安全檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與未來展望

陳偉珂 張 崑

天津理工大學

近些年，恐怖爆炸襲擊時有發(fā)生，嚴重威脅著社會的公共安全。安全檢測技術(shù)對爆炸事件的預(yù)測預(yù)警起著至關(guān)重要的作用，已經(jīng)成為科學界研究的熱點之一。經(jīng)過不同領(lǐng)域科學家的不懈努力，目前已有許多探測手段應(yīng)用于安檢技術(shù)領(lǐng)域。本文主要介紹了X 射線成像技術(shù)、太赫茲光譜技術(shù)、拉曼光譜和表面增強拉曼技術(shù)，實際應(yīng)用最多的是X 射線成像技術(shù)。這些最新的安全檢測技術(shù)，為社會安全與穩(wěn)定做出了貢獻。

由于國內(nèi)和國際安全形勢的嚴峻以及恐怖爆炸襲擊事件時有發(fā)生，各國政府為了有效應(yīng)對各種突發(fā)事件的發(fā)生投入了大量的資金和技術(shù)研發(fā)更加高性能的安全探測設(shè)備。經(jīng)過不同領(lǐng)域的專家、科學家們的共同努力，已經(jīng)研制出多種安全檢測技術(shù)，包括：X 射線檢測技術(shù)、太赫茲光譜技術(shù)、紅外線光譜技術(shù)、拉曼光譜和表面增強拉曼技術(shù)、離子遷移譜技術(shù)等等。

X 射線探測技術(shù)

單能X 射線檢測法

單能X 射線檢測法是X 射線探測技術(shù)最簡單的一種檢測手段，X 射線束可以穿透包裹行李的每一個橫截面，并將包裹行李所有的橫截面吸收的X 射線能量值全部記錄下來，從而得到一個完整的二維投影圖像，并且圖像具有相當高的分辨率。

假設(shè)X 射線的強度是I，通過一個較薄的厚度為l 的均質(zhì)層后（僅考慮一種原子），強度減小了δI，那么將有如下的方程：

n 是單位體積上的原子數(shù)，σ 是每個原子的橫截面積。假設(shè)初始強度是I0，經(jīng)過積分之后得到：

根據(jù)不同物質(zhì)對X 射線的吸收能力不同，因此透過X 射線的強度存在差異，探測器給出的灰度級圖像，經(jīng)過圖像處理后鑒別出違禁物品。

雙能量穿透技術(shù)

雙能量穿透技術(shù)根據(jù)的原理是同一原子序數(shù)物質(zhì)對低能X 射線和高能X 射線吸收范圍和程度上的差異，通過低能、高能X 射線所對應(yīng)的不同灰度圖像的比較，從兩種不同物質(zhì)組成的、不同厚度產(chǎn)生的或相互重疊的圖像中將不同種類的物體區(qū)分開。根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量衰減理論，不同原子序數(shù)物質(zhì)的質(zhì)量衰減不同，高原子序數(shù)物質(zhì)的質(zhì)量衰減系數(shù)（μ/ρ）隨能量增加下降較慢，而低原子序數(shù)物質(zhì)的質(zhì)量衰減系數(shù)（μ/ρ）隨能量增加下降較快。

為了強調(diào)非連續(xù)性散射的橫截面積σis 與Zeff 的比例關(guān)系，σis 可被寫成Zσis，因此總的橫截面積是兩個獨立的橫截面積之和。

其中E 是X 射線光子能量，E=hc/λ，λ 是波長，c是光速，h 是普朗克常量?？梢杂脭?shù)學關(guān)系式表示為：

根據(jù)物質(zhì)對高能X 射線和對低能X 射線吸收能量不同，可以得出：

高能X 射線與低能X 射線的比率R 表明，雙能量穿透技術(shù)對于高原子序數(shù)以及低能X 射線具有很強的識別能力，但對更輕的物質(zhì)識別能力較差。同時還可看出低能X 射線的能量均值越低，識別能力越強。假設(shè)X 射線源的能量為70/140keV，當R 已知，Zeff 可由如下方程計算出：

多視角系統(tǒng)

多視角系統(tǒng)通常使用單能量或雙能量穿透技術(shù)，使用兩個或三個成直角的視角來獲得幾個二維圖像，進而重建掃描物體的三維圖像，從而構(gòu)造三維模型。三維模型可以將隱藏在各方位的物體顯示出來，而且可以獲得大量的信息，使用這些信息還可以確定物體的密度。多視角系統(tǒng)仍存在許多不足，X 射線易泄露且輻射劑量大，而且視角越多算法也更加復(fù)雜，構(gòu)建三維圖像的時間也較長。因此，在實際運用中很少采用多視角系統(tǒng)。

多視角X 射線檢查應(yīng)該作為今后X 射線檢測技術(shù)重點研究的方向，盡管在實驗過程中難以在各種環(huán)境影響之下獲取數(shù)據(jù)的準確性，不過已經(jīng)有相關(guān)研究利用Matlab進行軟件編程在計算機上對多視角X 射線安檢系統(tǒng)進行了仿真，搭建了一種專用于三維重建算法研究和實驗的模擬系統(tǒng)，簡化了算法的復(fù)雜程度，縮短了三維圖像構(gòu)成的時間。

計算機斷層掃描技術(shù)（CT）技術(shù)

計算機斷層掃描是利用計算機技術(shù)與X 射線檢查技術(shù)對人體的各個部位作橫斷面的掃描。當高度準直的X射線環(huán)繞人身體各部委作斷面掃描時，部分光子被吸收，X 射線強度衰減，部分光子穿透人體后，被檢測器接受，利用數(shù)學處理方法重組圖像，最后形成CT 圖。CT 安全檢測技術(shù)的過程為：

CT 機能夠形成清晰完整的三維圖像，它是以層（斷）面為基本原理，通過數(shù)百條不同方向的掃描線對遮擋隱蔽處的物體進行檢查，并進行成分分析，是近年來發(fā)展起來的新興的安全檢測技術(shù)，最初運用于醫(yī)療行業(yè)。CI 機器能夠高精度的探測物體的密度、有效原子序數(shù)、質(zhì)量等，還能夠更準確的估計物體的Zeff。這種系統(tǒng)的缺點是處理速度慢、價格昂貴、尺寸大、檢查包裹所需的X射線劑量大。

太赫茲光譜技術(shù)

太赫茲（英文：terahertz，簡寫為THz）是頻率單位，等于1012Hz，通常用于表示電磁波頻率。太赫茲波是指頻率在0.1THz 到10THz 范圍的電磁波，波長大概在3mm 到30um 范圍，介于微波與紅外之間。隨著新科技、新技術(shù)、新材料的誕生與發(fā)展，特別是超快技術(shù)的發(fā)展，使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖THz 源成為一種準常規(guī)技術(shù)，THz 技術(shù)得以迅速發(fā)展，并在實際范圍內(nèi)掀起一股THz研究熱潮。

THz 成像技術(shù)是利用THz 射線照射待測物體，通過物體的透射或反射獲得樣品的數(shù)據(jù)信息，進而成像。THz成像技術(shù)具有THz 時域光譜技術(shù)的特點，如圖2，目前安全檢測技術(shù)較多地采用THz 光譜技術(shù)，甚至被專家學者預(yù)測為安全檢測的終極手段。它的本質(zhì)原理是THz 成像，目前主要采用連續(xù)波THz 源，而且它又能解決的是最受人關(guān)注的反恐、緝毒等最讓人關(guān)注的社會安全問題。THz 射線的穿透性和對金屬材料的強反射特性以及THz的高頻率使得成像的分辨率更高，因此很容易發(fā)現(xiàn)藏在包裹、行李、衣物等隱蔽處的刀具、槍械和毒品等違禁物品。

拉曼光譜

1928 年C.V.Raman 實驗發(fā)現(xiàn)，當光與物質(zhì)相互作用時，在透明介質(zhì)的散射光譜中，如果頻率與入射光頻率v0 不相同的成分稱為拉曼散射，頻率與入射光頻率v0相同的成分稱為瑞利散射；頻率對稱分布在v0 兩側(cè)的譜線或譜帶v0±v1 即為拉曼光譜，其中頻率較小的成分v0-v1 又稱為斯托克斯線，頻率較大的成分v0+v1又稱為反斯托克斯線。

拉曼光譜的強度可以用公式表示為：

Is，Ia-s 分別是斯托克斯線和反斯托克斯線的強度，v0、v 分別是激發(fā)光和拉曼唯一頻率，T 是溫度，c 是真空中光速，h 是普朗克常量，k 是玻爾茲曼常量，gv 是分子的給定分子振動的簡并度，?aij/?qk是極化率張量分量?aij隨簡正坐標的變化。

拉曼光譜技術(shù)可以用于安全檢查中爆炸物、毒品等危險品的檢驗，拉曼光譜對毒品識別的靈敏度高、精確度高，可以得到的光譜圖像質(zhì)量較高。而且激光拉曼光譜具有微區(qū)分析功能，各種危險品混雜在一起，也可以通過顯微鏡分析技術(shù)識別出來。以上這些優(yōu)點使其在爆炸物及其他違禁品檢測方面具有較大的應(yīng)用前景。

安全檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與未來展望

隨著科學技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，一些其他的安全檢測技術(shù)也逐漸被開發(fā)并投入使用，例如：質(zhì)譜分析技術(shù)、中子探測技術(shù)、毫米波技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿技術(shù)、背散射技術(shù)等等。這些高新技術(shù)的出現(xiàn)，對于機場、車站、海關(guān)等部門對于防爆物在行李檢查、貨物檢查以及人體檢查領(lǐng)域的精確化、快速化、智能化、文明化方面有了顯著進步。

目前，我國的車站、機場、鐵路、港口、碼頭等密集場所已經(jīng)成為恐怖襲擊的重點場所，同時恐怖襲擊的手段也愈加科技化與智能化，這就要求安全檢測設(shè)備更加的先進、智能、便攜，不僅可以準確地識別出隱蔽處爆炸物、毒品等違禁物品，還能夠自動報警。隨著科技的進步與發(fā)展，未來的安全探測技術(shù)將會利用多種技術(shù)的優(yōu)勢互補進行技術(shù)融合，實現(xiàn)遠程探測、先期探測，及早發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。