安全檢測技術的現狀與未來展望

陳偉珂 張 崑

天津理工大學

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

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

X 射線探測技術

單能X 射線檢測法

單能X 射線檢測法是X 射線探測技術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X 射線的強度是I，通過一個較薄的厚度為l 的均質層后（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，σ 是每個原子的橫截面積。假設初始強度是I0，經過積分之后得到：

根據不同物質對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，經過圖像處理后鑒別出違禁物品。

雙能量穿透技術

雙能量穿透技術根據的原理是同一原子序數物質對低能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 射線所對應的不同灰度圖像的比較，從兩種不同物質組成的、不同厚度產生的或相互重疊的圖像中將不同種類的物體區分開。根據物質質量衰減理論，不同原子序數物質的質量衰減不同，高原子序數物質的質量衰減系數（μ/ρ）隨能量增加下降較慢，而低原子序數物質的質量衰減系數（μ/ρ）隨能量增加下降較快。

為了強調非連續性散射的橫截面積σis 與Zeff 的比例關系，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。可以用數學關系式表示為：

根據物質對高能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，雙能量穿透技術對于高原子序數以及低能X 射線具有很強的識別能力，但對更輕的物質識別能力較差。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

多視角系統通常使用單能量或雙能量穿透技術，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雜，構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。

多視角X 射線檢查應該作為今后X 射線檢測技術重點研究的方向，盡管在實驗過程中難以在各種環境影響之下獲取數據的準確性，不過已經有相關研究利用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，簡化了算法的復雜程度，縮短了三維圖像構成的時間。

計算機斷層掃描技術（CT）技術

計算機斷層掃描是利用計算機技術與X 射線檢查技術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，利用數學處理方法重組圖像，最后形成CT 圖。CT 安全檢測技術的過程為：

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，是近年來發展起來的新興的安全檢測技術，最初運用于醫療行業。CI 機器能夠高精度的探測物體的密度、有效原子序數、質量等，還能夠更準確的估計物體的Zeff。這種系統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

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、新材料的誕生與發展，特別是超快技術的發展，使得獲得寬帶穩定的脈沖THz 源成為一種準常規技術，THz 技術得以迅速發展，并在實際范圍內掀起一股THz研究熱潮。

THz 成像技術是利用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據信息，進而成像。THz成像技術具有THz 時域光譜技術的特點，如圖2，目前安全檢測技術較多地采用THz 光譜技術，甚至被專家學者預測為安全檢測的終極手段。它的本質原理是THz 成像，目前主要采用連續波THz 源，而且它又能解決的是最受人關注的反恐、緝毒等最讓人關注的社會安全問題。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，因此很容易發現藏在包裹、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 實驗發現，當光與物質相互作用時，在透明介質的散射光譜中，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量較高。而且激光拉曼光譜具有微區分析功能，各種危險品混雜在一起，也可以通過顯微鏡分析技術識別出來。以上這些優點使其在爆炸物及其他違禁品檢測方面具有較大的應用前景。

安全檢測技術的現狀與未來展望

隨著科學技術的發展與創新，一些其他的安全檢測技術也逐漸被開發并投入使用，例如：質譜分析技術、中子探測技術、毫米波技術、激光誘導擊穿技術、背散射技術等等。這些高新技術的出現，對于機場、車站、海關等部門對于防爆物在行李檢查、貨物檢查以及人體檢查領域的精確化、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展，未來的安全探測技術將會利用多種技術的優勢互補進行技術融合，實現遠程探測、先期探測，及早發現問題并解決問題。