安全检测技术的现状与未来展望

陈伟珂 张 崑

天津理工大学

近些年，恐怖爆炸袭击时有发生，严重威胁着社会的公共安全。安全检测技术对爆炸事件的预测预警起着至关重要的作用，已经成为科学界研究的热点之一。经过不同领域科学家的不懈努力，目前已有许多探测手段应用于安检技术领域。本文主要介绍了X 射线成像技术、太赫兹光谱技术、拉曼光谱和表面增强拉曼技术，实际应用最多的是X 射线成像技术。这些最新的安全检测技术，为社会安全与稳定做出了贡献。

由于国内和国际安全形势的严峻以及恐怖爆炸袭击事件时有发生，各国政府为了有效应对各种突发事件的发生投入了大量的资金和技术研发更加高性能的安全探测设备。经过不同领域的专家、科学家们的共同努力，已经研制出多种安全检测技术，包括：X 射线检测技术、太赫兹光谱技术、红外线光谱技术、拉曼光谱和表面增强拉曼技术、离子迁移谱技术等等。

X 射线探测技术

单能X 射线检测法

单能X 射线检测法是X 射线探测技术最简单的一种检测手段，X 射线束可以穿透包裹行李的每一个横截面，并将包裹行李所有的横截面吸收的X 射线能量值全部记录下来，从而得到一个完整的二维投影图像，并且图像具有相当高的分辨率。

假设X 射线的强度是I，通过一个较薄的厚度为l 的均质层后（仅考虑一种原子），强度减小了δI，那么将有如下的方程：

n 是单位体积上的原子数，σ 是每个原子的横截面积。假设初始强度是I0，经过积分之后得到：

根据不同物质对X 射线的吸收能力不同，因此透过X 射线的强度存在差异，探测器给出的灰度级图像，经过图像处理后鉴别出违禁物品。

双能量穿透技术

双能量穿透技术根据的原理是同一原子序数物质对低能X 射线和高能X 射线吸收范围和程度上的差异，通过低能、高能X 射线所对应的不同灰度图像的比较，从两种不同物质组成的、不同厚度产生的或相互重叠的图像中将不同种类的物体区分开。根据物质质量衰减理论，不同原子序数物质的质量衰减不同，高原子序数物质的质量衰减系数（μ/ρ）随能量增加下降较慢，而低原子序数物质的质量衰减系数（μ/ρ）随能量增加下降较快。

为了强调非连续性散射的横截面积σis 与Zeff 的比例关系，σis 可被写成Zσis，因此总的横截面积是两个独立的横截面积之和。

其中E 是X 射线光子能量，E=hc/λ，λ 是波长，c是光速，h 是普朗克常量。可以用数学关系式表示为：

根据物质对高能X 射线和对低能X 射线吸收能量不同，可以得出：

高能X 射线与低能X 射线的比率R 表明，双能量穿透技术对于高原子序数以及低能X 射线具有很强的识别能力，但对更轻的物质识别能力较差。同时还可看出低能X 射线的能量均值越低，识别能力越强。假设X 射线源的能量为70/140keV，当R 已知，Zeff 可由如下方程计算出：

多视角系统

多视角系统通常使用单能量或双能量穿透技术，使用两个或三个成直角的视角来获得几个二维图像，进而重建扫描物体的三维图像，从而构造三维模型。三维模型可以将隐藏在各方位的物体显示出来，而且可以获得大量的信息，使用这些信息还可以确定物体的密度。多视角系统仍存在许多不足，X 射线易泄露且辐射剂量大，而且视角越多算法也更加复杂，构建三维图像的时间也较长。因此，在实际运用中很少采用多视角系统。

多视角X 射线检查应该作为今后X 射线检测技术重点研究的方向，尽管在实验过程中难以在各种环境影响之下获取数据的准确性，不过已经有相关研究利用Matlab进行软件编程在计算机上对多视角X 射线安检系统进行了仿真，搭建了一种专用于三维重建算法研究和实验的模拟系统，简化了算法的复杂程度，缩短了三维图像构成的时间。

计算机断层扫描技术（CT）技术

计算机断层扫描是利用计算机技术与X 射线检查技术对人体的各个部位作横断面的扫描。当高度准直的X射线环绕人身体各部委作断面扫描时，部分光子被吸收，X 射线强度衰减，部分光子穿透人体后，被检测器接受，利用数学处理方法重组图像，最后形成CT 图。CT 安全检测技术的过程为：

CT 机能够形成清晰完整的三维图像，它是以层（断）面为基本原理，通过数百条不同方向的扫描线对遮挡隐蔽处的物体进行检查，并进行成分分析，是近年来发展起来的新兴的安全检测技术，最初运用于医疗行业。CI 机器能够高精度的探测物体的密度、有效原子序数、质量等，还能够更准确的估计物体的Zeff。这种系统的缺点是处理速度慢、价格昂贵、尺寸大、检查包裹所需的X射线剂量大。

太赫兹光谱技术

太赫兹（英文：terahertz，简写为THz）是频率单位，等于1012Hz，通常用于表示电磁波频率。太赫兹波是指频率在0.1THz 到10THz 范围的电磁波，波长大概在3mm 到30um 范围，介于微波与红外之间。随着新科技、新技术、新材料的诞生与发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz 源成为一种准常规技术，THz 技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。

THz 成像技术是利用THz 射线照射待测物体，通过物体的透射或反射获得样品的数据信息，进而成像。THz成像技术具有THz 时域光谱技术的特点，如图2，目前安全检测技术较多地采用THz 光谱技术，甚至被专家学者预测为安全检测的终极手段。它的本质原理是THz 成像，目前主要采用连续波THz 源，而且它又能解决的是最受人关注的反恐、缉毒等最让人关注的社会安全问题。THz 射线的穿透性和对金属材料的强反射特性以及THz的高频率使得成像的分辨率更高，因此很容易发现藏在包裹、行李、衣物等隐蔽处的刀具、枪械和毒品等违禁物品。

拉曼光谱

1928 年C.V.Raman 实验发现，当光与物质相互作用时，在透明介质的散射光谱中，如果频率与入射光频率v0 不相同的成分称为拉曼散射，频率与入射光频率v0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在v0 两侧的谱线或谱带v0±v1 即为拉曼光谱，其中频率较小的成分v0-v1 又称为斯托克斯线，频率较大的成分v0+v1又称为反斯托克斯线。

拉曼光谱的强度可以用公式表示为：

Is，Ia-s 分别是斯托克斯线和反斯托克斯线的强度，v0、v 分别是激发光和拉曼唯一频率，T 是温度，c 是真空中光速，h 是普朗克常量，k 是玻尔兹曼常量，gv 是分子的给定分子振动的简并度，∂aij/∂qk是极化率张量分量∂aij随简正坐标的变化。

拉曼光谱技术可以用于安全检查中爆炸物、毒品等危险品的检验，拉曼光谱对毒品识别的灵敏度高、精确度高，可以得到的光谱图像质量较高。而且激光拉曼光谱具有微区分析功能，各种危险品混杂在一起，也可以通过显微镜分析技术识别出来。以上这些优点使其在爆炸物及其他违禁品检测方面具有较大的应用前景。

安全检测技术的现状与未来展望

随着科学技术的发展与创新，一些其他的安全检测技术也逐渐被开发并投入使用，例如：质谱分析技术、中子探测技术、毫米波技术、激光诱导击穿技术、背散射技术等等。这些高新技术的出现，对于机场、车站、海关等部门对于防爆物在行李检查、货物检查以及人体检查领域的精确化、快速化、智能化、文明化方面有了显著进步。

目前，我国的车站、机场、铁路、港口、码头等密集场所已经成为恐怖袭击的重点场所，同时恐怖袭击的手段也愈加科技化与智能化，这就要求安全检测设备更加的先进、智能、便携，不仅可以准确地识别出隐蔽处爆炸物、毒品等违禁物品，还能够自动报警。随着科技的进步与发展，未来的安全探测技术将会利用多种技术的优势互补进行技术融合，实现远程探测、先期探测，及早发现问题并解决问题。