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浅谈成像技术在安全检查中的应用

2020-10-02 02:25

伴随社会经济的快速发展,公共安全问题也愈发被重视,接受安全检查已为公众日常的一部分。近年来,在火车站、地铁站等重要交通枢纽及运动场、政府机关等重要场所,安全检查设施设备已成为“标配”。安全检查是有效防范产生公共安全威胁行为及因素的重要手段,如随身夹带匕首等管制器具和携带易燃易爆等危险物品。本文将结合当前主流的X射线成像技术、毫米波成像技术,浅谈成像技术在安全检查中的应用。

1、X射线成像技术

X射线,又称为伦琴射线,是一种波长范围在0.01纳米到10纳米之间的电磁辐射形式。X射线具有穿透物质的能力,且对不同物质具有不同的穿透能力,可用于分辨人体是否携带违禁物品,或用于辨别行李内部的不同物体。根据成像方式,X射线成像技术包括:便携式X射线检查技术、普通X射线线扫描成像、能量分辨型线扫描成像、双能量线扫描爆炸物自动探测技术、多视角双能量自动探测技术、康普顿背散射探测技术、X射线相干散射探测技术、计算机图像重建(CT)探测技术等。X射线成像技术目前是行包检测的主流安检方式。以下分别介绍三种典型的X射线成像技术和装置。

1.1 X射线背散射成像技术

X射线背散射成像是一种先进的X射线成像技术。传统X射线安全检查设备通过穿透被检物的X射线强度变化来进行成像检测,而X射线背散射成像则通过被检物反射的射线强度来进行检测,在被检物不可移动的场合具有重要的应用价值。透射式X射线安全检查设备要求被检物需置于射线源和探测器之间,才能完成对被检物的扫描检测,但很多情况下,被检物因不可移动仅有一面可供检查,例如靠墙的柜子、墙面等,而背散射成像技术则可以针对上述特殊情况下的被检物进行扫描检测。另外,该技术还可用于对人体表面进行全身扫描,以检测隐藏的武器、工具、液体、麻醉品、货币或其他违禁品。

X射线背散射成像利用X射线飞点发生器产生的X射线束,沿出射扇面绕射线源心连续旋转扫描被检物,完成飞点扫描探测,之后,与射线源同侧的背散射探测器接收散射光子并由光电管转变为电信号放大输出,计算处理后成像显示。[1]该技术利用不同原子序数的物质对X射线的散射不同来分辨人体是否携带了违禁物品。X射线背散射产生的图像易于理解,且使用该技术不需要同时从两侧扫描物体,使得X射线背散射成像装置在面对复杂的几何形状时更容易操作。

美国航空和宇航局利用X射线背散射成像技术对飞机进行扫描检测,用于应对飞机中复杂的形状、外形和尺寸的变化以及特殊的操作环境。如图1所示,X射线背散射技术对于探测不同类型和尺寸的飞机内部的物体非常有效。[2]

图1 机体的X射线背散射图像

(顶部三张插图:左侧为远景图,中间和右侧为模拟的潜在威胁)

1.2 双视角X射线成像技术

双视角X射线成像基于X射线透射成像技术,从两个不同角度进行扫描成像,采用了两组独立的X射线源和探测器,图2所示为双视角X射线安检机,可提供水平、垂直两个视角的图像并分别显示,可有效避免由于物体重叠带来的读图困难,从而能更加准确有效的识别危险品和违禁品。

图2 双视角X射线安检设备

相比单视角的X射线机而言,双视角设备采用了两组独立的射线源结构,可提供两个不同视角的图像并分屏同时显示,有效解决了部分违禁品如刀片、枪支、火种、雷管等侧面垂直于光源时,成像难以正确识别造成重复检查或漏检的问题,大幅提高效率和准确度。[3]

1.3 X射线CT成像技术

X射线计算机断层成像(X-Ray Computed Tomography,X-CT)是利用X射线束对被检物一定厚度的层面进行扫描,由探测器接收透过该层面的X射线,转变为可见光后,由光信号转变为电信号,再经A/D转为数字输入计算机进行处理成像。该技术主要通过单一轴面的X射线旋转照射人体,由于不同的组织对X射线的吸收能力不同,可以用电脑的三维技术重建出断层吸收系数分布图像,将断层影像层层堆叠,即可形成被检物体视图像。

CT扫描(或称计算机断层扫描)利用计算机从不同角度拍摄的许多X射线测量数据的成像过程,生成被扫描物体特定区域的横断面图像(虚拟"切片"),无需切割就能清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况。

无论是单视角还是双视角X射线机都只能得到二维的物体成像,而新型CT型的安全检查设备将是一个更加优化的替代方案,拥有可旋转的射线源和接收装置,计算机根据接收到的数据进行矩阵排列处理构建受检物品的三维图像,也可以像“切片”一样剖析物体内部结构或成分数值,使检查员对受检物品的判别更加准确清晰。图3为一款CT型安检设备。

图3 CT型行包安检设备

2、毫米波成像技术

极高频(EHF)是国际电信联盟(ITU)对电磁波谱中30至300千兆赫(GHz)无线电频率段的称呼,介于超高频段和远红外频段之间。这个波段的无线电波波长从1毫米到10毫米不等,所以也叫毫米波段,这个波段的辐射称为毫米波。

毫米波是电磁波,对人体无害、穿透力强,其发射功率不及手机电磁波辐射的千分之一,能准确识别人体携带物品,有效提高检查的客观性、准确性、针对性。

虽然用于安检的X射线辐射计量对人体几乎没有伤害,但仍引发国内外公众对于其安全性的广泛质疑,尤其是经常需要过检的商务旅客和民航工作人员,所以基于毫米波成像技术而研制的全身人体成像设备逐渐成为人体安检的主流应用。

2.1 主动式毫米波成像技术

主动毫米波成像通过发射毫米波信号照射被探测目标,通过接收目标散射或透射的毫米波信号进行成像,反映的是目标的毫米波散射或透射特性。

主动毫米波成像技术属于有源雷达探测领域,具体指通过发射机向目标发射毫米波射频信号,通过接收机使用相干或非相干接收的方法对目标反射电磁场或传输电磁场回波信号进行采样,获得的回波信号再进过相应处理,即可反演出含有目标位置信息和电磁特性的图像。对于主动毫米波成像技术而言,通常是检测目标的反射电磁场回波信号,用来对目标的反射能力进行表征。[4]

图4是一款主动式圆柱形毫米波人体安检仪的外观。

图4 主动式圆柱形毫米波人体安检仪

2.2 被动式毫米波成像技术

被动毫米波成像通过探测目标自身辐射的毫米波信号进行成像,反映的是目标的毫米波辐射特性。

被动毫米波成像技术属于无源探测领域,具体是指检测目标自身辐射出的电磁能量而不使用额外的电磁能量照射目标。经过对检测到的辐射噪声进行相应处理,可以对目标的辐射亮温分布进行恢复重现。用于检测目标自身辐射能量的接收机系统称之为辐射计。一个无源毫米波图像包含目标在相关频域内辐射能力和对背景噪声反射能力的信息。

被动辐射计成像技术的优点在于不需要额外消耗能量,而且成像速度快,甚至可以实时成像。其缺点在于受环境影响较大,分辨率低,但可以通过如图5所示的方式改进。[5]

图5 配准和融合过程

图6是展室的是使用被动式毫米波成像技术对人体携带的金属物体的检测效果。

图6 金属物体探测图像

总结

为应对恐怖主义威胁,降低公共场所的安全隐患,对出入公共场所的人员及其携带物品进行安全检查是必不可少的环节。随着新型探测成像技术的不断发展,近年来涌现出越来越多新型的安检手段,成像技术在安检设备中具有巨大的发展潜力,将对保障公共安全发挥更大的作用。

参考文献

[1]王勇.X射线背散射成像技术在安检中的应用[J].中国安防,2012(Z1):118-121.

[2]Dinca D. C. , Schubert J. . Rapid inspection of general aviation aircraft for security threats and contraband[C]. 2014 International Carnahan Conference on Security Technology (ICCST). Rome. 2014:1-5.

[3]李松.民航安检的变革和未来发展[J].科技风,2020(22):191-192.

[4]程航. 主动式毫米波安检快速成像算法研究[D].北京理工大学,2017.

[5]Lee H. , Lee D. S. , Yeom S., Son J. Y., Guschin V. P., Kim S. H. . Passive millimeter wave imaging and analysis for concealed object detection[C]. The 3rd International Conference on Data Mining and Intelligent Information Technology Applications. Macao. 2011:98-101.

作者:木易 姜淼

责编:蔡北平

声明:本文来自中国保密协会科学技术分会,版权归作者所有。


知识来源: https://www.secrss.com/articles/26021

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