近紅外光譜在爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)中的應(yīng)用

李大成，王安靜，李揚(yáng)裕，崔方曉，吳 軍，曹志成，王云云，2，喬延利

1.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026

引 言

近些年，國(guó)內(nèi)外針對(duì)爆炸恐怖事件的預(yù)防手段主要是對(duì)成品爆炸物的篩查和爆炸物粉末生產(chǎn)運(yùn)輸環(huán)節(jié)的搗毀與查處，已有的檢測(cè)技術(shù)手段包括排爆犬搜查法和取樣式的色譜法、質(zhì)譜法及離子遷移法[1-4]。訓(xùn)練犬類(lèi)動(dòng)物并利用其靈敏的嗅覺(jué)系統(tǒng)對(duì)爆炸物粉末進(jìn)行甄別與追蹤，具備很高的排查能力，但排爆犬識(shí)別種類(lèi)單一、訓(xùn)練成本較高的缺點(diǎn)造成其應(yīng)用規(guī)模較小。色譜法、質(zhì)譜法及離子遷移法雖然識(shí)別率及靈敏度非常高，但在線取樣的檢測(cè)方式限定了適用場(chǎng)景范圍。針對(duì)大場(chǎng)景、開(kāi)放空間下制爆運(yùn)爆人員及車(chē)輛的非接觸、遠(yuǎn)距離和隱蔽式新型偵測(cè)需求，嘗試新技術(shù)手段的探索與研究十分有必要。

光學(xué)紅外技術(shù)是遙感領(lǐng)域中的一種主流手段，通過(guò)獲取遠(yuǎn)距離目標(biāo)的紅外圖像或光譜等特征信息并加以識(shí)別。近紅外光譜技術(shù)近些年來(lái)發(fā)展迅猛，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)鑒定(水果蔬菜類(lèi)[5-6]、茶葉類(lèi)[7-8]等)以及藥品鑒定[9-10]，取得了不錯(cuò)的成效。近紅外光譜范圍為780～2 526 nm，研究表明，分子單一化學(xué)鍵的基頻振動(dòng)的倍頻和合頻頻率范圍位于近紅外波段，記錄的主要信息來(lái)自于含氫基團(tuán)X—H(X=C，N，O)的倍頻和合頻重疊[11]。爆炸物粉末在近紅外波段也有特征信息存在，出于實(shí)際應(yīng)用考慮，采用近紅外反射光譜(紅外光源照射目標(biāo)，近紅外光譜儀獲取目標(biāo)反射光譜信息)對(duì)爆炸物粉末進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，近紅外反射光譜技術(shù)是一種非接觸式、無(wú)損耗、隱蔽性高的檢測(cè)手段，可實(shí)現(xiàn)一定距離的遙測(cè)感知，適用于制爆、運(yùn)爆及攜爆過(guò)程中的人員或車(chē)輛爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)問(wèn)題。

將近紅外光譜應(yīng)用于爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)在國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)自研近紅外成像光譜儀的基礎(chǔ)上開(kāi)展爆炸物粉末表面沾染近紅外光譜遙測(cè)研究。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了一套爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量了多種爆炸物粉末單質(zhì)及混合物的近紅外反射特征光譜，針對(duì)表面沾染基底與爆炸物粉末特征混疊問(wèn)題，建立了近紅外解混校正模型，針對(duì)遙測(cè)中光照及噪聲干擾問(wèn)題，采取有效抑制措施，消除了誤識(shí)別，取得了一定的效果。

1 原理及方法

近紅外光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)的實(shí)質(zhì)是利用爆炸物粉末在近紅外波段中由含氫基團(tuán)引起的特征吸收及反射原理。實(shí)際操作中，將紅外光源和探測(cè)器放置在待測(cè)沾染目標(biāo)同一側(cè)，并與目標(biāo)保持一定距離，探測(cè)器收集目標(biāo)反射能量(圖1)，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)白板測(cè)量參考轉(zhuǎn)換為目標(biāo)反射率光譜，利用近紅外光譜處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別分類(lèi)。

圖1 爆炸物粉末表面沾染近紅外反射光譜遙測(cè)Fig.1 Explosive powder surface contamination remote detection by NIR reflection

圖1中，光源發(fā)射光線到達(dá)沾染目標(biāo)，一部分直接照射爆炸物粉末顆粒(圖中紅色顆粒)，另一部分直射或者散射到達(dá)沾染基底(圖中灰色顆粒)，光線在這兩個(gè)傳輸過(guò)程中被吸收及反射進(jìn)而被探測(cè)器接收。因此，探測(cè)器接收的是爆炸物粉末和沾染基底反射能量之和，也即是，實(shí)際探測(cè)的反射光譜混疊了爆炸物粉末和沾染基底的特征(圖2)。

圖2中，NQ-TARGET為NQ化纖布料表面沾染反射率光譜，該譜混疊了NQ(NQ-PURE，特征峰1 430～1 625 nm)和基底(CLOTH BASE，特征峰1 635～1 680 nm)的特征，出現(xiàn)兩個(gè)特征峰。實(shí)際的目標(biāo)識(shí)別處理中應(yīng)去除沾染基底特征混疊的的影響。

同時(shí)，目標(biāo)遠(yuǎn)距離探測(cè)時(shí)，探測(cè)區(qū)域內(nèi)非目標(biāo)物體一方面遮擋目標(biāo)，造成陰影問(wèn)題；另一方面存在反光強(qiáng)烈現(xiàn)象，造成眩光問(wèn)題。陰影和眩光都會(huì)導(dǎo)致誤識(shí)別，需采取有效數(shù)據(jù)處理加以抑制與消除。

因此，基于近紅外反射光譜技術(shù)的爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 基于近紅外反射光譜技術(shù)的爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)流程Fig.3 Diagram of explosive powder surface contamination remote detection based on NIR reflectance spectroscopy

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器

實(shí)驗(yàn)用一個(gè)紅外光源照射待測(cè)目標(biāo)，目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)獲取設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)自研近紅外成像光譜儀，其原理為：使用LCTF(液晶可調(diào)諧濾光片)設(shè)備調(diào)整測(cè)量波段頻率，在其后放置近紅外短波相機(jī)采集當(dāng)前波段下的目標(biāo)面陣圖像，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)近紅外光譜成像數(shù)據(jù)立方體的獲取。同時(shí)，輔助一塊標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)白板作為反射率計(jì)算參考。近紅外成像光譜儀的像元數(shù)為640×512，波段范圍為1 000～1 750 nm，采集波長(zhǎng)間隔為5 nm，測(cè)量前已完成像元均勻性校正。

2.2 材料

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備5種制式爆炸物粉末單質(zhì)，分別為AP，CL-20，NQ，RDX和TATB；兩種民用混合爆炸物粉末，分別為工業(yè)炸藥硝娣(主要成分為RDX)和煙花爆竹；為模擬表面沾染，準(zhǔn)備兩種代表性材質(zhì)(棉麻和化纖)布料作為沾染基底。

2.3 樣本光譜采集

實(shí)驗(yàn)近距離采集并計(jì)算不同爆炸物粉末純樣品、不同布料基底的光譜反射率光譜數(shù)據(jù)作為近紅外光譜處理的訓(xùn)練樣本集，圖4為各樣本的典型反射率光譜。

圖4中，除個(gè)別樣本的反射率光譜具有較明顯的特征外(如AP有兩個(gè)較為尖銳的特征峰，分別為1 205～1 335和1 490～1 625 nm；RDX和硝娣有一個(gè)明顯的特征峰，1 635～1 690 nm)，其他樣本光譜特征均表現(xiàn)為緩變的大包絡(luò)，并且部分樣本特征存在特征重疊(如化纖布和RDX、硝娣的特征峰重疊)。樣本在近紅外波段呈現(xiàn)特征不明顯、特征交疊嚴(yán)重的現(xiàn)象也符合近紅外光譜的規(guī)律[12]，需利用近紅外光譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行定性或定量分析。

圖4 樣本反射率光譜Fig.4 Reflectance spectra of samples

2.4 目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)立方體采集

實(shí)驗(yàn)稱(chēng)取一定重量(幾毫克)的各爆炸物粉末樣品，并均勻涂抹在布料基底上指定大小區(qū)域(十平方厘米左右)以模擬實(shí)際目標(biāo)沾染。在距離目標(biāo)10 m的位置使用紅外光源照射，并利用近紅外成像光譜儀獲取并計(jì)算其反射率光譜立方體數(shù)據(jù)，作為待識(shí)別分類(lèi)的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)實(shí)際光譜采集情況，考慮儀器噪聲等因素，選擇光譜預(yù)處理方法為：5點(diǎn)移動(dòng)平滑濾波+SNV(標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量)，移動(dòng)平滑濾波可有效消除測(cè)量隨機(jī)白噪聲，SNV處理用來(lái)消除近紅外光譜受固體顆粒表面粗糙度、顆粒大小以及光程變化的影響[13]。

3.2 解混校正模型建立

選擇PLSR(偏最小二乘回歸)方法建立爆炸物粉末表面沾染近紅外解混校正模型，將2種沾染基底當(dāng)作目標(biāo)與爆炸物粉末同時(shí)加入到模型訓(xùn)練中，實(shí)現(xiàn)爆炸物粉末與沾染基底光譜特征的解混。選取5種爆炸物粉末單質(zhì)、1種爆炸物粉末混合物(煙花爆竹)和2種布料基底反射光譜各20條(經(jīng)過(guò)人工篩選，剔除信噪比差的光譜)進(jìn)行光譜預(yù)處理，處理后的光譜手動(dòng)打標(biāo)簽并整理成訓(xùn)練樣本庫(kù)，對(duì)樣本庫(kù)進(jìn)行PLSR計(jì)算，采用交叉驗(yàn)證法完成模型參數(shù)迭代。從訓(xùn)練完畢的模型Factor得分圖情況(圖5)來(lái)看各爆炸物粉末及布料基底均能夠較好地被分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了特征解混。

圖5 模型Factor得分圖Fig.5 Factor scores of model

從各樣本的預(yù)測(cè)均方根誤差RMSE(表1)來(lái)看，較小的RMSE說(shuō)明校正模型具備不錯(cuò)的預(yù)測(cè)能力。

表1 各樣本預(yù)測(cè)均方根誤差Table 1 Samples prediction RMSE

3.3 目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)立方體校正及分類(lèi)識(shí)別

利用解混校正模型的校正矩陣A完成沾染目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)立方體校正。對(duì)沾染目標(biāo)數(shù)據(jù)立方體中各像素的反射率光譜做光譜預(yù)處理，得到待校正數(shù)據(jù)立方體T,用A對(duì)T進(jìn)行校正，得到各樣本的校正結(jié)果：二維得分圖S。

Si,m,n=Ai,jTj,m,n

(3)

其中，i為樣本序號(hào)，范圍為1～8；j為波長(zhǎng)序號(hào)，范圍為1～150；m為像素寬度，范圍為1～640；n為像素高度，范圍為1～512。

各樣本根據(jù)得分圖自適應(yīng)設(shè)置判別閾TDi,若當(dāng)前像素點(diǎn)樣本得分Si,m,n≥TDi,則認(rèn)為當(dāng)前像素點(diǎn)(m,n)識(shí)別為當(dāng)前樣本所指的爆炸物粉末或布料基底(圖6，以CL-20校正得分圖及識(shí)別為例，截取樣本有效區(qū)域像素寬高70×60)。

圖6 CL-20校正得分圖及閾值判別識(shí)別結(jié)果(a)：CL-20校正得分圖；(b)：閾值判別識(shí)別結(jié)果,疊加于紅外圖像上Fig.6 Correction score image and recognition result of CL-20(a)：Correction score of CL-20;(b)：Recognition result after threshold discrimination overlayed on Infrared image

3.4 眩光及陰影去除

爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)實(shí)際應(yīng)用中，由非目標(biāo)背景物體造成的眩光和陰影會(huì)引起所測(cè)像素點(diǎn)處反射率光譜異常(反射率值很大或者很小)，進(jìn)一步進(jìn)行校正處理會(huì)造成誤識(shí)別。判斷各像素點(diǎn)處原始反射率光譜的平均值大小，如果值明顯大于1，則認(rèn)為發(fā)生眩光現(xiàn)象；如果值很小甚至接近于0，則認(rèn)為被遮擋形成陰影。凡是被認(rèn)為異常的點(diǎn)都需要從樣本得分圖中摳除，從而避免誤識(shí)別(圖7)。

圖7 眩光與陰影去除(a)：原始圖像中的眩光與陰影；(b)：去除眩光和陰影的樣本得分圖Fig.7 Removing glares and shadows(a)：Glares and shadows in the original image;(b)：Scores image after glares and shadows removed

3.5 預(yù)處理過(guò)度校正

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在測(cè)量噪聲較大的情況下，出現(xiàn)個(gè)別背景物體誤判別為目標(biāo)爆炸物粉末的情況(如RDX誤報(bào))。分析RDX誤判的原因，將RDX與噪聲反射率譜、RDX與噪聲預(yù)處理光譜分組進(jìn)行比較與分析(圖8)。

圖8(a)中，RDX的光譜反射率平均值在0.7以上，而噪聲光譜反射率平均值在0.5以下，二者的差別較大；圖8(b)中，RDX和噪聲預(yù)處理光譜不僅整體輪廓上很相似，甚至在特征峰1 635～1 690 nm位置相似度也相當(dāng)高，出現(xiàn)了預(yù)處理過(guò)度現(xiàn)象，造成誤識(shí)別。

圖8 RDX與噪聲光譜對(duì)比(a)：反射率光譜比較；(b)：預(yù)處理光譜比較Fig.8 Comparison of spectra between RDX and the noise(a)：Reflectivity spectra；(b)：Pretreated spectra

為了消除預(yù)處理過(guò)度帶來(lái)的誤識(shí)別，進(jìn)一步改進(jìn)判別算法，將光譜反射率信息加入分類(lèi)判據(jù)中，在得分閾值判別時(shí)增加反射率閾值判別，完成預(yù)處理過(guò)度校正，通過(guò)雙重判別解決誤判問(wèn)題。

建立了爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)近紅外光譜解混校正模型，去除遙測(cè)眩光及陰影問(wèn)題影響，對(duì)預(yù)處理過(guò)度引起的背景干擾噪聲進(jìn)行補(bǔ)償，有效去除誤識(shí)別。為驗(yàn)證系統(tǒng)可行性，實(shí)驗(yàn)制備了同一基底下多種爆炸物粉末同時(shí)沾染的目標(biāo)樣本，利用提出的方法完成各爆炸物粉末沾染的遙測(cè)與數(shù)據(jù)處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，從各樣本校正識(shí)別得分圖上看，沾染的各爆炸物粉末均可以被有效判別出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了多種爆炸物粉末的遠(yuǎn)距離探測(cè)同時(shí)報(bào)警，取得了初步成果。

圖9 多種爆炸物粉末表面沾染同時(shí)分類(lèi)效果(a)：AP；(b)：CL-20；(c)：NQ；(d)：RDX；(e)：TATB；(f)：煙花爆竹Fig.9 Classification result of multi-explosive powder surface contamination(a)：AP；(b)：CL-20；(c)：NQ；(d)：RDX；(e)：TATB；(f)：Fireworkers and firecrackers

4 結(jié) 論

以人員衣物爆炸物粉末表面沾染近紅外光譜為研究對(duì)象，研究近紅外光譜技術(shù)在爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)上的適用性，通過(guò)建立近紅外反射光譜解混校正模型解決爆炸物粉末與沾染基底特征重疊問(wèn)題、遙測(cè)應(yīng)用中噪聲干擾問(wèn)題的解決以及爆炸物粉末表面沾染遙測(cè)成像系統(tǒng)的建立，驗(yàn)證了本方法的可行性，實(shí)現(xiàn)了爆炸物粉末表面沾染遠(yuǎn)距離探測(cè)，系統(tǒng)具備一定實(shí)用性，可為打擊爆炸犯罪活動(dòng)提供一種新的手段。