生命探测技术在口岸动物搜检中的应用分析

2018-01-08王梓乐汪赵中权赵相鹏静高志强伟夏云成

质量安全与检验检测 2017年6期

王梓乐汪琳洪炜赵中权赵相鹏蒲静高志强张伟夏云成

（1.西南大学重庆 400715；2.北京出入境检验检疫局）

1 前言

许多海淘客为逃避检验检疫监管，通常会选择随身携带或者邮寄境外活动物。截获活体动物的案例在全国各口岸时有发生，现行 “检疫人员-X光机-检疫犬”模式难以快速应对海量进境携带物/邮寄物的检测，急需发展现场高效活动物搜检技术。

生命体中存在许多种可被外界感知的生命信号，比如呼吸、心跳、体温、电磁场等，这些信号通常以特定能量形式出现在生命体外部，如声音信号、红外信号、光信号以及电磁信号等[1]。生命探测就是利用传感器技术，采集生命体发出的生理、物理、化学信息，并对生命体进行有效识别与定位。探测障碍物后面有无生命现象的存在，在军事、海巡、消防、安全、救援、航天等领域中广泛应用，现在逐渐用于伤员救助、非接触式医疗监护、病畜生命信息监测与辅助诊断[2]。

本文对现有生命检测技术进行综述比较，探索、分析生命检测技术在国境口岸违禁动物搜检中应用的可能性。

2 生命探测技术分类

根据采集和处理信号的不同，生命探测技术分为无源探测和有源探测。

无源探测主要是根据生命体辐射能量与背景能量的差异，或者生命体发出的声波或震动波等进行被动式探测，有5种代表产品：音频生命探测仪、红外生命探测仪、电磁波生命探测仪、光学探测仪、二氧化碳探测仪[3]。

有源探测则主动发射电磁波，根据生命体的呼吸、心跳等生理特点，从反射回来的电磁波中探测是否存在生命，典型代表产品是雷达生命探测仪[4]。

3 生命探测仪技术原理

3.1 音频生命探测仪

声波是在弹性介质中传播的压力振动，是一种球形的阵面波，它能在空气、水、金属、木材等弹性介质中传递。音频生命探测仪（又称声波探测仪）应用了声波及震动波的原理，主要采用先进的微电子处理器和声音/振动传感器，对生命体心跳、呼吸、移动等发出的微弱声音进行全方位的音频声波和振动波收集，并将非目标的噪音波和其他背景干扰波过滤，进而迅速确定生命体的存在[5]。

音频生命探测仪探头内装有高灵敏度传感器，用于探测振动频率为1～4 000 Hz的振动信号，并设有频率放大器，可增强接收到的外部信号强度，主处理器对接收到的放大信号再次进行放大增强，这样大大增强了探测灵敏度，可发现微弱的振动信号[6]。音频生命探测系统主要包括信号采集、数理建模、信号检测与选取、声源定位和音频输出等模块，系统示意图见图1。

图1 音频生命探测系统示意图

音频探测仪器接受生命体的音频信号是被动的，如果现场音频环境复杂就可能影响探测的准确性，使得探测速度降低。

3.2 红外生命探测仪

任何物体只要温度在绝对零度以上都会产生红外辐射，而生命体是天然的红外辐射源。每种物体产生的红外辐射都具有自身特点，人体红外辐射的中心波长约为9.4 μm，皮肤的红外辐射范围约为3～50 μm，其中8～14 μm 波段红外辐射能量占人体全部辐射总量的46%，这个波段是设计人体红外探测仪的一个重要技术参数[7]。各种生命体产生的红外辐射与周围环境产生的红外辐射有明显区别，红外生命探测仪就是利用这点以成像的方式把生命体与周围环境区别开。

红外生命探测仪配备热红外探头，通过探头采集生物体的身体热辐射能量，然后利用光学系统将采集到的能量聚焦在红外传感器上，红外信号转变成电信号后进行数据分析，信号再经电路放大、滤波、判别等处理，最后处理结果经过图像合成，再经显视器输出红外热像图，进而判断是否生命体。红外生命探测系统示意图见图2[8]。

图2 红外生命探测系统示意图

3.3 电磁波生命探测仪

介电泳（dielectrophoresis，DEP），也称双向电泳，是指微粒由于在非均匀电场中被介电极化而受力产生的定向移动，其本质是由于介电粒子本身被外加电场诱导出电偶极，该电偶极与外加电场交互作用下而产生的现象[9]。介电力大小与物体是否带电无关，与物体的大小、电学性质、周围介质的电学性质以及外加电场的场强、场强变化率、频率有关。

人类心脏振动会产生电子信号，这些信号产生30 Hz以下超低频非一致性电场，从人体360度扩展。由于通常的障碍物会反射或吸收高频率，对超低频电磁能量很容易传达且比高频能量耗损少，因此，人体心脏发出的超低频电场可以穿透钢筋混凝土墙、钢板、木板、水等介质。当把电介质放置于该非一致电场时，就会出现极化现象。所得到的介电泳力与电场强度变化方向相同，即颗粒将在正介电泳力的作用下向着场强密集的区域运动，出现正介电泳现象；当所得到的介电泳力与电场强度变化方向相反，即将受到负的介电泳力，颗粒将向着场强稀疏的区域运动，出现负介电泳现象[10]。于是，在正负介电泳力的作用下，介电质被极化。电磁波（DKL）生命探测器正是借由生命体所发出超低频电场并通过介电泳力的作用产生极化感应出生命体的位置，即当DKL生命探测仪穿过生命体电场时，电场对生命探测仪中的特殊电介质材料进行极化，正负极电子改变分离和聚合作用造成天线反斥，生命探测器会指向人类非一致性的人类电场，探测到人体所在的位置。为了实现目标定位，DKL生命探测器设有激光电路，提供可见指针，指示生命探测器方向。当侦测到生命体心脏所发出超低频电波产生之电场后，将侦测信号进行放大、滤波并利用锁相环等电路使侦测杆自动锁定此电场，生命体移动时，侦杆也会跟着移动，以实现目标锁定。

各种动物诸如狗、猫、爬行动物等心脏振动频率不同，电场也不一样。DKL生命探测器可配备极化电波过滤器以区别各种不同的电场[11]。

介电泳在DKL生命探测器中的应用推动了介电泳应用技术的发展。20世纪80年代，美海军为确定苏联核潜艇的所在方位，将介电泳和人体心脏的生理学相结合发明了 DKL生命探测器；20世纪90年代，美军在伊拉克战争中把 DKL改装用于陆军装备仪器，以探测2 km以外伊军的埋伏地点[12]。随着科技的发展，DKL生命探测器日趋成熟，已广泛应用军事、救援、航天等领域。DKL生命探测系统示意图见图3。

图3 DKL生命探测系统示意图

3.4 光学探测仪

光学探测仪也被称为“蛇眼”，就像人体进行医学检查时所使用的内窥镜，可以把包装物内部的情况“看”清楚。光学探测仪的主体呈管状，非常柔韧，能在瓦砾堆中自由扭动，仪器前面有细小的探头，可深入极微小的缝隙探测，类似摄像仪器，可将信息传送回来[13]。光学生命探测系统示意图见图4。

图4 光学生命探测系统示意图

3.5 二氧化碳探测仪

空气中二氧化碳的含量一般为 0.03%，若是某个空间的二氧化碳超标，说明其中有生命体在呼吸。

二氧化碳探测仪操作非常简单，将探测器吸管尖端从缝隙中伸进去，便可以即时检测空间内二氧化碳的含量。红外线在经过由不同原子构成的含偶极矩分子气体时会发生吸收现象，这种吸收特性对于某种气体而言是特定的，被称为“物质指纹”，其吸收关系满足朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律[14]。 CO2气体对红外线的吸收图谱显示，对波长为 4.0～4.5μm范围内的红外线吸收作用明显，吸收峰出现在4.26μm处。因此，使用波长为 4.26 μm的红外线做传感器光源能够准确地检测狭小空间内的CO2体积分数。二氧化碳生命探测系统示意图见图5。

图5 二氧化碳生命探测系统示意图

3.6 雷达生命探测仪

生物医学工程技术与雷达技术相融合形成了雷达生命探测技术，主要利用电磁波的反射原理制成，由雷达天线定向集中地连续发射电磁波；该电磁波能穿透障碍物，与生命体接触后，反射电磁波的波形产生变化，波形变化程度受生命体的身体移动、呼吸运动和心脏跳动的影响；波形畸变的反射电磁波被接收器接收，再经过滤波、解调、积分、放大等信号处理，排除周围环境对探测系统的干扰，可得到与被测生命特征相关的参数；最后根据显示器上显示的特有频段波形就可判断被探测区域是否有生命体[15]。对一定空间进行扫描，接收器不断接收反射信号并对返回信号进行算法处理。如果被探测者保持静止，则返回信号相同；如果目标移动，则信号有差异。通过对不同时间段接受的信号进行比较，就可以判断目标是否在动。雷达生命探测仪是由发送超宽频信号的发送器、探测接收返回信号的接收器和用于读入接收器信号并进行算法处理的电脑组成[16]。雷达生命探测系统示意图见图6。

图6 雷达生命探测系统示意图

雷达探测技术除了探测生命，还可以监测生命特征。1996年亚特兰大奥运会，用雷达监视系统监测步枪射击选手呼吸和心跳对射击准确性的影响。有科学家针对牲畜的心跳呼吸在雷达回波信号中所产生多普勒效应的信号特征，建立了生命信息监测的信号模型，用于动物疫病诊断[17]。

4 生命探测仪在口岸动物搜检中的应用

（1）音频生命探测仪通过探测行李中活动物微弱的诸如呼吸、呻吟、爬动等产生的音频声波和振动波来判断生命是否存在，能准确区别出生命体[18]。由于口岸现场环境比较复杂，其他振动干扰比较强烈，为了提高音频生命探测仪的定位准确性和精度，往往需要让探测器探头贴近行李、包裹中，因此探测速度较慢。

（2）红外生命探测仪将不同温度物体发出的红外线转变成可视图像，不受光线的影响，技术日趋成熟，仪器成本价格低廉，拥有较高的性价。随着计算机与图像处理技术的不断发展，红外生命探测技术也将不断完善，拥有广阔的应用前景。但红外生命探测设备不能穿透玻璃障碍物，受温度影响严重，并且每种物体产生的红外辐射具有自身的特点，需要研究清楚各种动物红外辐射的中心波长、皮肤的红外辐射范围等参数，针对不同动物设置不同波段的探测仪，才能帮助检疫人员快速、准确地确定行李中有无活动物[19]。针对动物搜检的红外探测仪还有待研究。

（3）电磁波生命探测仪在动物搜检中应用潜力较大，但需要开展大量的基础研究，确定各种动物心跳所发出超低频电波产生的电场。针对动物搜检的电磁波探测仪有待研究。

（4）光学生命探测仪需要将探头伸入行李箱进行探测，在使用中受光线影响较大，光纤探头价格昂贵且碰到硬物易损坏，不能无接触检测，应用受限。

（5）二氧化碳生命探测仪需要对接近于密闭空间内的空气抽取并进行分析，检测其中二氧化碳含量，与开放环境下的空气进行对比，以探测是否有生命体。传感器需要伸入行李箱中才能保障准确性，难以做到无接触检查，应用受限。

（6）雷达生命探测仪特别是超宽谱雷达生命探测仪，其探测距离超过30 m并可穿透厚度达2 m以上，穿透能力强、作用距离精确，同时具有抗外界干扰能力强，能精确测量位置，并可对多个目标进行探查等特点[20]。但其无法穿透金属和水等液体介质。