集数据和鉴别存在同位素的软件。光谱分析软件包括多种方法提 供对被鉴别同位素的多重确认。会有多于一种同位素存在的情况下， 系统可以鉴别存在的每种同位素的比例。依照容器内容检测系统的一 个实施例，可以用于光谱分析，如光谱分析软件。方法的例子包括 1)提高模式识别系统性能的方法和系统，如美国专利No. 6,847,731， 和2) LINSCAN方法(光谱方法的线性分析)，如临时专利申请No. 60/759,331, 2006年1月17日申请，发明人David L. Frank,名称
"从辐射光谱、中子和阿尔法射线进行组成判断的方法"，其中公开 的全部内容以引用的方式结合入本发明。
关于对属于爆炸物和/或特殊物质的采集数据的分析，光谱分析器 640及信息处理系统612将较已鉴别的爆炸物和/或特殊物质和清单615 进行比较，首先将存储的与被检查集装箱容器关联的清单数据变换成期望的爆炸物和/或辐射性物质，然后将已鉴别的可能爆炸物和/或特殊 物质和期望的爆炸物和/或辐射性物质进行比较。如果系统判断容器中 没有与清单相匹配的物质，则鉴别的爆炸物和/或特殊物质的可能性就 不会被认可。然后系统可以给系统管理人员提供信息，提醒他们注意 警告条件，并采取适当措施。
用户界面614允许服务或管理人员操作本地系统612,并通过配置
在框架结构，如起重臂(或延伸横梁)上的采集传感器单元601、 602
和603,来监^见辐射监测系统和同位素鉴别和/或射频信号;f企测的状 太
例如，用户界面614可以给用户提供显示，来代表采集接收到的 返回信号，或被检查集装箱容器中已鉴别的爆炸物和/或特殊物质，或 待检查集装箱容器中的任何系统鉴别为未认可爆炸物和/或特殊物质， 或者以上的任何组合。
数据采集系统也可以与远程控制和监视系统618通信连接，如通 过网络616连接。远程系统618包含信息处理系统，包括计算机、内 存、存储和用户界面620,如显示器或键盘，或其它用户输入/输出设 备。网络616包含许多本地网络和/或广域网。它可以包括有线和/或无 线通信网络。这种通信技术在业界已广为人知。用户界面620允许远 程定位服务，或者管理人员操作本地系统612,通过部署在框架结构， 如起重臂(或延伸横梁)上的采集传感器单元601、 602和603,来监 视集装箱检测系统的状态。
通过远程如从中心监控站的操作系统，可以通过有限的管理人员 安全地监视大量的站点。除了监控容器处理操作，如起重设备，如图1 中的例子所示。需要清楚的是，许多不同的应用可以从集装箱容器的辐射、爆炸物和特殊物质检测和鉴别功能中受益。如，叉车上的传感 器单元与远程监控单元通信，可以在有大宗货物移动和处理的场合实 现辐射检测和鉴别，如港口、机场、联合运输站，船舶、飞机、卡 车、仓库，和其他运载环境，以及本讨论中业界通常技术可以理解
的，有大量货物进行处理的地方。注意传感器414可以安装到多种不 同类型的框架结构及相关环境中。这种监控，包括本地和远程监控， 可以显著减少部署和运行这种监控系统的费用，具有显著的经济优 势。
另外，系统的监控功能可以组合监控，而不仅限于辐射和爆炸 物。通过将合适的，适用于其它类型有害元素传感器和探测器与辐射 和射频传感器单元和监控系统组合起来，依照本发明的替代实现。
如图7所示，可以实现辐射监测和其它有害元素的监控的组合。 应该认识到，传感器设备，如伽玛传感器202和中子传感器202，如图 2中所示，可以以电池驱动设备的形式配置。以现代的电池技术和节能 技术，这种传感器设备700的功率消耗需求可以在长时间内得到满 足。这就允许这些传感器700可以在不同类型结构相关的安装条件下 安装而不必将其装在靠近电源的地方。依照图7中的例子，探测器702 可以包扩一个或多个伽玛探测器，中子探测器，或二者的结合。处理 器704与探测器702通过接口电路706通信。处理器704将从探测器 702采集到的数字信号存储在内存708中。内存708同时也存储配置参 数和处理器用到的其它程序和数据，从而完成作为控制处理器对电池 供电传感器设备704所执行的功能。这样的一个功能是采集数据的通 信，就是从探测器702到数据采集系统610 (如图6所示)的数据采 集。在本例中，通信功能通过无线通信，利用射频通信组件710和射频天线711。无线通信的一种形式是在利用ad-hoc通信模式的无线网 络上，无线设备，如部署在不同框架结构上的电池供电的传感器700
集合，可以彼此直接通信(用对等网的方式)，动态建立连接相邻无
线网络设备的网络。在Ad-hoc模式下运行允许所有的在彼此范围内的 无线设备互相发现并使用点对点方式通信，而不需要中心访问点的参 与。在一个例子中，在这样的网络中的每个相邻的无线设备将会与相 邻设备通信，交换采集到的辐射数据，然后将所有从相邻传感器设备 700采集到的数据存储到内存708。这样，当数据采集系统610与传感 器设备通信时，它能够询问和接收到所有相邻传感器设备700的采集 数据。这特别适合于传感器设备700部署在包含一个或多个容器的不 同的框架结构上，这些容器通常堆叠在容器架上。例如，这样就允许 检查位于容器堆中间的容器，否则，不挪开前面的容器而对其进行检 查将非常困难甚至不可能。比如，这样也使集装箱货港在监控任何容 器中是否包含未经批准的内容物，同时还非常有效率地处理容器。还 有，另外的例子，监控船上载有数据采集系统610和分析监控系统 612,可以与载有容器的货船并行，数据采集系统询问安装在容器货船 上一个或多个框架结构上的一个或多个传感器700。通过与一个传感器 700的通信，数据采集系统610可以在ad-hoc网络上接收所有传感器 700的数据。
电池和电源控制电路712为传感器700内所有的电路、组件和设 备供电(例如至少通过一条供电总线)。而且，供电线路712为处理 器704提供供电指示信号715。这样就使处理器704可以监视何时供电 正常，何时电压太低。在后者情况下，处理器704可以通过无线通信 模块710给数据采集系统610和信息处理系统612送出一个警告条件。这样就使系统釆取正确的纠正行为。比如，辨别出特殊传感器700供 电电压太低会提示服务人员尽快给传感器700更换电池(或充电)。
再者，系统712可以不理会从这样的设备700送来的检测和传感信 号，因为它送来的警告信号指示它的供电条件不可靠。这样可以有助 于避免错误的传感信号，或失效的传感信号，在传感器700供电不可 靠的情况下。
电池供电的传感器设备700，例如包含伽玛和/或中子传感器，可 以安装到容器(框架结构的一类)的任何位置。如， 一个或多个设备 700可以安装到容器内的 一个或多个内表面。按照 一个实施例，建议位 置为容器内部表面顶部的中央，这样可以均衡监视容器内所有的货物 和物质。考虑到这里的讨论，以当今业界通常的技术可以理解，可以 使用多个传感器700,而且传感器700可以安装到容器内的任何位置， 或容器的外部，或两种方式的任何组合。
依照一个实施例，传感器700部署在容器的外部，嵌入(或装 入)通常标准集装箱容器都有的联锁机构堆内。通常在容器的角上可 以发现这些联锁机构。全世界大约有1600万个容器，而且堆叠式联锁 机构也在世界上广泛采用。通过将传感器设备700嵌入(或装入)堆 叠式联锁机构的金属结构内，例如将传感器设备700装入每个容器联 锁机构的扭锁腔内， 一个或多个传感器700将更有效地用于监测容器 内的内容物。在每个容器的每个联锁机构内使用这种传感器设备700 并使之在Ad-Hoc网络上彼此通信，可以让美国海关的船只与货船并 行，与任何无线通信模块710启动通信，判断在某一容器内是否有辐 射，即使是深藏在船舱深处的那些容器。这是本发明的一个实施例 的，过去没有过的显著优点。在传感器700 (也参见图2中的传感器202)中的一个或多个探测 器702附近可以发现有参考辐射源，可以与多通道分析器630方便地 通过通信线路对探测器702进行实时校正。
众所周知辐射探测器702随时间变化有模拟漂移。光谱分析系统 640非常依赖来自传感器700精确的光谱数据(在校正内)来鉴别存在 于被检查容器内的特定的同位素。为了提供长时间的精确数据，在校 正检查时， 一个微小的辐射源对着辐射传感器702。 辐射源(如a trace level of辐射物质)可以是一个对^:测器702持续暴露的源，间歇 (可选择的)暴露源(例如可以开或闭来选择校正时的辐射源)，或 者是对探测器702和/或传感器700的一个或多个源的组合。多通道分 析器630分析由这个参考辐射源产生的参考信号，确认探测器702在 校正中。如果探测器702需要校正，多通道分析器630修改从某个传 感器700传来的数据，在数据送到柱状图供光谱分析系统640分析之 前，将数据进行校正(传感器校正)。
本发明的首选实施例可以用硬件、软件或软硬件的结合来实现。 依照本发明的首选实施例，系统可以在计算机系统中以集中的方式实 现，或者以分布式的方式，不同的要素分布在若干互联的计算机系统 中。任何种类的计算机系统-或其它可以用来实现这里描述的方法-都是 适合的。典型的软硬件结合实现就是通常的计算机，有计算机程序， 当程序加载并执行时，就可以控制计算机系统执行这里描述的方法。
依照本发明的具体实施例也可以嵌入计算机程序产品中，它包含 这里描述的所有的功能实现，而且，当程序载入计算机系统，就可以 执行这些方法。计算机程序方法或计算机程序，在当前的上下文中， 表示任何语法，以任何语言，代码或符号，来表示指令集，用来使系统有信息处理能力和完成特定功能，直接地，或在以下二者任一条之 后，或二者之后，a)变换成另外的语言，代码或符号；和b)以不同的材料形式再生。每个计算机系统可以包含一个或多个计算机，至少有计算机可读 媒体，使计算机能够读取数据、指令、信息或信息包，以及其它从计 算机可读媒体来的，计算机可读的信息。计算机可读媒体可以包含非易失存储，如ROM,闪存存储，磁盘存储，CD-ROM，以及其它的永久 存储。而且，计算机可读媒体可以包括，例如，易失性存储器，如 RAM，緩沖器，高速緩存和网络线路。此外，计算机可读媒体可以包含 暂态媒体中的计算机可读信息，如网络连接和/或网络接口，包括有线 网络或无线网络，使计算机能读取这样的计算机可读媒体。尽管本发明的特定具体实施例已经披露，本领域技术人员将会理 解，在不违背本发明的精神和范围的情况下，特定的实施例可以做一 些变化。本发明的范围并不严格限制，因此，针对某个实施例，其意 图在于附加的权利要求涵盖任何和所有的在本发明范围内的应用、修 改和实施例。
权利要求
1.一种辐射检测和鉴别系统，包含框架结构，一个或多个伽玛传感器；一个或多个固态中子传感器，其中所述一个或多个伽玛传感器和所述一个或多个固态中子传感器被集中安装在靠近被检查的容器的该框架结构上；数字数据采集系统，与所述一个或多个伽玛传感器和所述一个或多个固态中子传感器通信互联，用于从所述一个或多个伽玛传感器和所述一个或多个固态中子传感器采集辐射数据；多通道分析系统，与所述数字数据采集系统通信互联，用于准备所述采集到的辐射数据的柱状图；光谱分析系统，与所述多通道分析系统和所述数字数据采集系统通信互联，用于接收和分析所述采集到的辐射数据和所述柱状图，以检测辐射并鉴别与所述采集到的辐射数据相关联的一种或多种同位素；第一数据存储装置，用于存储代表该光谱分析系统使用的同位素光谱的数据，存储在所述第一数据存储装置中一种或多种光谱图像代表每种同位素，所述第一数据存储装置与所述光谱分析系统通信互联；信息处理系统，与所述光谱分析系统通信互联，用于分析已鉴别到的一种或多种同位素，判断它们代表的可能的物质或货物；第二数据存储装置，用于存储代表与被检查的容器有关联的载货单的数据，第二数据存储装置与所述信息处理系统通信互联，所述信息处理系统进一步将被检查的容器的所述判断出的可能的物质或货物与所述有关联的载货单相比较，从而判定被检查的容器中是否包含未经批准的物质或货物。
2. 如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个伽玛传感器包含集成的模拟接口和模数转换器，传感器分辨率在1 kev和662 kev 之间为3.4%或更好，在662 kev和3Mev之间为12%或更好；所述一 个或多个固态中子传感器包含集成的模拟接口和模数转换器，以及 用来进行热中子检测的调解器。
3. 如权利要求1所述的系统，其中，所述框架结构安装在分立支撑结 构上，所述支撑结构包含如下的一个或多个起重机设备、延伸横 梁、固定支撑、叉车、船舶、飞机、卡车、火车车厢或上述任何的组 合。
4. 如权利要求1所述的系统，其中，所述框架结构安装于属于叉车一 部分的分立支撑结构上。
5. 如权利要求1所述的系统，其中，所述框架结构安装于分立的支撑 结构上，所属支撑结构包含铁路、机场、海港和起重系统中的至少一 个。
6. 如权利要求1所述的系统，进一步包含与所述框架结构机械连接 的减震系统，用于保护安装在所述框架结构上的所述一个或多个伽玛 传感器和所述一个或多个固态中子传感器。
7. 如权利要求6所述的系统，其中，所述框架结构安装在分立支撑结 构上，所述减震系统保护所述一个或多个伽玛传感器和所述一个或多 个固态中子传感器，使其能够承受长时间的、在所述分立支撑结构上 的每分钟高达200G的冲击力。
8. 如权利要求1所述的系统，其中，所述框架结构包含至少部分外 壳，该外壳包围所述一个或多个伽玛传感器和所述一个或多个固态中 子传感器。
9. 如权利要求8所述的系统，其中，所述至少部分外壳包含一个或多 个附着在所述框架结构上的外壳壁。
10. 如权利要求8所述的系统，其中，所述至少部分外壳包含完整包围所述一个或多个伽玛传感器和所述一个或多个固态中子传感器的部分。
11. 如权利要求1所述的系统，进一步包含与龙门起重机的延伸横 梁机械连接的减震系统；装有所述一个或多个伽玛传感器和所述一个 或多个固态中子传感器的传感器外壳，所述传感器外壳通过所述减震 系统安装到所述延伸横梁，保护所述一个或多个伽玛传感器和所述一 个或多个固态中子传感器，使其能够承受长时间的、在所述延伸横梁 上的每分钟高达200G的冲击力。
12. 如权利要求1所述的系统，进一步包含装有所述一个或多个伽 玛传感器的外壳，所述外壳制造坚固，可以经受龙门起重机延伸横梁 的环境，而且所述外壳对穿过所述外壳进入所述一个多个伽玛传感器 的表面的伽玛辐射的衰减最小。
13. 如权利要求1所述的系统，进一步包含装有所述一个或多个伽 玛传感器的外壳，所述外壳由包含一种或多种坚硬金属的材料制成， 可以经受龙门起重机延伸横梁的严酷环境，所述外壳至少有一个外壳 壁，所述外壳壁在所述一个或多个伽玛传感器的每个位置都被研磨成 薄层，将所述外壳对伽玛辐射的屏蔽最小，使得在任何单独的伽玛传 感器表面都能检测到伽玛辐射。
14. 如权利要求1所述的系统，进一步包含装有所述一个或多个伽 玛传感器的外壳，所述外壳由包含铍的金属制成，可以经受龙门起重机延伸横梁的严酷环境，并使得伽玛粒子穿透所述外壳时的屏蔽最 小，使得在任何单独的伽玛传感器表面都能检测到伽玛粒子。
15. 如权利要求1所述的系统，进一步包含至少一种减震安装的探测器，所述探测器包括一个或多个具有防护模拟电缆的模拟伽玛传感 器，以减少从所述一个或多个传感器输出的信号中的背景噪声，并减 少所述一个或多个传感器上的机械冲击。
16. 如权利要求1所述的系统，进一步包含无线或有线通信系统， 该通信系统将所述一个或多个伽玛传感器和所述一个或多个固态中子 传感器采集的辐射数据传输到所述光谱分析系统。
17. 如权利要求1所述的系统，其中所述传感器、所述数字数据采集 系统以及所述光谱分析系统，和龙门起重机的延伸横梁成一体。
18. 如权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个伽玛传感器包括 各自的一个或多个伽玛探测器，所述一个或多个伽玛探测器都持续暴 露或选择性暴露于微量级的辐射性物质，提供参考信号与一个或多个 伽玛传感器关联，用来校正一个或多个伽玛传感器。
19. 如权利要求18所述的系统，其中所述多通道分析系统利用与所述 一个或多个伽玛传感器关联的所述参考信号，来调整由所述一个或多 个伽玛传感器采集到的辐射数据，从而对采集到的辐射数据进行适当 的校正。
20. 如权利要求1所述的系统，其中所述光谱分析系统分析所述采集 到的辐射数据，来鉴别 一种或多种与采集到的辐射数据相关联的同位 素将所述采集到的辐射数据的一个或多个光谱图像，与存储在所述 第一数据存储装置中的一个或多个光谱图像比较，每种已知的同位素 都与存储在所述第 一数据存储装置中的一个或多个光谱图像相关联，其中所述存储的一个或多个光谱图像与已知的代表一种或多种级别的 光谱辐射数据的同位素相关联，所述光谱辐射数据来自 一个或多个传 感器对已知同位素的检测。
21. —种爆炸物和特殊物质的检测和鉴别系统，包含 一个或多个射频信号发生器，安装在龙门起重机的延伸横梁上，其通过所述延伸横梁和被检查的集装箱容器之间的电气接触，将射频信号传送到所述被检查的集装箱容器的腔内；一个或多个射频接收器，与一个或多射频天线系统耦合，接收从 被检查的集装箱容器的腔内返回的射频信号，所述一个或多射频天线 系统通过所述被检查的集装箱容器和所述延伸横梁之间的电气接触，接收从所述被检查的集装箱容器的腔内返回的射频信号；数据采集系统，与所述一个或多个射频接收器通信互连，采集从 所述一个或多个射频接收器接收到的返回信号；光谱分析和信息处理系统，与所述数据采集系统通信互连，分析 采集到的接收到的返回信号，检测所述被检查的集装箱容器的腔中的 物质，从而鉴别其中可能的爆炸物和/或特殊的物质；数据存储装置，用来存储数据，所述数据代表了与所述被检查的 集装箱容器相关的清单，所述数据存储装置与所述光谱分析和信息处 理系统通信互连，所述光谱分析和信息处理系统用来进一步比较已鉴 别的可能的爆炸物和/或特殊物质与所述被检查的集装箱容器相关的清 单，确定在所述被检查的集装箱容器中是否包含未经批准的爆炸物和/ 或特殊物质。
22. 如权利要求21所述的系统，进一步包含用户界面，与所述光谱分析系统和信息处理系统通信互连，展示 给用户至少以下之一代表采集到的接收到的返回信号， 所述被检查的集装箱容器中已鉴别的可能的爆炸物和/或特殊物质，和所述系统鉴别的所述被检查的集装箱容器中含有的未经批准的 爆炸物和/或特殊物质。
23. 如权利要求21所述的系统，其中所述特殊物质包括高浓缩铀。
24. 如权利要求21所述的系统，其中所述光谱分析和信息处理系统将 已鉴别的可能的爆炸物和/或特殊物质和清单比较，通过将与所述被检 查的集装箱容器相关的清单变化为期望的爆炸物和/或辐射性物质，然 后将已鉴别的可能的爆炸物和/或特殊物质与期望的爆炸物和/或辐射性 物质相比專交。
全文摘要
本发明公开了一种辐射、爆炸物和特殊物质的检测和鉴别系统，包含支持靠近被检测的容器的内容物的一个或多个伽玛传感器和一个或多个固态中子传感器的外壳。系统从传感器采集辐射数据，将采集到的数据与代表一个或多个同位素的一个或多个光谱图像相比较，以鉴别存在的一个或多个同位素。鉴别出来的存在的一个或多个同位素被对应为存在的可能的物质或货物。将可能的物质或货物与和容器相关的清单相比较，以确认容器中含有的物质或货物，或者检测和/或鉴别容器中的未经批准的物质或货物。还公开了一种电池供电的传感器装置。
文档编号G08B1/00GK101322164SQ200680044951
公开日2008年12月10日 申请日期2006年11月30日 优先权日2005年12月1日
发明者大卫·L·弗兰克 申请人:创新美国科技有限公司