[摘 要] 综述了爆炸物探与识别所用微量炸药探和块体炸药探测两大类技术, 讨论了每类技术所采用的探测方法及工作原。绍了目前国外的探测设备, 根据每种探测技术和探测设备在使用中存在的不足, 其后能的发展趋势作

[关键词] 爆炸物 探测与识别 探测设备

1 前言

近年来, 恐怖爆炸事件频频发生在世界各地, 各种形的炸药和爆炸装被用于怖犯罪活动, 造成了大量的人员伤亡和财产损失。为了把恐怖活动制在未遂状态, 人们把目更多地投注在依靠物、化学等科学技术手段对爆物的探与识别上。外对这一领域进行了大量深入的研究, 在我国, 由于起步较晚, 与国外相比还大差距。因此, 有针对性地研究国外爆炸物探与识别术, 于加快我在这一领域的

2 爆炸物探测与识别的技

爆炸物探测与识别术有多种, 根据有关资料纳统计[1] , 该技术

图1 爆炸物探测的主要技

2. 1 微量炸

微量药探测是指对微量(肉眼很难看) 的爆品残物进行取样和分析的技术。爆炸品在处理过程总会留下气体或固颗粒形式的残留物, 通过搜集些残物并使相关的探测技术对其进行分析, 从而判断是否存在爆炸物。常见的微量炸药探测技术有子迁谱等电化学技术和激

2. 2 块体炸

块体炸测是指探可见数量的炸药。通常包括X 、C 射线成术和基于核的技术。X 、C 线都是高能电磁波, 当它们遇到物质时, 会发生三种情况: 透射、被吸收、散或反向散射。根据这三种现获得的息, 可以探测出物质的度、原子序数等特征量。炸药的特就是密度、原子序数低。当前X 射线成技术包括: 单能X 射线术、双能X 射线技术、CT 技术、反向散射技术荧光视技术。炸药探测的核技术主要包括核四极矩共振技术和子技术。与像术相, 基于的技术探测性能更好。

以及相关的探测

3 微量炸药探

3. 1 离子迁移光谱技术( IMS)

IMS 是最普通的微量炸药探测技术, 其作原理是: 离化, 炸药的蒸气分子或固体颗粒与电子作用而变成负离子, 负离子在迁移区发生移, 大致如图2 所示。其漂移的速取决于子的质、电荷和尺寸。在有效控制迁移区电场强度的情况下, 测量出离子的迁移率(指单位电场强度下离子的漂移度) 。根子的迁移率可以识出

图2 样品离化与迁移

不同的可能因为离子尺寸和质量相似而表现出相同迁移率。为了决这个问, 国外发明了一种叫做GC ?IMS 的组合系统。分子在进IMS 之__前, 先经气相层析仪(GC) 进行预先分馏。GC 是中空管道, 管里涂有特殊的化学物质, 这些化物质有选择地与某些物质的分子发生作用, 此来影响该分子在GC 中的漂移速度, 分穿过GC 用时间称

子表现出相同的迁移也会由于滞留时间不同而被

3. 2 化合光技术(CL )

大多数药含有硝基(- NO 2 ) 或硝酸酯基(- ONO 2) , 在化合光系统, 炸药分首先被加热分解产生NO 。NO 与臭氧(O3) 在真空腔反应产生激发态的NO 23 分子,NO 23 衰变非激发的NO 2 时, 将辐射一具有特定频率的红外光子( IR)。过光电倍器探测该红外光, 光电倍增器输出信号与真空腔中NO 含成正比, 据此可以判断被检物中是否存在炸。由于NO 子不仅存在于炸药中, 化肥、香水等物质的热分解也产生NO , 所以使CL 技术不能够认炸药种类, 通常与

3. 3 表面声波技术(SAW )

SAW 测系统的主要组成部分是一个具有特定共振率的压电晶体。当分子沉在晶体表面时, 晶体共振频率的变化与分子沉积的质量成正比, 此频率的变化还依赖于分的属性、表面温度及晶体本身的化学性质。同述两种法一样, SAW 系统也需要与GC 联用来别炸药种类。根据分子在GC 中不同的滞时间, GC ?SAW 系统可以有效地区不同的子。另, 该统还能够区分挥

3. 4 热氧化还

热氧化还原技术是基于炸分子的分以及随后的NO 2 还原理。样品被导入系统并穿过浓缩管时, 浓缩管管道上涂有一层特殊的化学物质, 用来有选择地吸附爆物。然后样品

分解并释放出可以探测的NO 2 分子。

3. 5 化学

当化学试剂添加样品上时, 样品会变色。向样品里加入一系列的

图3 EXPRAY 野外探

图3目前Mistral 安全公司生的一种手式Expray 野外检测工具箱, 它包括三种喷雾和一张特殊的试纸。用于检测A 组炸药( TNT 、DNT 和苦

3. 6 质谱分技术(MS ) 与二

质谱法论依据: 具有不同质荷比(即质量与所带电荷比) 的离子在场中所受作用力不同, 因而运动方向也不同, 导致彼此分离。经过分别捕获收, 可以确定离子的种和相含量, 最后求得样品定性和定量分析结果[3]。的质谱还与GC 用以提高准确率。MS 作为一种有效实验室技术, 目前已经运用于野外, 该系统具良好的识别能力。二次质谱技术的基本原理与之相, 只是用层质仪。离通过第一层质谱仪

子被分离开来, 被分离的离子中原子核(如氦He ) 发碰撞, 结果是大分子变成小离子, 小离子的质量则可以通过第二层质谱仪测定。这种技术可以精确定炸药, 误

3. 7 电子俘

与前几种方法一样, 电子俘获技术也需与GC 联。它工作原理是: 首先使用放射源将气体混合物电离自由电子, 自由电子流向阳极时产一恒定电流。从GC 分馏来的分与这些电子混合以后, 炸药分子因捕获电子带上负电, 结果只有少数电子流向阳极, 使得恒定流减。测通过分析这种变化

3. 8 紫外荧

荧光一种光致发光现象, 物在吸收外以后, 可发出与紫外光波长相同或长波长的荧光。研究发现[1,4] , 在一条件下, 荧光强度与被测物质的浓度成正比。因此, 通过测量荧光的强度以测定许多痕量无

3. 9 激光拉曼光

激光拉光谱法是基于运用激光作光源的拉曼散射建立起来的分方法。曼散射是一种分子光谱, 当物质分子受到光辐射照射时, 由于分子的振动或转动能的跃迁使照射光被收并重新散射出来, 散光的长可长于短于照射光的波长。拉曼散射的波长与物质的结构有关, 可作定性分析的据; 拉曼散射的强度可作定量分析的依[3]。该法用来检、确定物质

于探液体炸药。美国AHURA 公司研了一便携式拉曼光谱探测仪“首席卫士”(First Defender XL) , 如4。研究表[5] , “首席卫士”能鉴别2500 种液体和固体物质, 适于探测别各体。 图4 “

4 块体炸药探

4. 1 X 射线成

4. 1. 1 单能X 射线

该技使用单一能量的X 射, X 射在穿过物质时被吸收, 强度被衰, 衰减强度与每种物质的衰减系数以及该物的密度、厚度有关。所以最终成像反映的是被测物体对X 射线的吸收程度, 适于探测炸弹

4. 1. 2 双能X 射线

采用高、低两种能的X 射线对被检物进行扫时, 由于高Z 物质在种能量水平下的成像都呈现暗色, 而低Z

线照射下的成像呈现暗颜。计算机通过分析比较能、低能X 射线获得的两

4. 1. 3 电脑断层技术(CT )

该技是由医学上的CT 成像技术发展而的。X 射穿过体后被探测, 得到在某个方向上的图像。然后不断旋转X 射线源和探器重新得到一列的二维图像(基本是旋1°进行个成像) , 将得到的二维交叉片段成像, 输入计算机处理后组合成三维图像。由于CT 采用是交片成, 因此可以有效

4. 1. 4 X 射线反向散射

X 射向散射成像技术是最近几年发展较快的一门新探测技术。当X 射线与被物质相互作用时会发生散射, X 射线的反向散射量是不同物质的征量, 据此可以区低Z 质和高Z 物质[4]。X 射线反向散射成像系既提供准的X 射成像, 又提供反向散射X 射线成。标准的X 射线成像可以鉴定高Z 物质(如属) 。反向散射X 射线成像能准确探测有机质(低Z) 塑炸药。过比较这两种图

4. 1. 5 其它成

立体层X 射线成像技术。这是种基于X 射逐行扫描的三维成像技术。与CT 技术比, 其优越性在于: CT 成像缺少数据并需许多段图像来进行图像重构。而该技术只需要通过一对透射 图像间的几何关系就能现三像数据。介电泳

技术用低能微波照射物体, 测量物的电介质损失数, 物体的介电性能与其物理、化学性质有。该系统将测得电介质与已知的电介质(如人体电质) 相比从而辨别出异常区域。低能X 射线反散射成像技术。该技术利用低能X 射线反向散射检查和找出藏在人体上的

4. 2 C 射线成

C 线成像技术的基本原理与X 射线相, 于C 射线的穿透力更强, 照射在被检上时生成的图像质量更好。目前国外研制了一名“车辆集装箱检查系统”(VACIS ) 的C 射线探测系统, 据称, 该系可以到集装箱中的汽

4. 3 核四极矩共振(NQR )

NQR 是一种新兴的爆炸物探测技术。原子核总是于周围带电粒所形成的磁场中, 如果电场梯度不为零, 原子核的四极体(相应于子核体积中具有对称轴的旋椭球体部分) 与场相互作用而呈现一定的四极矩, 电四极的存在, 使得原子核具有相应的量, 表现为一系列分立的能级。如果从外施加一射频场, 原子核就会发生能级跃迁, 即发原核四极矩振。产生共振

$E = hv 0

式中$E ——原子核能级的能

h ——普朗克

v 0 ——共振吸收的

由于原子围的场由其周围的带电粒子所决定的, 故不仅不同原子核电四极矩共振频率不同, 即使同一原子核处在不同的分子中时, 也会因分子内部结构的不同而使得电四极矩共振频率不同。可见, 一旦检测到电四极矩共振信, 则不可以判定是哪种原子核, 且可以判定是哪种分子, 核四极矩共技术的这一性使其应用到炸探测中成为可能[6]。由表1 可见, 炸药富氮。氮原子核呈椭球形, 电四极矩不为零, 作为炸药一种征成分对其进行探测。美国的量子磁公司运用核四极矩共振技术研出了NQR 500 中探测系统(5) ,现在主要用机

图7 PELAN 中子探

表1 几种常见炸药中N 的

4. 4 中子技术 20 世纪70 代末, 国外就开始了中子技术测爆炸物方面的研究。目前已经探索出的术方案主要有热中子法、快中子法、脉冲快中子法、脉冲快中子与热中结

4. 4. 1 热中子法(TNA )

炸药富含氮, 由放射源产的热中子撞击氮的原子核, 发生热

n+ 14N-15N ·-15N +10.8 MeV γ

反应产生不稳定的15N ·, 15N ·衰变成15N 时辐射出一种能量为10.8MeV 的C 射线。这个10.8MeV 的C 射就表征了被检物14N 的存在。在定强度热中子射下, C射线的强度与物品中氮的含量成正比[3]。C 射线能谱仪通过探测这种C 射线的强度和能量可以推被中氮的含量, 从而

4. 4. 2 快中子法(FNA )

与TNA 技术相, 不同的是FNA 使高能快速中子, 高能快中子与被测物的N 、C 和O 三种元都

n+ 14N 14N + n’+5.11 MeVγ

n+ 12C 12C+ n’+4.43 MeVγ

n+ 16O 16O+ n’+6.13 MeVγ

通过测量这三种元的征C 射线, 从而确物品中C 、N 和O 三元素的含量, 所以FNA 比TNA 技

4. 4. 3 脉冲快速中子法(PFNA )

PFNA 是FNA 技术的发展, 它采用准直脉冲中子源对检物进行扫描, 充分利用慢C 射线的时间差来降低本底。脉冲快中子与C 、O 、H 、N 四种子核都能相互作用, 放出特C 射线。如果脉冲时达到ns 级且中子源单色性好, 通引入飞行时间术, 可以确定出这四种元素在被检物中空间分布[1,6] , 如图6 所示。这方法有较高的空间分辨本领和较强的识别能力, 但是需解决高速直脉冲子源等题, 目前正处于

4. 4. 4

该技术同时结合PFNA 和TNA 两种技术优点。由氘氚脉冲中子管生的Ls 级脉冲快中子与热中子同时照射

C 、O 发生非弹性散射, 从而确定出物品中C 和O 的含; 然, 中子被慢化, 热中子与N 、H 继续发生俘获反应, 这样就得到物品中N 和H 的含量[8,9] 。根据物品中C 、N 、O 和H 四种元素的含量比就可以识别爆炸物, 因为常见炸药的元素含量比具有唯性(表2) 。基于该方法,SAIC 公司生了种为PELAN 的中子

表2 几种常见炸药的元素

元素相对含量比

[C ]/[O ] [H ]/[N ] [C ]/[N ] [O ]/[N ] [C ]/[H ]

梯恩

太安 0.313 0.144 0.536 3.426 7.432 硝酸铵 - 0.144 - 1.713 -

硝化油 0.250 0.120 0.514 3.426 7.135 特屈儿 0.657 0.072 1.200 1.827 16.648 5 各测技术存在的问

5. 1 各探测技术在实施时存

微量炸药测技简, 要以收集蒸气或残留的固体颗粒为前提, 对于那些不易挥发或封严密的炸药就不适用了。如质分析技术, 检微粒的分子量, 因而探测的灵敏度及可靠性均较高, 但这仅限于那些容易沾染的物质, 对于挥发性差的RDX 、PETN 等炸药就不可靠。相比之下, 体炸药探测术对采样的依赖性小, 并且不受背的影响, 但该技术也缺陷。X 射线成像是目最常见的探测术, 它是根据被测体的密度大小来判断的。虽然有的仪器还附加上原子序数等信息以一步提高准确率, 但密度和原子序数不能唯一地表征炸药。实际使用时, 对无物品的频繁误报是它的一个主要缺点。子技术主要是根据炸药含氮丰富的特点来判炸药的存在, 于其感的氮的含量, 而氮所处的化学环境无关, 使

5. 2 探测技术和探测设备的

从探测技术上看, 其发趋势方是由单一探测技术向复合探测术方向发展; 另一方面是探索研究高新的核物理技术, 由对单元素的分析转向对多元素的分析。相探测设备改

将几种不同的探测术揉在一个系统里, 克服一技术探测的不足; 其要研制小型便携、无须接触、灵敏度高的新型

爆炸物探测与识别技术在国已经深的研究, 许多探测设备已经面, 但仍有缺陷。由于每种技术设备均特定的使用环境和针对性, 因此要准确无误地探测与识别爆炸物是

1 Lisa Thiesan , David Hannum , Dale W. Murray , John E.Parmeter . Survey of Commercially Available

ExplosivesDetection Technologies and Equipment

2004.2005,208861

2 Andy Buffler 3 . Contraband detection with fast neutrons[J ]. Radiation Physics and Chemistry ,2004, (71) :853 ～861 3 缪征明. 仪器析[M ]. 北京: 机械工

4 Sameer Singh 3 , Maneesha Singh. Explosives

detectionsystems (EDS ) for aviation security [J ]. S. Singh , M.Singh ?Signal Processing.2003,83:31 ～ 55

5 Andrew Girson , InHand Electronics. First Defender 2Ahura’s Answer for Homeland Security [J ].

InformationQuarterly ,2005,4 (4) :63 、64

6 金大志, 谈效, 戴怡, 等. 中子检

7 Dr. Charles L Rhykerd . Guide for the Selection of Corn 2mercial Explosives Detection Systems for Law Enforce 2ment Applications . U , S: National Institute of Justice ,NIJGuide 100-99

8 Claudio Bruschini. Commercial Systems for the Direct De2tection of Explosives ( for Explosive Ordnance

DisposalTasks ) [J ]. SwitZerland : EPFL & VUB. Final Report2001 9 心, 徐

激光可远程识别爆炸物

前沿动态5 第

,如著名的马头星云该星云位 而硅米线阵列适合探测

,1 500 和近红外光且有序排列的纳米 离地球约 年的猎户 科学家破解星

线阵列结构可以强烈地抑制光 ) 。座这些发现或许能指导 传

,科学家分析以其他波段为中心 的反射

。。的星际弥散带 能力 ,1 近 个世纪以来天文学家

研究者将还原氧化石墨烯 望弄

和硅纳米线阵列两者的优势结 新型异质光 探测。 的光线到达地球后会

—硅 ,合制作了还原氧化石墨烯”( “DIBs) 器 这些星际弥散

。 纳米 线 阵 列 异 质 光 探 测 器辐射穿过的范围要比单一波长 ,异质结光探测器在室温下 ,“”吸收线更加模糊而且存在明 ,日前中科

次实了从可见光到赫兹波 团和清华大学孙家团队合 ,显区别后者由太空中的光拦截 。, 的超宽带光测他们还发现。天文学家 ,作在实现超宽带光探测方面取 原子子所致氧化石墨烯的原程度对探测 ,得了重要进展制作了还原氧化 在可

,性能有显影响随着氧化石墨 400 。个星弥散带 —墨烯硅纳米线阵列异质结

,还原程度的提高探器的响 ,,令人困惑的是无论是什么 光探测器实现了一个探测器就 5 。倍以上在所 可以完可见光到太赫兹波 应率可以提高 ,在吸收光都让

,有长中探测器对波红外的 ,。,现在天 的超带光探测达到了以往多 另一些方向更加强烈。 响应率最高个探器同时工作才能达到的 。 文学 家 可 能 已 经 解 开 了 谜 团,实验证实该探测对人体 。《探测带宽相关成果发布在微 862 nm 过

,红辐射具有灵敏的应可用 》。尺度上 ,外波长中心的星际弥散带研 。 于夜 视 等 领 域 人 体 红 外 传 感,据介绍宽带光探测广泛 究小组分析了来 距 离 地 球 ,—因此还原氧化石墨烯纳米 9 800 50 光年范围内的近 万颗 、、 感

线阵列异质光探测器在超宽 、、。 测天文探光谱分析等域,恒星发射的光束同时在

,带探测面特别是宽带红 ,在红外成像领要实现真正意 ,明亮的号进分析研究人 。 ,探测方面具有良好应用前景义上的多色红外成像探测器必 员还结了来自临近恒星的光 。3D 通过数据绘制成 图 须能同时探测同波段的红外 束、、中波外 激光可远程 识别爆,,谱研究小组 发现该 星际弥 ,辐射如短波外,、甚长波 红外甚 至是太 炸物 波外

。研 ,赫兹 辐 射具 有 相 当 的 挑 战 的星际尘埃浓度配。 究人员近日将相关成果

《》。,科杂志研究人员认为在 化学剥石墨制备的化 激光能识别数百米

,,, 这特定弥散带中星际尘埃并 化学粉例如爆炸物肥料石墨烯的还原产物被称

。,研究者这一发现发表于近日 ,, 不能接吸收光线反罪魁 氧化石墨烯具有天

而且这个天的能隙可通过氧 祸首可能是其中由漂浮的复 《》。 的美国国家科学院

( 杂有机分和附近的尘埃云例 。并未参与新研究的瑞日内瓦 化石 墨 烯 的 还 原 程 度

864 中国光学 7 第 卷 ,束临界值的强度射入时

。强度会成倍增强这一现被

,称作随机激光研究者报告称他 变性质 们利用该技术鉴别多

,制造爆炸装置的化学物质例 ,最

。酸铵和硝酸钠在实验 —香槟校一个研究小组 本那,态下激光束能够通过一系列镜 开发出一新奇的可调节纳米 Jerome Kasparian 大学物理学家 400 m 子近

,天线利用电子描显微操控 : “说这是之前从未有过的新 。,些粉末研究算如果他们 , 的等离子场增强产

。”法 能够在不依靠镜子的情况下 ,改纳米天线间隙使之

,现探测那探测的直线距离将 研究者开发一种名为

1 000 m。延长到 。 ,等离 子 光 机 统 铺 平 道 路曼光谱学的探测技术

Kasparian : “、说实验结果令 扭曲或摆的 《— 论文发表在最近的自然使分

,人印象深刻清晰地展示了探测 》。讯上 ,态之后光子会被重新

。”几百米的物体是可行的未 等离子纳米线具有纳米 ,散射只不过其摈带的能

参与新研究橡树岭国家实验 。 照射进来时带的能量低些,纹理的表面能在深亚波

Ali Passian ,室物理学家 认 这种能量上的差别由子性 ,约束和增强电正在显出越来 ,技术的一项主要难点在于要求 。负责该研的机 ,质决定因此散射光子具备一 越多的优势,探测物质必是粉末状的不过 。但是曼 械科学与工程副教授基曼无的物质特征这也使其具备潜在的军事和 : “? 图森特说纳米纹表面,学

,全用价例如探测爆炸物 ,就像 一种预序入射光与表,的信号非微这意味很难 。Passian : “路边炸弹说在经历 。 ,面相 互作用后光的性就会发探测 到 哪 怕 数 十 米 外 的 物 体2001 ‘9 ?11 ’了 年的恐怖袭击 。,我们的方法是用已制因此大多数究者并不认为该 生改 变,事件后安全部门直要求我们 , 的纳米阵列结在电子。美

。”开发类的技术 Vladis- ,描显 微镜下对阵进行调整实德州农工大学物

,Passian 提醒在实验室获 : “lav Yakovlev 说所有传统法 现对 等离 子 光 学 性 质 进 一 重 得成功并不意味着一定能用 。 因此人们能在制好之后50 米左右的捕 最多只能在 组,、实践中灰尘风 力以及不断 ,而不 是之前决定所需的纳米。”,

升高的气都会降低或扭曲激 Yakovlev 领导

。,据物理家组织网近日报 光束此外目前不清楚究 。的样本转变为激光束

需要多少粉或何种浓度才能 ,道研究人员开的纳米天线 普通光束能够依靠镜子

( ,-p-BNA) 实现探任务如果危险粉与 为柱领结纳米天线阵 ,线并反射光束一样合适的粉末 土壤混合在一起将为探测作 250 nm,用 ,列模板每根径 也能够依靠活跃粒子捕捉光 。,“”带来极大的难度 金制作领结

,线之后将

THz技术用于人体隐藏爆炸物识别的探索

THz技术用于人

王迎新，陈志强，赵自然，张 (清

100084) 京

张岩

(首都师范大学物理系，北京100037) 摘要:论文提出利

X线背散射成像的补手段，于检测人体 隐藏爆炸物，以克服现有兹谱分析技术作 X射线背散射图像，并检系统易产生误报的弊端。实验采集了衣物中

用两种技术可以现对量四种典型爆炸物的太赫兹光谱。结果表明，在人体检中联合 关键字:赫兹谱分析，背散射，爆炸物检测隐藏爆炸物

近年来，由于主的威胁，世界各国对体安全检查的研究给予了广注，快速 有效地探测到人体衣物下藏的爆物是一项切而富有挑战性的任务。目前于机场人体 安检的设备主要包括金属探测器、X射线检测仪及毫米波成像系统。金属探测只能检测金 属，比如刀具、枪支等，对低密度物质构成爆炸物则无能为力:X线检测又分为透视和 散射两方法，透视检查中X射线的致电离对人有一定的伤害，背散射技术虽然剂 量较低，且可以发现异物的存在，但无法鉴别异物是否为爆炸物;毫米波像由于受波长 的限制图像分辨率较低，并且不鉴别物质，通用于

物的检测还需要

太赫时域谱分析(THz-TDS)[21是通过量脉冲TI-Iz辐射穿过物体或从物体表面反射 的信号，获材料相关物理化学信息的种新技术。由于物质内部偶极子的振动和动迁， 很多有机分在THz频段内具有特征吸收和色散，使得由THz-TDS

具有“指”特性，因而利用THz辐射可进物质成分鉴。此外，THz辐射对于很

极性物质，如塑料、纸箱、衣物等常见包材料有很强穿透力，而且它没有X

电离性质，不会对材料和人体造成伤害，所以THz技术在安

对比几传的人体安检方法，X射线背散射成像的量特性和有效发现异物的能 得它适于检测爆炸物，是由于其无法进行物质种类鉴别，可能将其它与爆炸物性质相 近的有物误认为是危险品，因而容易发生误报的象。如果在背散射检查的基础上辅具 有物质识别能力的检测手，可以达到识别隐藏爆炸物的目的。于这一思想，本探索 了利用太赫兹谱分析术联合X射线背散射成像检测人体藏爆炸物一

X线背散射成像是用X射线物质相互作用的康普顿散射效应，测量物体不同位 某特定散射角所对应的光子数，然后求出被测物体中的电子密度分布，

据处理出测体度分布图像131。康普散射强度跟被测物质的原子序电子密度有关，同时电子密度基本上与物体物理密成比例，因最终获得的背散射图像反映了物 体的有效原子序数和密度分布信息，据此可以判定有无可疑物存在。同X射线透射成像 方式相比，背射技术的显著优点是可单侧布置，即射线源和探测位于被检物体同侧， 射线无需穿透物，这样降低了待检物体接的辐射量，因而适合于人体安检。然而， 爆物类的禁品不能单凭外型而简单判定，探测装置必须具有识物质种类或成分的能 力，散射成像虽然能区分有效原子序数和密度，对于种类繁多的有机物，仅通过上述两 个物量仍无对爆炸物进行准鉴别，这就需要一个能

397

物质THz光谱分子的构象供了唯一的标识息(指纹谱)，因而通过它可以识别 物质分子。我们可以利用THz(TDS技术量物质的THz吸收光谱，它的基本理:首先 测量与样发生作用前后的THz脉冲电场，然后运用适当数处

制的

THz电场所携带的品在THz波段内的吸收和色散信息，从而获得待测物质的THz吸收

信号，记E，(西，穿过样品后的定义为样品

脉 冲的各率分量可以看作平面电磁波，且垂入射到厚度匀的样品上，则根据菲涅耳

样品可求得样品的折射和呼

咖)=警+国1d (1)偶z野冲一? 藤殇

缓彩礴

(2)(甜(国):

d【p(国)(，z(力J )+1)2

其中c真中光速，国为角率，d为样品厚度， E(f) p(国)、?(国)别为样与参考信号的度比和相位 差，即样品传输函数H(ca)的幅度和相位。日(缈)的计 算公式为H(oJ)=FT【巨(f)】,FT暇?)】，FT回表傅 图l THz(，rDS测量样品THz 立叶变换。公(1)、(2)在样品足够厚(大于lmm) 光谱的过程示意图。 以及弱收情况的

是足的。这里定待测物的吸收系数曲线a(co)为它的THz吸收光。将实际测量结果 已知的爆炸物的光谱进行对比，即可实现识

通过上的析出，如果用太赫兹分析的办法识别物质，只测量物体上一个 扫描点的THz谱即，不需直成像，因而检测速度。于，本文以太赫兹谱分析作 为X射线背散射成像的互补技术，期望继续利用背散射像技术用于人体安检已相对成熟 这一优点，克服其于不具有鉴别物质能而导致误报的弊端，探一种速、有效地识别 人体隐藏爆炸的方法。具体的思路是:先用X射线背散射成装置做初次扫描探测， 若发现散射图像上存在可疑物质域，则接着对该区域对应的人体部位利用太赫谱分析方 法进行

2(实验结果

2(1 X射

选X射线源准直、放探测器、逐点移动被照物体的成像方式，通过背散射实验平 采集图像。为了接近真人体检测环境，选用有机玻璃水箱作为人体模拟

仔裤兜贴

首先牛仔裤兜中有钥匙、壹硬币和壹角铝币时进行成像，结果见图2。为便于 观察对图像做了插值放大，实际成像分辨率2mm，即每隔2mm扫描一个点。可出钥 匙、壹圆硬以及牛仔裤上的铜铆钉能够清晰分辨(图中分

铝硬币(用C标示，虚线轮内的区

同时给了牛仔裤兜中有爆炸物PETN的模拟物的实验结果，图3所示。模拟物 是指真实爆炸物具有相同的有效原子序数和密度的物品。实验品的参数为直径30mm， 厚7mm，有效原子序数7(42，密度1(459,cm3。际成像分辨率为3mm。图中可看到模拟 物(用E标示)所在的区域对比度较低，但也说明人体衣下

以的实验结果说明，X射线背散成像能够反映出被测物体的原子序数和密度分布信 息，具有检测特异形状金属(、枪支等)的能力及初步判定存在可疑物质的能

(b) 图2牛仔裤中装

(a)和背散射图像(b)( 匙、壹圆硬币壹角铝硬币时的真

A:钥匙;B。壹圆硬币;Cz壹角

’(a)

图3 牛仔裤兜中装有PETN的拟物时真实图像(a)和背

(b)( D:铆钉;Et PETN的模拟物。

2(2爆炸物样

图4是透射式太赫兹时谱分

、L延迟 置图。飞秒激光脉冲中心波

lOOts，重复频率82MHz，

分为泵浦光束和探测光束。泵浦

晶体 上激发出脉冲THz电磁

焦于 样品表面，焦点尺

后经过再次聚焦的THz射共

晶体， 通过电光采样技p1

度。调节延迟装置，探测

刻对THz脉 冲进行取样量，

时域波形。

验当中我们选择了RDX、HMX、TNT、合成图4 THz-TDS实验装置图，BS为分束镜， B四种典型爆炸物进行测量，品为片状，厚度在 M为平面镜，蹦为抛物面镜，S为阻

首先我们可以通过THz信号的频谱来定分析样品

号 与样品号(n汀)的频谱如图5所示，难看出在THz频段内样品对THz

的吸收，并且随着频率增大吸收增强。此，根据频可以确定信号的有效频

间。图中 时画出了大致的噪声水平，表明参信号的能量

内，其余频 399

率分量认为是噪声。样

频谱有效宽度缩小，RDX、HMX、TNT、

B的有效区间分别取为0(2,2(0THz、合成0(2,--,

2(2THz、0(2,2(2THz、0(2,1(5THz。从图

中还 可看到参考谱上尖锐

应频率处也有类似的

中的 水蒸气对THz波的吸收所致。

测量了信号EO)和E(r)，就可以利用公 式(1)、(2)求得四种爆炸物的THz吸收

结果见图6。为了降低由水蒸气吸收造成声放 大带的光谱振荡现象，我们

实验数据了适图5 参考信号与n盯样品信的频谱。 6滤波处理。从图中看出，各

THz光谱具有显著的差，并

B三种样品还存在特吸收

0(82、

1(05、1(37THz处

HMX 在

1(80THz处有强烈吸收

和 I(05THz处有吸收。不同

主要取决于分子结构分子

比

如RDX在0(8THz左右

相

互作用产生的，可能跟基的

氢键的作用有关，而其特征

模式有关;HMX在1(8THz附近的吸收源于

子间的振动。另外，

以及吸收峰位不难发

征在后 6四种爆炸物样品的THz吸收光。 B者的谱中得到了再现。实事上，

RDX和TNT混合而成，由于RDX本身谱特征明，因而在其混合物中也

上述现象明，THz光谱为物质分子的结构供了唯一的

状是有别的，而THz光谱能够作为识物质种类或成分的依据，同太赫兹谱分析技 术也具有鉴别混合物能力。以说，通THz光谱识别爆炸物，即将炸物与正常物质， 甚至不同种类的爆炸物之间进行区分是完全可行的。需要说明的是，验采用的是透射式测 量，此时样品不能太厚，否则THz射(全部或者特定频带的)在其中会产生较强衰 而无法透过，图6中合成B的光谱0(8THz左右的吸收峰不明显，就是因为样品对频 率附近的THz辐的过饱和吸收所致。为了避免这种情况实际应用中可以采取反射式测 量16]，类似背散射成像的况，发射源和探测

通以上的实验结果，我们能够出如下结论:X射线背散射成像具备发现可疑物质区 的能力，进一步对该区用THz(TDS方法进行再次探测而确定是否

爆炸物也可能的，因而联合利用太赫兹分析技术和X射线背散射成像检测人

炸物的目的是

3(总结与展望

在人安检领域，x射线背散射像是一项相对熟的技术，但是由于其无法准确鉴别 物质而存在应用的局限性。太赫兹谱分析的方弥补了这一不足，可以作为一种辅助手 于隐藏爆炸物的测。值得说明的是，THz技术的实用化还处于步发

400

用于人体安的实用系统出现[rl，但THz光分析的速度有待进一步提高，并且已有

主要通过逐点扫的方式来探，无法进行实地成像，所以我们提出了联合X射线背 散射成像和太赫兹谱分析技术的思路。然而，背散射成像中使用的X射线剂量虽然， 对人体还是有定伤害的，因此，直接将THz技术用于人体安将为

参考文献:

electronic millimetre wave all 1(Salmon A a1(An A，et N，Beale J，Beard imaging system(passive 。。 Proe(SPIE，2005，5789:11( M R H and Nuss M 2(Mittleman D，Jacobsen C(T-Ray Imaging(IEEE J(Sel(Top(Quant(，1996， 2(3):679(

3(邵康，迟权德，刘

1((Proc(SPIE，2005，5790:28 detectionterahertz in C C(Recent A and Baker screening M，Glauser developments people using 7(Kemp the world terahertz technology-seeing eyes(Proe(SPIE，2006，6212:62120T(through 。 论文作者简介:

王迎新，24岁，博士研究生，主要从事辐射息处理及太

the ofTHz in TechnologyUsing Exploring Recognition

Concealedoncealea o0nn eersonnel Exolosives

Zi-ran,ZHANG Li WANGZhi-qiang,ZHAO Y'mg-xin,CHEN 1 of (Department ，Tsinghua University,Beijing00084) Engeering PhysicsYahZHANG 1 Normal of Physics，Capital 00037)(Department University,Bei(jing method of Abstract:This terahertz as a X。ray using complementary back-paper spectroscopy presents and the concealed for the on overcoming scattering imaging deleting explosives personnel disadvantage alarms(In the false of that the often security inspection systems produce experiments，X-ray back—existing the simulated in is of clothing acquired，and terahertz of four kinds of explosives scattering image spectra the two Can are measured(The results indicate that combining techniques representative explosives the hidden in securityidentiQ effectively personal explosives

inspection(

DetectionKeywords:Terahertz Spectroscopy,Back-scattering，Explosives

401

国外爆炸物探测与识别技术综述(爆破器材)

爆破器材

ＥｘｐＩｏｓｉｖｅ

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ

第３６卷第３期

国外爆炸物探

黄魁

林远斌

关腾芳

刘

定

解放军理工大学工程兵工程学（江

［摘］综述了国外爆物探测与识采用的微量炸药测和块体炸药探测两大类技术，讨论了每类技术所采用的探测方法及其作原理。介绍了目前国外的探设备，根据每种探测技和探测设备在使用存的不足，对其今后可能发展趋势作了进一步探讨．［关键词］爆炸物探测与识探测设

引言

近来，恐怖爆炸事件频发生在世界地，各国外对这一领域进行了大量深入的研究，在我国，由于起步晚，与国外相比还有很大差距。爆炸物探测与识别技术有很多种，根据有关资图１爆物

微量炸药探是指对微量（肉眼很难看见）的块体炸药测是指探测可见数量的炸

万方数据

包括Ｘ、７射线成像

Ｘ、７射线都是高能电波，当它们到物质时，会发生种情况：透射、被吸收、散射或反向散射。根据这三种现象获得的信，可以探测出物质的密度、子序数等特征量。炸药特征就是密度高、原数低。当前Ｘ射线成技术包括：单能Ｘ射线技术、双能Ｘ射线技术、ＣＴ技术、反向

炸探测的核技术要包括四极矩共振技术和中子技术。与成像技术相比，于核的技术探测性能好。下面介绍各种探测技术的原理以及相关

３微量炸药探测技术

３．１离子迁移

ＩＭＳ是普通的微量炸探测技术，其作原理是：在离化区，炸药的蒸气分子或固体粒与电子作用而变成负离子，负离子在迁移区发生漂移，大致如图２所示。其漂移的速取决于离子的质量、电荷和寸。在有效控制迁移区强度的情况下，测量出离的迁移率（指单位电场强度下离子的漂移速度）。根据离子的迁率可识

样

图２样品离

不同的物质可能因离子尺和质量相似而表现出相同的迁移率。为了解决个问题，国外发明种叫做ＧＣ／ＩＭＳ的组合系统。分子在

１形式的炸药和爆炸置被用于恐犯罪活动，造成了大量的人员伤亡和财产损失。为了把恐怖活遏制在未遂状态，人们把更多地投注在依靠物理、化学等科学技术手段对爆物

此，有针对地研究国外爆炸物探测与识别技术，于加快我国这一领域的发展有着重要的现

２爆炸物探测

料归纳统计Ⅱ］，该技术主要分为两大类：微炸药探测

２．１微量炸药探测

炸品留物进行取样和分析的术。爆炸品在理过程中总会留下气体或固体颗粒形式的残留物，通过搜集这些残留物并使用相的探测技术对其进行分析，从而判是存在爆炸物。常的微量炸药探测技术有离子迁移光谱等电化技术

２．２块体炸药探测

２００７年６月国外爆炸探测

前，经过气相层析仪（ＧＣ）进行先分馏。ＧＣ是一空的管道，管道里涂有特殊的化学物质，这些化学物质有选择地与某物质的分子发生作用，以此影响该分子在ＧＣ中漂移速度，分子穿过ＧＣ所用的时间称为滞留时［１．２］。这样，即使分子表现出相同的迁移率也会于滞

３．２化合

大多炸都含有硝基（一ＮＯ：）或硝酸（一ＯＮＯ。），在合系统中，炸药分子首被加热分解产生ＮＯ。ＮＯ与臭氧（Ｏ。）在真空腔反应生激发态的ＮＯ。。分子，ＮＯ。。衰变成非激发的ＮＯ。时，将射一种具有特定频率的外子（ＩＲ）。通过光电倍增探测该红外光子，光电倍增器的输出信号与真空腔中ＮＯ含量成正比，据此以

由于ＮＯ分子不仅在于炸中，化肥、香水等物质的热分解也产生ＮＯ，以单独使用ＣＬ技术

３．３表面声

ＳＡＷ探测系统的主要组部分是一个有特定共振频率的压电晶体。当分子沉积在晶体表面时，晶体共振率的变化与分子沉积的质量比，此频率的变化还依赖于分子的属性、表面温度以晶

同述两种方法一样，ＳＡＷ系统也要与ＧＣ联用来识别炸药种类。根据分子在ＧＣ中不同的滞留时，ＧＣ／ＳＡｗ系统可以有区分不同的分子。另外，该系统还能够区分挥发性质

３．４热

热氧还原技术是基于炸药分的热分解以及后的ＮＯ。还原原理。样品被导入系统并穿过浓缩管时，浓缩管管道上涂有一特殊的化学物质，用来有选择地吸炸物蒸气。然后样被快速地加热分解并释放出可以探测的ＮＯ：分

当化学试剂添到样品上时，样品会变色。向样品里加入一列的化学试剂，每一次样品颜色的变化，以确定

图３是目前Ｍｉｓｔｒａｌ安全公司生的一种手持式Ｅｘｐｒａｙ野外检测工具箱，它包括三种喷雾剂一张特殊的试纸。可用于检Ａ组炸药（ＴＮＴ、ＤＮＴ和苦味酸等）、Ｂ组炸药（塑炸

万方数据

图３

ＥＸＰＲＡＹ

ＰＥＴＮ、ＮＧ和无烟粉等）和含Ｎ化合物。３．６质谱析技术（ＭＳ）与二次

质谱的论依据是：具不同质荷比（质量与所带电荷之比）的离子在磁场中所受的作力不同，因而运动方向也不同，导致彼此分离。经过别捕获收集，可以确定离子的种和相对含量，最后求得样的定性和定量分析结果［３］。有的质谱仪还与ＧＣ联以提高准确率。ＭＳ作为一种有效的实验室技术，目前已经运用野外，该

二次谱技术的基本原与之相似，是使用两层质谱仪。离子通过第一层质谱仪后，具有不同质荷比的离子被分离开来，被分出的离子与中性原子核（如Ｈｅ）发生碰撞，结果大分子变成小离子，离子的质量则可以通第二层质谱仪测定。这种技术可以精确测定多种炸药，误率比

与前几种方法一样，电俘获技术也需与ＧＣ联用。它的工原理是：首先使用放源将气体混合物电离成自由电子，自由电子在流向阳时产生一恒定电流。从ＧＣ分出来的分子与这些电子混以后，炸药分子因捕获子上负电，结果只有少数子流向阳极，使得恒定电流减弱。探测器通过分析这种变化来断炸药

荧光一种光致发光现象，物在吸收紫外光以，可发出与紫外光波长相同或较长波长的荧光。研究发现［１＇４］，在一定条下，荧光强度与被测物质的浓度成正。因此，通过测量光的强度可以定量测定许多痕量无机和有机组

激光曼光谱法是基于运用光作光源的拉散射而建立起来的分析方法。拉曼散射是一种分子光谱，当物质分子受到辐射照射时，由于分子的振动或转级的跃迁使照射光被吸收并重新散射出来，散射光的波长可于短

拉曼散射的波长与物的结

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Ｍａｔｅｒｉａｌｓ

第３６卷第３期

分析的依据；拉散射的强度可作定量分析的依据［３］。该法可用来检测、物质的名称和含量，也可用于探测

美国ＡＨＵＲＡ公司研制了一种便携式曼光谱探

Ｄｅｆｅｎｄｅｒ

ＸＬ），如图４。

研究表明［５｜，“首席卫士”能鉴别２５００种液体和体物质，适于探测鉴别各

图４“首席

４块体炸药探测技术

４．１

ｘ射线成像技术

４．１．１单

该技术使用单一能量Ｘ射

物时被吸收，强度被衰，衰减强度每种物质的衰减系数以及该物质的密度、厚度有关。所以最终成反映的是被测物体对Ｘ射线收程度，它只适于探测炸弹等高密度物质。４．１．２

采用、低两种能量Ｘ射线对被检进行扫描时，由于Ｚ物质在两种能量水平下的成像都呈现暗色，而低Ｚ物质则在低能Ｘ射线照射下的成像呈现较暗颜色。计算机通过分析较高能、低能Ｘ射获的两幅独立图像，最鉴别出被检物中的有机物（低Ｚ）和无机物（高Ｚ）。４．１．３

该技是由医学上的ＣＴ成像技术发展来的。Ｘ射线穿过体后被探测，得到在菜个方向上的图像。然后不断地旋转ｘ射线源和探器重新得到一系列的二维图像（基本上是旋转１。进行个成像），将得到的维叉片段成像，输入计算处理后组合成三维图像。由于ＣＴ采用的是交叉片段成像，因此以

４．１．４

Ｘ射线反向

Ｘ线反向散射成像技是最近几发展较快的一门新型探测技术。当Ｘ射线与被检物质相互作时会发生散射，Ｘ射线的反散射量是不同物质的特征量，据此可以区分低Ｚ物质

万方数据

Ｘ射反向散射成像系统既提标准的Ｘ射线成，又提供反向散射Ｘ射线成像。标准的Ｘ射线成像可以鉴定高Ｚ物质（如金属）。反向散射Ｘ射线成像能准确探测有机（低Ｚ）如塑性药。通过比较这两种图像就能鉴别出物质的成

立体层ｘ射线成像技术。是一种基于Ｘ线逐行扫描的三维成像技术。与ＣＴ技术相比，其优越性在于：ＣＴ成缺少数据并且需要许多片段图像来图像重构。而该技术只需要通过一对透射图像问的几何关就能

介泳成像技术。该成像术使用低能波照射物体，测量物体的电介质和损失系数，物体的介电性能与物理、化学性质有关。该系统得的电介质与已知的电介质（如人体电介质）相比从

低能Ｘ射线反射成像技术。该技术利用低能Ｘ射线反散射来检查体和找出藏在人体上的炸药等

４．２

ｙ射线成像技术

７射线成像技术的基原理

于７线的穿透力更强，照在被检物上生成的图像质量更好。目前国外研制了一种名为“车辆与集装箱检查系统”（ＶＡＣＩＳ）的７射线探测系，据称，该系统可以探测到集装箱中的汽车［１“］。４．３核四

ＮＱＲ是一新兴的爆炸物测技术。原子核总处于周围带电粒子所形的磁场中，如果电场梯度为零，原子核的四极体（相应于原子核体积中具有对称轴的转椭球体部分）与电场相互作用而呈一定的电四极矩，屯四极矩的在，使得原子核具有相应的，表现为一系列分立的能级。果从外部施加一射频场，原子核就会发生级跃迁，即发生原子核电四极共振。生

△Ｅ＝＾口。

式中△Ｅ——原子

＾一普朗克常量；

口。——共

由于子核周围的电场是由围的带电粒所决定的，故不仅不同原子核的电四极矩共振频率不同，即使同一种原子核在不同的分子中时，也会因分子内构的不同而使得四极矩共振频率不同。可见，一旦检测到电极

以判定是哪种原子核，而可以

２００７年６月国外爆炸探测

四矩共振技术的一特性其应用到炸药探测中成为可能［６１。由表１可，炸药富含氮。氮原核呈椭球形，电四极矩不为零，可作为炸药

分对其进行探测。国的量磁公司运用核四极矩共振技术研制出了ＮＱＲ５００中子探测系

图５

ＮＱＲ５００中子探测系统

物体。

表１几种常见炸

４．４中子技术

２０世纪７０年代末，外就开始中子技术探测爆炸物方面的研究。目前已经探索出的技术方主要有热中子法、快中子

４．４．１

热中子法（ＴＮＡ）

炸药富含氮，由放射源产生的热中子击氮的原核，发生热中子俘

ｎ＋１‘Ｎ——｝１５Ｎ‘——｝１５Ｎ＋１０．８ＭｅＶ７

反应先产生不稳定的１５Ｎ。，１５Ｎ。衰变成１５Ｎ时将射出一种能量为１０．８ＭｅＶ的７射线。这个１０．８ＭｅＶ的７射线就征了被检物中１４Ｎ的存在。一定强度的热中子照射下，７射线的强度与物品中含量成正比Ｄ］。７射线谱仪通过探测这种７射线的强度和能量就可以推测被检物中的含量，从

４．４．２

快中子法（ＦＮＡ）

与ＴＮＡ技术似，不同的是ＦＮＡ使用高能快速中子，高快速中子与被测Ｎ、Ｃ和Ｏ三种元素都能发生非

ｎ＋１‘Ｎ——’．１‘Ｎ＋ｎ７＋５．１１ＭｅＶ７ｎ＋１２Ｃ——｝１２Ｃ＋ｎ’＋４．４３ＭｅＶ７

ｎ＋１６０＿１６０＋ｎ７＋６．１３ＭｅＶ７

通过测量这种元素的特征７射线，从而确定品中Ｃ、Ｎ

万方数据

ＴＮＡ技术具有更强的识别能力。４．４．３

ＰＦＮＡ是ＦＮＡ技的发展，它用准直脉冲中子源被检物进行扫描，充分利用快慢７射线的时间差来降低本底。脉快中子与Ｃ、Ｏ、Ｈ、Ｎ四原子核都能相互作用，释放出特征７射线。果脉冲时间达到ｎｓ且中子源单色性好时，通过引入飞行时间技术，可以定出四

问分布［１污］，如图６所示。这种方法具有较高的空间分辨领和较强的识别力，但是需要解决高速准直的脉冲

图６

ＰＦＮＡ系统从三个题，目正处

阶段‘ｚ＇４’引。

４．４．４脉冲快速／中子

该技术同时结合ＰＦＮＡ和ＴＮＡ两种技术的优点。由氘氚脉冲中子管产的弘ｓ级脉冲快中子

性散射，从确定出物品中Ｃ和Ｏ的含量；然后，子被慢化，中子与Ｎ、Ｈ继续发生俘获

样得到物品中Ｎ和Ｈ含量［８’９］。根据物品中Ｃ、Ｎ、Ｏ和Ｈ四种元素的含量比就可以别爆炸物，因为常见炸药

图７

ＰＥＬＡＮ

种名为ＰＥＬＡＮ的中

子探测系

名称面面

表２几种常见

梯恩梯０．８７６ｏ．１２０２．０００２．２８４１６．６４８黑索今Ｏ．３７５

ｏ．０７２ｏ．４２９１．１４２５．９４６毳琴ｏ．３７５

ｏ．０７２ｏ．４２９１．１４２５．９４６太安

０．３１３

Ｏ．１４４０．５３６３．４２６７．４３２硝酸铰

一

ｏ．１４４—

１．７１３一譬；；

。．ｚｓ。

。．?ｚ。。．ｓ，ｔｓ．ｔｚｓｚ．?ｓｓ特屈儿０．６５７

Ｏ．０７２

１．２００

１．８２７

１６．６４８

?３８?

爆破器材Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ

第３６卷第３期

５各种探测技术存在的问题及发展趋势研５．１各探测技术在实施时存

微量药探测的技简单，但要收集蒸气或残留固体颗粒为前提，对于那些不易挥发或封装严密的炸药就不适用了。如质谱分析技术，检测微粒的分子量，因而探测的灵敏度靠性均较高，但这

相比下，块体炸药探技术对采样的赖性小，并且不受景的影响，但该技术也有缺陷。Ｘ射线成像是目前最常见的探测技术，是根据被测物体的密度大小来断的。虽然有的仪器还加上原子序数等信息进步提高准确率，但密度原子序数不能唯一地表征炸药。在实际使用时，对无害物的频误

中技术主要是根炸药含氮富的特点来判断炸药的存在，由于其敏感的只是的含量，而与氮所处学环境无关，即使加上空间分辨技术，也容

５．２探测技术和

从测技术上看，发展趋势方面是由单一探测技术向复合探测技术方向发展；另一方面是探索研究更新的核物理技术，由对单元素的分析转向对多

相的探测设备改进，一是几种不同的探测技术揉合在一个系统里，克服单一术探测的不足；其次要小型便携、无须接触、灵敏度高的新型探测设

爆炸物探测与识别技在国

究，许多探测设备经面世，但仍有缺陷。由于每种技术设备均有特定的使环境和针对性，因此确无误地探测与识别爆炸物仍是值得长期

参考文献

１

Ｌｉｓａ

Ｔｈｉｅｓａｎ，ＤａｖｉｄＨａｎｎｕｍ，Ｄａｌｅ

Ｗ．Ｍｕｒｒａｙ，Ｊｏｈｎ

Ｅ．Ｐａｒｍｅｔｅｒ．ＳｕｒｖｅｙｏｆＣｏｍｍｅｒｃｉａｌｌｙＡｖａｉｌａｂｌｅＥｘｐｌｏ．

ｓｉｖｅｓ

Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ

Ｔｅｃｈｎ０１０９ｉｅｓ

ａｎｄ

Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

２００４．

２００５，２０８８６１２

Ａｎｄｙ

Ｂｕｆｆｌｅｒ＊．

Ｃｏｎｔｒａｂａｎｄ

ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈ

ｆａｓｔ

ｎｅｕ—

ｔｒｏｎｓ［Ｊ］．Ｒａｄｉａｔｉｏｎ

８５３～８６１

Ｐｈｙｓｉｃｓａｎｄ

Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００４，（７１）：

３缪征明．仪器分析［Ｍ］．京；机

４

Ｓａｍｅｅｒ

Ｓｉｎｇｈ＊，ＭａｎｅｅｓｈａＳｉｎｇｈ．Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍｓ（ＥＤＳ）ｆｏｒａｖｉａｔｉｏｎｓｅｃｕｒｉｔｙ［Ｊ］．Ｓ．Ｓｉｎｇｈ，Ｍ．Ｓｉｎｇｈ／ＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．２００３，８３：３１～５５

５

ＡｎｄｒｅｗＧｉｒｓｏｎ，ＩｎＨａｎｄ

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．

ＦｉｒｓｔＤｅｆｅｎｄｅｒ－

Ｉｎｆｏｒｍａ－

Ａｈｕｒａ’ｓＡｎｓｗｅｒｆｏｒＨｏｍｅｌａｎｄｔｉｏｎ

Ｓｅｃｕｒｉｔｙ［Ｊ］．

Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ，２００５，４（４）：６３、６４

６金大志，谈效华，戴晶怡，等．中

的研究进展Ｄ］．原子核物理评论，２００６，２３（１）：７０～７２

７

Ｄｒ．ＣｈａｒｌｅｓＬＲｈｙｋｅｒｄ．ＧｕｉｄｅｆｏｒｔｈｅＳｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆＣｏｒｎ—ｍｅｒｃｉａｌＥｘｐｌｏｓｉｖｅｓＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓｍｅｎｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．

ｆｏｒＬａｗＥｎｆｏｒｃｅ—

Ｊｕｓｔｉｃｅ，

Ｕ，Ｓ

ｌ

ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ

ＮＩＪＧｕｉｄｅ１００一９９

８

ＣｌａｕｄｉｏＢｒｕｓｃｈｉｎｉ．

Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ

ＳｙｓｔｅｍｓｆｏｒｔｈｅＤｉｒｅｃｔ

ＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＥｘｐｌｏｓｉｖｅｓｐｏｓａｌ

（ｆｏｒＥｘｐｌｏｓｉｖｅＯｒｄｎａｎｃｅＤｉｓ—

ｌ

Ｔａｓｋｓ）［Ｊ］．ＳｗｉｔＺｅｒｌａｎｄＥＰＦＬ＆ＶＵＢ．Ｆｉｎａｌ

Ｒｅｐｏｒｔ２００１

９陈心中，徐润君，吴礼林．反恐

基础［Ｊ］．物理学和高新技术，２００２，３ｌ（９）：５８４～５８８

ＴｈｅＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆｔｈｅＦｏｒｅｉｇｎＴｅｃｈｎｏＩｏｇｉｅｓｏｆＥｘｐｌｏｓｉｖｅｓＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ

ＨｕａｎｇＫｕｉ，Ｌｉｎ

Ｙｕａｎｂｉｎ，Ｗｕ

Ｔｅｎｇｆａｎｇ，ＬｉｕＤｉｎｇ

ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｓ，ＰＬＡＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ

Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．（ＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇ，２１０００７）

ｔｒａｃｅ

［ＡＢｓＴＲＡｃＴ］

Ｔｈｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｗｏ

ｔｏ

ｍａｊｏｒｋｉｎｄｓｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ

ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄ

ｂｕｌｋ

ｄｅｔｅｃ—

ｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄｄｅｔｅｃｔａｎｄｉｄｅｎｔｉｆｙｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓｉｎｆｏｒｅｉｇｎｃｏｕｎｔｒｉｅｓ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｉｔ’ｓ

ａｒｅ

ｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅａｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｔｈａｔｂｅｉｎｇｕｓｅｄｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｆｕｒｔｈｅｒ，ｉｔｓｔｕｄ—

ｏｎ

ｉｅｄｔｈｅｐｏｓｓｉｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｏｆｅａｃｈｋｉｎｄｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｂａｓｉｎｇ

ｔｈｅｉｒｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｗｈｅｎｕｓｅｄ．

［ＫＥＹｗＯＲＤＳ］ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

万方数据

基于太赫兹光谱曲线识别的爆炸物识别方法研究

() 首都师范大

第 30 卷 第 2 期Journal of Capital Normal University No . 2

()Apr. , 2009 2009 年 4

基于太赫兹光谱曲线别的

翟 爽 葛庆平

( )首都师范大学信息工程

摘要

运用 THz 光特性可以对各种化学品及爆炸物进行识别. 由于始数据直接进行识别的识别率不理想 ,文首对实验样本 THz 频域光谱数曲线行归一化和 5 点平滑 ,得到了更能表现数据变化趋势和峰值的特 征曲线 ,然后基于该征曲线利用曲线极值算法 , 设计并用 VC + + 610 实现了对 THz 光的分类识别. 通对 RDX、DNT、TNT、HMX 4 种爆物进行对比识别实验 ,运用样本进行训练 ,别率为 96 % ,通更换 2 组样本数据进 行验证实验 ,识别率均为 98 %. 实验证明 ,本文所设的曲线极值分法对 THz 光谱

关键词 :模式识别 , 太赫兹 , 特征提取 , 曲线识别 , 曲

中图分类号 : TP 39114

本文过 4 类爆炸物 THz 光谱的曲线征的 0 引言测定提和一量的验分析 ,提出种识别爆炸 12 ) ( THz 1THz = 10Hz , 中文名称 : 太赫兹技术的物的 THz 光谱特征曲线的新方法 ———曲线极值分 兴起 ,为炸品检查工作提供了一种全新的探 析法 ,此方的优点在于比曲率等方法为简单有 和检查手段. THz 波技术用于

是对炸药及其相关材料检研究

1 THz 数据分析处理热点 ,THz 波在炸药及其相关材料检测研究中的优 1 THz 吸收谱线 () 势主要有以下 3 点: 1不同炸药材料在 THz

( 实验所用的 4 种炸药分别为 : RDX 环三次甲 具有不同的特吸收 ,可以用 THz 技术来

() 的鉴别 ; 2THz 可以穿透非金属非极性材料 , ) ( 三硝胺 [ 钝感的 ]、HMX 环四次甲基四硝胺 [ 钝感可以利用 THz 波来探测隐

域光谱经过傅立变换处后得到 012 THz,2 THz () 炸药 ; 3THz 波的能量比较低 ,不会导致

的吸收系 ,选中 57 个等频率间隔据点进行 电离 ,可以对人生物材料等进行无损检测. 归一化后拟成谱线 ,判别谱线的曲线特征. 实验 2 张平等人以分形几何基本原理为基础 ,提出 曲线共 299 条 , 其中包括 50 组 DNT、50 组 TNT、50 了以分形维数作太赫兹光谱别特征的方法 ,对 组 HMX 和 149 组 RDX 据. 3 不同太赫兹光谱行识 ; 李宁应用密度泛函理 112 THz 吸收谱线特征的提取论 THz 时域光谱技术分别对毒品和西进行鉴 从经过数据归一化和 5 点平后的曲线

()11212 曲线次高值的横坐标置 Xmax02 Xmax02 ?M, 2 Δ 通过曲线的 Xmax01 和 Xmax02 个特征 ,可 当 T与 M为 TNT 类样本的特征

以对 DNT RDX 两类爆炸物进行识别. 识别重点 () () 测物同时满

转移为 HMX 和 TNT 两类

11213 曲线峰值个数 Nmax() 3 N ?A,Δ max

通过对 4 种爆炸物曲线的 Nmax 观发现 ,

曲线 Nmax 值唯一 ,且个数存在别 ,所以将和其 ()5 X ? C Δ ,n 曲线征一起 ,为判断爆炸物曲线类型条件. 当 A , B与 C 为 HMX 类样本的特征值范围 ,Δ Δ Δ 11214 曲线中第一个高峰值横坐标 X和最一个 1 ( ) ( ) ( ) 且被测物同时满足条 3 4 5 , 则该物质为高峰值的横标 X n HMX ; RDX 判别方法同理. X分别进行对 4

() 表 1 线第一个高峰值和最后一个高峰值的横坐标置1通过训练样本 , 得出 Xmax01 DNT

Xmax01 RDX , 将被测曲线的 Xmax01 与 Xmax01 - - 爆炸物类型名称 第一个高峰位置最后

DNT 和 Xmax01 RDX 进行比较. - x= 3 或 11 DNT x = 53 或 541

x= 3 ,5 或 8TNT x = 50 ,51 ,52 或 56() 2过训样本曲 , 得出 Xmax02 DNT 和 1 - x= 2 或 3HMX x = 28 ,29 ,37 或 521 Xmax02 RDX , 将被测曲线

如果这两个条的差值的绝对值均在0 ,1 范 综合以上数据 , 在 HMX 和 TNT 两类

围内则被相应认为 DNT 或 RDX 类曲线. Nmax TNT 个数多 ;同时 ,当这两类爆炸物曲线

21212 TNT 曲

() 1通过训练本 ,出 Xmax01 TNT 的范围 , - HMX > 8 . 经过程序运行后发现 ,这一

将被测曲线的 Xmax01 与测得的 Xmax01 TNT 范 - 作为 HMX 类和 TNT 类这两类曲线的

进行比较 ,差值的绝对值在0 ,1 围内进行记 , 一 ,并且判别效果

() 并继续 2判 ,

2 曲线

() TNT 211 算法原理及示意图

算法原理 :过对待曲线的最高峰值横坐标 范围 ,将被曲线的 Xmax02 与 Xmax02 TNT 范

位置 Xmax01 、次峰值横坐标位置 Xmax02 、峰值 进行比较 ,差值绝对值在0 ,1 范围内 ,记

个数 Nmax 、第一个峰值点横坐标位置 X以及

一个值点横坐标位置 Xn 的测 ,与样本曲线训 () () 3统计 Nmax ,并记录 ,继续步骤 4;练出标准值进行比较 ,通过是符合判断标准 ,识 () 4如果峰值点 x 坐标有超过 50 的 ,将标志 别出曲线的类型. () 记录为 1 ,继续

() () 5如果 X< 8="">

() ( ) ( ) 6如果 Xn > 50 条件 4记录为 1、Nmax > 2 、

( ) ( ) 且 X< 8="" 条件="" 5记录为="" 1,="" 则该曲线被判定为1="">

TNT.

21213 HMX 曲线识别方法

() () 第 1, 3判方法同上述 TNT 曲线 ; () 4如果 Nmax 为 2 , 则被认为是 HMX 曲线 , 若 图 1 曲线极值分

标志记录曲线已被判断 , 出程

数学表达式如

()? T, 1 Xmax01 Δ () 5

() 首都师范大学学报 然科

() 记录为 1 ,继步骤 6,否跳出程序 ;况 ,所以也不采用这种算法 ; 和曲率法类似 ,在运用() 6如果峰值点 X值 > 8 , 标志记录为 1 , 继 幅度法进行曲线分析时发现 ,后类样

高峰值幅度值 ,也出现了相互交叉和

以上述几种方均无法成为判别这 4 类物质类别的() ( 7若之前

有方法. 最后 ,通过对线中的多个特征量进行综 () ( ) ) ( ) 件 5记录 1、X> 8 条件 6记录为 1,则该

合比对 、分析总结和改进思考后 ,提曲线极值

法 ,该算法较前几种算法更加

实验结果如表 2 中表明所示 :这四类爆炸物中 , 如果以上件均无法满足 ,则可判断该

DNT 和 RDX 可以在 Xmax01 和 Xmax02 两个特征量 法

的比后 ,快速判断出曲类别 , TNT 和 HMX 在经 214 实验结果及分析 过与其他特征量标准值进行的比较后 ,也可判断出 表 2 实验结果 曲线类别 ,并且没有出现错误判断 ;过与第一组样 爆物一组第二、三组 实验所需线特征量 本标准值比较后 , 正确识别曲线 249 条 , 别

DNT 100 % 100 % Xmax01 、Xmax02 96 % ;与第二 、三组样本标准值比较 , 正确识别 253 TNT 100 % 100 % Xmax01 、Xmax02 条 ,识别率 98 %. RDX Xmax01 、Xmax02 、Nmax 、X和 X92 % 96 % 1 n

Xmax01 、Xmax02 、Nmax 、X

算法的优点首先是降了手工操作造成判 太赫兹特征光谱可以用于对爆炸物品进行自动断失误的可性 ; 同时 ,在对爆炸别算法方面 , ,具有较高的实用价值. 本文提的

当运用包络法时 ,半数以上的曲线在包络范围之外 析法 ,

而被除 ,导致失去大量测曲线 ,以不采用 ; 之 该算法 ,并完成了对四类爆炸物的 THz 曲特征识 后在运用曲线斜率和曲法时发现 ,每类样本曲 别 ,达到了较高识别率. 一步

线中的斜率和曲率值都存在相互交叉和包含情 据 ,大样本数量 ,并提高识

参 考文 献

() 1 ] 胡颖 ,张存林 ,郭澜涛 ,王晓红. THz 光谱技术在炸及其相关材料检测中的

72.

() ] 张 ,王新 ,李海涛 ,李宇哗 ,耿玉珍 ,李福利. 基于形理论的太赫兹光谱识

672 - 677.

] 宁. 毒品和西的 THz 光谱D . 首都师范学士学位文 ,2006. 3 () ] 杜国红 ,徐克虎 ,杜涛. 平面非规

Based on THz Spectrum of Research Methods on Recognizing Explosives

Zhai Shuang Ge Qingping ()Department of Information Engineering College , Capital Normal University , Beijing 100048 , China

Abstract

THz spectral characteristics can use a variety of chemicals and explosives identification. As the original data directly to identify the recognition rate is not satisfactory , this experimental samples of the THz frequency spectrum data to the curve of normalization and a smooth of five points first , get more performance data have been changes in trends and more characteristics of the peak of the curve , Then , based on the characteristics of the use of extreme algorithm , design them and use VC + + 610 achieve the THz spectral classification identification. Through the RDX , DNT , TNT , HMX explosives were compared to identify the four experiments , the use of 10 samples of each type of training , recognition rate was 96 % , by replacing two group s the sample data for verification experiment , the identification rates of 98 %. Experiments show that the design of this extreme THz spectral analysis of this special curve has a high recognition rate .

Key words :pattern recognition , THz feature extraction , curve recognition , curve processing ( ) 上接第 5 页

() 3 ] Marsden J E , Weistein A. Reduction of symplectic manifolds with symmetryJ . Rep . Math. phy. 1974 ,5 1: 121 - 129. 4 ] Lu J H. Momentum mappings and reduction of Poisson actions , Symplectic geometry , Groupoids , and Intergrable Systems ,

Semiaire and Rhodanian a Berkeley , 1989 , ed. P. Dazord and A. Weinstein , Springer2MSRI publications , 1991 , 209 - 226. 5 ] () Yang Q L . Tangential Poisson Actions and Reductions , Adwances in MathematicsJ . 2002 , 31 2:127 - 134.

( ) Mikami K , Weistein A. Moments and reduction for symplectic groupoids J . Publ . RIMS Kyoto Univ , 1988 , 24 6 ] 1: 121 -

140.

() He L G , Liu L . Dirac Structures and Dirac ManifoldsJ . Advances in mathematics. 2006 ,35 3:336 - 342. 7 ]

() Marsden J E , Ratiu T. Reduction of poisson manifolds , Lett . Math. phy. 1986 , 112: 161 - 169. 8 ]

黄宣国. 李群基础M . 上海 :复旦大

梅向 ,贺龙光. 微分流行黎曼几何. 北 :北京师范学院出版社 ,1987. 10 柯歇尔 J , 邹异明. 辛几何论. 北京 :科学出版社 ,1999. 11 贺龙光. 几何与泊松几何引论. 北京 :首都师范大学

Reduction f or Poisson Manif olds

Cui J ie ()Dept . of science , Beijing Information & Technology University , Beijing 100101

Abstract

3 When a Lie group act on a general poisson manifold with momentum mapping J ?P ?g . There are two case of J , One case is the momentum mapping can be adjusted to equivariant mapping and the other case is the momentum mapping

can’t be adjusted to equivariant mapping. We investigate their reductions repectively.

Key words :Monmentum mapping , Poisson manifold , redcution.

() 作者简介 崔洁 1975 年 4 月 4 日,女 ,汉族 ,河北保定人 ,北京信科技大学理学院讲师 ,硕士学位 ,主要研

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