金屬探測安檢技術(shù)及其評(píng)估方法研究

李妍 劉玫

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100070）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國際安全形勢(shì)也變得復(fù)雜起來，交通系統(tǒng)的安全保衛(wèi)工作受到各國政府和社會(huì)各界的重視。2001年，“9·11”恐怖襲擊事件為國際社會(huì)敲響安全的警鐘，使世界各國認(rèn)識(shí)到必須構(gòu)建更加完善有效的安檢體系。近年來，國內(nèi)外恐怖分子通過自身攜帶的違禁品對(duì)飛機(jī)實(shí)施非法干擾的事件時(shí)有發(fā)生。2007年1月24日，蘇丹西部航空公司一架客機(jī)遭到持槍者劫持。2009年12月25日，一架從荷蘭阿姆斯特丹飛往美國底特律的航班上發(fā)生炸機(jī)未遂事件。2012年6月29日，新疆和田發(fā)生暴力劫機(jī)事件。2015年7月26日，臺(tái)州飛往廣州的飛機(jī)上發(fā)生持兇器縱火事件。因此，隨著對(duì)旅客人身安全的重視程度提升，各國均加大了對(duì)安檢技術(shù)的科研投入力度。

金屬探測安檢技術(shù)是人身安檢領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，也是中國現(xiàn)階段交通系統(tǒng)人身安檢的主要技術(shù)，分為通過式金屬探測門和手持式金屬探測器。對(duì)金屬物品探測能力的高低將決定著金屬探測安檢設(shè)備能不能探測到金屬、能夠探測到哪些種類的金屬，以及能夠探測到多大量的金屬。因此，對(duì)此類設(shè)備的性能進(jìn)行評(píng)估具有重大意義，將會(huì)影響對(duì)人身攜帶金屬違禁品的檢查能力。

1 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

第一臺(tái)金屬探測器誕生于1960年，當(dāng)時(shí)主要用于尋找金屬礦物質(zhì)。20世紀(jì)70年代，隨著航空運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，針對(duì)飛機(jī)的恐怖襲擊事件也在不斷增多，開始使用金屬探測技術(shù)來查找危險(xiǎn)違禁品。20世紀(jì)70年代初，芬蘭麥特瑞克安全產(chǎn)品公司（METOREX）生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)用于安檢的步行通過式金屬探測門，并在美國芝加哥機(jī)場投入使用。隨著金屬探測技術(shù)在機(jī)場安檢工作中的成功應(yīng)用，進(jìn)而推廣到政府重點(diǎn)場所、監(jiān)獄、大型集會(huì)的安保工作中。由于通過式金屬探測門的檢測速度快，可滿足較大的人流量需求，也逐步應(yīng)用于其他場合中，如火車站、地鐵站等。

從20世紀(jì)90年代開始，金屬探測技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。隨著電子制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，芯片、集成電路板，以及最新的電子產(chǎn)品都成為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，越來越多的生產(chǎn)型企業(yè)也將通過式金屬探測門（見圖1）當(dāng)作防盜和保密的手段。隨著社會(huì)安全形勢(shì)日趨復(fù)雜，醫(yī)院、酒店等易出現(xiàn)人員沖突的地方也開始使用通過式金屬探測門，防止槍支、刀具等危險(xiǎn)違禁物品進(jìn)入。

圖1 典型的通過式金屬探測門示意圖

手持式金屬探測器（見圖2）既可單獨(dú)使用，也可和通過式金屬探測門配合使用。一般情況下，人員在通過式金屬探測門時(shí)如果發(fā)生報(bào)警，安檢人員根據(jù)通過式金屬探測門顯示的報(bào)警位置，用手持式金屬探測器對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行搜查。不僅能有效地防止漏報(bào)，還能大大提高檢測效率。

圖2 典型的手持式金屬探測器

目前，通過式金屬探測門和手持式金屬探測器已成為全球機(jī)場主要的人身安檢技術(shù)。美國負(fù)責(zé)交通安檢工作的運(yùn)輸安全管理局（Transportation Security Administration，TSA）把通過式金屬探測門作為“主要的掃描航空旅客設(shè)備”，并在美國400個(gè)機(jī)場部署了2 000多臺(tái)。同時(shí)，TSA在《安檢通道設(shè)計(jì)指南（CHECKPOINT DESIGN GUIDE）》中列舉了通過式金屬探測門的尺寸、重量及供電、場地等的要求。歐盟和加拿大、澳大利亞等都使用通過式金屬探測門作為人身安檢的主要設(shè)備。

中國機(jī)場普遍以通過式金屬探測門作為人身安檢的第一級(jí)設(shè)備、以手持式金屬探測器作為人身安檢的第二級(jí)設(shè)備。目前，中國民用機(jī)場在用通過式金屬探測門有3 000多臺(tái)，其中絕大多數(shù)是由CEIA、Smiths Detection和Rapiscan等國外企業(yè)生產(chǎn)的。國內(nèi)地鐵站和火車站也采取同樣的安檢方式，使用的設(shè)備大部分是由國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

一般來說，通過式金屬探測門由控制器、發(fā)射門板和接收門板組成?？刂破骺僧a(chǎn)生不同頻率的調(diào)制波形，經(jīng)濾波電路和放大電路后，通過線圈發(fā)射出去，然后由接收門板進(jìn)行接收。當(dāng)有金屬導(dǎo)電體通過安檢門時(shí)，交變電磁場激勵(lì)會(huì)在金屬導(dǎo)電體中產(chǎn)生渦流，并產(chǎn)生與原磁場方向相反的磁場。在接收線圈中導(dǎo)致電壓和電流的改變，經(jīng)放大濾波電路處理后會(huì)形成電信號(hào)，當(dāng)信號(hào)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，即以聲光的形式發(fā)出警報(bào)。主流的金屬探測技術(shù)主要有4種。

2.1 差拍振蕩器（BFO）技術(shù)

BFO由兩個(gè)線圈組成，分別與振蕩器相連，兩個(gè)線圈的脈沖頻率間存在一個(gè)微小的偏移量。當(dāng)脈沖在線圈中傳播時(shí)會(huì)發(fā)出射頻電波，兩者的頻率差即為一個(gè)差拍。當(dāng)探測線圈旁有運(yùn)動(dòng)的金屬物品時(shí)，其自身磁場將會(huì)影響射頻電波的頻率，從而改變差拍聲音的時(shí)長和音調(diào)。

2.2 連續(xù)波技術(shù)

該技術(shù)又稱為感應(yīng)平衡技術(shù)。通過改變發(fā)射線圈內(nèi)部的電流方向，從而產(chǎn)生連續(xù)交變的磁場。當(dāng)金屬物體通過時(shí)，由于電渦流效應(yīng)，金屬物體將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向磁場，并在接收線圈中產(chǎn)生微弱的電流，這一電流振蕩的頻率與該金屬物體產(chǎn)生磁場的頻率相同，接收線圈將這一頻率傳送到中央控制器中進(jìn)行處理分析。

2.3 脈沖感應(yīng)（PI）技術(shù)

可向線圈發(fā)送高能、短時(shí)的電流脈沖，并產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)磁場。脈沖結(jié)束后，磁場的極性會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，然后迅速衰減，產(chǎn)生一個(gè)尖銳的電流毛刺，被稱為反射脈沖，兩者持續(xù)的時(shí)間均為幾十微秒，下一個(gè)脈沖再重復(fù)此過程。如果旁邊有運(yùn)動(dòng)的金屬物品，脈沖會(huì)在該金屬內(nèi)部形成一個(gè)反向磁場，進(jìn)而延長反射脈沖的衰減時(shí)間。這個(gè)時(shí)間差會(huì)被采樣電路捕捉到，即探測到金屬物品。一般數(shù)字脈沖信號(hào)由直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）產(chǎn)生，由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實(shí)現(xiàn)。

2.4 數(shù)字化脈沖調(diào)制連續(xù)波技術(shù)

該技術(shù)融合感應(yīng)平衡和脈沖感應(yīng)兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也融合了最新的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)和大規(guī)模集成現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)，是當(dāng)前最先進(jìn)的金屬探測技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)的設(shè)備具有靈敏度高、分辨率高、探測能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有對(duì)金屬物品形狀進(jìn)行辨別的能力。

手持式金屬探測器一般采用感應(yīng)平衡的方式，通過發(fā)射線圈在其探測區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)平穩(wěn)的交變初級(jí)磁場。當(dāng)該磁場內(nèi)有導(dǎo)體時(shí)，由于磁場在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，會(huì)導(dǎo)致能量損失，使磁場發(fā)生變化，破壞平衡狀態(tài)。通過檢測和處理感應(yīng)接收線圈上的變化信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)探測金屬的目的（見圖3）。

圖3 金屬探測安檢設(shè)備探測原理示意圖

金屬探測器從最初的信號(hào)模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)，再到數(shù)字脈沖技術(shù)，在基本的磁場切割理論的基礎(chǔ)上持續(xù)發(fā)展，開始出現(xiàn)多個(gè)預(yù)設(shè)磁場疊加的多區(qū)報(bào)警技術(shù)，其把整個(gè)通過式金屬探測門內(nèi)部檢測區(qū)域由上到下劃分為8~20個(gè)區(qū)域，不僅增加了對(duì)報(bào)警區(qū)域違禁品檢測的準(zhǔn)確性，而且使金屬探測設(shè)備在探測均勻性、靈敏度、速度適應(yīng)性、抗干擾能力，以及物體材料和形狀區(qū)分等方面都有較大的進(jìn)步。

3 設(shè)備性能評(píng)估方法

設(shè)備的金屬探測性能將直接決定其對(duì)危險(xiǎn)違禁物品的檢出能力。因此，歐美國家對(duì)人身金屬探測安全檢查設(shè)備的檢測技術(shù)與評(píng)估方法進(jìn)行了大量的研究。美國運(yùn)輸安全管理局（TSA）、歐洲民航會(huì)議（ECAC）都已建立了一套完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系、測試裝置和測試方法，并對(duì)準(zhǔn)備應(yīng)用的人身金屬探測安檢設(shè)備進(jìn)行測試，頒發(fā)批準(zhǔn)采購文件。

美國司法部國家司法研究所（National Institute of Justice，NIJ）負(fù)責(zé)對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估方法進(jìn)行研究，1974年其發(fā)布了通過式金屬探測門技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（NILECJ-STD-0601.00），現(xiàn)行有效的是2003年制定的《用于探測藏匿的武器和違禁品的通過式金屬探測門（Walk-Through Metal Detectors for Use in Concealed Weapon and Contraband Detection）》（NIJ Standard-0601.02）［1］。

在NIJ通過式金屬探測門標(biāo)準(zhǔn)體系中，根據(jù)可探測目標(biāo)的尺寸來把設(shè)備分為三個(gè)級(jí)別，分別是大尺寸目標(biāo)級(jí)別、中尺寸目標(biāo)級(jí)別、小尺寸目標(biāo)級(jí)別。大尺寸目標(biāo)級(jí)別要求對(duì)手槍模擬物進(jìn)行報(bào)警，對(duì)硬幣、皮帶扣、眼鏡、鑰匙、煙盒、手表等日常用品模擬物不報(bào)警；中尺寸目標(biāo)級(jí)別要求對(duì)削皮刀模擬物進(jìn)行報(bào)警，對(duì)皮帶扣和眼鏡不報(bào)警；小尺寸目標(biāo)級(jí)別要求對(duì)手銬鑰匙、非磁性不銹鋼刀、螺絲刀模擬物進(jìn)行報(bào)警，未列不報(bào)警測試物。在該標(biāo)準(zhǔn)中用探測靈敏度、速度、重復(fù)性、識(shí)別力、通過率等指標(biāo)來表征設(shè)備的性能，并給出具體的測試方法。

1974年，NIJ發(fā)布了NILECJ-STD-0602.00手持式金屬探測器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行有效的是2003年制定的《用于探測藏匿的武器和違禁品的手持式金屬探測器（Hand-Held Metal Detectors for Use in Concealed Weapon and Contraband Detection）》（NIJ Standard-0602.02）［2］。

在NIJ的手持式金屬探測器標(biāo)準(zhǔn)體系中，根據(jù)可探測目標(biāo)的尺寸把設(shè)備分為四個(gè)級(jí)別，分別為大尺寸目標(biāo)級(jí)別、中尺寸目標(biāo)級(jí)別、小尺寸目標(biāo)級(jí)別和微尺寸目標(biāo)級(jí)別。大尺寸目標(biāo)級(jí)別要求在15cm距離對(duì)手槍模擬物進(jìn)行報(bào)警；中尺寸目標(biāo)級(jí)別要求在7.5c m距離對(duì)削皮刀模擬物進(jìn)行報(bào)警；小尺寸目標(biāo)級(jí)別要求在5 cm距離對(duì)手銬鑰匙、非磁性不銹鋼刀、子彈模擬物進(jìn)行報(bào)警；微尺寸目標(biāo)級(jí)別要求在3 cm距離對(duì)銅筆芯、剃須刀片模擬物進(jìn)行報(bào)警。該標(biāo)準(zhǔn)中用探測靈敏度、速度、重復(fù)性等指標(biāo)來表征設(shè)備的性能，并給出了具體測試方法。

此外，NIJ還在2001年發(fā)布了《手持式金屬探測器和通過式金屬探測門使用指南（Users'Guide for Hand-held and Walk-Through Metal Detectors）》（NIJ Guide 600-00）［3］，詳細(xì)介紹上述兩種設(shè)備的工作原理、適用標(biāo)準(zhǔn)、安裝步驟和操作方法。

在NIJ對(duì)兩種探測設(shè)備的測試方法中均提到了三軸定位系統(tǒng)（Triaxial Positioning System），其可夾持測試物在三維直角坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)軸向直線運(yùn)動(dòng)。三軸定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無干擾、可重復(fù)的多點(diǎn)測試，是人身金屬探測安全檢查設(shè)備評(píng)估技術(shù)向科學(xué)化、精確化方向邁進(jìn)的重要標(biāo)志。

美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society for Testing and Materials，ASTM）也發(fā)布了ASTM F1468-04a（2010）《控制進(jìn)入搜索和篩選用金屬武器探測器的評(píng)定（STANDARD PRACTICE FOR EV-ALUATION OF METALLIC WEAPONS DETECTO-RS FOR CONTROLLED ACCESS SEARCH AND SCREENING）》［4］，以及一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如《通過式金屬探測器安裝標(biāo)準(zhǔn)指南（Standard Guide for Installation of Walk-Through Metal Detectors）》（ASTM C1238-97）（2012）、《內(nèi)通過式金屬探測器性能評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程（Standard Practice for Performance Evaluation of In-Plant Walk-Through Metal Detectors）》（ASTM C1309-97）（2012）、《內(nèi)通過式金屬探測器操作靈敏度調(diào)整設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程（Standard Practice for Adjusting the Operational Sensitivity Setting of In-Plant Walk-Through Metal Detectors）》（ASTM C1269-97）（2012），涵蓋通過式金屬探測門和手持式金屬探測器的安裝、測試、調(diào)整設(shè)置等。

2003年，由公安部第一研究所起草的國家標(biāo)準(zhǔn)《通過式金屬探測門通用技術(shù)規(guī)范（GB 15210—2003）》［5］正式頒布，對(duì)通過式金屬探測門的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則以及標(biāo)志和包裝等進(jìn)行規(guī)定，是中國設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收和使用此類設(shè)備的基本依據(jù)。在技術(shù)要求部分，對(duì)外觀、機(jī)械結(jié)構(gòu)和布局、運(yùn)行控制等方面做出了詳細(xì)的規(guī)定，并提出對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法，對(duì)我國該類設(shè)備的發(fā)展起到了一定的指導(dǎo)作用。

2003年，由公安部第一研究所起草的國家標(biāo)準(zhǔn)《手持式金屬探測器通用技術(shù)規(guī)范（GB 12899—2003）》［6］正式頒布，規(guī)定了手持式金屬探測器的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及包裝貯存等，是設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收和使用此類設(shè)備的依據(jù)。在技術(shù)要求部分，從外觀、機(jī)械結(jié)構(gòu)、操作和控制裝置、標(biāo)識(shí)等方面做出了詳細(xì)規(guī)定，并提出對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法，對(duì)中國該類設(shè)備的發(fā)展起到了一定的指導(dǎo)作用。

2004年，中國頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《民用航空通過式金屬探測門（MH 7012—2004）》［7］，規(guī)定了民用航空通過式金屬探測門的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、標(biāo)志、標(biāo)簽和包裝等，該標(biāo)準(zhǔn)適用于民用機(jī)場、航空公司安全檢查部門使用的通過式金屬探測門的選型、驗(yàn)收和使用。該標(biāo)準(zhǔn)在遠(yuǎn)程控制、編程存儲(chǔ)、環(huán)境電磁噪聲自檢等方面提出了具體要求，其余內(nèi)容引用了GB 15210—2003中的規(guī)定。中國未對(duì)手持式金屬探測器頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過十多年的發(fā)展，加之反恐形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，上述標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求已明顯滯后，尤其是在金屬探測能力方面已無法滿足安全要求和行業(yè)需求。2018年，中國修訂了國家標(biāo)準(zhǔn)《通過式金屬探測門通用技術(shù)規(guī)范（GB 15210—2018）》［8］，將核心指標(biāo)探測靈敏度分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。Ⅰ類不報(bào)警測試物為標(biāo)準(zhǔn)測試人，Ⅰ類報(bào)警測試物為精煉不銹鋼板（9Cr18）；Ⅱ類不報(bào)警測試物為半硬黃銅板（H62-Y），Ⅱ類報(bào)警測試物有兩種，分別為工具鋼（45#）和不銹鋼板（06Cr19Ni10）；Ⅲ類不報(bào)警測試物為小尺寸普通不銹鋼板（2Cr13），Ⅲ類報(bào)警測試物有兩種，分別為大尺寸普通不銹鋼板（2Cr13）和鋁板（5A02）。測試時(shí)，根據(jù)設(shè)備用戶手冊(cè)中聲明的產(chǎn)品類型，使用對(duì)應(yīng)探測類別的報(bào)警測試物和不報(bào)警測試物進(jìn)行測試。2018年，中國修訂了國家標(biāo)準(zhǔn)《手持式金屬探測器通用技術(shù)規(guī)范（GB 12899—2018）》［9］，將核心指標(biāo)探測靈敏度區(qū)分為A、B、C三級(jí)，對(duì)應(yīng)不同的探測距離。同時(shí)，將報(bào)警測試物設(shè)置為三種，小尺寸報(bào)警測試物為精煉不銹鋼板（9Cr18）、中尺寸報(bào)警測試物為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（45#）、大尺寸報(bào)警測試物為不銹鋼板（06Cr19Ni10）。

4 結(jié)語

金屬探測技術(shù)發(fā)展至今有兩個(gè)不同的應(yīng)用方向。一是針對(duì)體育賽事、地鐵等重要場所的應(yīng)用場景，側(cè)重于更高的通行效率和服務(wù)體驗(yàn)，由此發(fā)展出對(duì)物品進(jìn)行區(qū)分，主要探測金屬物品的形狀和材質(zhì)，進(jìn)而過濾掉眼鏡、腰帶扣等金屬物品產(chǎn)生的影響，一般聚焦于大尺寸的危險(xiǎn)違禁物品的探測，從而提升通過量；二是針對(duì)民航等高安保等級(jí)的應(yīng)用場景，旅客的配合度較高，可提前移除身上日常用的金屬制品，側(cè)重于更高的探測性能，可探測到更小量的金屬和更多的金屬種類。

在評(píng)估方法上，第一種更高通行效率的應(yīng)用應(yīng)引入更多貼近日常生活用的金屬制品不報(bào)警測試物，如筆、鑰匙、硬幣等，從形狀和材質(zhì)兩方面做出細(xì)致區(qū)分，以期找到通過式金屬探測門和手持式金屬探測器的合理報(bào)警臨界點(diǎn)。而在第二種更高探測性能的應(yīng)用中，由于現(xiàn)實(shí)中可制作刀具等危險(xiǎn)品的金屬眾多，可對(duì)各類金屬材質(zhì)的探測進(jìn)行更深入的探討。

當(dāng)金屬物品進(jìn)入金屬探測設(shè)備探測范圍時(shí)，導(dǎo)致設(shè)備的預(yù)設(shè)磁場發(fā)生改變，從而被探測出來。而對(duì)磁場影響的程度大體上取決于金屬的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率，磁導(dǎo)率高的金屬可直接改變磁場的分布和強(qiáng)度，電導(dǎo)率高的金屬在磁場中產(chǎn)生內(nèi)部渦流，進(jìn)而產(chǎn)生反向磁場，從而影響到外部磁場。從這個(gè)角度來說，作為刀具材料的不銹鋼由于結(jié)構(gòu)不同，可分為馬氏體和奧氏體，帶磁性的馬氏體不銹鋼容易被探測出，而不帶磁性的奧氏體難以被探測出。因此，在設(shè)計(jì)評(píng)估方法、選取典型金屬作為報(bào)警測試物時(shí)，還應(yīng)考慮磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率特性，應(yīng)盡量選取多種典型金屬來測試設(shè)備的綜合性能。

綜上所述，針對(duì)不同的應(yīng)用場景應(yīng)細(xì)化出不同的金屬探測性能，應(yīng)配套相應(yīng)的評(píng)估方法，才能科學(xué)地指導(dǎo)金屬探測安檢設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、檢測、使用等環(huán)節(jié)。