Fido sprängämnesdetektor

Fido XT Portable Explosives Detector

Fido -sprängämnesdetektorn är en batteridriven, handhållen sensorisk enhet som använder förstärkande fluorescerande polymermaterial (AFP) för att detektera spårhalter av höga explosiva ämnen som trinitrotoluen (TNT) . Den utvecklades av Nomadics, ett dotterbolag till ICX Technologies (nu ägs av FLIR Systems ), i början av 2000-talet som en del av Defense Advanced Research Projects Agencys (DARPA) Dog's Nose-program. Fido-sprängämnesdetektorn anses vara den första konstgjorda näsan som kan upptäcka landminor i den verkliga världen. Enheten har fått sitt namn efter dess förmåga att upptäcka explosiva ångor i koncentrationer av delar per kvadrillion (1 på 10^15), vilket är jämförbart med känsligheten hos en bombsniffande hunds nos, dvs. den historiska "guldstandarden" för att hitta dolda sprängämnen.

Översikt

Fido-sprängämnesdetektorn fungerar som en spårsprängämnesdetektor genom sin användning av en specialtillverkad fluorescerande polymerfilm som är extremt känslig för molekyler av TNT, som kan hittas i mer än 85 procent av utplacerade landminor.

Den tunna filmen består av många upprepade kedjor av amplifierande fluorescerande polymerer som naturligt avger synligt ljus när de utsätts för ultravioletta strålar. Fluorescensen är resultatet av exciterade tillståndselektroner (dvs excitoner ) som färdas längs polymerryggraden och mellan intilliggande polymerkedjor vid absorbering av en foton av ljus. Emellertid släcks fluorescensreaktionerna i samma ögonblick som en elektrondefekt molekyl som TNT binder till polymeren och fångar den migrerande excitonen vid bindningsstället. En enda molekyl av TNT kan minska fluorescensen av hela polymerkedjor i den tunna filmen, och därigenom förstärka effekten av en enda TNT-bindningshändelse som kan kringgå detekteringen av mindre känsliga molekylära sensorer. Utformningen av den tunna filmen tillåter TNT-molekylerna att binda var som helst längs polymerkedjan, vilket drastiskt ökar antalet möjligheter för TNT-bindningshändelsen att inträffa. De amplifierande fluorescerande polymererna som används i Fido-sprängämnesdetektorn konstruerades för att i första hand vara känsliga för nitroaromatiska sprängämnen. Bindningen av TNT-molekylerna tros vara orsakad av en interaktion av elektrostatisk typ mellan polymeren och målanalyten. Selektiviteten kan också förbättras genom att syntetisera strukturer i polymeren som är elektrostatiska spegelbilder av de önskade målanalyterna. Enligt rapporter finns det bevis för att polymererna kan förstärka släckningen av fluorescensreaktionerna mellan 100- till 1000-faldigt jämfört med konventionella släckningsmekanismer.

Den fluorescerande polymerfilmen är belagd på insidan av de små glasrören som Fido-sprängämnesdetektorn använder för att dra in luft. En blå ljusemitterande diod (LED) inuti detektorn tjänar till att excitera fluorescerande polymerelektroner, och detektorns fotomultiplikatorrör förstärker och läser av våglängden för det emitterade ljuset för att avgöra om ljuset som produceras av polymerfilmen har dämpats. Fido-sprängämnesdetektorn tillhandahåller nästan omedelbar analys i realtid av den provtagna luften genom att registrera intensiteten hos fotomultiplikatorrören, som är omvänt proportionell mot massan av analyt som binder till polymerfilmerna. Polymerfilmerna kan exponeras upprepade gånger för prover på grund av den reversibla naturen av bindningen av analyterna till filmen. Fido-sprängämnesdetektorn kan återställa polymerfilmernas fluorescensintensitet till nära den initiala baslinjeavläsningen genom att dra in ett nytt flöde av ren luft för att svepa över polymerfilmen och desorbera analyten.

Historia

Uppfinningen av Fido-sprängämnesdetektorn förlitade sig mycket på uppfinningen av den förstärkande fluorescerande polymeren (AFP) i slutet av 1990-talet. Vid den tiden var användningen av fluorescerande polymerer i deras fasta tillstånd svår på grund av deras signifikant minskade känslighet och fluorescens jämfört med polymerer i lösning. 1995 var kemisten Timothy Swager vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) den första som demonstrerade möjligheten till sensorisk signalförstärkning med hjälp av molekylärtrådsmetoden . Denna teknik användes senare av Swager för att utveckla AFP för första gången. Strax därefter tilldelades Swager ett amerikanskt militärt forskningsanslag för att införliva AFP i antiminteknologi som en del av DARPA :s Unexploded Ordnance Detection Program, som också var mer informellt känt som Dog's Nose-programmet. Han licensierade AFP-tekniken till Nomadics och arbetade med företaget för att skapa en prototyp av de fluorescerande polymererna som kunde användas för att detektera sprängämnen.

De första fälttesterna av de tidiga prototyperna av Fido-sprängämnesdetektorn genomfördes 1999 i Fort Leonard Wood, MO. 2001 utvecklades en variant av Fido-sprängämnesdetektorn känd som SeaDog för att upptäcka spårmängder av TNT under vattnet. SeaDog integrerades sedan på ett autonomt undervattensfordon (AUV) som en del av US Navy Office of Naval Researchs program för kemisk avkänning i havsmiljön (CSME), och blev den första att demonstrera kartläggningen av en explosiv plym under vattnet i realtid. 2002 finansierades Nomadics av det strategiska miljöforsknings- och utvecklingsprogrammet (SERDP) för att konfigurera Fido-sprängämnesdetektorn så att den kunde användas för att övervaka sprängämnesförorening av grundvatten. Systemet modifierades ytterligare och fälttestades av olika organisationer inom det amerikanska försvarsdepartementet , inklusive US Army Research Laboratory (ARL) och Night Vision and Electronic Sensors Directorate (NVESD) .

Fido-sprängämnesdetektorn marknadsfördes av Nomadics som ett lågkostnadssystem eftersom det mesta av hårdvaran, förutom AFP, består av kommersiella elektroniska och optiska komponenter (COTS). Till skillnad från de flesta fluorescerande släckande explosiva sensorer, krävde enheten inte solid-state-lasrar och var inte lika hårt begränsad av kraven på termisk stabilitet . År 2003 fastställde Nomadics att inkorporering av en sensor med två element i Fido-sprängämnesdetektorn hade potentialen att avsevärt förbättra enhetens förmåga att särskilja kemiska signaturföreningar från potentiella kemiska störningar utan någon förlust av sensorkänslighet.

ledde finansiering från Army Research Office (ARO) till utvecklingen av en handhållen miniatyrprototyp av Fido-sprängämnesdetektorn som kunde fungera i ungefär sex timmar på ett enda uppladdningsbart batteri . Produktionen av detta system använde sig av billigare och mer robusta komponenter, som att ersätta fotomultiplikatorn med en mindre känslig fotodiod . Dessa förändringar resulterade i en ökning av ljudnivån som forskarna noterar sannolikt inte skulle vara signifikant för de flesta tillämpningar.

2005 fann Swager och hans team att justering av pumpeffekten till strax över det erforderliga tröskelvärdet för lasring dämpade lasringsemissionen avsevärt, vilket resulterade i en trettiofaldig ökning av känsligheten hos Fidos explosiva detektorsensorer när systemet arbetar nära lasringströskeln. Samma år marknadsförde Nomadics en ny version av enheten känd som Fido XT Explosives Detector, som innehöll en tjudrad förlängning som gjorde att provtagningshuvudet som samlade spåren av explosiva föreningar kunde separeras från resten av enheten. XT-varianten inkorporerade också en förkoncentrator som gjorde att enheten kunde prova 1000 liter luft samtidigt som det skulle ta för enheten att prova 1 liter luft utan förbättringen. Detta nya tillägg gjorde det möjligt för enheten att upptäcka källan till ångan utan att sensorn kom i fysisk kontakt med det förorenade föremålet.

Under hela sin fortsatta utveckling genomgick Fido-sprängämnesdetektorn många modifieringar av den amerikanska militären för att monteras på olika typer av plattformar för att upptäcka spår av explosiva ångor i farliga miljöer och svåråtkomliga områden. Ett framträdande exempel var planen att integrera Fido-sprängämnesdetektorn på robotplattformar för att fjärrupptäcka improviserade explosiva anordningar (IED) . Projektet , som ursprungligen föreslogs av den dåvarande biträdande sekreteraren för armén för förvärv, logistik och teknologi (ASAALT), leddes av Joint IED Defeat Task Force (JIEDDTF) som en del av ett 90-dagars leveransschema som lovade att producera tio integrerade system för soldater i stridsutrymmen. Efter mycket övervägande iRobots PackBot ut som robotplattformen för Fido-sprängämnesdetektorn . Men på grund av utmaningar med kostnads- och tidsbegränsningar producerades, testades och sattes i slutändan bara hälften av de föreslagna tio prototypenheterna i Afghanistan och Irak . Medan de fältade prototyperna stötte på tekniska problem som hindrade prestanda, kunde reparationer av team av forskare från olika armélabb lösa mycket av de problem som uppstod. Andra ansträngningar inkluderade utvecklingen av Neural Robotics, Inc.:s AutoCopter, som hade detektorn monterad på en liten, obemannad helikopterplattform, samt integreringen av detektionssystemet i Foster-Miller TALON och US Marine Corps Dragon Löpare .

År 2010 ställdes mer än 1500 Fido-sprängämnesdetektorer till amerikanska soldater, och den amerikanska kongressen gav 7 miljoner dollar i finansiering till Nomadics för att tillverka fler Fido-sprängämnesdetektorer för amerikanska militära operationer. 2011 FLIR Systems (tidigare Nomadics) kommersiellt en uppgradering till Fido XT-sprängämnesdetektorn kallad Fido NXT, som innehöll en ny design för att enheten skulle vara mer hållbar och modulär.

Tester

Fort Leonard Wood

Blinda fälttester för Fido-sprängämnesdetektorn ägde först rum på en DARPA-anläggning vid Ft. Leonard Wood, MO för att utvärdera enhetens prestanda jämfört med tränade hundar. Under försöket planterades landminor i testfältet med två flaggor cirka 50 cm från varandra som indikerar platsen för varje testposition. Landminorna var autentiska TMA5- eller PMA1A-landminor med tändrör och detonatorer borttagna tillsammans med transportpluggar som täckte detonatorn. Tre olika team fick i uppdrag att upptäcka de nedgrävda landminorna vid varje testposition. Den ena använde Fido-sprängämnesdetektorn och de andra två var erfarna hundar, en tränad att upptäcka sprängämnen (dvs. bomber) och den andra tränad att upptäcka landminor.

Enligt resultaten från fälttesterna presterade hundteamet som tränats för att upptäcka landminor bättre än hundteamet som tränats för att upptäcka sprängämnen. Den senare drog sig så småningom ur fältproven på grund av den enorma svårigheten att slutföra uppgiften. Men även hundteamet med verklig erfarenhet av att hitta landminor hade svårt att utföra uppgiften på grund av mycket varma och torra väderförhållanden på fältet. Däremot presterade teamet som använde Fido-sprängämnesdetektorn i allmänhet bättre än det erfarna hund-landminupptäckningsteamet. När det gäller detektering av de plasthöljda TMA5-landminorna visade den bästa sensorprestandan en detekteringssannolikhet på 89 procent med en sannolikhet på 27 procent för falsklarm. Vid slutet av fälttesterna verifierade DARPA att prestandan hos Fido-sprängämnesdetektorn var på en nivå som var lika med eller bättre än den för de tränade hundarna, vilket markerade första gången som en elektronisk "sniffer"-anordning visade en jämförbar förmåga att detektera landminor till den för tränade hundar under fältförhållanden.

Rakovo Polje

År 2001 genomförde forskare sponsrade av Army Communications Electronics Command, Night Vision and Electronic Sensors Directorate ett blindfältstest som jämförde prestandan hos Fido-sprängämnesdetektorn med den hos MECHEM Explosives and Drug Detection System (MEDDS), som också urskiljde om eller inte ett område innehåller spår av explosiv ånga. Testning ägde rum på Rakovo Polje Test Site i Kroatien från juli 2001 till augusti 2003. Syftet med fälttesterna var att avgöra om MEDDS-tekniken kunde förbättras med inbyggnaden av Fido-sprängämnesdetektorn. Testfältet där experimentet ägde rum innehöll 8 till 15 individuella landminor (PROM-1, TMA-1A, PMA-2 och PMA-3) slumpmässigt fördelade på 10, 15 eller 20 cm under ytan. Ett separat testfält upprättades i anslutning till det primära testfältet för att bestämma hur långt spårnivåer av förorening kunde detekteras från en gruva. Flera provtagningsförsök av fälttestet ägde rum under hela experimentet.

Resultaten av studien visade att både Fido-sprängämnesdetektorn och MEDDS kunde detektera explosiv ånga på testplatsen även när månaderna gick och fältförhållandena förändrades drastiskt. Det fanns dock inga märkbara mönster eller någon korrelation mellan provtagningsresultaten för de två detektorsystemen. Studien fann också att spåren av explosiva relaterade föreningar (ERC) till stor del transporteras genom vattenrörelser i marken snarare än genom molekylär diffusion . När det gäller Fido-explosivdetektorns prestanda, fann systemet 59 positiva av 108 prover (55 procent) med majoriteten av de positiva belägna djupare i jorden under närhetsprovtagningen i maj 2003. I jämförelse hittade MEDDS 71 procent av proverna med sina egna rör och 83 procent av proverna med Fido-rör.

Yuma Proving Ground

År 2001 genomförde forskare från Nomadics fälttester vid Yuma Proving Ground , Arizona för att testa Fido-explosivdetektorsensorernas förmåga att utföra provtagning av jordpartiklar och endast ånga. Testplatsen vid Yuma Proving Ground var belägen i en hård ökenmiljö med extremt torr jord, vilket minskade transporten av ERC genom markvattenförflyttning. Testfältet var organiserat i fem banor, som var och en var uppdelad i 100 celler markerade med mycket lätta rep. Fido-sprängämnesdetektorn användes för att analysera prover tagna från varje cell i varje körfält för att bestämma platsen för de nedgrävda minorna under mycket låga koncentrationskalibreringsstandarder. Men även om detektorn lyckades detektera minsignaturerna, kunde den inte exakt fastställa minornas exakta plats i körfälten med någon grad av säkerhet. Forskarna drog slutsatsen att enhetens prestanda berodde på hög densitet av minor i körfälten som gjorde att de kemiska signaturerna från gruvorna överlappade varandra, vilket gjorde det svårt att fastställa minernas exakta plats. Fido-sprängämnesdetektorn producerade dock färre sensorsvar i områden borta från gruvplatserna medan sensorsvar inom gruvfälten var frekventa trots att gruvsignaturerna kan färdas betydligt långt från mitten av en gruva. Forskarna fann också att intensiteten på sensorsvaren ökade efter en natt med lätt regn. Studien drog slutsatsen att även om Fido-sprängämnesdetektorn kan ha svårt att identifiera den exakta platsen för nedgrävda landminor, kan den vara användbar för att upptäcka förekomsten av minkluster.

Specifikationer

Specifikationer för Fido XT sprängämnesdetektor
Storlek	9,8" x 4,8" x 2"
Vikt	700 g inklusive batteri
Batteri	Litium-jon
Batteri-liv	4 timmar
Strömförsörjning	100 - 250V, 50 - 60 Hz
Minne	256 MB
Detekterbara explosiva ämnen	Nitroaromatiska föreningar
Känslighet	1 femtogram (1 x 10^-15 g) för TNT
Analystid	5 sekunder
Presentation av resultat	Stapeldiagram visning; ljudsignal; anslutning till extern dator
Säkerhetsfrågor	Måttligt varm spets (90 grader Celsius)

Prestanda

Fido-sprängämnesdetektorn kan samla in prover med en av tre metoder. Den vanligaste metoden är direkt, realtidssampling av ångspåren med hjälp av Fido-sensorn, som tenderar att tillhandahålla de mest positionskänsliga data och möjliggör större detektering av signatur "hot spots". Detta tillvägagångssätt fokuserar på att samla in prover i omedelbar närhet av sensorinloppet och har därför en låg volymetrisk samplingshastighet. På grund av hur koncentrationen av ERC i ångsignaturen är fem till sex storleksordningar mindre än den för den förorenade jorden som producerar ångsignaturen, beror framgången för denna metod till stor del på minfältets tillstånd vid tidpunkten för provtagningen. Gynnsamma förhållanden inkluderar varma temperaturer, lätta vindar, fuktiga jordförhållanden och andra faktorer som hjälper till att öka ångkoncentrationen eller sprida ångsignaturen. Den bästa registrerade prestandan för Fido-sprängämnesdetektorn med denna metod inträffade under DARPA-fälttestet vid Ft. Leonard Wood, där enheten uppnådde 100 procents sannolikhet för upptäckt med 10 procent falsklarmfrekvens .

En annan möjlig provtagningsmetod är användningen av en elektrostatisk jordpartikeluppsamlare (ESPC), som använder två elektroder och en luftstråle för att avlägsna jordpartiklar från marken. De elektrostatiskt laddade jordproverna som fastnar på den yttre elektroden flyttas sedan ut i en provtagningsflaska och extraheras i aceton innan de presenteras för Fido-sprängämnesdetektorn med hjälp av en bärbar gaskromatograf . Detta tillvägagångssätt tillåter användare att samla in jordprover från ett mycket större område jämfört med den direkta provtagningsmetoden. För den tredje provtagningsmetoden samlas både jordpartiklar och ångprover genom att dra in stora volymer luft genom en bädd av adsorberande material utformad för att fånga ERC. När provet har samlats extraheras de fångade analyterna i lösningsmedel och presenteras för Fido-sprängämnesdetektorn med hjälp av en bärbar gaskromatograf. Detta tillvägagångssätt tenderar att möjliggöra snabb provinsamling från stora områden.

Trots bekvämligheten med Fido-sprängämnesdetektorn förblir tränade snifferhundar det bästa tillgängliga detekteringssystemet för sprängämnen. Forskare har noterat att enheten fortfarande har problem med en relativt låg detekteringsfrekvens (89 procent) och en relativt hög falsklarmfrekvens (27 procent). Data som samlats in från olika fälttester stöder dock slutsatsen att Fido-sprängämnesdetektorn har TNT-detekteringsförmåga som åtminstone är jämförbar med den hos en tränad snifferhund. Dessutom har förespråkare för enheten hävdat att Fido-systemet möjliggör upptäckt av sprängämnen i situationer som är bättre lämpade för maskiner än med en hund och en förare, som i extrema miljöer med svåra väderförhållanden. Enheten kan också upptäcka flera olika typer av sprängämnen än bara TNT och kan vara mer konsekvent än en tränad hund, som kan vara dyr att träna och vars prestanda kan påverkas av en mängd okända och okontrollerbara faktorer. Fido-sprängämnesdetektorn hämmas dock också av omgivningstemperaturen , så att den nominella driftstemperaturen för systemet är 32 grader Celsius.

Ansökningar

I mitten av 2000-talet var Fido-sprängämnesdetektorn utplacerad i både Afghanistan och Irak, antingen som en bärbar handhållen enhet eller som en anslutning till en robotplattform. Fido-sprängämnesdetektorn såg också användning som ett verktyg för fordonsinspektion i ett försök att bekämpa fordonsburna improviserade explosiva anordningar (VBIED) som används av rebeller i Irak. Under 2017 tillhandahöll USA:s försvarsrepresentant - Pakistan (ODRP) mer än 50 Fido-enheter till den pakistanska armén som en del av ett 128 miljoner dollar initiativ mot IED- terrorism. Utanför den militära domänen inkorporerades Fido-sprängämnesdetektorn som ett verktyg för flygplats- och byggnadssäkerhet och användes till och med av National Park Police under firandet den 4 juli 2006 i Washington DC Mall . 2009 lanserades en version av Fido-systemet för flygplatssäkerhet och blev snart allmänt använt av Transportation Security Administration på minst 70 flygplatser i hela landet.

Utmärkelser

Fido-sprängämnesdetektorn har erkänts av flera utmärkelser sedan starten i början av 2000-talet. Den handhållna versionen av systemet utsågs till en av de tio största uppfinningarna av den amerikanska armén 2005, och Packbot-robotplattformen med den integrerade Fido-sprängämnesdetektorn fick samma pris 2006. 2007 vann Timothy Swager Lemelson-dollarn på 500 000 dollar . MIT-priset för sitt arbete med att förstärka fluorescerande polymerer. Han vann senare American Chemical Society Award for Creative Invention 2013.

Vidare läsning

externa länkar